Накопитель энергии – устройство, с которым большинство из людей постоянно сталкивается в быту. Всем знаком аккумулятор мобильного телефона, автомобиля, пальчиковые батарейки, которые не предусматривают повторной зарядки. Однако понятие энергетического накопления гораздо шире представлений среднестатистического индивидуума. Есть множество теорий, футуристических проектов и изысканий. Но интересно посмотреть, что реально может накапливать энергию и уже используется в самых разных областях деятельности человека.

Потенциальная энергия

Самый неочевидный накопитель собирает показатель потенциала, поднятого на высоту тела. Это устройство знакомо многим. Часы-ходики с массивными грузиками используют именно физический потенциал. Пока одна из гирь опускается, механизм работает. Для накопления запаса энергии требуется завести часы – переместить грузы определенным способом. Другие аккумуляторы потенциала работают не таким очевидным способом.

Гидроэлектростанции

Гидроэлектростанция – самый большой энергетический накопитель потенциального типа. Работает это следующим образом:

• главная часть гидроэлектрической станции – огромная плотина. Она замыкает большую территорию, создавая водохранилище, которое наполняется рекой или другим источником воды;
• в основании железобетонной стены станции находится основное инженерное решение для производства электричества. Падающая с большой высоты вода преобразует свою потенциальную энергию в кинетическую;
• при воздействии потока воды на лопатки турбины кинетика преобразуется в электричество.

Гидроэлектростанции классического типа, а точнее, их водохранилища – накопители энергии потенциального типа. Этот источник относится к возобновляемому. Поток воды постоянно пополняет искусственное озеро, при этом предусмотрены методики отвода жидкости в период, когда объем водохранилища на максимуме, а потребности в производстве электричества нет.

Энергетические накопители потенциального типа несколько другого принципа действия используются в аккумулирующих резервуарах гидроэлектростанций. Такой тип инженерных решений относится к вспомогательному и применяется в совокупности с другим источником. Часто – в солнечных электростанциях, построенных в местностях с мягким климатом. Работает все следующим образом:

• в период максимальной солнечной активности электроэнергия, которую производит солнечная станция, не нужна, потребности городов и энергосети, в общем, малы;
• электричество направляется на работу насосов, которые закачивают воду в огромный искусственный резервуар;
• в темное время суток, если нужно направить дополнительный поток электрической мощности в общую систему, включается механика гидроэлектростанции. Потенциал накопленной воды используется для работы турбин.

Станции, которые используют накопители энергии воды, становятся все более популярными. К достоинствам такого решения относится способность не только полностью использовать мощности основного производителя, но и гарантировать круглосуточный режим отдачи электричества в общую сеть.

Существуют и решения, оперирующие твердым грузом. К ним относятся системы, построенные на простой идее:

• во время работы солнечных батарей или ветрогенераторов излишек их мощности направляется на двигатели, которые перемещают вагоны по рельсовому пути вверх, по наклонной поверхности;
• в то время, когда солнца или ветра нет, тележки двигаются вниз, на их осях расположены генераторы, производящие электричество.

Достоинств у механического решения предостаточно. Здесь малые требования к мощности двигателей, используемых для подъема груза. Для перекачки воды нужно несравненно большие величины как токов, так и давления.

Накопители потенциальной энергии имеют одно неоспоримое достоинство: запасенное можно хранить практически без потерь крайне долго. Потери воды в огромном резервуаре из-за испарения почти незаметны, а если идет речь о поднятии груза, его легко зафиксировать механически в верхней точке.

Недостаток сбора потенциальной энергии также очевиден. Чтобы получить промышленные объемы использования или долговременную работу устройства в быту, нужно или оперировать огромными массами, так сказать, энергоносителя, или гарантировать низкое потребление преобразованной энергии.

Накопители тепловой энергии

Тепловые накопители – распространенные устройства. Самый знакомый рядовому потребителю – электрический нагревательный котел. Он накапливает тепло, которое затем используется для бытовых нужд, отопления.

