8.5. Емкостные накопители

В конденсаторе энергия сосредоточена в изоляторе, находящемся между пластинами. Энергия заряженного конденсатора

, (8.3)

где С – емкость конденсатора, U – напряжение на конденсаторе.

Емкость плоского конденсатора равна

С = ₀ S/ , (8.4)

где ₀ – электрическая постоянная;  – относительная диэлектрическая проницаемость; S – площадь обкладки конденсатора;  – толщина изолятора.

Часто используют понятие удельной энергии конденсатора т.е.

, (8.5)

где m = S – масса диэлектрика, заключенного в конденсаторе.

Подставляя полученное значение m в (8.5) и учитывая (8.3), получим:

. (8.6)

Рис. 8.3. Принцип работы ёмкостного накопителя: 1 – обкладки конденсатора; 2 – диэлектрик; 3 – источник тока; 4 – переключатель; 5 – нагрузка

Таким образом, удельная энергия конденсатора определяется в основном физическими свойствами применяемого в нем изолятора, т.е. пробивным напряжением U_пр = U/, диэлектрической проницаемостью  и удельной плотностью ρ (рис. 8.3).

Емкостные накопители представляют собой батарею последовательно и параллельно соединенных конденсаторов. Отечественная промышленность разработала конденсаторы, обладающие аномально высокой емкостью – до 1Ф/см³. Эти конденсаторы имеют модульную конструкцию, что позволяет создавать достаточно мощные батареи, рассчитанные на большие напряжения (до 10 кВ) и ток в несколько сот килоампер. Энергия батареи таких конденсаторов может достигать нескольких миллионов МДж, что позволяет использовать ее в качестве аккумулятора электроэнергии, работающего в экстремальные часы графика нагрузки энергосистемы.

Для того, чтобы емкостный аккумулятор мог запасать энергию из сети переменного напряжения, он включается в эту сеть через управляемый вентильный преобразователь (рис. 8.4). В режиме потребления мощности (заряд) преобразователь работает в выпрямительном режиме, заряжая емкостный накопитель.

Рис. 8.4. Функциональная схема ёмкостного накопителя: 1 – трансформатор напряжения; 2 – преобразователь, 3 – блок управления; 4 – емкостный накопитель

В режиме выдачи мощности (разряд) производится изменение полярности подключения емкостного накопителя (ЕН) к преобразователю, который при этом работает в режиме инвертора. Причем активная мощность на шинах переменного тока ЕН не должна зависеть от изменяющегося напряжения на ЕН. Это достигается применением управляемых преобразователей .

Емкостные накопители обладают высоким КПД, достигающим 90 %.

Емкостные накопители могут иметь практически любую мощность, необходимую энергосистеме для компенсации тока нагрузки. По сравнению с ГАЭС емкостный накопитель занимает площадь в 100 раз меньше.

При эксплуатации ЕН не требуется специальных устройств для поддержания своей емкости, они не создают сильных внешних магнитных полей и не взрывоопасны.

По оценке многих исследователей, емкостные накопители имеют лучшие технико-экономические характеристики в сравнении с другими видами накопителей. Емкостные накопители в некоторых случаях могут применяться и для аккумулирования возобновляемой энергии.