4 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Какой накопитель энергии самый энергоемкий

Какие бывают накопители энергии

Природа подарила человеку разнообразные источники энергии: солнце, ветер, реки и другие. Недостатком этих генераторов бесплатной энергии является отсутствие стабильности. Поэтому в периоды избытка энергии ее запасают в накопителях и расходуют в периоды временного спада. Накопители энергии характеризуют следующие параметры:

  • объем запасаемой энергии;
  • скорость ее накопления и отдачи;
  • удельная плотность;
  • сроки хранения энергии;
  • надежность;
  • стоимость изготовления и обслуживания и другие.

Методов систематизации накопителей множество. Одним из самых удобных является классификация по типу энергии, используемой в накопителе, и по способу ее накопления и отдачи. Накопители энергии подразделяются на следующие основные виды:

  • механические;
  • тепловые;
  • электрические;
  • химические.

Накопление потенциальной энергии

Суть этих устройств незамысловата. При подъеме груза происходит накопление потенциальной энергии, при опускании она совершает полезную работу. Особенности конструкции зависят от вида груза. Это может быть твердое тело, жидкость или сыпучее вещество. Как правило, конструкции устройств этого типа предельно просты, отсюда высокая надежность и длительный срок службы. Время хранения запасенной энергии зависит от долговечности материалов и может достигать тысячелетий. К сожалению, такие устройства обладают низкой удельной энергоемкостью.

Механические накопители кинетической энергии

В этих устройствах энергия хранится в движении какого-либо тела. Обычно это колебательное или поступательное движение.

Кинетическая энергия в колебательных системах сосредоточена в возвратно-поступательном движении тела. Энергия подается и расходуется порциями, в такт с движением тела. Механизм достаточно сложный и капризный в настройке. Широко используется в механических часах. Количество запасаемой энергии обычно невелико и годится только для работы самого устройства.

Накопители, использующие энергию гироскопа

Запас кинетической энергии сосредоточен во вращающемся маховике. Удельная энергия маховика значительно превосходит энергию аналогичного статического груза. Имеется возможность в короткий промежуток времени производить прием или отдачу значительной мощности. Время хранения энергии невелико, и для большинства конструкций ограничено несколькими часами. Современные технологии позволяют довести время хранения энергии до нескольких месяцев. Маховики очень чувствительны к сотрясениям. Энергия устройства находится в прямой зависимости от скорости его вращения. Поэтому в процессе накопления и отдачи энергии происходит изменение скорости вращения маховика. А для нагрузки, как правило, требуется постоянная, невысокая скорость вращения.

Более перспективными устройствами являются супермаховики. Их изготавливают из стальной ленты, синтетического волокна или проволоки. Конструкция может быть плотной или иметь пустое пространство. При наличии свободного места витки ленты перемещаются к периферии вращения, момент инерции маховика изменяется, часть энергии запасается в подвергшейся деформации пружине. В таких устройствах скорость вращения более стабильна, чем в цельнотелых конструкциях, а их энергоемкость гораздо выше. Кроме того, они более безопасны.

Современные супермаховики изготовляют из кевларового волокна. Они вращаются в вакуумной камере на магнитном подвесе. Способны сохранять энергию несколько месяцев.

Механические накопители, использующие силы упругости

Этот тип устройств способен запасать огромную удельную энергию. Из механических накопителей он обладает наибольшей энергоемкостью для устройств с габаритами в несколько сантиметров. Большие маховики с очень высокой скоростью вращения имеют гораздо большую энергоемкость, но они очень уязвимы от внешних факторов и имеют меньшее время хранения энергии.

Механические накопители, использующие энергию пружины

Способны обеспечить самую большую механическую мощность из всех классов накопителей энергии. Она ограничена лишь пределом прочности пружины. Энергия в сжатой пружине может храниться несколько десятилетий. Однако из-за постоянной деформации в металле накапливается усталость, и емкость пружины снижается. В то же время высококачественные стальные пружины при соблюдении условий эксплуатации могут работать сотни лет без ощутимой потери емкости.

Функции пружины могут выполнять любые упругие элементы. Резиновые жгуты, например, в десятки раз превосходят стальные изделия по запасаемой энергии на единицу массы. Но срок службы резины из-за химического старения составляет всего несколько лет.

Механические накопители, использующие энергию сжатых газов

В этом типе устройств накопление энергии происходит за счет сжатия газа. При наличии избытка энергии газ при помощи компрессора закачивается под давлением в баллон. По мере необходимости сжатый газ используется для вращения турбины или электрогенератора. При небольших мощностях вместо турбины целесообразно использовать поршневой мотор. Газ в емкости под давлением в сотни атмосфер обладает высокой удельной плотностью энергии в течение нескольких лет, а при наличии качественной арматуры — и десятки лет.

Накопление тепловой энергии

Большая часть территории нашей страны расположена в северных районах, поэтому значительная часть энергии вынужденно расходуется для обогрева. В связи с этим приходится регулярно решать проблему сохранения тепла в накопителе и извлечении его оттуда при необходимости.

В большинстве случаев не удается достичь высокой плотности запасаемой тепловой энергии и сколько-нибудь значительных сроков ее сохранения. Существующие эффективные устройства в силу ряда своих особенностей и высокой цены не подходят для широкого применения.

Накопление за счет теплоемкости

Это один из самых древних способов. В его основе лежит принцип накопления тепловой энергии при нагревании вещества и отдачи тепла при его охлаждении. Конструкция таких накопителей чрезвычайно проста. Им может быть кусок любого твердого вещества либо закрытая емкость с жидким теплоносителем. Накопители тепловой энергии имеют очень большой срок службы, практически неограниченное количество циклов накопления и отдачи энергии. Но время хранения не превышает нескольких суток.

Аккумулирование электрической энергии

Электрическая энергия — это самая удобная ее форма в современном мире. Именно поэтому электрические накопители получили широкое распространение и наибольшее развитие. К сожалению, удельная емкость дешевых аппаратов невелика, а приборы с большой удельной емкостью слишком дороги и недолговечны. Накопители электрической энергии — это конденсаторы, ионисторы, аккумуляторы.

Конденсаторы

Это самый массовый вид накопителей энергии. Конденсаторы способны работать при температуре от -50 до +150 градусов. Количество циклов накопления-отдачи энергии – десятки миллиардов в секунду. Соединяя несколько конденсаторов параллельно, можно легко получить емкость необходимой величины. Кроме того, существуют переменные конденсаторы. Изменение емкости таких конденсаторов может производиться механическим или электрическим способом либо воздействием температуры. Чаще всего переменные конденсаторы можно встретить в колебательных контурах.

Конденсаторы делятся на два класса – полярные и неполярные. Срок службы полярных (электролитических) меньше, чем неполярных, они больше зависят от внешних условий, но в то же время обладают большей удельной емкостью.

Как накопители энергии конденсаторы — не очень удачные приборы. Они имеют малую емкость и незначительную удельную плотность запасаемой энергии, а время ее хранения исчисляется секундами, минутами, редко часами. Конденсаторы нашли применение в основном в электронике и силовой электротехнике.

Расчет конденсатора, как правило, не вызывает затруднений. Вся необходимая информация по разным типам конденсаторов представлена в технических справочниках.

Ионисторы

Эти приборы занимают промежуточное место между полярными конденсаторами и аккумуляторами. Иногда их называют «суперконденсаторами». Соответственно, они имеют огромное количество этапов заряда-разряда, емкость больше, чем у конденсаторов, но немного меньше, чем у небольших аккумуляторов. Время хранения энергии – до нескольких недель. Ионисторы очень чувствительны к температуре.