Менее понятный класс – тепловые накопители энергии, выполняющие роль стабилизаторов. К ним относятся:

• водонагреватели, построенные на вторичной схеме передачи тепла;
• расширительные емкости солнечных коллекторов, которые не допускают перегрева теплоносителя и стабилизируют режим работы батареи;
• теплоаккумулятор может строиться на принципе фазового перехода. Расплав нагревается до высокой температуры, при этом теплоноситель переходит из твердого состояния в жидкое.

Проблем у накопителей тепловой энергии достаточно много. К примеру:

• энергию нужно использовать быстро. С течением времени содержимое накопителя просто теряет энергию, отдавая ее в окружающую среду;
• построенные на фазовом переходе накопители сложны в эксплуатации. Здесь наблюдается изменение объема: если жидкость переводят в пар, приходится бороться с огромным давлением.

Современные системы тепловой защиты позволяют долго сохранять характеристики накопителя тепловой энергии. Но здесь играет роль баланса стоимости защиты и целевого использования энергии. Поэтому накопители тепла идеальны в роли компенсаторов. В это же время их эффективность в качестве мощного источника энергии со стабильными показателями отдачи весьма спорна.

Аккумуляторы энергии сжатого газа

Пневматический инструмент, газопоршневые генераторы, небольшие кары – вот краткий список устройств, которые используют энергию сжатого газа. Устройство накопителя энергии знакомо практически всем. Это надежная, прочная колба из стали, в которую под огромным давлением закачивается газ.

Уровень выхода энергии накопителя сжатого газа нестабилен. Он велик, пока давление внутри баллона близко к максимуму. И снижается по мере расходования газа. Для стабилизации выхода используются редукторы. Они обеспечивают постоянное давление на выходе, что не только создает оптимальные условия работы потребителя, но и продлевает срок эффективного расходования запаса газа.

Накопители энергии сжатого газа применяются и в роли компенсаторов. Стабилизация работы компрессора производится при помощи расширительной емкости. В нее закачивается газ основным двигателем, поддерживается конкретное давление. При использовании энергии пневмоинструментом, компрессор может включаться периодически, поддерживая стабильное состояние системы. Основная мощность поступает именно из накопителя, расширительного баллона, совмещенного с редуктором.

Главное достоинство аккумулятора сжатого газа – простота манипулирования. Соблюдается некий термический баланс, когда в режиме компенсатора выделенное тепло при сжатии газа соответствует количеству энергии при расширении рабочего тела. К другому плюсу относится надежность инженерного решения. Прочность баллона такова, что он может заправляться неоднократно, служить на протяжении десятков лет. Третий плюс – при наличии надежной перекрывающей арматуры или запайки емкости, газ может сохранять свои параметры и энергетику очень долго.

Накопители электрической энергии

Аккумуляцию электроэнергии можно проводить разными способами. Сегодня к самым распространенным и широко используемым средствам относятся конденсатор, ионистор, химические преобразователи, накопители заряда активных частиц.

Конденсатор

Данный класс аккумулятора электрической энергии – знакомое всем устройство, конструкцию, так называемой, лейденской банки проходят еще в школьном курсе физики. Заряд накапливается на двух пластинах. Современные конденсаторы имеют прокладку, изготовленную из полимера с высокими показателями пробоя. Это позволяет:

• накапливать большое количество энергии;
• работать большими значениями напряжения;
• гарантировать безопасность использования;
• обеспечить малые размеры накопителя.

Соединенные параллельно элементы позволяют построить батарею с нужным показателем емкости. Данный тип накопителя не может сохранять энергию долго без потерь. К тому же, собирается ее довольно мало. Но при малом потреблении конденсатор может быть достаточно эффективен. Сегодня именно такие накопители используют в аварийных светодиодных лампах.

Во время питания конденсатор заряжается, при отсутствии энергоснабжения светильник работает в течение получаса, чтобы люди могли принять меры к устранению причин перебоя, лечь спать или перевести оборудование в режим консервации.

