Содержание
ВВЕДЕНИЕ
АККУМУЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
СПОСОБЫ АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
2.1 Емкостные и магнитные накопители
2.2 Электрохимические батареи и топливные элементы
2.3 Инерционные (маховичные) накопители энергии
2.4 Пневмо-воздушное аккумулирование (ПВА)
2.5 Тепловое аккумулирование
2.6 Технологии гидравлического аккумулирования энергии возобновляемых источников
3. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВИЭ
ВВЕДЕНИЕ
Конец двадцатого столетия и наступивший двадцать первый век ознаменовались значительным переосмыслением стратегических принципов развития энергетики. На фоне развернувшегося энергетического, экологического и финансово-экономического кризиса можно с уверенностью говорить, что эпоха использования ископаемых источников энергии подходит к концу. На смену им приходят возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Важнейшим вопросом, который необходимо решить для широкого использования ВИЭ является вопрос эффективного перераспределения получаемой от возобновляемых источников энергии во времени, то есть их аккумулирование.
Аккумулирование энергии возобновляемых источников
Важнейшим вопросом, который необходимо решить для широкого использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) является вопрос эффективного перераспределения получаемой от возобновляемых источников энергии во времени. Как известно приход энергии ВИЭ является весьма неравномерным и зависящим от многих факторов (Рис. 4.1) Одновременно и процесс потребления или график нагрузки также неравномерен в зависимости от ритма жизни человека, характера потребления и т.д.
Для согласования этих процессов возможно использование следующих режимов работы установки на ВИЭ:
- работа в энергосистеме параллельно с сетью в режиме максимума выработки;
- недоиспользование энергии возобновляемых источников путем диссипации лишней энергии;
- подстраивание процесса потребления под процесс производства;
- комбинированное использование нескольких источников возобновляемой энергии, обеспечивающих требуемый режим потребления;
- накопление излишков энергии в периоды максимума прихода ВИЭ и отдача в периоды минимумов, т.е. аккумулирование.
Первый режим работы реализован в настоящее время, например на ветродизельных электростанциях (рис. 4.2), а также на крупных сетевых солнечных и ветровых электростанциях (рис. 4.3). Этот режим не требует специальных устройств аккумулирования, так как все процессы согласования нагрузок обеспечивают другие электростанции. Остальные режимы работы более характерны для небольших и изолированных энергосистем, когда процесс регулирования мощности должны осуществлять сами установки на ВИЭ или системы интегрированные с ними.
Режим недоиспользования энергии может оказаться самым простым, но он потребует, во-первых значительного превышения установленной мощности установки над требуемой нагрузкой и во- вторых было бы расточительно безвозвратно терять уже произведенную энергию. Примером такого режима может служить установка с балластным сопротивлением (рис. 4.4).
Режим подстраивания потребления энергии под производство снижает комфортность проживания человека, заставляет секционировать нагрузку, пребывать в режиме ожидания отключения.
Способы аккумулирования энергии возобновляемых источников
Анализируя способы преобразования энергии возобновляемых источников, следует отметить, что проблема аккумулирования является одной из ключевых. В настоящее время существует достаточно много систем аккумулирования, предполагающих хранение энергии в виде тепловой, механической, химической или электрической энергии. Основные виды аккумулирующих систем (АС), которые могут быть использованы для аккумулирования энергии возобновляемых источников (ВИ) изображены на рис. 4.5.
2.1 Емкостные и магнитные накопители
Сверхпроводящие индукционные накопители (СПИН)
При подключении катушки индуктивности L к источнику напряжения U протекающий ток I создает магнитное поле, обладающее энергией
В обычных условиях из-за сопротивления контура эта энергия быстро рассеивается, превращаясь в тепло. СПИН используют явление сверхпроводимости, накапливая энергию магнитного поля, созданного током, циркулирующим в сверхпроводящей катушке, практически без потерь. Благодаря явлению сверхпроводимости энергия, заряженная в катушке, хранится длительное время и может практически мгновенно быть выдана в сеть по требованию.