Силовые аккумуляторы

Электрохимические аккумуляторы используются, если требуется запасать достаточно много энергии. Лучше всего для этой цели подходят свинцово-кислотные приборы. Их изобрели около 150 лет назад. И с тех пор в устройство аккумулятора не внесли ничего принципиально нового. Появилось много специализированных моделей, значительно возросло качество комплектующих изделий, повысилась надежность аккумуляторной батареи. Примечательно, что устройство аккумулятора, созданного разными производителями, для разных целей отличается лишь в незначительных деталях.

Электрохимические аккумуляторы подразделяются на тяговые и стартовые. Тяговые используются в электротранспорте, источниках бесперебойного питания, электроинструментах. Для таких аккумуляторов характерны длительный равномерный разряд и большая его глубина. Стартовые аккумуляторы могут выдать большой ток в короткий промежуток времени, но глубокий разряд для них недопустим.

Электрохимические аккумуляторы имеют ограниченное количество циклов заряда-разряда, в среднем от 250 до 2000. Даже при отсутствии эксплуатации через несколько лет они выходят из строя. Электрохимические аккумуляторы чувствительны к температуре, требуют длительного времени заряда и строгого соблюдения правил эксплуатации.

Прибор необходимо периодически подзаряжать. Заряд аккумулятора, установленного на транспортное средство, производится в движении от генератора. В зимнее время этого недостаточно, холодная батарея плохо принимает заряд, а потребление электроэнергии на запуск двигателя возрастает. Поэтому необходимо дополнительно проводить заряд аккумулятора в теплом помещении специальным зарядным устройством. Одним из существенных недостатков свинцово-кислотных приборов является их большой вес.

Аккумуляторы для маломощных устройств

Если требуются мобильные устройства с малым весом, то выбирают следующие типы аккумуляторов: никель-кадмиевые, литий-ионные, металл-гибридные, полимер-ионные. У них выше удельная емкость, но и цена много больше. Их применяют в мобильных телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах, видеокамерах и других малогабаритных устройствах. Разные типы аккумуляторов отличаются своими параметрами: количеством циклов зарядки, сроком хранения, емкостью, размером и т. п.

Литий-ионные аккумуляторы большой мощности применяют в электромобилях и гибридных машинах. Они имеют небольшой вес, большую удельную емкость и высокую надежность. В то же время литий-ионные аккумуляторы очень пожароопасны. Возгорание может произойти от короткого замыкания, механической деформации или разрушения корпуса, нарушений режимов заряда или разряда аккумулятора. Потушить пожар довольно трудно из-за высокой активности лития.

Аккумуляторы являются основой многих приборов. Например, накопитель энергии для телефона – это компактный внешний аккумулятор, помещенный в прочный, влагозащищенный корпус. Он позволяет зарядить или запитать сотовый телефон. Мощные мобильные накопители энергии способны заряжать любые цифровые аппараты, даже ноутбуки. В таких устройствах устанавливают, как правило, литий-ионные аккумуляторы большой емкости. Накопители энергии для дома также не обходятся без аккумуляторных батарей. Но это гораздо более сложные устройства. Кроме аккумулятора в их состав входят зарядное устройство, система управления, инвертор. Аппараты могут работать как от стационарной сети, так и от других источников. Выходная мощность в среднем составляет 5 кВт.

Накопители химической энергии

Различают «топливные» и «безтопливные» типы накопителей. Для них требуются специальные технологии и нередко громоздкое высокотехнологичное оборудование. Используемые процессы позволяют получать энергию в разных видах. Термохимические реакции могут проходить как при низкой, так и при высокой температуре. Компоненты для высокотемпературных реакций вводят только тогда, когда необходимо получить энергию. До этого их хранят отдельно, в разных местах. Компоненты для низкотемпературных реакций обычно находятся в одной емкости.

Накопление энергии наработкой топлива

Этот способ включает два совершенно независимых этапа: накопление энергии («зарядка») и ее использование («разрядка»). Традиционное топливо, как правило, обладает большой удельной емкостью энергии, возможностью продолжительного хранения, удобством использования. Но жизнь не стоит на месте. Внедрение новых технологий предъявляет повышенные требования к топливу. Задача решается путем улучшения существующих и создания новых, высокоэнергетических видов топлива.

Широкому внедрению новых образцов препятствует недостаточная отработанность технологических процессов, большая пожаро- и взрывоопасность в работе, необходимость высококвалифицированного персонала, высокая стоимость технологии.

Безтопливное химическое накопление энергии

В этом виде накопителей энергия запасается за счет преобразования одних химических веществ в другие. Например, гашеная известь при нагреве переходит в негашеное состояние. При «разрядке» запасенная энергия выделяется в виде тепла и газа. Именно так происходит при гашении извести водой. Для того чтобы реакция началась, обычно достаточно соединить компоненты. В сущности, это вид термохимической реакции, только протекает она при температуре в сотни и тысячи градусов. Поэтому используемое оборудование гораздо сложнее и дороже.

Какой накопитель энергии самый энергоемкий. Compressed Air Energy Storage (CAES) — Пневматический аккумулятор энергии Гравитационные накопители копрового типа

Автономщики часто задаются вопросом — как собрать, сохранить и использовать «лишнюю» энергию. Причин появления недособранных кВт несколько — избыточное количество СБ, стадии заряда, не использующие систему на 100%, излишне солнечные дни, отсутствие хозяев дома и т. д.
Самый простой способ, это аккумуляторы. В зависимости от религиозных убеждений, они могут быть разными: свинцово-кислотными, щелочными, никель-кадмиевыми, «лиферными» и т. д. Но в любом случае, именно аккумуляторная часть автономки составляет от 50%(скорее от 60%) стоимости конечного кВт*ч. Поэтому все танцы именно вокруг них, родимых.
Где-то в разделе отмечалось, что путь развития аккумуляторных технологий развивался не по тому сценарию, который нужен альтернативщикам — эффективность при относительно малых габаритах. Тем ни менее, в частном доме, где нет электических сетей, зачастую, есть много земли. Эта мысль вытекает из простого факта — многие хотят вырваться из городской сутолоки и покупают участки зачастую не просто в дали от городов, и сверх высокой концентрации людей, но и вдали от цивилизации как таковой, где нет подводов коммуникаций, и, даже, электричества. Именно поэтому, очень часто альтернативщики располагают таким типом ресурса, как пространство. Чего не учитывают традиционные аккумуляторные технологии. Значит можно поискать нетрадиционные. АндрейNS , стартовал пару тем по этому вопросу и тем самым натолкнул меня на мысль о поиске вариантов.
Существует много сверхальтернативных способов сохранять альтернативную энергию не в традиционных акках.
И один из них, который я решил представить, это. пневмоаккумулятор!
Принцип простой — лишнее электричество днем, при помощи компрессора превращается в сжатый воздух. Далее, по мере необходимости, мы выпускаем его через пневмомотор, который вращает генератор, заряжающий аккумуляторы ночью, в случае СБ или в безветрие, в случае с ВГ.
Выглядит это примерно так:

