Механічний акумулятор електричної енергії. Альтернативні джерела енергії. Акумулятори енергії стисненого газу

25.04.2019

Сторінка 10 з 23

Всі розглянуті вище НЕ мали електромеханічний пристрій управління, що зумовлювало їх невисоку маневреність.

Мал. 2.7. Схеми підключення НЕЕ:
а - шунтовая; б - лінійна
Накопичувачі електричної енергії (НЕЕ) з'єднуються з ЕЕС за допомогою керованого вентильного перетворювача *, час реверсу потужності якого становить 0,01 с, що визначає їх високу маневреність, а отже, можливість комплексного використання в ЕЕС.

* Так як накопичення електричної енергії можливо тільки при постійному струмі.

До накопичувачів електричної енергії відносяться:
паливні елементи (ПЕ);
електрохімічні акумуляторні батареї (ЕАБ);
надпровідникові індуктивні накопичувачі (СПИН);
ємнісні накопичувачі (ЄП).
Існує два способи підключення НЕЕ до енергосістеме- шунтовой і лінійний, відповідні їм схеми наведені на рис. 2.7, а, б.
Розглянемо докладніше блоки накопичувачів електричної енергії.

Пристрій управління НЕЕ.

Воно може бути виконане за трифазною мостовою схемою, що має високі технічні показники і добре зарекомендувала себе при експлуатації існуючих перетворювачів великої потужності. Число мостів в пристрої управління НЕЕ визначається як реально здійсненним потужністю тиристорного мосту, так і режимними міркуваннями, розглянутими нижче.

Мал. 2.8. Схема послідовного включення модулів 12-пульсної перетворювачів, що становлять УУ:
1 - акумулює елемент; 2 - вимикач; 3 міжфазни- реактор; 4 - перетворюючі міст; 5 трансформатор; 6 - трифазна мережа
Кожен міст приєднаний до мережі змінного струму через окремий трансформатор. З метою забезпечення 12-пульсної режиму перетворення, що володіє рядом переваг в порівнянні з шестіпульсним (менше пульсації постійної напруги, краще гармонійний склад змінної напруги та ін.), Вторинні обмотки однієї половини трансформаторів з'єднані в «трикутник», а інший-в «зірку» (рис. 2.8).
Для збільшення коефіцієнта потужності НЕЕ, що визначається кутами регулювання і комутації преобразовательного пристрої, а також ступенем спотворення форми кривої змінної напруги, до шин змінного струму станції підключаються різні пристрої, що компенсують - синхронні компенсатори, статичні тиристорні компенсатори, фільтрокомпенсуючі пристрої. Споживання реактивної потужності може бути зменшено шляхом поділу перетворювача на ряд послідовно включених модулів.

В процесі роботи кути управління всіх модулів, крім одного, підтримуються рівними 0 °. Один з них має кут, який визначається необхідним напругою. Всі модулі, що мають нульовий кут, вимагають лише мінімальної реактивної потужності - для комутації.
На рис. 2.8 показана можлива схема перетворювача, виконаного з метою зменшення споживання реактивної потужності. Перетворювач являє собою послідовне з'єднання 12-пульсної модулів, що містять силові трансформатори. Кожен модуль розрахований на 4,5 кВ і складається з двох 6-пульсної мостів, з'єднаних паралельно з міжфазни- реактором, що врівноважує струм. Два модуля мають значення струму 50 кА, два інших - 30 і 20 кА. Наприклад, при максимальному струмі АЕ накопичувача кожен 6-пульсної міст забезпечує постійний струм 25 кА. Якщо 12-пульсної модуль закоротити механічним вимикачем при нульовому значенні напруги і потім відключити його від трифазної мережі, покращиться повний ККД перетворювача, так як на чотирьох послідовно з'єднаних тиристорах усунеться падіння прямої напруги.
Значення видається активної потужності НЕЕ має в усіх режимах його роботи визначатися системними вимогами і не залежати від мінливого напруги на самому АЕ. Один із способів забезпечення виконання цієї умови - регулювання кутів управління вентилів. Застосування керованих перетворювачів в як сполучна ланка між АЕ та мережею змінного струму дозволяє за рахунок відповідної зміни кутів включення вентилів протягом циклу заряда- розряду НЕЕ здійснити практично будь-який закон регулювання потужності. При цьому потужність на шинах змінної напруги буде залежати від співвідношення між напругою на АЕ і протидії ЕРС перетворювача, яка визначається значенням кутів управління. Однак цей спосіб управління має ряд обмежень. Оскільки потужність перетворювального пристрою НЕЕ може досягати декількох сотень мегават, плечі мостів повинні збиратися з послідовно-паралельно включених вентилів. З метою обмеження перенапруг паралельно до них необхідно підключати активно-ємнісні демпфирующие ланцюжка. При глибокому регулюванні перетворювачів на плечах моста і його окремих вентилях з'являються стрибки зворотної напруги. Необхідні для їх обмеження параметри демпфуючих ланцюжків стають, неприйнятними через втрати потужності в них. При застосуванні інших захисних пристроїв (наприклад, лавинних діодів) дана проблема залишається. Використання тиристорів в потужних перетворювальних установках ще більше збільшує число вентилів в плечах моста і пред'являє більш жорсткі вимоги до пристроїв їх захисту.

Мал. 2.9. Схема перемикання перетворювачів УУ

Мал. 2.10. Зовнішня характеристика перетворювача
З іншого боку, при глибокому симетричному регулюванні за рахунок фазового зсуву струму щодо напруги на шинах станції переважає реактивна складова потужності.