Для СПИН характерен широкий диапазон изменения выходных токов и напряжений: токи в интервале 103—107 А, напряжения в интервале десятки вольт — единицы мегавольт, и соответственно, мощности до 1012 Вт, энергии до 109 Дж. Удельные энергетические характеристики достаточно высоки и могут достигать значений 100 кДж/кг.
Основными компонентами СПИН являются:
Катушка индуктивности со сверхпроводящей обмоткой - играет роль аккумулятора электрической энергии. Для изготовления обмотки применяются специальные сплавы, интерметаллические соединения TiNb, Nb3 Sn, являющиеся сверхпроводниками второго рода. Эти соединения имеют высокий уровень критической индукции магнитного поля и по ним можно пропускать значительные токи в сверхпроводящем состоянии.
Криостат - специальный термос для хранения холодных жидкостей, изолирующий обмотки находящейся внутри него катушки от притоков тепла извне. В криостат заливают жидкий гелий и чтобы он испарялся не слишком сильно, его окружают азотным экраном - поверх сосуда с жидким гелием. Испаряясь, жидкий азот уменьшает испарение более холодного и дорого гелия.
Рефрижератор - предназначен для поддержания катушки обмотки в сверхпроводящем состоянии при температуре жидкого гелия (< 4.2°К) Потребление энергии на охлаждение составляет около 0.1% в час, что особо не сказывается на эффективности всей системы, Управляемый вентильный преобразователь - предназначен для связи с энергосистемой, работает в режиме, как выпрямителя, так и инвертора. Потери на трансформацию тока 2-3% в каждом направлении. Схема конструкции изображена на рис. 4.6
Работа СПИН сопровождается значительными сжимающими осевыми и распирающими радиальными усилиями, которые возникают под действием мощного электромагнитного поля. Поэтому к надежности конструкции бандажа катушки предъявляются очень жесткие требования. Бандаж, расположенный в зоне криогенных температур выполняют из нержавеющей стали, сохраняющей упругость при таких температурах.
Сверхпроводящие индуктивные накопители энергии (СПИН) имеют широкие перспективы использования, обусловленные возможностью длительного хранения энергии с высоким уровнем времени готовности (время от подачи команды до выдачи энергии в нагрузку -1 мс). Важной в практическом отношении особенностью СПИН является возможность его запитки от источника с малой электрической мощностью и выдаче как активной, так и реактивной мощности. При этом СПИН имеют высочайший кпд - 95-97%, а отсутствие движущихся частей в главных компонентах системы обеспечивает ее высокую надежность.
Основным ограничением, препятствующим получению высокой плотности энергии, является механическая прочность сверхпроводящей катушки. Поскольку магнитные поля и токи здесь громадны, то усилия, действующие на катушку очень велики. Сплавы же применяемые для создания сверхпроводников хрупкие.
Применение СПИН в качестве импульсных энергоисточников ограничивается критичностью сверхпроводников к скорости изменения магнитного поля при накачке и выводе энергии в нагрузку. Особенностью типичных СПИН является сравнительно малое значение рабочего тока (-10 кА). Методы электромашинного и электромеханического управления индуктивностью ИНЭ позволяют увеличить значения полного тока в нагрузке, однако другое ограничение (скорость изменения поля не превышает 20 Тл/с) увеличивает время разрядки до десятков миллисекунд.
При аварийной потере сверхпроводимости запасенная в накопителе энергия выделится в виде джоулева тепла на участке обмотки, перешедшем в нормальное состояние. При этом произойдет катастрофический взрыв с выбросом жидкого азота и гелия в окружающую среду. Поэтому самопроизвольное высвобождение такой энергии должно предотвращаться сложной системой защиты. Огромные магнитные поля, возникающие вокруг сверхпроводящих обмоток, могут оказать опасное воздействие на живую природу и человека. Поэтому необходимо создание буферных зон вокруг территории с работающим СПИН, чтобы обеспечить безопасность, как человека, так и живой природы.
Широкому внедрению в энергетику существующих проектов препятствует очень высокая стоимость, обусловленная необходимостью многочисленного вспомогательного оборудования, массивных опорных конструкций, дорогих материалов, и сложным процессом производства.
