2.5.2.Способы аккумуляции электричества

При производстве электроэнергии необходимыми составляющими в цепочке являются накопитель энергии и электрогенератор. При производстве энергии традиционными способами накопитель энергии находится до электрогенератора. Например, вода, запасенная в водохранилище гидроэлектростанции, обладает гравитационной энергией, которая может использоваться по мере надобности для вращения турбин электрогенератора. На тепловой электростанции энергия вначале запасается в виде угля, мазута или газа, которые также расходуются по мере надобности. На атомных электростанциях роль накопителя выполняет ядерное топливо. При производстве электрической энергии с использованием так называемых альтернативных источников (например, ветер, солнце) возникает проблема непостоянства их мощности, которая отсутствует при производстве энергии традиционными способами. Поэтому необходимо энергию источника вначале запасти в накопителе энергии, а затем уже энергию накопителя расходовать по мере надобности, преобразуя ее в электрическую энергию. При этом накопитель будет играть роль демпфирующего устройства, сглаживающего колебания мощности источника. Стоимость накопителя играет существенную роль в цене производимой электроэнергии.

Существует несколько разновидностей аккумуляторов электрической энергии.

Конденсаторный накопитель

При емкости конденсатора 1 Ф и напряжении 250 В запасенная энергия составит: E = CU² /2 = 1 * 250² /2 = 31.25 кДж ~ 8.69 Вт · час. Если использовать электролитические конденсаторы, то их масса может составить 120 кг. Удельная энергия накопителя при этом 0.26 кДж/кг. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 9 Вт. Срок службы электролитических конденсаторов может достигать 20 лет. Достоинства: накопленная энергия может быть использована в течение короткого промежутка времени.

Гравитационные накопители

Копрового типа. Вначале поднимаем тело массой 2000 кг на высоту 5 м. Затем тело опускается под действием силы тяжести, вращая электрогенератор. E = mgh ~ 2000 * 10 * 5 = 100 кДж ~ 27.8 Вт · час. Удельная энергия 0.05 кДж/кг. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 28 Вт. Срок службы накопителя может составлять 20 и более лет. Достоинства: накопленная энергия может быть использована в течение короткого промежутка времени.

Гидравлический. Вначале перекачиваем 10 т воды из подземного резервуара (колодца) в емкость на вышке. Затем вода из емкости под действием силы тяжести перетекает обратно в резервуар, вращая турбину с электрогенератором. Легко обеспечить разницу высот 10 м. Тогда E = mgh ~ 10000 * 10 * 10 = 1 МДж = 0.278 кВт · час. Удельная энергия 0.1 кДж/кг. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 280 Вт. Срок службы накопителя может составлять 20 и более лет. Достоинства: при использовании ветродвигателя последний может непосредственно приводить в движение водяной насос, вода из емкости на вышке может использоваться для других нужд.

Маховик

Энергия, запасаемая в маховике, может быть найдена по формуле E = 0.5 J w² , где J – момент инерции вращающегося тела.

Для цилиндра радиуса R и высотой H:

J = 0.5 p r R⁴ H

где r – плотность материала, из которого изготовлен цилиндр.

Предельная линейная скорость на периферии маховика V_max (составляет примерно 200 м/с для стали).

V_max = w_max R или w_max = V_max /R

Тогда E_max = 0.5 J w²_max = 0.25 p r R² H V²_max = 0.25 M V²_max

Удельная энергия составит: E_max /M = 0.25 V²_max

Для стального цилиндрического маховика максимальная удельная энергия составляет приблизительно 10 кДж/кг. Для маховика массой 100 кг (R = 0.2 м, H = 0.1 м) максимальная накопленная энергия может составлять 0.25 * 3.14 * 8000 * 0.2² * 0.1 * 200² ~ 1 МДж ~ 0.278 кВт · час. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 280 Вт. Срок службы маховика может составлять 20 и более лет. Достоинства: накопленная энергия может быть использована в течение короткого промежутка времени, характеристики могут быть существенно улучшены.

Электрохимическая аккумуляторная батарея

Различают два основных типа электрохимических накопителей энергии:

• батарей первичных элементов, которые разряжаются только один раз и не могут больше заряжатся. Только химическая энергия связи может преобразовываться в электрическую, обратная реакция, новый заряд, невозможен.

• батарей вторичных элементов, которые могут заряжаться вновь посредством подачи электрической энергии. Они являются промежуточными накопителями электрической энергии.

Граница между батареями первичных и вторичных элементов условна. Основой батареи является электрохимический аккумулятор.

Основные типы аккумуляторов следующие:

• свинцово-кислотные (стартерные (автомобильные), AGM (герметичные), герметичные гелевые, заливные с намазными пластинами (серия OpzS), тяговые);

• щелочные (никель-кадмиевые, никель-металгидридные);

• литий-ионные (вследствие высокой цены не рассматриваются в качестве аккумуляторов для систем автономного электроснабжения).

Наиболее распространенным типом являются свинцово-кислотные, как с жидким электролитом, так и герметизированные (в последнее время становятся все более популярными вследствие снижения цены).