Ионистор

Ионисторы, или, как их еще называют, суперконденсаторы, используют несколько другую схему накопления энергии. Здесь заряд распределяется в объеме рабочего тела в виде заряженных частиц. В результате достигаются огромный (по сравнению с конденсаторами) срок хранения энергии и емкость, но наблюдается крайняя чувствительность к температуре. Чем ниже температура рабочей среды, тем меньше отдача тока от накопителя энергии.

Аккумуляторы химического преобразования

Электрохимическая ячейка – основа большинства автомобильных, мотоциклетных и других привычных типов аккумуляторов. Схема работы накопителя проста:

• в результате взаимодействия пластины металла и кислоты образуются заряженные ионы;
• в ходе работы соли осаждаются на пластине из катализатора;
• по мере понижения насыщенности электролита аккумулятор истощается – уровень выдачи энергии снижается.

При зарядке происходит обратный процесс. Электролиз восстанавливает показатели электролита, переносит металл на пластину-донор. Достоинств у электрохимического аккумулятора множество. Можно получить стабильный и высокий выходной ток, что ценно для пуска мощного оборудования. Легко создать устройство с высокой емкостью, полезное для долгой работы различного оборудования.

К недостаткам электрохимической ячейки классического типа относится конечное число циклов заряда-разряда. Некоторое количество солей металла становятся инертными, пластины приходят в негодность, истощается электролит. Данные недостатки в большой степени нейтрализованы в гелевых батареях. Этот современный источник энергии содержит коллоидный электролит. В нем лучше проходят процессы образования ионов. Но есть и недостаток – повышается чувствительность к температуре. При ее понижении гель твердеет, показатель отдачи тока падает.

В качестве заключения

Накопители разного типа энергии можно рассматривать очень долго. Это механические – различные пружины. Кинетические – маховики большой массы, используемые, например, в троллейбусах. Аккумуляторы с разным типом носителя ионов – литиевые, никель-марганцевые, кадмиевые. Но использование любого типа накопителя, прежде всего, обуславливается балансом между его характеристиками и показателями потребления энергии.

10 ноября 2015 г. российская компания «Экомоторс» объявила о создании первого российского накопителя электроэнергии для дома и бизнеса. С помощью этого устройства можно снижать затраты на электричество и накапливать «зеленую» энергию от солнечных батарей и ветрогенераторов. Разработка от «Экомоторс» обладает рядом уникальных свойств и по своим характеристикам способна составить конкуренцию известными мировым продуктами, таким как Tesla Powerwall.

Первый отечественный накопитель энергии (фото: www.ecomotors.ru)

Накопители энергии нужны для бесперебойного и качественного энергоснабжения домов, офисов, производственных объектов. С их помощью можно снизить затраты на электроэнергию: накапливать электроэнергию ночью по низким ночным тарифам и расходовать днем из накопителя, а не из сети. В связке с солнечными батареями или ветрогенератором новая разработка «Экомоторс» позволит эффективно накапливать «зеленую» энергию и использовать ее тогда, когда нужно потребителям, а не когда светит солнце или дует ветер.

Также эти устройства будут интересны бизнесу для автономного энергоснабжения различных мобильных офисов, мастерских, точек продаж и общественного питания. Для энергетических компаний этот продукт может быть полезен для создания локальных систем накопления энергии и сглаживания пиковых нагрузок на энергосети.

По своим характеристикам накопитель «Экомоторс» способен составить конкуренцию зарубежным аналогам, в частности, широко разрекламированному Powerwall от компании Tesla Motors. Новинка от «Экомоторс» накапливает 7,7 кВт*ч электроэнергии, мощность нагрузки может достигать 7,5 кВт, а его ресурс при ежедневном использовании составляет 10 лет. Также, как и Powerwall, российская разработка позволяет соединять несколько накопителей в единую систему и тем самым увеличивать емкость. Корпус накопителя рассчитан на настенный монтаж в двух положениях – горизонтальном и вертикальном. Такое решение позволяет экономить место и предоставляет пользователям больше вариантов размещения устройства.

