1. Оптимизация структуры генерирующих мощностей, т.Е. Ра­циональный выбор числа, видов, установленной мощности электрических станций;

2. Разработка и использование системы социально-экономических мероприятий, стимулирующих потребителя к уменьшению по­требления в часы максимумов нагрузки энергосистемы;

3. Разработка и внедрение способов и устройств аккумулирова­ния энергии.

Рассмотрим технические возможности аккумулирования различных видов энергии.

Механические системы аккумулирования энергии: гидро- и га­зоаккумулирующие станции, маховые колеса.

Небольшие реки, каких много в Беларуси, малопригодны для регу­лирования мощности в энергосистеме, так как они не успевают запол­нить водой водохранилище. Задачу снятия пиков нагрузки могут помочь решить гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). Принципиальная схема ГАЭС дана на рис. 4.8. Когда электрическая нагрузка в ЭС минимальна, вода из нижнего водохранилища перекачивается в верхнее, при этом по­требляется электроэнергия из системы, т.е. ГАЭС работает в двигатель­ном режиме. В режиме непродолжительных пиков-максимумов нагруз­ки ГАЭС работает в генераторном режиме и, расходуя запасенную в верхнем водохранилище воду, выдает электроэнергию в ЭС. Рельеф Бе­ларуси отличается наличием естественных перепадов местности, что позволяет сооружать станции с небольшим напором 80-110 м. Для Бело­русской энергосистемы характерен значительный дефицит маневренной мощности, поэтому сооружение ГАЭС было бы весьма полезно.

Рис. 4.8. Принципиальная схема ГАЭС.

Первые ГАЭС в начале XX в имели КПД не выше 40%, у современ­ных его значение достигает 70-75%. На рис. 4.9 представлены возмож­ные компоновки гидроаккумулирующих станций. На первых ГАЭС для выработки электроэнергии использовали турбины Т и генераторы Г, а для перекачки воды в верхний бассейн - электрические двигатели Д и насосы Н. Такие станции назвали 4-машинными (рис. 4.9а). Сокращение числа машин существенно снижает стоимость ГАЭС и открывает перс­пективы для их применения. Объединение функций генератора и двига­

теля в одной машине привело к 3-машинной компоновке станций (рис. 4.96). ГАЭС стали особенно эффективными после появления обратимых гидротурбин, выполняющих функции и турбин, и насосов (рис. 4.9в). Ко­личество машин на станции в этом случае сокращается до двух, однако при 2-машинной компоновке КПД более низкий в связи с определенны­ми трудностями технического характера. Весьма перспективно сочета­ние в энергетической системе ГАЭС и ветровых электростанций.

Идея сохранять запасенную ранее энергию в виде механической энергии сжатых газов не нова и насчитывает уже около 40 лет. Однако ее реальное воплощение требует решения многих технических проблем. Принцип работы воздухоаккумулирующей станции состоит в следую­щем: «внепиковая» электрическая энергия ЭС используется для приво­да компрессора, нагнетающего под давлением воздух в подземную по­лость (естественная пещера, заброшенная шахта или специально созданная полость); когда требуется использовать запасенную энергию, воздух под давлением направляется на ГТУ, вырабатывающую элект­рическую энергию и отдающую ее в сеть ЭС в период пика нагрузки. В Германии имеется опыт эксплуатации подобной электростанции. КПД воздухоаккумулирующей станции при сегодняшнем уровне техники может составлять 70%.

Идея аккумулирования энергии в виде механической энергии сжа­тых газов, в частности водорода, весьма перспективна'для реализации в

т ранспортных системах. Водо­род - наиболее экологически чи­стое топливо. Во многих странах ведутся интенсивные научно-ис­следовательские работы по его ис­пользованию на автомобильном транспорте. Водород Н, может храниться не только в газообраз­ной форме, но и в жидкой, а так­же как составная часть какого- либо химического соединения. Вариантом компактного и безо­пасного хранения водорода явля-

Рис.4.9. Компоновки ГАЭС.

стся хранение его в составе особого класса компаундов — металлических гидридов: MgH₂, MgNiH₄и т.п. В них атомарный водород Н «растворен» в металле. Система аккумулирования с использованием металлических гидридов привлекательна для электромобилей будущего без загрязнен­ных выхлопов.

Супермаховик - это маховое колесо, которое можно разгонять до очень высой скорости вращения, не боясь его разрыва. Запасаемая им энергия - это кинетическая энергия вращения самого колеса. Махо­вик соединен с валом генератора и помещен в герметичный корпус, где для уменьшения потерь от трения поддерживается вакуум. Уст­ройство работает как генератор, когда возрастает потребление энер­гии в ЭС, и как электродвигатель, когда энергию целесообразно акку­мулировать. К преимуществам маховиков как аккумуляторов можно отнести высокий КПД (80-90%), бесшумность работы, отсутствие загрязнения окружающей среды, быстроту зарядки и возможность размещения непосредственно вблизи потребителя. Недостатками яв­ляются трудность обеспечения высокой степени концентрации энер­гии, необходимость разгона маховика, значительная стоимость уст­ройства и жесткие требования к материалу махового колеса по прочностным характеристикам из-за опасности разрушения при вы­соких скоростях. Разрабатываются механические системы аккумули­рования энергии на базе маховых колес для транспортных систем. В частности, созданы образцы городских автобусов.

Электрические системы аккумулирования: электростатические и индуктивные системы.