Для її компенсації потрібно неприйнятно велика потужність компенсуючих пристроїв (в межі рівна потужності станції). Ці обставини ускладнюють можливість регулювання, в широких межах кутів управління. Збільшити їх значення можна за рахунок застосування почергового управління перетворювачів, при якому одна частина мостів працює в випрямному режимі, а інша - в інверторному. При такому несиметричному законі управління можна розширити межа регулювання вихідної напруги перетворювача при прийнятному коефіцієнті потужності станції. Однак повністю покласти функцію управління НЕЕ на регулювання кутів включення вентилів, мабуть, не можна. Його доцільно поєднувати з іншими способами забезпечення незалежності потужності на шинах НЕЕ від напруги на АЕ.
На рис. 2.9 зображена схема УУ НЕЕ (для випадку, коли перетворювальне пристрій станції складається з двох мостів), що дозволяє змінити протидії ЕРС перетворювача (в залежності від напруги на АЕ) за рахунок переключення мостів з паралельного з'єднання в послідовне при заряді НЕЕ і, навпаки, при його розряді. Вона може бути застосована для будь-якого числа перетворювальних мостів на станції. Анод кожного моста повинен з'єднуватися через комутаційні апарати з анодом і катодом попереднього по ходу струму моста і анодом подальшого, а катод - з анодом і катодом наступного по ходу струму моста і катодом попереднього.
Розглянемо роботу НЕЕ в режимі інвертування, тому що саме в ньому важливо забезпечити незалежність потужності на шинах накопичувача від напруги на АЕ.
Розглянемо зовнішню характеристику перетворювача для випадку, коли значення активної потужності на шинах змінної напруги підтримується близьким до постійного. У початковий момент (при максимальній напрузі АЕ) перетворювач працює з послідовно з'єднаними мостами. Підтримування заданого струму розряду забезпечується за рахунок регулювання кутів управління інвертора (точки 1-2 на рис. 2.10). У момент зменшення напруги на АЕ до значення, при якому можливе підтримування даного значення струму за рахунок роботи одного моста (точка 2), виробляють перемикання мостів з послідовного з'єднання в паралельне, що відповідає переходу з точки 2 зовнішньої характеристики перетворювачів на точку 3. При цьому струми, що протікають через перетворюючі мости, а отже, струм і потужність станції на шинах змінної напруги не змінюються, так як первинні обмотки трансформаторів з'єднані паралельно. Положення точки 4 визначається відсотком недовикористання АЕ.
Сумарне число мостів станції повинно визначатися допустимою межею регулювання кутів управління вентилів і задається коефіцієнтом використання АЕ. Схема (див. Рис. 2.9) побудована так, що в режимі інвертування при перемиканні станції не відключаються від ЕЕС і комутаційні апарати не обривають робочий постійний струм. Тому їх виготовлення не викличе додаткових труднощів. Короткочасні перевантаження мостів при перемиканні не перевищують допустимі для перетворювачів передачі постійного струму.
Описана схема в поєднанні з регулюванням кутів управління вентилями дозволяє підтримувати необхідну активну потужність, що видається станцією, аж до повного розряду АЕ без перерви енергопостачання. При її допомоги можна забезпечити незалежність споживаної активної потужності від напруги на АЕ і в режимі його заряду (при роботі мостів в режимі випрямляча), але з відключенням станції від ЕЕС на час перекомутацію.
Інший спосіб регулювання потужності НЕЕ - підключення АЕ до перетворювача станції по частинах. Для цього АЕ необхідно розбити на секції, кожна з яких підключається незалежно один від одного до шин постійної напруги преобразовательного пристрою. При цьому потужність станції коливається близько заданого середнього значення; повністю заряджені або розряджені секції необхідно відключати від перетворювача перед черговим підключенням. Досить дрібне дроблення АЕ на секції в поєднанні з регулюванням кутів управління перетворювача дозволить зменшити до допустимого рівня нерівномірність зміни активної потужності АЕ протягом циклу роботи.
Інші відомі способи регулювання ланцюгів заряда- розряду конденсаторних батарей (використання трансформаторів з регулюванням напруги під навантаженням, перемикання конденсаторів батареї з послідовного з'єднання в паралельне і навпаки, підключення перетворювачів до мережі змінного струму через індуктивно-ємнісні статичні перетворювачі, використання в якості перетворювальних пристроїв компенсованих перетворювачів зі штучною комутацією струму вентилів і т. д.) вимагають спеціального розгляду.
Таким чином, НЕЕ з пристроєм управління на базі 12-пульсної перетворювача при застосуванні розглянутих вище способів відповідатиме всім вимогам, що пред'являються до джерел пікової потужності в ЕЕС.
Перейдемо тепер до розгляду можливих типів акумулюють пристроїв для НЕЕ.
Електрохімічні накопичувачі енергії. Електрохімічні накопичувачі енергії або електрохімічні акумуляторні батареї - один з найпоширеніших типів накопичувачів.
Електрохімічний акумуляторна батарея (ЕАБ) складається з багатьох елементів, з'єднаних послідовно і паралельно. Заряд її відбувається у внепіковие годинник, а розряд -в годинник піків навантаження. В процесі заряду електроенергія електрохімічним шляхом перетворюється в хімічну. При розряді накопичена енергія вивільняється в процесі зворотної реакції. Проведена велика робота по вдосконаленню ЕАБ. Виявилося, що свинцеві акумулятори можна застосовувати і в ЕЕС. Однак вартість таких елементів висока. Нові типи акумуляторів засновані на використанні хімічних реакцій таких матеріалів, як цинк, сірка, натрій і т. Д., Що є в достатній кількості і є порівняно дешевими. Випробування хлор-цинкових акумуляторів, які працюють при низьких температурах, дають обнадійливі результати. З акумуляторів, які потребують для роботи більш високих температур, можна згадати натрій-сірчані і літій-сірчані. Особливо успішно ведуться лабораторні випробування натрій-сірчаних ЕАБ.
Характеристики перспективних типів акумуляторів для вирівнювання піків навантаження наведені в табл. 2.3.
Електрохімічні акумуляторні батареї мають ККД, що досягає 65-70%. Очікується, що перспективні акумулятори матимуть термін служби близько 20 років при питомих капіталовкладень в установку близько 150 дол / кВт і питомої енергоємності 250 кВт-год / м3.
Недоліки ЕАБ - обмежене число зарядно-розрядних циклів (не більше 500), малий час зберігання енергії і негативне екологічний вплив.
Таблиця 2.3

Матеріал, який використовується в якості катода, анода	електроліт	Температура, ° С	можлива густина енергії, Вт-ч / кг	можлива густина потужності, Вт / кг
оксид свинцю
Цинк - хлор	Водний розчин
Натрій - сірка
Літій - сірка

Концепції раціонального витрати енергії стають все більш актуальними на загальному тлі технологічного розвитку. Пов'язано це з тим, що енергоефективність як така перейшла з розряду додаткових і часто ексклюзивних властивостей в ранг однієї з ключових споживчих характеристик продукту. Досить згадати найпростіші акумулятори, які використовуються в цифровій техніці, електрообладнанні, оснащенні силового інструменту і т. Д. Існують і більш масштабні сфери застосування акумулюють енергію систем, для яких особливо важлива економність енергоспоживання. І цей запит знаходить відгук у спеціалізованих виробників, які випускають накопичувачі енергії з поліпшеними експлуатаційними якостями.