Я думаю, что большинству сопалатников принцип понятен.
Принцип принципом, но меня, в первую очередь, интересует экономическое обоснование такого типа аккумуляторов. Интересно, а сколько стоит запасенная таким образом энергия, и может ли она конкурировать с традиционными способами.
Для этого я провел небольшое исследование, что по чём в разрезе пневмоакков. Для удобства и простоты восприятия, все цены будут в долларах, а также опустим некоторые мелочи типа проводов, труб и т. д. Однако компрессор, пневмодвигатель и ген, в расчеты я занес.
Итак.
1. Самое главное — емкость. Это самая дорогая часть пневмоакка, но и самая прочная и надежная с, практически, неограниченными моточасами, циклами или годами. В инете я нашел емкость для газа б/у 16м.куб. примерно за 2к$.
2. Компрессор. Есть много вариантов. От автомобильных со смазкой и охлаждением до полупромышленных, так сказать «для стройки». Я выбрал новую головку (емкость у нас есть), с нужными мне характеристиками — около 80$. Есть вариант с компрессорами для МАЗ-КАМАЗ, так дешевле и надежней, но они не дают требуемое давление (до 16 атмосфер).
3. Пневмомотор. В инете нашел готовый на 250Вт с расходом 6,67 л/сек. Цены на него нет, поэтому будем оперировать ценами на пневмо инструмент. Новая дрель или болгарка стоит около 25$.
4. Генератор. Самый реальный, это автомобильный от, скажем ваза. Новый 80$, б/у 35. Ориентировочное кол-во моточасов от 15к.
Краткое описание конкретной системы. Компрессор имеет производительность 300-400л/мин, что позволяет ему накачать емкость за 10часов. Пневмомотор потребляет 6,67 л/сек, или 24м.куб. в час. Емкости 16 куб, накачанной до 16 атм хватит на 10,7 часов. Тоесть мы имеем10,7 часов х 250Вт = 2,675 кВт. Это примерно сравнимо с автомобильным акком на 225 а*ч. Точнее с одним, 100% циклом. Избыточного электричества, в моей системе, примерно 250дней в году, значит имеем 250 циклов в год.
Стоимость нормального автоакка, за вычетом металлома около 200$. Но он может проработать максимум 250 циклов при 100% разрядах.
Другими словами, данная пневмо-аккумулирующе-генерирующая система, замненяет 1 авто аккумулятор в год. Или 200$ в год.
Теперь к нашему пневмоакку.
1. Емкость. Срок службы от 50 лет. Вообще-то при регулярной покраске лет 500 или 5000, но возьмем 50 и не будем считать краску. Значит 2000$(его стоимость) делим на 50 получаем около 40$ в год.
2. Компрессор. Срок службы примем за 10000 мото-часов. Соответственно — 10000 делим на 250циклов и на 10часов (работы в каждом цикле) получаем 4 года. 80$ делим на 4, получаем 20$ в год.
3. Пневмомотор. Срок службы дешевого пневмоинструмента из магазина не поддается вменяемой оценке. Тем ни менее, посчитаем его за 10000 моточасов, учитывая возможность покупки хорошего инструмента б/у за дешево. Далее 10000 / 250дней / 10 часов получаем те же 4 года. 25$ на четыре на цело не делиться, но мы разделим и получим 6$ в год.
4. Ген. Моторесурс около 20к мото-часов (и не надо со мной спорить!). 20000 / 250 /10 = 8 лет или 10$ в год.

Читать еще:  МТЗ-82 описание технические характеристики основные модификации

Итого имеем:
1. 40$
2. 20$
3. 6$
4. 10$

76$ в год.
Тоесть, заиметь такую пневмо-аккумулирующе-генерирующую систему, почти в 3 раза дешевле, чем покупать по 1 автоакку в год!
И я еще не плюсовал к электро-аккумулятору отдельную зарядку, в которой он, несомненно нуждается.
Вот так вот.
Эти расчеты меня самого мягко скажем удивили. КПД, конечно, никакого — закачиваем 1,5 — 2 кВт, получаем 200-250, но, лично меня это устраивает.
Можно попробовать посчитать чуть по-другому: пневмо-акк генерит по ночам напрямую на акии и можно примерно прикинуть, насколько снизится глубина разряда и, соответственно, на сколько реже менять электро акки, а соответственно, какая экономическая эффективность этой затеи.
Если систему увеличить в 2-10 раз, эффективность, в теории, еще улучшиться.
Похоже, пора приступать к натурным экспериментам. Почти все из набора у меня есть, кроме пневмо-мотора, но его либо куплю, гривен за 50 (6$) либо, что дороже, попрошу у кого-нибудь во временное пользование.

Цепочка технологического цикла производства электроэнергии с необходимостью включает такое звено, как накопитель (аккумулятор). В традиционных способах генерации электроэнергии энергетические запасы накапливаются в предварительном, «не электрическом» виде, и это звено – накопитель энергии, находится непосредственно перед электрогенератором.

Водохранилище гидроэлектростанции призвано накапливать потенциальную энергию речной воды в гравитационном поле Земли, поднимая ее на некоторую высоту при помощи плотины. Тепловая электростанция аккумулирует в своих хранилищах необходимые для бесперебойной работы запасы твердого или жидкого топлива, либо осуществляет поставку по трубопроводу природного газа, теплотворная способность которого гарантирует требуемый запас энергии. Стержни реакторов атомных электростанций представляют собой запас ядерного топлива, обладающего определенным ресурсом доступной для использования ядерной энергии.

Режим постоянной мощности доступен для всех приведенных типов генераторов электроэнергии. Количество производимой энергии регулируется при этом в широких пределах в зависимости от уровня насущного энергопотребления. Альтернативные источники (энергия ветра, приливов, геотермальных источников, солнечная энергия) не могут обеспечить гарантированную постоянную мощность генератора на требуемом в данный момент уровне. Накопитель, поэтому, является здесь не столько хранилищем ресурсов, сколько демпфирующим устройством, делающим энергопотребление менее зависимым от колебаний мощности источника. Энергия источника аккумулируется в накопителе, а позже расходуется, по мере надобности, в виде электрической энергии. При этом ее цена во многом зависит от стоимости накопителя.

Характерной чертой накопителя в альтернативных источниках энергии является еще и то, что аккумулированная в нем энергия может расходоваться на другие цели. Так, например, при их помощи могут быть генерированы сильные и сверхсильные магнитные поля.

Принятые в физике и энергетике единицы измерения энергии и соотношения между ними: 1 кВт ч, или 1000 Вт 3600 с – то же, что и 3.6 МДж. Соответственно 1 МДж эквивалентен 1/3,6 кВт ч, или 0.278 кВт ч

Некоторые распространенные накопители энергии:

Сразу оговоримся: приведенный обзор — не полная классификация применяемых в энергетике накопителей, помимо рассматриваемых здесь существуют тепловые, пружинные, индукционные, многообразные иные типы накопителей энергии.

1. Накопитель конденсаторного типа

Энергия, запасенная конденсатором емкостью 1 Ф при напряжении 220 В, составляет: E = CU2 /2 = 1 2202 /2 кДж = 24 200 Дж = 0,0242 МДж

6.73 Вт ч. Масса одного такого электролитического конденсатора может достигать 120 кг. Приходящаяся на единицу массы удельная энергия оказывается равной чуть более 0,2 кДж/кг. Часовая работа накопителя возможна при нагрузке в пределах 7 Вт. Электролитические конденсаторы могут прослужить до 20 лет. Ионисторы (суперконденсаторы) имеют большую плотность энергии и мощности (порядка 13 Вт ч /л = 46,8 кДж/л и до 6 кВт/л соответственно) , при ресурсе около 1 млн. циклов подзарядки. Неоспоримым достоинством конденсаторного накопителя является возможность использования аккумулированной энергии за краткий промежуток времени.

2. Накопители гравитационного типа

Накопители энергии копрового типа запасают энергию при подъеме бабы копра массой 2т и более на высоту около 4 м. Движение подвижной части копра высвобождает потенциальную энергию тела, сообщая ее электрогенератору. Количество произведенной энергии E = mgh в идеальном случае (без учета потерь на трение) составит

2000 10 4 кДж = 80 кДж

22,24 Вт ч. Приходящаяся на единицу массы бабы копра удельная энергия оказывается равной 0.04 кДж/кг. В течение часа накопитель способен обеспечить нагрузку до 22 Вт. Ожидаемый срок службы механической конструкции превосходит 20 лет. Накопленная телом в гравитационном поле энергия также может быть израсходована в короткий промежуток времени, что является достоинством данного варианта.