При этом разработка «Экомоторс» обладает особенностями, которых пока нет у аналогичных продуктов. Например, для отображения информации о текущем состоянии и режиме работы накопителя используется обычный Android-планшет. Можно получать информацию о работе накопителя на любые Android-устройства (смартфоны, планшеты и пр.) по интерфейсу USB или Bluetooth. Это повышает удобство пользования устройством и позволяет легко объединять его с другими системами «умного дома».

Другой интересной «фишкой» является концепция сменных лицевых панелей, которые одеваются на основной силовой корпус. С помощью таких панелей можно превратить брутальный на вид накопитель в дизайнерский арт-объект. Планируется разработка и выпуск нескольких вариантов панелей, удовлетворяющих вкусам разных групп потребителей. Также выпуск таких панелей могут наладить сторонние производители, что даст клиентам еще больше возможностей выбора дизайна своего накопителя.

Вот что рассказал о новинке Олег Кононенко, директор по разработкам компании «Экомоторс»:

«В последнее время мы наблюдаем рост интереса к небольшим накопителям энергии для домашнего использования и для бизнеса. Поэтому у нас в компании родилась идея создать продукт, который бы удовлетворял эту потребность. Мы стремились по максимуму использовать российские компоненты для этого проекта. В частности, аккумуляторные батареи — главный элемент накопителя – мы решили взять у нашего давнего партнера, российской компании «Лиотех. Но мой взгляд, у нас получился продукт не хуже того, что демонстрируют зарубежные коллеги. А в чем-то даже и лучше.»

Елена Давыдова, Генеральный директор «Экомоторс», отметила, что «…подобные продукты будут не только повышать качество нашей жизни, энергоэффективность российских предприятий и бизнеса, но будут также способствовать развитию отечественного производства современных аккумуляторов, силовой электроники, появлению новых бизнесов, использующих накопители энергии нового поколения».

В настоящее время «Экомоторс» ведет подготовку к серийному выпуску новинки, который запланирован на начало 2016 года. Заинтересованные покупатели могут уже сейчас разместить предварительный заказ на накопитель в «Экомоторс», и получить его сразу, как только стартует производство.

О компании «Экомоторс»

Группа компаний «Экомоторс» занимается производством и продажей электротранспорта и оборудования для «зеленой» энергетики с 2007 года. В настоящее время группа «Экомоторс» является одним из лидеров российского рынка электротранспорта, предлагая своим клиентам и партнерам широкий выбор электрических транспортных средств — от электровелосипедов до электроавтобусов. Компания является официальным дистрибьютором и партнером ряда известных зарубежных производителей электротранспорта и оборудования для «зеленой» энергетики.

Сайт компании: http://www.ecomotors.ru .

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 хранится в движении какого-либо тела. Обычно это колебательное или поступательное движение.

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. 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 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 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 доматакже необходятся 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, 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.

Накопители электрической энергии большой емкости

Накопители электрической энергии являются важнейшим элементом будущих активно-адаптивных сетей. Накопители энергии выполняют ряд функций:

• выравнивание графиков нагрузки в сети (накопление электрической энергии в периоды наличия избыточной (дешевой) энергии и выдачу в сеть в периоды дефицита);
• обеспечение в сочетании с устройствами FACTS повышения пределов устойчивости;
• обеспечение бесперебойного питания особо важных объектов, собственных нужд электростанций и подстанций;
• демпфирование колебаний мощности, стабилизация работы малоинерционных децентрализованных источников электрической энергии.

Состав услуг АО «НТЦ ФСК ЕЭС» по внедрению накопителей электрической энергии большой емкости:

• технико-экономическое обоснование
• рекомендации по выбору мест установки
• проектирование гибридных накопителей
• рекомендации по структуре накопителей
• реализация систем управления накопителями

Справочная информация

Накопители энергии делятся на электростатические, к которым относятся аккумуляторные батареи большой энергоёмкости (АББЭ), накопители энергии на основе молекулярных конденсаторов, накопители энергии на основе низкотемпературных сверхпроводников.

