Аккумуляция электрической энергии
По способу аккумуляции электрической энергии различают механические, электрические и химические системы аккумулирования.
1.7. Механические системы аккумулирования энергии
К механическим системам аккумулирования энергии относятся маховые колеса, гидро- и газоаккумулирующие станции.
Гидроаккумулирующие электростанции
Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) – это гидроэлектростанция, используемая для выравнивания суточной неоднородности графика электрической нагрузки.
Принципиальная схема ГАЭС показана на Рис.28.
Рис.28. Принципиальная схема ГАЭС
Когда электрическая нагрузка в электрической сети (ЭС) минимальна, ГАЭС перекачиванием воды из нижнего бассейна в верхний накапливает (аккумулирует) избыточную энергию, а в часы пиковых нагрузок в ЭС преобразует потенциальное энергию запасенной воды в электрическую. КПД современных ГАЭС достигает 70-75%.
На Рис.29 представлены возможные компоновки гидроаккумулирующих станций.
Рис.29. Компоновки ГАЭС
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.29а). Сокращение числа машин существенно снижает стоимость ГАЭС и открывает перспективы для их применения. Объединение функций генератора и двигателя в одной машине привело к 3-машинной компоновке станций (Рис. 29б), а после появления обратимых гидротурбин, выполняющих роль и турбин, и насосов, количество машин на станции вообще сократилось до двух (Рис. 29в).
Особенно эффективными считаются ГАЭС с 2-машинной компоновкой, однако они характеризуются более низкими значениями КПД в связи с определенными трудностями технического характера.
Газоаккумулирующая электростанция
Идея сохранять произведенную электрическую энергию в виде механической энергии сжатых газов вовсе не нова и насчитывает уже около 40 лет. Однако ее реальное воплощение требует решения многих технических проблем.
Принцип работы газоаккумулирующей станции состоит в следующем: «внепиковая» электрическая энергия ЭС используется для привода компрессора, нагнетающего под давлением газ в подземную полость (естественная пещера, заброшенная шахта или специально созданная полость); когда требуется использовать запасенную энергию, газ под давлением направляется на газотурбинную установку, вырабатывающую электрическую энергию. КПД газоаккумулирующей станции при сегодняшнем уровне техники может составлять 70%.
Супермаховик
Супермаховик – это маховое колесо, которое можно разгонять до очень высокой 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.