Гидравлический накопитель использует энергию воды (массой порядка 8-10 т) накачанной из колодца в емкость водонапорной башни. В обратном движении под действием силы тяжести вода вращает турбину электрогенератора. Обычный вакуумный насос без проблем позволяет закачать воду на высоту до 10 м. Запасенная при этом энергия E = mgh

10000 8 10 Дж = 0,8 МДж = 0.223 кВт час. Приходящаяся на единицу массы удельная энергия оказывается равной 0.08 кДж/кг. Нагрузка, обеспечиваемая накопителем в течение часа, находится в пределах 225 Вт. Накопитель может прослужить от 20 лет и дольше. Ветряной двигатель может напрямую приводить в действие насос (без преобразования энергии в электрическую, что сопряжено с определенными потерями), вода в емкости вышки при необходимости может быть использована в иных нуждах.

3. Накопитель на основе маховика

Кинетическая энергия вращающегося маховика определяется следующим образом: E = J w2/2, под J подразумевается собственный момент инерции металлического цилиндра (так как он вращается вокруг оси симметрии), w – угловая скорость вращения.

При радиусе R и высоте H цилиндр имеет момент инерции:

J = M R^2 /2 = pi * p R^4 H/2

где p — плотность металла — материала цилиндра, произведение pi* R^2 H – его объем.

Максимально возможная линейная скорость точек поверхности цилиндра Vmax (составляет порядка 200 м/с для стального маховика).

Vmax = wmax*R, откуда wmax = Vmax/R

Максимально возможная энергия вращения Emax = J wmax^2/2 = 0.25 pi*p R2^2 H V2max = 0.25 M Vmax^2

Приходящаяся на единицу массы энергия составляет: Emax/M = 0.25 Vmax^2

Удельная энергия в случае, если цилиндрический маховик сделан из стали, составит около 10 кДж/кг. Маховик массой 200 кг (с линейными размерами H = 0.2 м, R = 0.2 м) запасает энергию Emax = 0.25 pi 8000 0.22 0.2 2002

0.556 кВт ч. Максимальная нагрузка, обеспечиваемая накопителем-маховиком в течение часа не превосходит 560 Вт. Маховик вполне может прослужить 20 лет и более. Достоинства: быстрое высвобождение накопленной энергиии, возможность значительного улучшения характеристик путем подбора материала и изменения геометрических характеристик маховика.

4. Накопитель в виде химической аккумуляторной батареи (свинцово-кислотной)

Классическая аккумуляторная батарея, имея емкость 190 А ч при напряжении на выходе 12 В и 50 % разрядке способна выдавать ток порядка 10 А в течение 9 часов. Высвобождаемая энергия составит 10 А 12 В 9 ч = 1.08 кВт ч, или, приблизительно, 3.9 МДж за один цикл. Приняв массу батареи равной 65 кг, имеем удельную энергию 60 кДж/кг. Максимальная нагрузка, которую аккумулятор способен обеспечивать в течение часа не превосходит 1080 Вт. Гарантийный срок службы для качественной аккумуляторной батареи находится в пределах 3 — 5 лет, в зависимости от интенсивности эксплуатации. От аккумуляторной батареи возможно непосредственно получать электроэнергию с выходным током, достигающим тысячи ампер, при выходном напряжении 12 В, соответствующем автомобильному стандарту. С аккумулятором совместимы множество устройств, рассчитанных на постоянное напряжение 12 В, доступны преобразователи 12/220 В различные по мощности на выходе.

5. Накопитель пневматического типа

Воздух, закачанный в резервуар из стали объемом 1 кубометр до давления 40 атмосфер, совершает работу в условиях изотермического расширения. Работа A, совершаемая идеальным газом в условиях T=const, определяется согласно формуле:

A = (M / mu) R T ln (V2 / V1)

Здесь M — масса газа, mu – масса 1 моля того же газа, R = 8,31 Дж/(моль К), T — температура, рассчитанная по абсолютной шкале Кельвина,V1 и V2- начальный и конечный объем, занимаемый газом (при этом V2 / V1 = 40 при расширении до атмосферного давления внутри резервуара). Для изотермического расширения справедлив закон Бойля-Мариотта: P1V1 = P2 V2 . Примем T = 298 0K (250С) Для воздуха M / mu

40: 0.0224 = 1785,6 молей вещества, газ совершает работу А= 1785,6 8.31 298 ln 50

4.45 кВт ч за цикл. Стенки резервуара, рассчитанные на давление в 40-50 атмосфер, должны иметь толщину как минимум 5 мм, в связи с чем масса накопителя окажется порядка 250 кг. Запасенная данным пневматическим накопителем удельная энергия окажется равной 64 кДж/кг. Предельная мощность, обеспечиваемая пневматическим накопителем в течение часа работы, составит 4,5 кВт. Гарантированный срок службы, как и у большинства накопителей, основанных на выполнении механической работы их конструктивными частями, составляет от 20 лет. Преимущества данного типа накопителя: возможность расположения резервуара под землей; резервуаром может служить стандартный газовый баллон с использованием соответствующего оборудования, ветродвигатель способен непосредственно передавать движение насосу компрессора. Кроме того, многие устройства напрямую используют аккумулированную энергию сжатого в резервуаре воздуха.

Приведем параметры рассмотренных типов накопителей энергии в сводной таблице:

Какие бывают накопители энергии: виды, преимущества, типы батарей

Природа подарила человеку разнообразные источники энергии: солнце, ветер, реки и другие. Недостатком этих генераторов бесплатной энергии является отсутствие стабильности. Поэтому в периоды избытка энергии ее запасают в накопителях и расходуют в периоды временного спада. Накопители энергии характеризуют следующие параметры:

  • объем запасаемой энергии;
  • скорость ее накопления и отдачи;
  • удельная плотность;
  • сроки хранения энергии;
  • надежность;
  • стоимость изготовления и обслуживания и другие.

Методов систематизации накопителей множество. Одним из самых удобных является классификация по типу энергии, используемой в накопителе, и по способу ее накопления и отдачи. Накопители энергии подразделяются на следующие основные виды:

  • механические;
  • тепловые;
  • электрические;
  • химические.

Накопление потенциальной энергии

Суть этих устройств незамысловата. При подъеме груза происходит накопление потенциальной энергии, при опускании она совершает полезную работу. Особенности конструкции зависят от вида груза. Это может быть твердое тело, жидкость или сыпучее вещество. Как правило, конструкции устройств этого типа предельно просты, отсюда высокая надежность и длительный срок службы. Время хранения запасенной энергии зависит от долговечности материалов и может достигать тысячелетий. К сожалению, такие устройства обладают низкой удельной энергоемкостью.

Механические накопители кинетической энергии

В этих устройствах энергия хранится в движении какого-либо тела. Обычно это колебательное или поступательное движение.

Кинетическая энергия в колебательных системах сосредоточена в возвратно-поступательном движении тела. Энергия подается и расходуется порциями, в такт с движением тела. Механизм достаточно сложный и капризный в настройке. Широко используется в механических часах. Количество запасаемой энергии обычно невелико и годится только для работы самого устройства.

Накопители, использующие энергию гироскопа

Запас кинетической энергии сосредоточен во вращающемся маховике. Удельная энергия маховика значительно превосходит энергию аналогичного статического груза. Имеется возможность в короткий промежуток времени производить прием или отдачу значительной мощности. Время хранения энергии невелико, и для большинства конструкций ограничено несколькими часами. Современные технологии позволяют довести время хранения энергии до нескольких месяцев. Маховики очень чувствительны к сотрясениям. Энергия устройства находится в прямой зависимости от скорости его вращения. Поэтому в процессе накопления и отдачи энергии происходит изменение скорости вращения маховика. А для нагрузки, как правило, требуется постоянная, невысокая скорость вращения.

Более перспективными устройствами являются супермаховики. Их изготавливают из стальной ленты, синтетического волокна или проволоки. Конструкция может быть плотной или иметь пустое пространство. При наличии свободного места витки ленты перемещаются к периферии вращения, момент инерции маховика изменяется, часть энергии запасается в подвергшейся деформации пружине. В таких устройствах скорость вращения более стабильна, чем в цельнотелых конструкциях, а их энергоемкость гораздо выше. Кроме того, они более безопасны.