Электростатические аккумуляторные батареи большой энергоёмкости (АББЭ)
Все типы электростатических накопителей связываются с сетью через устройства силовой электроники - преобразователи тока или напряжения.

В настоящее время рядом зарубежных компаний выпускается и осуществляется довольно масштабное практическое применение АББЭ.

Опыт применения АББЭ:

Тип электролита	Объект	Мощность, МВт	Время работы, мин	Год установки
Серно-кислотный	BEWAG, электроснабжение Зап. Берлина
	Резервирование и поддержание частоты маломощной сети Пуэрто-Рико
	Чинно (Калифорния), различные объекты для исследования возможностей регулирования нагрузки, частоты, напряжения и реактивной мощности
Никель-кадмиевый	GVEA, обеспечение бесперебойного электроснабжения прибрежных районов Аляски вблизи г. Анкоридж
Серно-натриевый	Ветряная станция Rokkacho, Япония. Всего внедрено – 100 объектов.			2008 (самый крупный)
Цинк-бромный	ПС Detroit Edison Site, Мичиган. Для поддержания напряжения собственных нужд
Ванадиум-редоксный	Один из крупных высокотехнологичных заводов в Японии. Выравнивание графика нагрузок

Накопители энергии на основе молекулярных конденсаторов
Молекулярные накопители проходят стадию создания и испытания опытных образцов. Сверпроводниковый Индуктивный Накопитель Энергии (СПИНЭ) - это одно из применений сверхпроводимости. Практическое применение в настоящее время нашли передвижные СПИНЭ сравнительно небольшой энергоемкости (до 106 Дж.), широкое применение СПИНЭ возможно после разработки и создания СПИНЭ на базе высокотемпературных сверхпроводников. СПИНЭ могут находить применение в электроэнергетике как одно из эффективных средств повышения режимной надежности и устойчивости электроэнергетических систем. При этом выделяются такие свойства индуктивных накопителей, как быстродействие, высокий КПД, возможность полной автоматизации ввода и вывода энергии, большая удельная энергоемкость, регулирование активной и реактивной мощности. Ожидается, что к 2016-2020 гг. будут созданы недорогие системы хранения энергии достаточной энергоемкости.

Электромагнитные накопители электроэнергии

К электромагнитным накопителям электроэнергии относятся два вида комплексов:

• синхронные машины с преобразователями частоты в первичной цепи с маховиками на валу;
• асинхронизированные машины с маховиками на валу.

В настоящее время нет практических ограничений по созданию агрегатов первого типа мощности до 300 – 400 МВт и второго типа мощности 800 – 1600 МВт. Первый тип агрегатов имеет больший диапазон изменения скорости и большую способность использования кинетической энергии вращающихся машин, второй тип способен работать в диапазоне регулирования частоты вращения 50% от синхронной, имеет меньшую мощность преобразовательного устройства, чем в первом случае (в первом случае мощность преобразователя равна мощности машин, во втором – пропорциональна глубине регулирования), обладает меньшей стоимостью и может быть выполнен на большую мощность. В России был разработан эскизный проект маховикового накопителя на основе асинхронизированной машины вертикального исполнения мощностью 200 МВт.

Возможно выполнение накопителя энергии на основе супермаховиков. Cупермаховик изготавливается из сверхпрочного углеродного волокна, получаемого на основе нанотехнологий, и имеет удельную энергоемкость 5–15 МДж/кг или 1,4–4,17кВт.час/кг, что недостижимо для всех известных накопителей энергии (электрохимические аккумуляторы, конденсаторы, пружины). Это объясняется тем, что супермаховик можно разогнать до огромных скоростей.

Страница 10 из 23

Все рассмотренные выше НЭ имели электромеханическое устройство управления, что обусловливало их невысокую маневренность.