Загальні відомості про енергетичні накопичувачах

У природі чимало постійних і невичерпних джерел енергії, яка і застосовується для обслуговування різних потреб людства. Але для кінцевого її використання вона повинна пройти багато етапів переробки і акумуляції. Цю функцію виконують енергостанції і підстанції. У список їх безпосередніх завдань входить генерація енергії з прийнятними для використання характеристиками, а також її перетворення і розподіл. Основна інфраструктура енергозабезпечення житлових будинків, об'єктів промисловості, інженерного обладнання та інших відповідальних споживачів реалізується через стаціонарні електромережі. У них здійснюється постійне постачання, але сьогодні стабільно зростає попит на автономне обладнання, пристрої та електроприлади. Спеціально для таких споживачів використовується ємнісний накопичувач енергії, який є незалежним але умовно - з певними інтервалами він повинен і сам заряджатися від тих же стаціонарних мереж. Найпростішим прикладом такого накопичувача є телефонна батарея. Наприклад, елемент Li-Ion може мати ємність порядку 2000-3000 мАг. Її буде достатньо на кілька годин або днів автономної роботи обслуговується пристрою в залежності від його моделі. Але після вичерпання цього обсягу акумулятор повинен підключатися до розетки на 220 В для відновлення.

механічні накопичувачі

Дана категорія накопичувачів має саму довгу історію існування. Для ілюстрації таких пристроїв можна привести в приклад гравітаційні системи. Сьогодні вже майже не використовуються, але раніше були широко поширені підйомно-поворотні ворота з противагами. У них використовується енергія вантажу, яка акумулюється і в потрібний момент повертається в тій чи іншій формі - це залежить від конструкційного виконання накопичувача. Крім звичайних вантажів, в якості активного акумулює елемента виступає і рідина. До переваг таких систем можна віднести конструкційну гнучкість. Інженери могли використовувати розгалужені мережі трубопроводів, проходячи через які вода віддавала енергію зв'язаних резервуарів. У наш час подібні накопичувачі енергії представлені у вигляді гідроакумулюючих станцій. Правда, рідинні накопичують пристрої характеризуються невеликим часом зберігання, так як вода випаровується і вимагає регулярного оновлення.

кінетичні накопичувачі

Цю групу в основному представляють коливальні механізми, в яких процес акумуляції реалізується через зворотно-поступальні, обертальні або лінійні руху того ж вантажу. Особливістю таких конструкцій є те, що при необхідності повернення енергії буде здійснюватися так само не безперервно, а порціями - тактами. Класичним прикладом кінетичного накопичувача є механічний годинник. В даному випадку «заряд» проводиться за допомогою заводу механізму, після чого слід поступова віддача енергії від пружинного маятника. Більш сучасну інтерпретацію кінетичних механізмів являє гироскопический акумулятор. Накопичувач енергії в цьому випадку базується на обертовому маховику з ударною функцією. Такі системи знаходять застосування в гідравлічній і пневматичної техніки.

теплові накопичувачі

З технологічної точки зору це найпростіший приклад акумуляції енергії, з процесами якого людина зустрічається всюди. Нагрітий під прямими променями сонця металевий паркан вже стає акумулятором тепла, так як зберігає його в своїй структурі. Також і інші матеріали можуть виступати накопичувачами тепла. Ефективність їх роботи в цій якості буде залежати від питомої та об'ємної теплоємності. Наприклад, теплоємність води становить 4,2 кДж, а у стали вона невелика - лише 0,46 кДж. І все ж коли мова йде про цілеспрямовану акумуляції, то частіше використовують металеві накопичувачі теплової енергії або масляні. Це рішення виправдано прагненням до оптимізації конструкції. Сучасні конвектори та радіатори переважно виготовляються зі сталі та алюмінію. Знову ж таки, деякі моделі наповнюються більш вигідними в показниках утримання теплової енергії матеріалами.

Електричні накопичувачі енергії

Наймасовіший вид енергії - електрика. Тому дана категорія розвивається найбільш активно, пропонуючи все нові і більш досконалі рішення. На даний момент найпоширенішим акумулятором електроенергії є радіотехнічний конденсатор. Він характеризується високою швидкістю віддачі та накопичення енергії, не обмежуючи робочі процеси навколишніх умов. Наприклад, більшість моделей можуть використовуватися в умовах підвищених або вкрай низьких температур. І знову ж таки, з метою оптимізації електричні накопичувачі енергії наповнюються спеціальними електролітичними елементами з високою питомою ємністю.

хімічні накопичувачі

В процесі роботи таких накопичувачів відбувається хімічна реакція. Джерелом енергії в даному випадку буде сама організація умов для цієї реакції і забезпечення активності задіяних компонентів. Причому на виході може утворюватися енергія різних типів. Наприклад, з води може виділятися водень в ході прямого електролізу. Найчастіше при таких способах накопичення виділяється саме паливо. Воно може бути перетворено всередині комплексу забезпечення хімічної реакції або ж передаватися споживачеві в первісному вигляді. Тому накопичувачі енергії можуть виступати і перетворювачами, хоча подібне розширення функцій технічно ускладнює систему.

електрохімічні накопичувачі

Цей вид накопичувачів, як видно з назви, є комбінованим або гібридним. Оскільки хімічні реакції відрізняються високим ступенем ефективності і дешевизною, їх логічно об'єднали із завданням вироблення найбільш затребуваного типу енергії - електрикою. Активним елементом в таких пристроях виступає електроліт. Зокрема, накопичувач енергії для телефону зазвичай виготовляється на основі літій-іонних або літій-полімерних елементів. Це ж стосується акумуляторних блоків для електроінструменту. За характеристиками це цілком вигідні елементи живлення, що відрізняються гідною продуктивністю, високою ємністю і невеликими розмірами. Але електрохімічні батареї мають обмежене число циклів заряду-розряду, в чому і полягає їх головний мінус.