Электростатическая система (рис. 4.10) - емкостный накопитель принципиально представляет собой электрический конденсатор, поме­щенный в вакуум. При подключении его к внешнему источнику тока осуществляется заряда конденсатора благодаря ориентации, смещению диполей диэлектрика и созданию разности потенциалов между пласти­нами конденсатора. Энергия аккумулируется в форме энергии однород­ного электрического поля конденсатора. После отключения внешнего источника конденсатор остается заряженным в течение значительного времени. Скорость утечки заряда определяется состоянием изоляции. При замыкании конденсатора на потребителя запасенная энергия выда­ется во внешнюю электрическую цепь.

Индуктивная система (рис. 4.11) конструктивно представляется ка­тушкой индуктивности (соленоидом) с полым сердечником. При под­соединении ее к внешнему источнику в цепи протекает постоянный ток, создающий внутри и вокруг катушки постоянное магнитное поле. Элек­трическая энергия аккумулируется в виде энергии магнитного поля.

Рис.4.10. Принцип действия емкостного накопителя энергии.

Е - напряженность электрического поля; ±q- электрический заряд на обкладках конденсатора.

После отключения внешнего источника магнитное поле исчезает, а накопленная энергия поступает обратно в электрическую цепь. Обыч­ные катушки индуктивности как накопители энергии практического значения иметь не могут в силу неспособности их сохранять энергию сколько-нибудь длительное время. Практический интерес представля­

ют сверхпроводящие катушки индуктивности с криогенной системой охлаждения, имеющие активное сопротивление равное нулю и могу­щие сохранять накопленную энергию в течение 10-12 часов. Однако такие системы достаточно дороги.

Индуктивные и емкостные накопители могут подключаться че­рез выпрямители к электрической сети переменного тока. На сегод­няшний день конструкций подобных накопителей, имеющих удов­летворительные промышленные характеристики, пока не создано.

Химические системы аккумулирования энергиипредполагают накопление химической энергии в форме энергии связи электронов с ядрами в атомах или связи атомов в молекулах. Пример химического механизма аккумулирования энергии - реакция, происходящая у элект­родов электрических батарей - электрохимических аккумуляторов.

Электрическая батарея - комбинация включенных параллельно или последовательно двух и более электрохимических элементов. Батарея заряжается путем питания электрической энергией от внешнего источ­ника, которая в электрохимических элементах преобразуется в хими­ческую энергию. При подключении электрической батареи на внешнюю нагрузку (потребителя) она снова выдает электрическую энергию. Та­ким образом, электрохимический аккумулятор работает в режиме «за­ряд - разряд». Современные конструкции электрохимических аккуму­ляторов не удовлетворяют ни требованиям централизованного производства электрической энергии, ни использованию в транспорт­ных средствах. Находят применение в основном свинцово-кислотные аккумуляторы для запуска двигателей внутреннего сгорания, прежде всего в автомобилях.

Принципиальная схема электрохимического элемента показана на рис. 4.12. В электролит - слабо концентрированную серную кис­лоту H₂S0₄погружены анод из пористого свинца РЬ, служащий топ­ливом и отдающий электроны, и катод - набор сеток, заполненных перекисью свинца РЬ0₂, на котором происходит восстановление (по­глощение) электронов е веществом-окислителем. Реакции, протека­ющие в электрохимическом элементе в режиме разряда при подклю­чении на внешнюю нагрузку, имеют вид:

• на аноде- РЬ - 2е + SO²' = PbSO„

4 4"

• на катоде -РЬО, + 2е + 4Н⁺ + SO,²= PbSO+ 2Н О.

L 4 4 2

Рис.4.12. Принципиальная схема электрохимического элемента.

Аккумулятор работает, пока оба электрода не покроются сульфа­том свинца PbS0₄. Восстановление аккумулятора осуществляется его зарядкой путем подключения к внешнему источнику напряжения.

Свинцово-кислотные аккумуляторы тяжелы, громоздки, обладают низкой мощностью на единицу массы и генерируют малое количество энергии на единицу массы. Перспективными считаются так называе­мые топливные элементы, которые будут рассмотрены в следующем па­раграфе. Они компактны, просты в эксплуатации и не загрязняют окру­жающую среду.

Аккумуляторы тепловой энергии. Различают две группы уст­ройств накопления тепловой энергии.

В первой группе происходит аккумулирование явной теплоты. Ее накапливание осуществляется путем нагревания рабочего тела акку­мулятора - большой массы какого-либо вещества, термически изоли­рованного от внешней среды. Тот же принцип применяется для накоп­ления холода: резервуар с рабочим телом охлаждается с помошью холодильной установки в ночное время, во время провала нагрузки энергосистемы.

Во второй группе устройств накопление тепловой энергии проис­ходит путем аккумулирования скрытой теплоты. Это осуществляется в результате перехода рабочего тела из одного агрегатного состояния в другое: из твердого в жидкое, из жидкого в парообразное.

Передача тепла потребителю от аккумуляторов первой группы про­исходит за счет охлаждения рабочего тела и понижения его температу­

ры, а от аккумуляторов второй группы — путем возвращения рабочего тела в первоначальное агрегатное состояние.

Аккумуляторы явной теплоты применяются в системах производ­ства электроэнергии, в том числе на солнечных электростанциях. Акку­муляторы скрытой теплоты — для питания потребителей коммунально­бытового сектора (широко применяются в солнечных отопительных установках жилого сектора США), сферы обслуживания.