8.3. Воздушные аккумуляторы

Воздушно-компрессионная аккумуляция имеет место в случаях, когда воздух под давлением используется в качестве одного из основных реагентов топочного процесса энергетической установки. Чаще всего в качестве такой установки используется газотурбинная (ГТУ).

Принцип действия воздушно-аккумулирующей газотурбинной установки (ВАГТУ) заключается в следующем. В подземом резервуаре под давлением собирается воздух, при необходимости пуска в работу ГТУ (пик нагрузки) этот воздух подается в ее камеру сгорания для сжигания топлива. В часы суточного провала нагрузки (или в нерабочие дни) включается компрессор, который, дополняя израсходованный в подземном резервуаре воздух, одновременно создает дополнительную нагрузку системе, выравнивая режим базовых электростанций. Принято считать, что в этом случае полезная мощность турбины повышается не менее чем в три раза вследствие устранения потерь мощности в компрессоре. КПД ГТУ доходит примерно до тридцати процентов.

Поскольку при сжатии воздух нагревается, хранить его в подземных резервуарах следует предварительно охладив. Для этого сооружаются охладители башенного типа, примерно сравнимые с градирнями обычной ТЭС.

К числу основных недостатков ВАГТУ следует отнести работу на дорогом и дефицитном жидком или газообразном топливе, а так же необходимость привязки, установки к местности, вблизи которой имеется достаточно ёмкий естественный подземный резервуар, так как сооружение искусственного резервуара значительно повышает стоимость установки. В случае использования природного газа сооружения ГТУ привязывается к крупным населенным пунктам, или к газопроводу.

8.4 Сверхпроводящие индуктивные накопители

В индуктивном (электромагнитном) накопителе энергия хранится в виде энергии электромагнитного поля, связанного с электрическим током, протекающим в обмотке накопителя. Запасенная в накопителе энергия определяется по формуле

, (8.1)

где I – ток, протекающий в катушке, L – индуктивность катушки.

Удельная энергия катушки вычисляется по формуле

, (8.2)

где В – коэффициент пропорциональности, определяемый геометрическими размерами катушки, ρ – удельная плотность проводника катушки, r – внутренний радиус катушки, N – число витков катушки.

Из (8.1) и (8.2) следует, что для данной катушки запасаемая энергия пропорциональна квадрату силы тока.

Таким образом, для увеличения запасаемой энергии необходимо увеличивать силу тока. Это приводит к резкому увеличению габаритов и массы катушки. Поэтому для конструирования индуктивных накопителей используют сверхпроводящие материалы (сверхпроводники).

Функциональная схема сверхпроводящего индукционного накопителя (СПИН) в упрощенном виде представлена на рис. 8.2.

Рис. 8.2. Функциональная схема СПИН: 1 – трансформатор напряжения; 2 – преобразователь; 3 – блок управления; 4 – сверхпроводящая катушка; 5 – рефрижератор

Так как электроэнергия вырабатывается, передается и потребляется почти полностью в виде переменного тока, а запасается в виде постоянного, то связь СПИН с энергосистемой должна осуществляться c помощью трансформатора и управляемого вентильного преобразователя. В режиме заряда СПИН преобразователь работает в выпрямительном режиме. В режиме выдачи мощности (разряд СПИН) преобразователь работает в режиме инвертора. Трансформатор напряжения работает во время заряда как понижающий, а во время разряда – как повышающий.

Мощность преобразователя определяется конкретными условиями – в зависимости от объема накопителей (мощность 1000 МВт уже освоена – вставка на воздушной линии Россия – Финляндия). С учетом сложного характера работы накопителя в режиме разряда, а также в условиях, различных режимов его работы в энергосистеме, управление преобразователем должно производиться автоматически, с применением ЭВМ.

Рефрижераторы предназначены для поддержания обмотки соленоида в сверхпроводящем состоянии при температуре кипения жидкого гелия (4,2 К). Необходимы также криостаты, изолирующие обмотку от притоков тепла извне.

Сверхпроводящие индуктивные накопители с энергоемкостью 10 000 МВтч представляют собой весьма сложное и дорогостоящее сооружение диаметром до 300 м и высотой около 100 м, расположенное под землей на глубине 150…500 м – в зависимости от прочности пород. Это расположение катушек под землей помогает устранять вредное воздействие на окружающую среду сильного магнитного поля.

Особо следует обратить внимание на систему аварийной защиты СПИН. Энергия, запасенная в СПИН, сравнима по энергоемкости с современными крупными ГАЭС (10¹³-10¹⁴Дж) и сопоставима с энергией крупного землетрясения, эквивалентной энергии, выделяемой при взрыве 10 000 тонн тринитротолуола. Поэтому при спонтанной потере сверхпроводящих свойств в элементе провода катушки энергия, запасенная в накопителе, выделится в виде тепла на участке обмотки, перешедшего в нормальное состояние, и может произойти катастрофический взрыв. Поэтому нельзя допускать, чтобы такая энергия могла высвобождаться самопроизвольно.