сучасні рішення

Передові компанії, що займаються розробкою високих технологій, просувають і напрямок ємнісних акумуляторів. Так, наприклад, інженери Tesla створили блок Powerwall 2 масою 122 кг, заснований на тих же літій-іонних батареях. Дана установка є модульною і здатна зберігати близько 13,5 кВт * год. Аналогічні розробки пропонує LG. Наприклад, система Chem RESU вміщує близько 10 кВт * год, але в інших експлуатаційних якостях не поступається блоку Tesla. Даний акумулятор є універсальним накопичувачем енергії, який можна використовувати як в побуті, так і в промисловості на виробництвах. Головне, щоб потужності відповідали вимогам до споживають системам.

висновок

У сегменті енергетичних накопичувачів також виділяються різні напрямки технологічного розвитку. Об'єднуються вони лише одним - відповідністю вимогам кінцевих споживачів. Наприклад, накопичувачі електричної енергії для малогабаритної апаратури і обладнання повинні відповідати вимогам надійності і безвідмовності. Широкий ринок цифрової техніки швидше орієнтований на компактні розміри накопичувачів і підвищення їх ємності. Очевидно, що поєднати в одному пристрої всі перераховані якості непросто, тому розробники все ж прагнуть спочатку орієнтувати свою продукцію на конкретні області застосування.

На період відключення мережі або її поломки широко використовуються накопичувачі електричної енергії для будинку. Вони встановлюються, переважно, в приватних будинках і постійно знаходяться в стані підключення. Це дозволяє протягом досить тривалого часу отримувати електроенергію, достатню для освітлення та інших невідкладних побутових потреб.

Як правило, дані прилади використовуються при формуванні електрики нетрадиційними способами. У таких випадках, трапляються перебої в його подачі, і накопичувачі успішно компенсують тимчасова відсутність енергії. За своєю суттю, це акумулятори, здатні заряджатися і розряджатися.

пристрій накопичувачів

Однак, накопичувачі електроенергії виконують функції, ширші, ніж у звичайного акумулятора. Вони є комплексними, інтегрованими конструкціями, здатними не тільки накопичувати енергію, а й її, роблячи придатною для подальшого використання.

Дані пристрої є одним із перших місць на ринку альтернативних енергетичних приладів. Їх основою служать літієві акумулятори. Вони складаються з зарядного пристрою або контролера заряду, перетворювача напруги () і системи управління. Конструкція накопичувачів дозволяє замінити велику кількість обладнання для аварійних систем і в альтернативному електропостачанні. Більшість моделей розраховані на роботу не тільки від стаціонарної мережі, але і від сонячних батарей. Їх середня вихідна потужність складає 5 кіловат. Для нормальної роботи прилад досить просто підключити до мережі.

Застосування накопичувачів електроенергії

Найчастіше, накопичувачі електричної енергії для будинку застосовуються в індивідуальних домашніх господарствах. Перш за все, вони служать основними джерелами живлення при аварійних ситуаціях і централізованих відключеннях електричних мереж. За допомогою цих приладів можна додати потужність для індивідуального енергетичного господарства в період просідань навантажень в години пік в загальних розподільних мереж. Дуже часто, накопичувач електричної енергії, що встановлюється вдома або на дачі, дозволяє в значній мірі підвищити якість енергопостачання.

В даний час, багато споживачів використовують дорогу побутову апаратуру і техніку. Стрибки напруги нерідко викликають її поломку і відмова. При використанні накопичувачів вдається уникнути великої кількості проблем. Створюється стабільну напругу, що забезпечує стійку роботу електроприладів. Відпадає необхідність в короткочасних включеннях генератора. З'являється можливість використовувати тарифи з різними ставками.

Ланцюжок технологічного циклу виробництва електроенергії з необхідністю включає таке ланка, як накопичувач (акумулятор). У традиційних способах генерації електроенергії енергетичні запаси накопичуються в попередньому, "не електричному» вигляді, і це ланка - накопичувач енергії, знаходиться безпосередньо перед електрогенератором.

Водосховище гідроелектростанції покликане накопичувати потенційну енергію річкової води в гравітаційному полі Землі, піднімаючи її на деяку висоту за допомогою греблі. Теплова електростанція акумулює в своїх сховищах необхідні для безперебійної роботи запаси твердого або рідкого палива, або здійснює поставку по трубопроводу природного газу, теплотворна здатність якого гарантує необхідний запас енергії. Стрижні реакторів атомних електростанцій є запас ядерного палива, що володіє певним ресурсом доступною для використання ядерної енергії.

Режим постійної потужності доступний для всіх наведених типів генераторів електроенергії. Кількість виробленої енергії регулюється при цьому в широких межах в залежності від рівня насущного енергоспоживання. Альтернативні джерела (енергія вітру, припливів, геотермальних джерел, сонячна енергія) не можуть забезпечити гарантовану постійну потужність генератора на необхідному в даний момент рівні. Накопичувач, тому, є тут не стільки сховищем ресурсів, скільки демпфирующим пристроєм, що робить енергоспоживання менш залежним від коливань потужності джерела. Енергія джерела акумулюється в накопичувачі, а пізніше витрачається, у міру потреби, у вигляді електричної енергії. При цьому її ціна багато в чому залежить від вартості накопичувача.

Характерною рисою накопичувача в альтернативних джерелах енергії є ще й те, що акумульована в ньому енергія може витрачатися на інші цілі. Так, наприклад, при їхній допомозі можуть бути генеровані сильні і надсильні магнітні поля.

Прийняті в фізиці та енергетиці одиниці виміру енергії і співвідношення між ними: 1 кВт год, або 1000 Вт 3600 с - те саме, що і 3.6 МДж. Відповідно 1 МДж еквівалентний 1 / 3,6 кВт год, або 0.278 кВт год

Деякі поширені накопичувачі енергії:

Відразу обмовимося: наведений огляд - не повна класифікація застосовуваних в енергетиці накопичувачів, крім розглянутих тут існують теплові, пружинні, індукційні, різноманітні інші типи накопичувачів енергії.