Есть следующие основные типы свинцовых аккумуляторных батарей, которые можно применять в системах автономного электроснабжения:

• Стартерные – требуют обслуживания и вентиляции. Имеют высокий саморазряд.

• AGM – эти герметизированные, необслуживаемые батареи не требуют вентиллируемого помещения для установки. Недорогие батареи AGM типа прекрасно работают в буферном режиме, т.е. в режиме подзарядки. В таком режиме служат до 10 лет. Если же их использовать в циклическом режиме (т.е. постоянно заряжать-разряжать на хотя бы 30% от емкости), то их срок службы сокращается. Такие АБ используются в недорогих UPS; вообще UPS предназначены для аварийного завершения работ, а не для питания нагрузки в постоянном режиме. Поэтому, учитывая что обычно они стоят в офисах, там и ставят AGM батареи. Если АБ и выйдет из строя преждевременно, все же это во многих случаях дешевле, чем риск потери информации и результатов работы.

• Гелевые батареи лучше выдерживают циклические режимы заряда-разряда. Также, они лучше переносят сильные морозы. Их применение более желательно в системах автономного электроснабжения, когда батареи работают в циклических режимах (заряжаются и разряжаются каждый день) и нет возможности поддерживать температуру аккумуляторов в оптимальных пределах. Гелевые батареи дороже AGM батарей и тем более стартерных. Почти все герметичные аккумуляторы могут устанавливаться на боку.

• Тяговые – предназначены для цикличных режимов. Более подходят для автономных систем энергоснабжения (например, бортовых). Но и значительно дороже стартерных и гелевых АБ, обычно имеют жидкий электролит, требуют обслуживания и вентилируемого помещения для установки.

• Есть еще специальные «солнечные» – специально разработаны для «тяжелых» цикличных режимов. Лучше всего работают заливные батареи с намазными пластинами (серия OpzS). Эти батареи очень часто работают по тому же принципу, что и обычные автомобильные стартерные батареи, однако они спроектированы специально для использования в системах автономного электроснабжения. Имеют пониженное газовыделение. Допускают много циклов заряд-разряда до 60% от номинальной емкости без повреждения и значительного сокращения срока службы. Есть и вариант с герметичным исполнением – серия OpzV. «Солнечные « батареи в России пока не очень распространены, фирмы их возят на заказ до 3 месяцев, и стоят они гораздо дороже. Например, европейские аккумуляторы такого типа емкостью 100 Ач 12В стоят около 350 евро. В последнее время появились китайские аккумуляторы такого типа, цена их значительно меньше европейских и американских. Такие аккумуляторы выпускаются как отдельные банки напряжением 2 В емкостью от 200 Ач и выше. Есть также и батареи напряжением 6 и 12 В емкостью до 260 А*ч.

Ниже приведена таблица параметров АБ.

Таблица 2.3

Параметры аккумуляторных батарей

N	Параметр	AGM	Гелевые трубчатые	Трубчатые с жидким электролитом
1	Газовыделение	Нет газовыделения, может быть установлена в любом месте	Нет газовыделения, может быть установлена в любом месте	Высокое газовыделение, нужно отдельное помещение с вытяжной вентилляцией для размещения батарей
2	Обслуживание электролита	Нет	Нет	Требуется часто
3	Уровень зарядного тока	высокий	средний	низкий
4	Требования к размещению	малый размер элемента, малые занимаемые площади	малый размер элемента, малые занимаемые площади	большой размер элемента, большие занимаемые площади
5	Установка	обычно горизонтально или вертикально	горизонтально или вертикально	только вертикально. Установка друг над другом обычно невозможна для больших батарей
6	Транспортировка	Может транспортироваться в заряженном состоянии	Может транспортироваться в заряженном состоянии	Транспортировка только разряженными и без электролита
7	Саморазряд и восстановление	50% саморазряд за 6 месяцев. Легкое восстановление	50% саморазряд за 6 месяцев. Легкое восстановление	Очень высокий саморазряд. Восстановить трудно
8	Срок службы (при 80% глубине разряда), циклов	500	более 1200	теоретически до 1500
9	Срок хранения при подзаряде	средний	большой	большой
10	Работа при высокой температуре	удовлетворительно, рекомендуется 20±5°С. Более высокие температуры резко снижают срок службы	Хорошо, особенно в полевых условиях	Хорошо, но требуется обслуживание
11	Работа при низкой температуре	удовлетворительно, обычно температура не должна быть ниже -15°С	хорошо, до -25°С	плохо, обычно до -5°С
12	Стратификация (разделение плотности электролита по высоте)	пренебрежимо мала, не требуется выравнивающий заряд	пренебрежимо мала, не требуется выравнивающий заряд	заметная, требуется частый выравнивающий заряд для ее предотвращения
13	Емкость при очень малых токах разряда	хорошо	очень хорошо	удовлетворительно
14	Восстановление после глубокого разряда	удовлетворительно	хорошо	плохо, сильная сульфатация препятствует восстановлению
15	Скорость заряда	Отлично, 6-8 часов для 90% восстановления	Удовлетворительно, 8-10 часов для 90% восстановления	Плохо, 12-15 часов для 90% восстановления
16	Работа при недоразряде	удовлетворительно	хорошо	плохо
17	Влияние перезаряда	плохо, выводит из строя батарею (тепловой пробой)	хорошо	хорошо
18	Работа при недозаряде	удовлетворительно, приводит к сокращению срока службы	хорошо	плохо
19	Тепловой пробой	возможен, хотя и редко	невозможен	не наблюдался
20	Цена	средняя	высокая	низкая

Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея емкостью 190 А · час с выходным напряжением 12 В при 50 % разрядке может выдавать ток величиной 10 А примерно 9 часов. Запасенная энергия составляет 12 * 10 * 9 = 1.08 кВт · час ~ 3.9 МДж за цикл. При массе батареи 70 кг удельная энергия составит 56 кДж/кг. При работе аккумулятор может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 1080 Вт. Срок службы аккумулятора составляет 3 … 5 лет. Достоинства: от аккумулятора можно получать непосредственно электрическую энергию, выходной ток может достигать величины порядка тысячи ампер, выходное напряжение 12 В соответствует автомобильному стандарту, имеется множество устройств, работающих непосредственно от источника постоянного напряжения 12 В, имеются преобразователи 12/220 В различной мощности.

Кислотный аккумулятор не переносит глубокой разрядки, но не прочь подзаряжаться порциями при каждом случае. Щелочной наоборот, не любит отдавать больших токов, зато токи в количестве примерно 1/10 емкости готов отдавать долго и до изнеможения. То есть полный разряд он не только допускает, но и всячески приветствует (поскольку, если зарядить не разряженный полностью щелочной аккумулятор, он не наберет полной емкости – действует так называемый «эффект памяти», наиболее выраженный у никель-кадмиевых аккумуляторов). Заряжать/разряжать щелочной аккумулятор порциями нельзя. Зато при правильной эксплуатации (помимо зарядки/разрядки она подразумевает промывку банок и замену электролита раз в сезон ) щелочники служат по 20 лет. Также, щелочные аккумуляторы плохо заряжаются малыми токами. То есть, ток через них течет, а заряда нет.

Этим объясняется тот факт, что щелочные аккумуляторы не нашли широкого применения в системах автономного электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии. Никель-кадмиевые батареи могут использоваться в некоторых случаях. Хотя они намного дороже кислотных, зато имеют очень большой срок службы и имеют более стабильное напряжение в процессе разряда.

Пневматический накопитель

В стальной резервуар емкостью 1 м³ закачивается воздух под давлением 50 атмосфер. Чтобы выдержать такое давление, стенки резервуара должны иметь толщину примерно 5 мм. Сжатый воздух используется для выполнения работы. При изотермическом процессе работа A, совершаемая идеальным газом при расширении в атмосферу, определяется формулой:

A = (M / m ) R T ln (V₂ / V₁ )

где M – масса газа, m – молярная масса газа, R – универсальная газовая постоянная, T – абсолютная температура, V₁ – начальный объем газа, V₂ – конечный объем газа. С учетом уравнения состояния для идеального газа (P₁ V₁ = P₂ V₂ ) для данной реализации накопителя V₂ / V₁ = 50, R = 8.31 Дж/(моль · град), T = 293 ⁰K, M / m ~ 50 : 0.0224 ~ 2232, работа газа при расширении 2232 * 8.31 * 293 * ln 50 ~ 20 МДж ~ 5.56 кВт · час за цикл. Масса накопителя примерно равна 250 кг. Удельная энергия составит 80 кДж/кг. При работе пневматический накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 5.5 кВт. Срок службы пневматического накопителя может составлять 20 и более лет. Достоинства: накопительный резервуар может быть расположен под землей, в качестве резервуара могут использоваться стандартные газовые баллоны в требуемом количестве с соответствующим оборудованием, при использовании ветродвигателя последний может непосредственно приводить в действие насос компрессора, имеется достаточно большое количество устройств, напрямую использующих энергию сжатого воздуха.

Ниже приведена таблица с параметрами рассмотренных накопителей энергии.

Таблица 2.4

Параметры накопителей.

Накопитель энергии	Характеристики возможной реализации накопителя	Запасенная энергия, кДж	Удельная запасенная энергия, кДж/кг	Максимальное время работы на нагрузку 100 Вт, минут	Срок службы, лет
Конденсаторный	Батарея емкостью 1Ф, напряжением 250 В, масса 120 кг	31.25	0.26	5.2	до 20
Копровый	Масса копра 2 т, высота подъема 5 м	100	0.05	16.7	более 20
Гидравлический гравитационный	Масса воды 10 т, высота перекачки 10 м	1000	0.1	167	более 20
Маховик	Стальной маховик массой 100 кг, диаметр 0.4 м, толщина 0.1 м	1000	10	167	более 20
Свинцово-кислотный аккумулятор	Емкость 190 А · час, выходное напряжение 12 В, масса аккумулятора 25 кг	3900	56	650	3 … 5
Пневматический	Стальной резервуар объемом 1 м3массой 250 кг со сжатым воздухом под давлением 50 атмосфер	20000	80	3300	более 20