Читать еще:  Как записать музыку из iTunes на USB носитель

Современные супермаховики изготовляют из кевларового волокна. Они вращаются в вакуумной камере на магнитном подвесе. Способны сохранять энергию несколько месяцев.

Механические накопители, использующие силы упругости

Этот тип устройств способен запасать огромную удельную энергию. Из механических накопителей он обладает наибольшей энергоемкостью для устройств с габаритами в несколько сантиметров. Большие маховики с очень высокой скоростью вращения имеют гораздо большую энергоемкость, но они очень уязвимы от внешних факторов и имеют меньшее время хранения энергии.

Механические накопители, использующие энергию пружины

Способны обеспечить самую большую механическую мощность из всех классов накопителей энергии. Она ограничена лишь пределом прочности пружины. Энергия в сжатой пружине может храниться несколько десятилетий. Однако из-за постоянной деформации в металле накапливается усталость, и емкость пружины снижается. В то же время высококачественные стальные пружины при соблюдении условий эксплуатации могут работать сотни лет без ощутимой потери емкости.

Функции пружины могут выполнять любые упругие элементы. Резиновые жгуты, например, в десятки раз превосходят стальные изделия по запасаемой энергии на единицу массы. Но срок службы резины из-за химического старения составляет всего несколько лет.

Механические накопители, использующие энергию сжатых газов

В этом типе устройств накопление энергии происходит за счет сжатия газа. При наличии избытка энергии газ при помощи компрессора закачивается под давлением в баллон. По мере необходимости сжатый газ используется для вращения турбины или электрогенератора. При небольших мощностях вместо турбины целесообразно использовать поршневой мотор. Газ в емкости под давлением в сотни атмосфер обладает высокой удельной плотностью энергии в течение нескольких лет, а при наличии качественной арматуры — и десятки лет.

Накопление тепловой энергии

Большая часть территории нашей страны расположена в северных районах, поэтому значительная часть энергии вынужденно расходуется для обогрева. В связи с этим приходится регулярно решать проблему сохранения тепла в накопителе и извлечении его оттуда при необходимости.

В большинстве случаев не удается достичь высокой плотности запасаемой тепловой энергии и сколько-нибудь значительных сроков ее сохранения. Существующие эффективные устройства в силу ряда своих особенностей и высокой цены не подходят для широкого применения.

Накопление за счет теплоемкости

Это один из самых древних способов. В его основе лежит принцип накопления тепловой энергии при нагревании вещества и отдачи тепла при его охлаждении. Конструкция таких накопителей чрезвычайно проста. Им может быть кусок любого твердого вещества либо закрытая емкость с жидким теплоносителем. Накопители тепловой энергии имеют очень большой срок службы, практически неограниченное количество циклов накопления и отдачи энергии. Но время хранения не превышает нескольких суток.

Аккумулирование электрической энергии

Электрическая энергия — это самая удобная ее форма в современном мире. Именно поэтому электрические накопители получили широкое распространение и наибольшее развитие. К сожалению, удельная емкость дешевых аппаратов невелика, а приборы с большой удельной емкостью слишком дороги и недолговечны. Накопители электрической энергии — это конденсаторы, ионисторы, аккумуляторы.

Конденсаторы

Это самый массовый вид накопителей энергии. Конденсаторы способны работать при температуре от -50 до +150 градусов. Количество циклов накопления-отдачи энергии – десятки миллиардов в секунду. Соединяя несколько конденсаторов параллельно, можно легко получить емкость необходимой величины. Кроме того, существуют переменные конденсаторы. Изменение емкости таких конденсаторов может производиться механическим или электрическим способом либо воздействием температуры. Чаще всего переменные конденсаторы можно встретить в колебательных контурах.

Конденсаторы делятся на два класса – полярные и неполярные. Срок службы полярных (электролитических) меньше, чем неполярных, они больше зависят от внешних условий, но в то же время обладают большей удельной емкостью.

Как накопители энергии конденсаторы — не очень удачные приборы. Они имеют малую емкость и незначительную удельную плотность запасаемой энергии, а время ее хранения исчисляется секундами, минутами, редко часами. Конденсаторы нашли применение в основном в электронике и силовой электротехнике.

Расчет конденсатора, как правило, не вызывает затруднений. Вся необходимая информация по разным типам конденсаторов представлена в технических справочниках.

Ионисторы

Эти приборы занимают промежуточное место между полярными конденсаторами и аккумуляторами. Иногда их называют «суперконденсаторами». Соответственно, они имеют огромное количество этапов заряда-разряда, емкость больше, чем у конденсаторов, но немного меньше, чем у небольших аккумуляторов. Время хранения энергии – до нескольких недель. Ионисторы очень чувствительны к температуре.

Силовые аккумуляторы

Электрохимические аккумуляторы используются, если требуется запасать достаточно много энергии. Лучше всего для этой цели подходят свинцово-кислотные приборы. Их изобрели около 150 лет назад. И с тех пор в устройство аккумулятора не внесли ничего принципиально нового. Появилось много специализированных моделей, значительно возросло качество комплектующих изделий, повысилась надежность аккумуляторной батареи. Примечательно, что устройство аккумулятора, созданного разными производителями, для разных целей отличается лишь в незначительных деталях.

Электрохимические аккумуляторы подразделяются на тяговые и стартовые. Тяговые используются в электротранспорте, источниках бесперебойного питания, электроинструментах. Для таких аккумуляторов характерны длительный равномерный разряд и большая его глубина. Стартовые аккумуляторы могут выдать большой ток в короткий промежуток времени, но глубокий разряд для них недопустим.

Электрохимические аккумуляторы имеют ограниченное количество циклов заряда-разряда, в среднем от 250 до 2000. Даже при отсутствии эксплуатации через несколько лет они выходят из строя. Электрохимические аккумуляторы чувствительны к температуре, требуют длительного времени заряда и строгого соблюдения правил эксплуатации.

Прибор необходимо периодически подзаряжать. Заряд аккумулятора, установленного на транспортное средство, производится в движении от генератора. В зимнее время этого недостаточно, холодная батарея плохо принимает заряд, а потребление электроэнергии на запуск двигателя возрастает. Поэтому необходимо дополнительно проводить заряд аккумулятора в теплом помещении специальным зарядным устройством. Одним из существенных недостатков свинцово-кислотных приборов является их большой вес.

Аккумуляторы для маломощных устройств

Если требуются мобильные устройства с малым весом, то выбирают следующие типы аккумуляторов: никель-кадмиевые, литий-ионные, металл-гибридные, полимер-ионные. У них выше удельная емкость, но и цена много больше. Их применяют в мобильных телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах, видеокамерах и других малогабаритных устройствах. Разные типы аккумуляторов отличаются своими параметрами: количеством циклов зарядки, сроком хранения, емкостью, размером и т. п.

Литий-ионные аккумуляторы большой мощности применяют в электромобилях и гибридных машинах. Они имеют небольшой вес, большую удельную емкость и высокую надежность. В то же время литий-ионные аккумуляторы очень пожароопасны. Возгорание может произойти от короткого замыкания, механической деформации или разрушения корпуса, нарушений режимов заряда или разряда аккумулятора. Потушить пожар довольно трудно из-за высокой активности лития.

Аккумуляторы являются основой многих приборов. Например, накопитель энергии для телефона – это компактный внешний аккумулятор, помещенный в прочный, влагозащищенный корпус. Он позволяет зарядить или запитать сотовый телефон. Мощные мобильные накопители энергии способны заряжать любые цифровые аппараты, даже ноутбуки. В таких устройствах устанавливают, как правило, литий-ионные аккумуляторы большой емкости. Накопители энергии для дома также не обходятся без аккумуляторных батарей. Но это гораздо более сложные устройства. Кроме аккумулятора в их состав входят зарядное устройство, система управления, инвертор. Аппараты могут работать как от стационарной сети, так и от других источников. Выходная мощность в среднем составляет 5 кВт.