1. Накопичувач конденсаторного типу

Енергія, запасені конденсатором ємністю 1 Ф при напрузі 220 В, становить: E \u003d CU2 / 2 \u003d 1 2202/2 кДж \u003d 24 200 Дж \u003d 0,0242 МДж ~ 6.73 Вт ч. Маса одного такого електролітичного конденсатора може досягати 120 кг. Яка припадає на одиницю маси питома енергія виявляється рівною трохи більше 0,2 кДж / кг. Годинна робота накопичувача можлива при навантаженні в межах 7 Вт. Електролітичні конденсатори можуть прослужити до 20 років. Іоністори (суперконденсатори) мають велику щільність енергії і потужності (близько 13 Вт ч / л \u003d 46,8 кДж / л і до 6 кВт / л відповідно), при ресурсі близько 1 млн. Циклів заряджання. Незаперечною перевагою конденсаторного накопичувача є можливість використання акумульованої енергії за короткий проміжок часу.

2. Накопичувачі гравітаційного типу

Накопичувачі енергії копрового типу запасають енергію при підйомі баби копра масою 2т і більше на висоту близько 4 м. Рух рухомої частини копра вивільняє потенційну енергію тіла, повідомляючи її електрогенератори. Кількість виробленої енергії E \u003d mgh в ідеальному випадку (без урахування втрат на тертя) складе ~ 2000 10 4 кДж \u003d 80 кДж ~ 22,24 Вт ч. Що припадають на одиницю маси баби копра питома енергія виявляється рівною 0.04 кДж / кг. Протягом години накопичувач здатний забезпечити навантаження до 22 Вт. Очікуваний термін служби механічної конструкції перевищує 20 років. Накопичена тілом в гравітаційному полі енергія також може бути витрачена в короткий проміжок часу, що є перевагою даного варіанту.

Гідравлічний накопичувач використовує енергію води (масою близько 8-10 т) накачаної з колодязя в ємність водонапірної башти. У зворотному русі під дією сили тяжіння вода обертає турбіну електрогенератора. Звичайний вакуумний насос без проблем дозволяє закачати воду на висоту до 10 м. Запасена при цьому енергія E \u003d mgh ~ 10000 8 10 Дж \u003d 0,8 МДж \u003d 0.223 кВт год. Яка припадає на одиницю маси питома енергія виявляється рівною 0.08 кДж / кг. Навантаження, що забезпечується накопичувачем протягом години, знаходиться в межах 225 Вт. Накопичувач може прослужити від 20 років і довше. Вітряний двигун може безпосередньо приводити в дію насос (без перетворення енергії в електричну, що пов'язане з певними втратами), вода в ємності вишки при необхідності може бути використана в інших потребах.

3. Накопичувач на основі маховика

Кінетична енергія обертового маховика визначається наступним чином: E \u003d J w2 / 2, під J мається на увазі власний момент інерції металевого циліндра (так як він обертається навколо осі симетрії), w - кутова швидкість обертання.

При радіусі R і висоті H циліндр має момент інерції:

J \u003d M R ^ 2/2 \u003d pi * p R ^ 4 H / 2

де p - щільність металу - матеріалу циліндра, твір pi * R ^ 2 H - його обсяг.

Максимально можлива лінійна швидкість точок поверхні циліндра Vmax (становить близько 200 м / с для сталевого маховика).

Vmax \u003d wmax * R, звідки wmax \u003d Vmax / R

Максимально можлива енергія обертання Emax \u003d J wmax ^ 2/2 \u003d 0.25 pi * p R2 ^ 2 H V2max \u003d 0.25 M Vmax ^ 2

Яка припадає на одиницю маси енергія становить: Emax / M \u003d 0.25 Vmax ^ 2

Питома енергія в разі, якщо циліндричний маховик зроблений зі сталі, складе близько 10 кДж / кг. Маховик масою 200 кг (з лінійними розмірами H \u003d 0.2 м, R \u003d 0.2 м) запасає енергію Emax \u003d 0.25 pi 8000 0.22 0.2 2002 ~ 2 МДж ~ 0.556 кВт год. Максимальне навантаження, що забезпечується накопичувачем-маховиком протягом години не перевищує 560 Вт . Маховик цілком може прослужити 20 років і більше. Переваги: \u200b\u200bшвидке вивільнення накопиченої енергії, можливість значного поліпшення характеристик шляхом підбору матеріалу і зміни геометричних характеристик маховика.

4. Накопичувач у вигляді хімічної акумуляторної батареї (свинцево-кислотного)

Класична акумуляторна батарея, маючи ємність 190 А год при напрузі на виході 12 В і 50% розрядці здатна видавати струм порядку 10 А протягом 9 годин. Вивільняється енергія складе 10 А 12 В 9 ч \u003d 1.08 кВт ∙ г, або, приблизно, 3.9 МДж за один цикл. Прийнявши масу батареї рівній 65 кг, маємо питому енергію 60 кДж / кг. Максимальне навантаження, яке акумулятор здатний забезпечувати протягом години не перевищує 1080 Вт. Гарантійний термін служби для якісної акумуляторної батареї знаходиться в межах 3 - 5 років, в залежності від інтенсивності експлуатації. Від акумуляторної батареї можливо безпосередньо отримувати електроенергію з вихідним струмом, що досягає тисячі ампер, при вихідній напрузі 12 В, відповідному автомобільному стандарту. З акумулятором сумісні безліч пристроїв, розрахованих на постійну напругу 12 В, доступні перетворювачі 12/220 В різні по потужності на виході.

5. Накопичувач пневматичного типу

Повітря, закачаний в резервуар зі сталі об'ємом 1 кубометр до тиску 40 атмосфер, здійснює роботу в умовах ізотермічного розширення. Робота A, що здійснюються ідеальним газом в умовах T \u003d const, визначається згідно з формулою:

A \u003d (M / mu) R T ln (V2 / V1)

Тут M - маса газу, mu - маса 1 благаючи того ж газу, R \u003d 8,31 Дж / (моль К), T - температура, розрахована за абсолютною шкалою Кельвіна, V1 і V2- початковий і кінцевий обсяг, яку він обіймав газом (при цьому V2 / V1 \u003d 40 при розширенні до атмосферного тиску всередині резервуара). Для ізотермічного розширення справедливий закон Бойля-Маріотта: P1V1 \u003d P2 V2. Приймемо T \u003d 298 0K (250С) Для повітря M / mu ~ 40: 0.0224 \u003d 1785,6 молей речовини, газ здійснює роботу А \u003d 1785,6 8.31 298 ln 50 ~ 16 МДж ~ 4.45 кВт год за цикл. Стінки резервуара, розраховані на тиск в 40-50 атмосфер, повинні мати товщину як мінімум 5 мм, в зв'язку з чим маса накопичувача виявиться близько 250 кг. Запасена даними пневматичним накопичувачем питома енергія дорівнюватиме 64 кДж / кг. Гранична потужність, що забезпечується пневматичним накопичувачем протягом години роботи, складе 4,5 кВт. Гарантований термін служби, як і у більшості накопичувачів, заснованих на виконанні механічної роботи їх конструктивними частинами, становить від 20 років. Переваги даного типу накопичувача: можливість розташування резервуара під землею; резервуаром може служити стандартний газовий балон з використанням відповідного обладнання, вітродвигун здатний безпосередньо передавати рух насосу компресора. Крім того, багато пристроїв безпосередньо використовують акумульовану енергію стисненого в резервуарі повітря.