Из за высоких капиталовложений СПИН в настоящее время экономически выгодно применять только маломощные системы (100- 1000 кВт), обеспечивающие высокую стабильность и качество электроэнергии ответственных потребителей (например, завода по производству микропроцессоров). Время цикла аккумулирования таких систем составляет всего несколько секунд.
Суперконденсаторы
Энергия, накапливаемая в электрическом поле конденсатора с емкостью С, определяется по формуле:
К числу важнейших достижений электрохимической технологии относится создание суперконденсаторов (СК), которые представляют собой конденсаторы с двойным электрическим слоем. Они отличаются от обычных конденсаторов тем, что для пространственного разделения разноименных зарядов, создающих рабочее электрическое поле, используются не макроскопический диэлектрический слой между проводящими обкладками, а микроскопический поляризованный слой на границе поверхности раздела двух сред. Исследованиями установлено, что максимальная плотность энергии может быть достигнута, если осуществляется контакт полупроводника или металла с диэлектрической (электронно- изолирующей) молекулярной жидкостью, содержащей парные подвижные ионы.
К настоящему времени исследованы системы СК с удельной энергией до 10-25 кДж/кг, что примерно в 100 раз превышает удельную энергию известных конденсаторов. В технологически освоенных образцах накопителей энергии, испытанных в различных режимах разряда с длительностью импульса до 0,1-100 с, достигнуты значения удельной энергии 1-10 кДж/кг. Удельная средняя мощность СК составляет в зависимости от длительности разряда величину 0,1- 10 кВт/кг, что существенно превышает удельную мощность традиционных накопителей энергии (в том числе и аккумуляторов). Количество допустимых циклов "разряд-заряд" для СК различных типов составляет от 104 до 105.
Принцип работы заключается в следующем: на границе раздела фаз (проводник первого рода - электролит) создается двойной электрохимический слой, в котором электролит имеет один знак заряда, а твердое тело — другой. Емкость двойного слоя лежит в пределах 0,1-1,0 мФ/м2. Площадь поверхности раздела фаз может быть очень большой, поэтому и значения удельной емкости границы раздела фаз также достигают высоких значений. Конденсаторы, состоящие из двух электродов и электролита между ними, в которых реализуется емкость двойного слоя, называются двухслойными (рис.4.7).
Дополнительно эти конденсаторы могут иметь фарадеевскую емкость (псевдоемкость), обусловленную разрядом адсорбированных частиц, например, водорода.
В качестве электродов применяются углеродистые материалы, электронопроводящие полимеры, например полипиррол, политиофен и оксиды, а в качестве электролитов - растворы кислот или неводные растворы. Наибольшая достигнутая удельная емкость составляет 360 Ф/г для углеродистых материалов и 768 Ф/г - для оксида рутения.
Выпускаемые суперконденсаторы, в том числе в России, имеют удельную энергию 1,5...5 Втч/кг, удельную мощность до 10 кВт/кг, ресурс более 105 циклов. В перспективе ожидается увеличение удельной энергии до 12 Вт ч/кг, удельной мощности - до 100 кВт/кг.
Основные преимущества — высокие скорости зарядки и разрядки, слабая деградация после сотен тысяч циклов, малый вес, низкая токсичность материалов, высокая эффективность (более 95 %).
Возможность использования данных накопителей значительно ограничена тем, что минимальная длительность разряда характеризуется миллисекундными временами, а генерируемые токи - единицами килоампер. Модульный характер конструкции требует значительного числа контактных соединений, что снижает надежность устройства. Также существует необходимость изменения полярности батарей при переключениях из заряда в разряд и напряжение зависит от степени заряжённости.
Накопители на базе конденсаторов с высокой удельной емкостью можно рассматривать как перспективные устройства, позволяющие комплексно решать проблемы аккумулирования ЭЭ в энергосистемах.
Они могут быть установлены в любой точке сети для выравнивания графиков нагрузки, но на данный момент из-за высокой стоимости широкое использование суперконденсаторов ограничено применением в качестве мобильных источников энергии для бытовой и автомобильной промышленности.