Рис. 2.7. Схемы подключения НЭЭ:
а - шунтовая; б - линейная
Накопители электрической энергии (НЭЭ) соединяются с ЭЭС посредством управляемого вентильного преобразователя*, время реверса мощности которого составляет 0,01 с, что определяет их высокую маневренность, а следовательно, возможность комплексного использования в ЭЭС.

*Так как накопление электрической энергии возможно только при постоянном токе.

К накопителям электрической энергии относятся:
топливные элементы (ТЭ);
электрохимические аккумуляторные батареи (ЭАБ);
сверхпроводниковые индуктивные накопители (СПИН);
емкостные накопители (ЕН).
Существует два способа подключения НЭЭ к энергосистеме- шунтовой и линейный, соответствующие им схемы приведены на рис. 2.7, а, б.
Рассмотрим подробнее блоки накопителей электрической энергии.

Устройство управления НЭЭ.

Оно может быть выполнено по трехфазной мостовой схеме, имеющей высокие технические показатели и хорошо зарекомендовавшей себя при эксплуатации существующих преобразователей большой мощности. Число мостов в устройстве управления НЭЭ определяется как реально выполнимой мощностью тиристорного моста, так и режимными соображениями, рассматриваемыми ниже.


Рис. 2.8. Схема последовательного включения модулей 12-пульсных преобразователей, составляющих УУ:
1 - аккумулирующий элемент; 2 - выключатель; 3- междуфазный реактор; 4 - преобразовательный мост; 5- трансформатор; 6 - трехфазная сеть
Каждый мост присоединен к сети переменного тока через отдельный трансформатор. С целью обеспечения 12-пульсного режима преобразования, обладающего рядом преимуществ по сравнению с шестипульсным (меньше пульсации постоянного напряжения, лучше гармонический состав переменного напряжения и др.), вторичные обмотки одной половины трансформаторов соединены в «треугольник», а другой- в «звезду» (рис. 2.8).
Для увеличения коэффициента мощности НЭЭ, определяемого углами регулирования и коммутации преобразовательного устройства, а также степенью искажения формы кривой переменного напряжения, к шинам переменного тока станции подключаются различные компенсирующие устройства - синхронные компенсаторы, статические тиристорные компенсаторы, фильтрокомпенсирующие устройства. Потребление реактивной мощности может быть уменьшено путем разделения преобразователя на ряд последовательно включенных модулей.

В процессе работы углы управления всех модулей, кроме одного, поддерживаются равными 0°. Один из них имеет угол, определяющийся требуемым напряжением. Все модули, имеющие нулевой угол, требуют лишь минимальной реактивной мощности - для коммутации.
На рис. 2.8 показана возможная схема преобразователя, выполненного в целях уменьшения потребления реактивной мощности. Преобразователь представляет собой последовательное соединение 12-пульсных модулей, содержащих силовые трансформаторы. Каждый модуль рассчитан на 4,5 кВ и состоит из двух 6-пульсных мостов, соединенных параллельно с междуфазным реактором, уравновешивающим ток. Два модуля имеют значения тока 50 кА, два других - 30 и 20 кА. Например, при максимальном токе АЭ накопителя каждый 6-пульсный мост обеспечивает постоянный ток 25 кА. Если 12-пульсный модуль закоротить механическим выключателем при нулевом значении напряжения и затем отключить его от трехфазной сети, улучшится полный КПД преобразователя, так как на четырех последовательно соединенных тиристорах устранится падение прямого напряжения.
Значение выдаваемой активной мощности НЭЭ должно во всех режимах его работы определяться системными требованиями и не зависеть от изменяющегося напряжения на самом АЭ. Один из способов обеспечения выполнения этого условия - регулирование углов управления вентилей. Применение управляемых преобразователей в в качестве связующего звена между АЭ и сетью переменного тока позволяет за счет соответствующего изменения углов включения вентилей в течение цикла заряда- разряда НЭЭ осуществить практически любой закон регулирования мощности. При этом мощность на шинах переменного напряжения будет зависеть от соотношения между напряжением на АЭ и противо-ЭДС преобразователя, определяемой значением углов управления. Однако этот способ управления имеет ряд ограничений. Поскольку мощность преобразовательного устройства НЭЭ может достигать нескольких сотен мегаватт, плечи мостов должны собираться из последовательно-параллельно включенных вентилей. С целью ограничения перенапряжений параллельно к ним необходимо подключать активно-емкостные демпфирующие цепочки. При глубоком регулировании преобразователей на плечах моста и его отдельных вентилях появляются скачки обратного напряжения. Необходимые для их ограничения параметры демпфирующих цепочек становятся, неприемлемыми из-за потерь мощности в них. При применении других защитных устройств (например, лавинных диодов) данная проблема остается. Использование тиристоров в мощных преобразовательных установках еще больше увеличивает число вентилей в плечах моста и предъявляет более жесткие требования к устройствам их защиты.