Наведемо параметри розглянутих типів накопичувачів енергії в зведеній таблиці:

Тип накопичувача енергії	Розрахункова робоча характеристики	величина запасеної енергія, кДж	Питома енергія (на одиницю маси прилади), кДж / кг	Граничне навантаження при роботі накопичувача протягом години, Вт	Очікуваний термін служби, в роках
конденсаторного типу	ємність батареї 1 Ф, напруга 220 В, маса 120 кг	24,2			в межах 20
копрового типу	маса баби копра 2000 кг, максимальний підйом 4 м		0.04		не менше 20
Гравітаційний гідравлічного типу	маса рідини 8000 кг, різниця в висотах 10 м		0.08		не менше 20
маховик	циліндричний маховик зі сталі масою 200 кг, радіус 0,2 м, товщина 0,2 м	2000			не менше 20
Акумулятор свинцево-кислотний	ємність батареї 190 А · год, напруга на виходе12 В, маса батареї 60 кг	3900		1080	мінімум 3 максимум 5
пневматичного типу	резервуар зі сталі ємністю 1 м 3, маса резервуара 2,5ц тиск стисненого повітря 40 атмосфер	16000		4500	не менше 20

механічним накопичувачем (МН), або акумулятором механічної енергії, називається пристрій для запасання і зберігання кінетичної або потенційної енергії з наступною віддачею її для здійснення корисної роботи.

Як і для будь-якого виду накопичувачів енергії (НЕ), характерними режимами роботи МН є заряд (Накопичення) і розряд (Віддача енергії). зберігання енергії служить проміжним режимом МН. У зарядному режимі до МН підводиться механічна енергія від зовнішнього джерела, причому конкретна технічна реалізація джерела енергії визначається типом МН. При розряді МН основна частина збереженої їм енергії передається споживачеві. Деяка частина накопиченої енергії витрачається на компенсацію втрат, що мають місце в розрядному режимі, а в більшості видів МН - і в режимах зберігання.

Оскільки в ряді накопичувальних установок час заряД3 може набагато перевершувати час розряду (Г3 »гр), ^ можливе істотне перевищення среднеразрядяой мій" ності РР над середньою потужністю Р3 заряду МН. Таким чином, в МН накопичувати енергію допустимо за допомогою порівняно малопотужних джерел.

Основні різновиди МН підрозділяються на статичні, динамічні і комбіновані пристрої.

статичні МН запасають потенційну енергію за допомогою пружного зміни форми або об'єму робочого тіла або при його переміщенні проти напрямку сили тяжіння в гравітаційному полі. Тверде, рідинне або газоподібне робоче тіло цих МН має статичний стан в режимі зберігання енергії, а заряд і розряд НЕ супроводжуються рухом робочого тіла.

динамічні МН акумулюють кінетичну енергію переважно в обертових масах твердих тіл. Умовно - до динамічних МН можна віднести також накопітельние- пристрої прискорювачів заряджених елементарних частинок, в яких запасається кінетична енергія електронів або протонів, циклічно рухомих по замкнутих траєкторіях.

комбіновані МН запасають одночасно кінетичну і потенційну енергію. Прикладом комбінованого МН може служити супермаховик з високоміцного волокнистого матеріалу, що має відносно малий модуль пружності. При обертанні даного МН в ньому поряд з кінетичної енергією запасається потенційна енергія пружної деформації. Під час вилучення накопиченої енергії з такого МН досягається використання обох її видів.

За рівнем питомої накопиченої енергії, що припадає на одиницю маси або обсягу акумулює елемента, динамічні інерційні МН істотно перевершують деякі інші різновиди НЕ (наприклад, індуктивні і ємнісні накопичувачі). Тому МН представляють великий практичний інтерес для різноманітних застосувань в різних галузях техніки і наукових досліджень.

Окремі види МН знайшли до теперішнього часу великомасштабне застосування в електроенергетиці, наприклад гід - Роаккумулірующіе установки електричних станцій. Зарядно - Розрядний цикл їх роботи досягає десятків годин.

Для інерційних МН характерні короткочасні раз- Рядні режими. Відбір енергії від МН супроводжується зменшенням кутової швидкості маховика до допустимого Рівня. В окремих випадках гальмування може відбуватися аж до повної зупинки маховика. Можливі «ударні» Розряди, що відрізняються одноразовим або циклічним відбором збереженої енергії, причому внаслідок великого кінетичного моменту і малого часу розряду МН зниження Кутовий швидкості його ротора відносно невелике, хоча 0тДаваемая потужність може досягати досить високих значень. У такому режимі МН особливі вимоги пред'являються до забезпечення міцності вала. Під впливом крутного моменту в валі виникають небезпечні дотичні напруження, ча. сть кінетичної енергії ротора переходить в потенційну енергію пружних деформацій кручення валу. Для подолання зазначених труднощів в окремих конструкціях МН передбачаються пружні або фрикційні муфти.

Статичні МН зберігають накопичену енергію, перебуваючи в нерухомому стані. Носіями потенційної енергії в них служать пружно деформовані тверді тіла або стислі гази, що знаходяться під надлишковим тиском, а також маси, підняті на висоту відносно земної поверхні. Типовими прикладами статичних МН є: розтягнуті або стислі пружини, гуми; газобалонні акумулятори та Пневмоакумулятори; ударні пристрої різних копрів, наприклад для забивання паль, які використовують енергію мас в піднятому стані; водосховища гідроакумулюючих електростанцій, баки водонапірних установок. Наведемо основні енергетичні співвідношення і характерні параметри деяких типових пристроїв.