Накопители химической энергии

Различают «топливные» и «безтопливные» типы накопителей. Для них требуются специальные технологии и нередко громоздкое высокотехнологичное оборудование. Используемые процессы позволяют получать энергию в разных видах. Термохимические реакции могут проходить как при низкой, так и при высокой температуре. Компоненты для высокотемпературных реакций вводят только тогда, когда необходимо получить энергию. До этого их хранят отдельно, в разных местах. Компоненты для низкотемпературных реакций обычно находятся в одной емкости.

Накопление энергии наработкой топлива

Этот способ включает два совершенно независимых этапа: накопление энергии («зарядка») и ее использование («разрядка»). Традиционное топливо, как правило, обладает большой удельной емкостью энергии, возможностью продолжительного хранения, удобством использования. Но жизнь не стоит на месте. Внедрение новых технологий предъявляет повышенные требования к топливу. Задача решается путем улучшения существующих и создания новых, высокоэнергетических видов топлива.

Широкому внедрению новых образцов препятствует недостаточная отработанность технологических процессов, большая пожаро- и взрывоопасность в работе, необходимость высококвалифицированного персонала, высокая стоимость технологии.

Безтопливное химическое накопление энергии

В этом виде накопителей энергия запасается за счет преобразования одних химических веществ в другие. Например, гашеная известь при нагреве переходит в негашеное состояние. При «разрядке» запасенная энергия выделяется в виде тепла и газа. Именно так происходит при гашении извести водой. Для того чтобы реакция началась, обычно достаточно соединить компоненты. В сущности, это вид термохимической реакции, только протекает она при температуре в сотни и тысячи градусов. Поэтому используемое оборудование гораздо сложнее и дороже.

Тихая сенсация: новосибирские ученые создали накопитель энергии не хуже, чем у Илона Маска

в Наука 25/02/2018 0 2,085 Просмотров

В декабре 2017 года компания Tesla создала крупнейший в мире накопитель энергии мощностью 100 мегаватт. Самая большая в мире литий-ионная батарея начала подавать электроэнергию в электросети Южной Австралии, которая до этого испытывала значительные энергетические проблемы. Илон Маск пообещал построить новую батарею за 100 дней и свое обещание он выполнил. Его батарея соединяется с ветряной электростанцией французской энергетической компании Neoen. При полной зарядке аккумулятор может обеспечивать электричеством 30 тысяч домов в течение часа. Но в основном он будет использоваться для поддержки и стабилизации существующих источников электроэнергии. Батарея Маска в три раза мощнее любых аналогов, созданных до сих пор. Благодарные жители Южной Австралии уже назвали источник бесперебойного питания «воплощением красоты».

Но свое «воплощение красоты» появилось и в России, благодаря прорывной разработке кафедры электроники и электротехники Новосибирского государственного технического университета. Эти работы шли под научным руководством проректора по учебной работе, доктора технических наук, профессора Сергея Брованова. Техническое сопровождение осуществлялось под руководством доктора технических наук, заведующего кафедрой электротехники и электроники, профессора Сергея Харитонова.

Накопители, разработанные в Новосибирском государственном техническом университете, не только обеспечат бесперебойное питание на случай аварий, но и решат целый ряд важных проблем в энергетике. Суть разработки заключается в создании комплекса оборудования, позволяющего накапливать электрическую энергию в период ее избытка. И мгновенно возвращать в сеть в периоды дефицита. Система накопителя во время аварийного отключения основного энергопитания даст возможность бесперебойно снабжать электроэнергией промышленные и хозяйственные объекты, а также населенные пункты.

-Разработанные нами накопители повысят эффективность и надежность в электроснабжении потребителей, а также улучшат качество электрической энергии,- говорит профессор Брованов.- Это позволит снизить износ как электрических сетей, так и электрооборудования. Другая проблема, которую может решить накопитель: обеспечить дополнительной электроэнергией потребителя во время пиковой ситуации.

Сотрудники университета разработали два накопителя: СНЭ-1 мощностью от 100 до 500 киловатт-часов и СНЭ-2 мощностью от 2 до 32 мегаватт-часов. Накопитель в два мегаватта сможет в течение часа обеспечивать током населенный пункт среднего размера, а устройство в 32 мегаватт-часов – небольшой город. Предполагается, что российская разработка окажется существенно дешевле, чем у зарубежных конкурентов. Накопитель СНЭ-1 будет стоить около 10 млн рублей. Но с ростом объемов производства цена должна начать снижаться. В проекте по созданию мощных российских накопителей энергии участвует несколько крупных отечественных компаний.

Очень хорошая новость для всех, в том числе и для самого Новосибирска — города с населением 1 млн. 600 тысяч человек. Администрация Новосибирска ежегодно расходует более 18 млн. рублей на городское освещение. Не секрет, что окраины Новосибирска освещены очень плохо.

-Новосибирск рос очень быстро, скачкообразно, болезненно, из этого вытекают его проблемы с подсветкой, — говорит архитектор Алексей Боганов. — Новосибирск серый, тёмный, местами небезопасный город, в котором часто отсутствует освещение.

Предполагается, что в Новосибирске в скором времени возникнет целый кластер по производству систем накопления энергии: всего будет задействовано не менее 20 предприятий. В производстве накопителей будет использовано около 95 % российских комплектующих. А пока инженерам не удалось заменить только импортные контроллеры.

На просмотре образцов накопителей присутствовал мэр Новосибирска Анатолий Локоть. Он высоко оценил перспективы использования систем накопления: бесперебойные накопители найдут широчайшее применение в городском хозяйстве.

— У нас все системы жизнеобеспечения завязаны на электроэнергию, — сказал градоначальник. — На Горводоканале нужен резерв, потому что в случае сбоя с подачей электроэнергии могут возникнуть очень серьезные проблемы, мы просто утонем в сточных водах. Другое применение накопителей — это жилые дома. Сегодня в каждом высотном доме на случай пожара должен стоять дизель-генератор для обеспечения работы лифта. Этот генератор банально простаивает. Вместо него можно ставить накопитель, который мог бы параллельно решать другие задачи. Это огромный рынок!

Мэр дал поручение своим заместителям рассмотреть вопрос применения накопителей в Горэлектротранспорте, в метро Новосибирска и на Горводоканале.

-Разработка в Новосибирском государственном техническом университете была выполнена в рамках гранта Министерства образования и науки РФ, — рассказал «Новым известиям» пресс-секретарь университета Юрий Лобанов. – Грант наши ученые получили в 2016 году. И за два года работы были закончены.

Надежда Попова, Сергей Таранов
Источник

Кинетические накопители энергии для электроэнергетики

Тема повышения эффективности энергопотребления, пожалуй, никогда не утратит своей актуальности. В связи с этим фактом, многие институты сегодня ведут разработки более эффективных накопителей энергии. И одним из перспективных решений в этой области представляется использование кинетических (в движении) накопителей энергии на базе высокоэнергоемких маховиков.

Области их применения могут простираться от небольших автономных источников бесперебойного питания для частных хозяйств до крупных промышленных установок, аккумулирующих энергию во вращение маховика, и в нужный момент отдающих ее на требуемом уровне мощности, уберегая сеть от скачков напряжения.

Достоинство таких агрегатов в том, что массивный маховик способен мгновенно преобразовать накопленную кинетическую энергию в электрическую, обеспечивая таким образом оборудование потребителя необходимой мощностью.

Читать еще:  Автомобили Datsun Датсун

Подобные устройства отличаются минимальными эксплуатационными затратами, высокой степенью автоматизации, и отсутствием потребности в регулярном обслуживании.