Рис. 2.9. Схема переключения преобразователей УУ


Рис. 2.10. Внешняя характеристика преобразователя
С другой стороны, при глубоком симметричном регулировании за счет фазового сдвига тока относительно напряжения на шинах станции преобладает реактивная составляющая мощности.

Для ее компенсации требуется неприемлемо большая мощность компенсирующих устройств (в пределе равная мощности станции). Эти обстоятельства затрудняют возможность регулирования,в широких пределах углов управления. Увеличить их значения можно за счет применения поочередного управления преобразователей, при котором одна часть мостов работает в выпрямительном режиме, а другая - в инверторном. При таком несимметричном законе управления можно расширить предел регулирования выходного напряжения преобразователя при приемлемом коэффициенте мощности станции. Однако полностью возложить функцию управления НЭЭ на регулирование углов включения вентилей, видимо, нельзя. Его целесообразно сочетать с другими способами обеспечения независимости мощности на шинах НЭЭ от напряжения на АЭ.
На рис. 2.9 изображена схема УУ НЭЭ (для случая, когда преобразовательное устройство станции состоит из двух мостов), позволяющая изменить противо-ЭДС преобразователя (в зависимости от напряжения на АЭ) за счет переключения мостов из параллельного соединения в последовательное при заряде НЭЭ и, наоборот, при его разряде. Она применима для любого числа преобразовательных мостов на станции. Анод каждого моста должен соединяться через коммутационные аппараты с анодом и катодом предыдущего по ходу тока моста и анодом последующего, а катод - с анодом и катодом следующего по ходу тока моста и катодом предыдущего.
Рассмотрим работу НЭЭ в режиме инвертирования, так как именно в нем важно обеспечить независимость мощности на шинах накопителя от напряжения на АЭ.
Рассмотрим внешнюю характеристику преобразователя для случая, когда значение активной мощности на шинах переменного напряжения поддерживается близким к постоянному. В начальный момент (при максимальном напряжении АЭ) преобразователь работает с последовательно соединенными мостами. Поддерживание заданного тока разряда обеспечивается за счет регулирования углов управления инвертора (точки 1-2 на рис. 2.10). В момент уменьшения напряжения на АЭ до значения, при котором возможно поддерживание данного значения тока за счет работы одного моста (точка 2), производят переключение мостов из последовательного соединения в параллельное, что соответствует переходу с точки 2 внешней характеристики преобразователей на точку 3. При этом токи, протекающие через преобразовательные мосты, а следовательно, ток и мощность станции на шинах переменного напряжения не изменяются, так как первичные обмотки трансформаторов соединены параллельно. Положение точки 4 определяется процентом недоиспользования АЭ.
Суммарное число мостов станции должно определяться допустимым пределом регулирования углов управления вентилей и задаваемым коэффициентом использования АЭ. Схема (см. рис. 2.9) построена так, что в режиме инвертирования при переключениях станции не отключаются от ЭЭС и коммутационные аппараты не обрывают рабочий постоянный ток. Поэтому их изготовление не вызовет дополнительных трудностей. Кратковременные перегрузки мостов при переключениях не превосходят допустимые для преобразователей передачи постоянного тока.
Описанная схема в сочетании с регулированием углов управления вентилями позволяет поддерживать требуемую активную мощность, выдаваемую станцией, вплоть до полного разряда АЭ без перерыва энергоснабжения. При ее помощи можно обеспечить независимость потребляемой активной мощности от напряжения на АЭ и в режиме его заряда (при работе мостов в режиме выпрямителя), но с отключением станции от ЭЭС на время перекоммутаций.