Розглянемо МН з пружними елементами.

вважаємо твердотельную систему лінійної, тоді пружний накопичувальний елемент має постійну жорсткість (або пружність) N= Const. Діюча на нього сила F\u003d Nx пропорційна лінійній деформації х. Досконала при заряді МН елементарна робота dW\u003d Fdx. Повна запасені енергія

W = J Fdx \u003d J Nxdx \u003d NAh2 / 2-FaAh / 2, Oo

деAh - результуюча деформація, обмежена, наприклад, допустимим напругою ар матеріалу; Fn = NAh -Додатків сила.

Оцінимо питому енергію Wya \u003d Wj М, що припадає на одиницю маси M \u003d yV\u003d ySh пружини або стрижня об'ємом V і перетином S, матеріал яких має щільність у і працює на розрив в межах закону Гука a \u003d xfE, причому X* \u003d Xfh- відносна деформація, Е-модуль пружності (Юнга), G ^ Gp. ввівши da \u003d Edx„ можемо записати DW\u003d Fhdx* \u003d Fhdo/ Е і dWya \u003d dW/ ySh \u003d Fda/ ySE, звідки при C \u003d F/ S знаходимо

Wya \u003d] (aljE) da \u003d a2J (2jE).Про

для сталевих пружин приймемо з "\u003d 8 108 Н / м "Е \u003d 2 , 1-1011 Н / м2, у \u003d 7800 кг / м3, тоді Wya ^200 Дж/ Кг. АнаЛогічний розрахунок для технічної гуми дає ^ уд ^ 350 Дж / кг, однак через гістерезисного характеру залежності F= F(X) У циклі «заряд-розряд» виникають втрати і нагрів призводять До поступового старіння (руйнування) гуми, нестабільності й погіршення її пружних властивостей.

Газоаккумулірующая система знаходиться в механічно нерівноважному стані по відношенню до навколишнього середовища: при рівності температур системи і навколишнього середовища (Т \u003d Т0С) тиск системи р\u003e р0, з, тому система може здійснювати роботу. Запас пружної енергії стисненого в балоні об'ємом V газу становить

W \u003d P (vdp \u003d v (p2-pi) .. (4.1)

На одиницю маси М будь-якого стисненого газу відповідно до (4.1) припадає питома енергія

Wya \u003d W / M \u003d V (p2-Pl) IM \u003d Aply. (4.2)

На підставі (4.2) при К \u003d 1м3 значення W- WysM чисельно дорівнює перепаду тиску Ар \u003d р1-р 1. Наприклад, якщо А /? \u003d 250 105 Па (початковий тиск р! \u003d Ю5Па), то ІЛ \u003d 25-106 Дж незалежно від хімічного складу газу. Максимальне значення Wya при розширенні стисненого газу до нульового тиску при даній температурі відповідно до рівняння Менделєєва - Клапейрона PV- MvRyT становить

Wya\u003d WlM \u003d RyTI », (4.3)

Де ц \u003d М / Мц - молярна маса (кг / кмоль); Ry & ~ 8,314 кДж / (кмоль К) - універсальна газова постійна при Тх273 К; /? «105Па; Мм - кількість кіломолей в газі масою М.

З (4.3) видно, що найбільш ефективним є застосування в МН легких газів. Для самого легкого газу - водню (ц \u003d 2 кг / кмоль) при Г \u003d 300 К питома енергія ~ 1250 кДж / кг (або 1250 Дж / г). В (4.3) тиск в явному вигляді не входить, так як Wya визначається по (4.2) відношенням надлишкового тиску газу до його густини. Остання при підвищенні тиску і Г \u003d const зростає за лінійним законом (в ізотермічному процесі PV= Const). Слід зауважити, що доцільні для ефективного застосування розглянутих МН високі тиску обумовлюють з міркувань міцності істотну масу газових балонів, з урахуванням якої значення Wya установки в цілому може знижуватися майже на порядок в порівнянні з fVya з (4.2), (4.3). Оцінку міцності балонів можна провести, користуючись Розрахунковими співвідношеннями § 4.5.7.

Розглянемо гравітаційні накопичувачі енергії.

Гравістатіческая енергія тяжіння Землі (на рівні репетуючи) оцінюється досить високим показником "уд \u003d 61,6 МДж / кг, який характеризує роботу, необхідну для рівномірного переміщення тіла масою М х \u003d Кг з земної поверхні в космічний простір (для порівняння зазначимо, що це значення PVya приблизно в рази більше хімічної енергії 1 кг гасу). При підйомі вантажу масою М на висоту h \u003d x2 - xl запасені потенційна енергія

W \u003d JgMdx \u003d gMh , (4.4)

Де M \u003d const, g \u003d 9,8l м / с2. Згідно (4.4) питома енергія Wya\u003d Wj M\u003d gh залежить тільки від висоти h. Запасені енергія вивільняється при падінні вантажу і здійсненні відповідної корисної роботи в результаті переходу потенційної енергії в кінетичну. Найбільшу питому кінетичну енергію в природі при падінні можуть розвивати метеорити, для яких Wya ^ 60 МДж / кг (без урахування витрат енергії на тертя в атмосфері).

Безпосереднє використання гравістатіческіх сил, зі - здабаемих природними масами, практично неможливо. Однак, перекачуючи воду в підняті штучні водосховища або з підземних водоймищ на поверхню, можна накопичити достатньо велику кількість потенційної енергії для великомасштабних застосувань в електроенергетичних системах. Якщо різниця рівнів h \u003d 200 м, то в розрахунку на масу води М \u003d 103кг запасені енергія по (4.4) дорівнює І\u003e "\u003d +1962 кДж, питома енергія Wya\u003d WjM= 1,962 кДж / кг.

Розглянемо інерційні кінетичні МН.

Кінетичну енергію в принципі можна запасати при будь-якому русі маси. Для рівномірного поступального руху тіла масою М зі швидкістю v кінетична енергія W\u003d Mv2 / 2. Питома енергія Wya\u003d W/ M \u003d v2 j2 залежить (квадратично) тільки від лінійної швидкості тіла. Тіло, що рухається з першою космічною швидкістю км / с, має питому

Енергію Wyax32 МДж / кг.