Зарядившись на полную мощность за несколько минут, маховик отдаст накопленную энергию, если понадобится, за несколько секунд, в то время как обычные рабочие параметры питающей сети могут не выдержать больших пиковых токов.

Как это работает

Маховик получает вращение от электромашины через вал или через иной передающий механизм, и когда нужно отдает накопленную энергию через вал в режиме генератора, причем раскручивающая маховик машина сама может работать в этот момент как генератор.

Система автоматизированного регулирования с датчиками контроля параметров сделает процесс набора скорости безопасным, и в критической ситуации среагирует как на достижение опасной частоты вращения маховика, так и на необходимость мгновенного перехода в режим отдачи накопленной кинетической энергии.

Особенности и возможности

Таким образом, кинетические накопители позволяют решать задачи накопления, временного хранения и последующего преобразования энергии для обеспечения оптимальных режимов питания оборудования даже с крайне нестандартными параметрами. В итоге охватывается широчайший диапазон сфер возможных применений данного технического решения.

Электромеханический преобразователь такого рода отличается рядом преимуществ. Удельная энергоемкость кинетических накопителей выше чем у конденсаторов, а по удельной отдаваемой в нагрузку мощности (токовой) они опережают как кислотные аккумуляторы, так и топливные элементы.

При этом кинетические накопители компактны, экологически безопасны, обладают КПД порядка 90%, имеют длительный срок эксплуатации более 10 лет, просты в обслуживании, а рабочий ресурс практически неограничен, к тому же система охлаждения получается стократно дешевле, чем у сверхпроводящих индукционных накопителей (СПИН).

Медицинские центры, атомные объекты, центры хранения информации, банковские хранилища, химические производства — везде, где требуется резервирование энергии для питания значимых потребителей, пригодятся кинетические накопители. Что и говорить о компенсации пиковых нагрузок для крупных энергосистем, из-за которых случаются перебои с подачей электроэнергии к целым городским районам.

Что используется уже сейчас

На протяжении десятка лет в нескольких регионах мира не прекращаются разработки кинетических накопителей, особенно в США и в Германии, а в последние годы — и в России.

Немецкая ATZ производит накопители на 20 МДж, способные отдавать в нагрузку мощность до 250 кВт, оснащенные системой синхронизации с сетью. При этом размеры устройства не превышают 1,5 метров.

Маховик накопителя изготовленный из высокопрочного карбонового волокна, установлен на подвес из ВТСП керамики. Электрическая машина, разгоняющая маховик ATZ и генерирующая электроэнергию, выполнена на базе постоянных редкоземельных магнитов.

Американская Beacon Power выпускает цилиндрические накопители на 6 кВт-ч и на 25 кВт-ч, которые можно использовать набирая кластерами для обеспечения устойчивости параметров тока в промышленных электросетях страны.

Этапы проектирования КНЭ

При проектировании кинетического накопителя разработчики решают следующие инженерные задачи: рассчитывают мотор-генератор, выбирают подшипники, рассчитывают маховик, а также системы охлаждения, контроля и управления, после чего приступают к изготовлению.

Исходя из назначения конкретной модели накопителя, интегрированные в них электрические машины могут быть в принципе разными. Однако неоспоримое преимущество имеют синхронные электрические машины. В синхронных машинах отсутствуют щетки, а постоянные магниты на роторе позволяют получить большую удельную мощность мотора-генератора.

Подшипники и подвесы лучше всего подходят бесконтактные, такие как на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП).

Хоть подобные системы и требуют специального охлаждения, тем не менее они отлично стабилизируются без подвода мощности: индуктор из набора постоянных магнитов взаимодействует с массивом ВТСП в сверхпроводящем состоянии. Здесь отсутствуют потери на трение, даже о воздух, вибрации минимальны даже на высоких оборотах, к тому же конструкция автоматически центрируется в процессе работы.

Пример устройства разработанного в российском МАИ

Магнитное поле постоянных магнитов взаимодействует с активированными блоками ВТСП, и после установки опоры маховик просто зависает над криостатом (левитирует над ним на расстоянии менее 1 см), при этом не смещаясь в радиальном направлении.

Электромагнитное взаимодействие полюсов статора и ротора создает результирующий момент, который разгоняет маховик и заряжает таким образом накопитель. И поскольку потери в опорах отсутствуют, накопленная в кинетической форме, энергия сохраняется на протяжении длительного времени, а при необходимости расходуется через преобразование в режиме генератора.

В процессе накопления полных номинальных 500 кДж энергии, маховик разгоняется за 300 секунд до 6000 оборотов в минуту. Он может легко отдавать мощность в 10 кВт в течение 25 секунд непрерывно, поскольку номинал отбираемой энергии с установки — 250 кДж, соответственно нагрузку в 1 кВт можно гарантированно питать на протяжении 4 минут.

Частота напряжения на входе при заряде — 50 Гц при стандартном напряжении сети в 220-240 вольт. Вес маховика составляет 100 кг, при этом момент инерции равен примерно 3,6 кг*м2.

Что касается генераторного режима, то частота тока при отборе составляет 200 Гц на трех фазах при напряжении от 160 до 240 вольт. Максимальная номинальная мощность отбора — 11 кВт.

Перспективы для России и СНГ

Совсем недавно российская компания Kinetic Power создала собственную версию стационарных накопителей кинетической энергии на базе супер-маховиков. Один такой накопитель способен запасать энергию до 100 кВт-ч и обеспечивать кратковременно мощность до 300 кВт.

В условиях российского рынка, кластер из нескольких таких накопителей способен обеспечивать выравнивание суточной неоднородности электрической нагрузки целого региона, заменяя собой дорогостоящие и громоздкие гидроаккумулирующие электростанции.

Помимо этого, как отмечалось в начале, кинетические накопители могут быть использованы для обеспечения бесперебойного питания объектов высших уровней ответственности. Уникальные свойства данных разработок обеспечивают отклик устройства на уровне сотых долей секунды, позволяя ни на секунду не прерывать подачу электроэнергии потребителям.

Энергосбережение, альтернативные источники энергии. Экология.

Энергосберегающие технологии, альтернативные источники энергии. Экология. Обзоры, статьи, консультации. Проводим тематический мониторинг.

  • Получить ссылку
  • Facebook
  • Twitter
  • Pinterest
  • Электронная почта
  • Другие приложения

Аккумуляторы энергии различных типов

Цепочка технологического цикла производства электроэнергии с необходимостью включает такое звено, как накопитель (аккумулятор). В традиционных способах генерации электроэнергии энергетические запасы накапливаются в предварительном, «не электрическом» виде, и это звено – накопитель энергии, находится непосредственно перед электрогенератором.

Водохранилище гидроэлектростанции призвано накапливать потенциальную энергию речной воды в гравитационном поле Земли, поднимая ее на некоторую высоту при помощи плотины. Тепловая электростанция аккумулирует в своих хранилищах необходимые для бесперебойной работы запасы твердого или жидкого топлива, либо осуществляет поставку по трубопроводу природного газа, теплотворная способность которого гарантирует требуемый запас энергии. Стержни реакторов атомных электростанций представляют собой запас ядерного топлива, обладающего определенным ресурсом доступной для использования ядерной энергии.

Режим постоянной мощности доступен для всех приведенных типов генераторов электроэнергии. Количество производимой энергии регулируется при этом в широких пределах в зависимости от уровня насущного энергопотребления. Альтернативные источники (энергия ветра, приливов, геотермальных источников, солнечная энергия) не могут обеспечить гарантированную постоянную мощность генератора на требуемом в данный момент уровне. Накопитель, поэтому, является здесь не столько хранилищем ресурсов, сколько демпфирующим устройством, делающим энергопотребление менее зависимым от колебаний мощности источника . Энергия источника аккумулируется в накопителе, а позже расходуется, по мере надобности, в виде электрической энергии. При этом ее цена во многом зависит от стоимости накопителя.