Другой способ регулирования мощности НЭЭ - подключение АЭ к преобразователю станции по частям. Для этого АЭ необходимо разбить на секции, каждая из которых подключается независимо друг от друга к шинам постоянного напряжения преобразовательного устройства. При этом мощность станции колеблется около заданного среднего значения; полностью заряженные или разряженные секции необходимо отключать от преобразователя перед очередным подключением. Достаточно мелкое дробление АЭ на секции в сочетании с регулированием углов управления преобразователя позволит уменьшить до допустимого уровня неравномерность изменения активной мощности АЭ в течение цикла работы.
Другие известные способы регулирования цепей заряда- разряда конденсаторных батарей (использование трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой, переключение конденсаторов батареи из последовательного соединения в параллельное и наоборот, подключение преобразователей к сети переменного тока через индуктивно-емкостные статические преобразователи, использование в качестве преобразовательных устройств компенсированных преобразователей с искусственной коммутацией тока вентилей и т. д.) требуют специального рассмотрения.
Таким образом, НЭЭ с устройством управления на базе 12-пульсного преобразователя при применении рассмотренных выше способов будет отвечать всем требованиям, предъявляемым к источникам пиковой мощности в ЭЭС.
Перейдем теперь к рассмотрению возможных типов аккумулирующих устройств для НЭЭ.
Электрохимические накопители энергии. Электрохимические накопители энергии или электрохимические аккумуляторные батареи - один из самых распространенных типов накопителей.
Электрохимическая аккумуляторная батарея (ЭАБ) состоит из многих элементов, соединенных последовательно и параллельно. Заряд ее происходит во внепиковые часы, а разряд -в часы пиков нагрузки. В процессе заряда электроэнергия электрохимическим путем преобразуется в химическую. При разряде накопленная энергия высвобождается в процессе обратной реакции. Проделана большая работа по совершенствованию ЭАБ. Оказалось, что свинцовые аккумуляторы можно применять и в ЭЭС. Однако стоимость таких элементов высока. Новые типы аккумуляторов основаны на использовании химических реакций таких материалов, как цинк, сера, натрий и т. д., имеющихся в достаточном количестве и являющихся сравнительно дешевыми. Испытания хлор-цинковых аккумуляторов, работающих при низких температурах, дают обнадеживающие результаты. Из аккумуляторов, требующих для работы более высоких температур, можно упомянуть натрий-серные и литий-серные. Особенно успешно ведутся лабораторные испытания натрий-серных ЭАБ.
Характеристики перспективных типов аккумуляторов для выравнивания пиков нагрузки приведены в табл. 2.3.
Электрохимические аккумуляторные батареи имеют КПД, достигающий 65-70%. Ожидается, что перспективные аккумуляторы будут иметь срок службы около 20 лет при удельных капиталовложениях в установку порядка 150 долл/кВт и удельной энергоемкости 250 кВт-ч/м3.
Недостатки ЭАБ - ограниченное число зарядно-разрядных циклов (не более 500), малое время хранения энергии и отрицательное экологическое воздействие.
Таблица 2.3

Материал, используемый в качестве катода, анода	Электролит	Температура, °С	Возможная плотность энергии, Вт-ч/кг	Возможная плотность мощности, Вт/кг
Оксид свинца
Цинк - хлор	Водный раствор
Натрий - сера
Литий - сера