Для різноманітних енергетичних і транспортних застосувань раціональні МН обертального руху - інерційні МН (маховики). Запасена кінетична енергія W \u003d J & / ~ визначається квадратом кутової швидкості Q \u003d 2nn (П - частота обертання) і моментом інерції J маховика щодо осі обертання. Якщо дисковий маховик має радіус г і масу М = yV (V-Об `єм, у - щільність матеріалу), т °

J ^ Mr2 / 2 \u003d yVr2j2 і W \u003d n2Mr2n2 \u003d n2yVr2n2. Відповідна питома енергія (на одиницю М або V) становить FV/ M\u003d n* r2n2 , Дж / кг і lV0ya\u003d W/ V\u003d n2yr2n2 , Дж / м3. Значення Q і п при заданому розмірі г обмежуються лінійної окружною швидкістю v \u003d Q.r \u003d 2mr, пов'язаної з допустимим розривають напругою матеріалу ар. Відомо, що напруга а в дисковому або циліндричному роторі МН залежить від v2. Залежно від геометричної форми металевих маховиків для них характерні допустимі граничні швидкості на периферії приблизно від 200 до 500 м / с.

Накопичена енергія, зокрема для тонкого ободкового маховика, W\u003d Mv /2 (М-маса обертового кільця). питома енергія Wya\u003d W/ M \u003d v2 /2 не залежить від розмірів кільця і \u200b\u200bвизначається співвідношенням параметрів Ор / у його матеріалу (див. § 4.5.1, де показано, що v2 \u003d opjУ). Слід зазначити, що аналогічна закономірність для Wya ~ avjу має місце також в індуктивних накопичувачах енергії (див. Гл. 2), хоча вони істотно відрізняються від МН по фізичній природі. У загальному випадку при виготовленні накопичувальних елементів МН необхідно застосовувати матеріали з підвищеними значеннями Gp / y\u003e 105 Дж / кг. Найбільш відповідними матеріалами є високоміцні леговані стали, титанові сплави, а також легкі алюмінієві сплави (типу «дюраль») і магнієві сплави (типу «електрон»). Застосовуючи металеві матеріали, можна отримати питому енергію МН до Wm \u003d 200-300 до Дж / кг.

Призначені длй створення маховиків з особливо великими питомими енергіями (супермаховиков) тонковолокнисті матеріали теоретично можуть забезпечити такі рівні показника Wya: скляні нитки-650 кДж / кг, кварцові нитки - 5000 кДж / кг, вуглецеві волокна (зі структурою алмазу) -15000 кДж / кг . Нитки (або виконані з них стрічки) і клеющие смоли утворюють композитну конструкцію, міцність якої нижче, ніж у вихідних волокон. З урахуванням елементів кріплення в реальних супер - маховиках практично досягаються значення Жуд менше Зазначених, але все ж відносно більш високі, ніж в інших різновидах МН. Супермаховики допускають окружні швидкості до v «1000 м / с. Технічна реалізація таких Пристроїв вимагає забезпечення спеціальних умов. Наприклад, Необхідна установка маховика в вакуумованому кожусі, так як вказані значення v відповідають надзвукових швидкостей в повітрі (число Маха Ма\u003e 1), які в загальному випадку можуть викликати цілий ряд неприпустимих ефектів: Поява стрибків ущільнення повітря і ударних хвиль, різке підвищення аеродинамічного опору і температури.

А-маса на жорсткій струні; б-упругій обід

Багатошарові волокнисті супермаховики мають досить високою надійністю і безпечніше в експлуатації, ніж суцільні маховики. При неприпустимих навантаженнях, обумовлених інерційними силами, руйнуються "тільки найбільш напружені зовнішні шари волоконної композитної конструкції супермаховика, тоді як руйнування масивного маховика супроводжується розлітанням його розірвалися частин.

Поєднання властивостей статичного і динамічного МН має місце в різних пристроях. Найпростішим з них є що коливається маятник. Циклічний процес взаємного перетворення потенційної енергії в кінетичну може підтримуватися досить довго, якщо компенсувати втрати в маятниковому механізмі.

Розглянемо ілюстративні приклади МН, що запасають при заряді одночасно кінетичну і потенційну енергію. Вони демонструють принципові можливості спільного практичного використання обох видів накопиченої механічної енергії. На рис. 4.1, а показаний вантаж масою М, обертається навколо центру Про на абсолютно жорсткій струні довжиною /, відхиленою від вертикального положення на кут пор. лінійна швидкість v відповідає обертальному руху М по колу радіуса м Потенційна енергія вантажу Wn\u003d gMh обумовлена \u200b\u200bйого підйомом на висоту h в результаті відхилення. Кінетична енергія вантажу становить 1FK \u003d 0,5 Mv2 . На вантаж діє сила F \u003d F "+ Fr. Її інерційна компонента дорівнює FK \u003d Mv lr\u003e значення гравітаціонноі компоненти F T \u003d gM. Оскільки F "/ Fr \u003d r2 / rg \u003d tg (D, остільки Wn/ WK \u003d 2h/ rtg^>. Якщо врахувати ^! що A \u003d / (l - coscp) і r \u003d / sincp, то / г / г \u003d (1 - coscp) / sinср. Таким чином, W"l lFK \u003d 2coscp / (l + cos (p), і в разі порівн-\u003e 0 отримуємо Wn / WK-\u003e 1. Отже, при малих кутах ср запасені енергія fV \u003d JVK + Wn може розподілятися на рівні част (WЗначеніе Wn можна збільшити , якщо закріпити вантаж на пружному підвісі (прутки або струні).

Іншим прикладом спільного накопичення W„ і WK служить обертається тонкоободковий маховик (рис. 4.1, б), який володів пружністю (твердістю) N. Натяг в обід ^ р \u003d NAI пропорційно пружного подовження А / \u003d 2л (г -г0), викликаному інерційними силами AFr \u003d AMv2 / Г, розподілений ними по колу обода радіусом р Рівновага елемента обода масою 2ДМ \u003d 2 (Л // 2л;) Д (р визначається співвідношенням 2A / v \u003d 2A / 7 (() sinAcp ^ Ai ^ Acp, звідки 0,5 Mv2 \u003d 2K2 (r - r0 ) N. Отже, кінетична енергія обода lVK \u003d 2n2 (r - r0 ) N. Оскільки запасені потенційна енергія)