Характерной чертой накопителя в альтернативных источниках энергии является еще и то, что аккумулированная в нем энергия может расходоваться на другие цели. Так, например, при их помощи могут быть генерированы сильные и сверхсильные магнитные поля.

Принятые в физике и энергетике единицы измерения энергии и соотношения между ними: 1 кВт • ч , или 1000 Вт • 3600 с – то же, что и 3.6 МДж. Соответственно 1 МДж эквивалентен 1/3,6 кВт • ч , или 0.278 кВт • ч

Некоторые распространенные накопители энергии:

Сразу оговоримся: приведенный обзор — не полная классификация применяемых в энергетике накопителей, помимо рассматриваемых здесь существуют тепловые, пружинные, индукционные, многообразные иные типы накопителей энергии.


1. Накопитель конденсаторного типа

Энергия, запасенная конденсатором емкостью 1 Ф при напряжении 220 В , составляет: E = CU2 /2 = 1 • 2202 /2 кДж = 24 200 Дж = 0,0242 МДж

6.73 Вт • ч. Масса одного такого электролитического конденсатора может достигать 120 кг. Приходящаяся на единицу массы удельная энергия оказывается равной чуть более 0,2 кДж/кг. Часовая работа накопителя возможна при нагрузке в пределах 7 Вт. Электролитические конденсаторы могут прослужить до 20 лет. Ионисторы (суперконденсаторы) имеют большую плотность энергии и мощности (порядка 13 Вт • ч /л = 46,8 кДж/л и до 6 кВт/л соответственно) , при ресурсе около 1 млн. циклов подзарядки. Неоспоримым достоинством конденсаторного накопителя является возможность использования аккумулированной энергии за краткий промежуток времени.

2. Накопители гравитационного типа

Накопители энергии копрового типа запасают энергию при подъеме бабы копра массой 2т и более на высоту около 4 м. Движение подвижной части копра высвобождает потенциальную энергию тела, сообщая ее электрогенератору. Количество произведенной энергии E = mgh в идеальном случае (без учета потерь на трение) составит

2000 • 10 • 4 кДж = 80 кДж

22,24 Вт • ч. Приходящаяся на единицу массы бабы копра удельная энергия оказывается равной 0.04 кДж/кг. В течение часа накопитель способен обеспечить нагрузку до 22 Вт. Ожидаемый срок службы механической конструкции превосходит 20 лет. Накопленная телом в гравитационном поле энергия также может быть израсходована в короткий промежуток времени, что является достоинством данного варианта.

Гидравлический накопитель использует энергию воды (массой порядка 8-10 т) накачанной из колодца в емкость водонапорной башни. В обратном движении под действием силы тяжести вода вращает турбину электрогенератора. Обычный вакуумный насос без проблем позволяет закачать воду на высоту до 10 м. Запасенная при этом энергия E = mgh

10000 • 8 • 10 Дж = 0,8 МДж = 0.223 кВт • час. Приходящаяся на единицу массы удельная энергия оказывается равной 0.08 кДж/кг. Нагрузка, обеспечиваемая накопителем в течение часа, находится в пределах 225 Вт. Накопитель может прослужить от 20 лет и дольше. Ветряной двигатель может напрямую приводить в действие насос (без преобразования энергии в электрическую, что сопряжено с определенными потерями), вода в емкости вышки при необходимости может быть использована в иных нуждах.

3. Накопитель на основе маховика

Кинетическая энергия вращающегося маховика определяется следующим образом: E = J w2/2, под J подразумевается собственный момент инерции металлического цилиндра (так как он вращается вокруг оси симметрии), w – угловая скорость вращения.

При радиусе R и высоте H цилиндр имеет момент инерции:
J = M R^2 /2 = pi * p R^4 H/2

где p — плотность металла — материала цилиндра, произведение pi* R^2 H – его объем.

Максимально возможная линейная скорость точек поверхности цилиндра Vmax (составляет порядка 200 м/с для стального маховика).
Vmax = wmax*R, откуда wmax = Vmax/R

Максимально возможная энергия вращения Emax = J wmax^2/2 = 0.25 pi*p R2^2 H V2max = 0.25 M Vmax^2

Приходящаяся на единицу массы энергия составляет: Emax/M = 0.25 Vmax^2

Удельная энергия в случае, если цилиндрический маховик сделан из стали, составит около 10 кДж/кг. Маховик массой 200 кг (с линейными размерами H = 0.2 м, R = 0.2 м) запасает энергию Emax = 0.25 • pi • 8000 • 0.22 • 0.2 • 2002

0.556 кВт • ч. Максимальная нагрузка, обеспечиваемая накопителем-маховиком в течение часа не превосходит 560 Вт. Маховик вполне может прослужить 20 лет и более. Достоинства: быстрое высвобождение накопленной энергиии, возможность значительного улучшения характеристик путем подбора материала и изменения геометрических характеристик маховика.

4. Накопитель в виде химической аккумуляторной батареи (свинцово-кислотной)

Классическая аккумуляторная батарея, имея емкость 190 А • ч при напряжении на выходе 12 В и 50 % разрядке способна выдавать ток порядка 10 А в течение 9 часов. Высвобождаемая энергия составит 10 А• 12 В • 9 ч = 1.08 кВт • ч , или, приблизительно, 3.9 МДж за один цикл. Приняв массу батареи равной 65 кг, имеем удельную энергию 60 кДж/кг. Максимальная нагрузка, которую аккумулятор способен обеспечивать в течение часа не превосходит 1080 Вт. Гарантийный срок службы для качественной аккумуляторной батареи находится в пределах 3 — 5 лет, в зависимости от интенсивности эксплуатации. От аккумуляторной батареи возможно непосредственно получать электроэнергию с выходным током, достигающим тысячи ампер, при выходном напряжении 12 В, соответствующем автомобильному стандарту. С аккумулятором совместимы множество устройств, рассчитанных на постоянное напряжение 12 В, доступны преобразователи 12/220 В различные по мощности на выходе.


5. Накопитель пневматического типа

Воздух, закачанный в резервуар из стали объемом 1 кубометр до давления 40 атмосфер, совершает работу в условиях изотермического расширения. Работа A, совершаемая идеальным газом в условиях T=const, определяется согласно формуле:
A = (M / mu ) R T ln (V2 / V1 )

Здесь M — масса газа, mu – масса 1 моля того же газа, R = 8,31 Дж/(моль • К), T — температура, рассчитанная по абсолютной шкале Кельвина,V1 и V2- начальный и конечный объем, занимаемый газом (при этом V2 / V1 = 40 при расширении до атмосферного давления внутри резервуара). Для изотермического расширения справедлив закон Бойля-Мариотта: P1V1 = P2 V2 . Примем T = 298 0K (250С) Для воздуха M / mu

40 : 0.0224 = 1785,6 молей вещества, газ совершает работу А= 1785,6 • 8.31 • 298 • ln 50

4.45 кВт • ч за цикл. Стенки резервуара, рассчитанные на давление в 40-50 атмосфер, должны иметь толщину как минимум 5 мм, в связи с чем масса накопителя окажется порядка 250 кг. Запасенная данным пневматическим накопителем удельная энергия окажется равной 64 кДж/кг. Предельная мощность, обеспечиваемая пневматическим накопителем в течение часа работы, составит 4,5 кВт. Гарантированный срок службы, как и у большинства накопителей, основанных на выполнении механической работы их конструктивными частями, составляет от 20 лет. Преимущества данного типа накопителя: возможность расположения резервуара под землей; резервуаром может служить стандартный газовый баллон с использованием соответствующего оборудования, ветродвигатель способен непосредственно передавать движение насосу компрессора. Кроме того, многие устройства напрямую используют аккумулированную энергию сжатого в резервуаре воздуха.

Приведем параметры рассмотренных типов накопителей энергии в сводной таблице:

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector