Существует вопрос: «Какой способ хранения энергии предпочтителен в той или иной ситуации?» . К примеру, какой способ аккумулирования энергии выбрать для частного дома или дачи, оборудованных солнечной или ветровой установкой? Очевидно, что крупную гидроаккумулирующую станцию в этом случае строить никто не будет, однако установить большую емкость, подняв ее на высоту 10 метров, возможно. Но будет ли такая установка достаточна для поддержания постоянного электроснабжения при отсутствии солнца?

Чтобы ответить на возникающие вопросы, необходимо выработать какие-то критерии оценки аккумуляторов, позволяющие получить объективные оценки. А для этого нужно рассмотреть различные параметры накопителей, позволяющие получить числовые оценки.

Емкость или накопленный заряд?

Когда говорят или пишут об автомобильных аккумуляторах, часто упоминают величину, которую называют емкостью аккумулятора и выражают в ампер-часах (для небольших аккумуляторов - в миллиампер-часах). Но, строго говоря, ампер-час не является единицей емкости. Емкость в теории электричества измеряют в фарадах. А ампер-час - это единица измерения заряда! То есть характеристикой аккумулятора нужно считать (и так это и называть) накопленный заряд.

В физике заряд измеряют в кулонах. Кулон - это величина заряда, прошедшего через проводник при силе тока 1 ампер за одну секунду. Поскольку 1 Кл/c равен 1 А, то, переведя часы в секунды, получаем, что один ампер-час будет равен 3600 Кл.

Следует обратить внимание, что даже из определения кулона видно, что заряд характеризует некий процесс, а именно процесс прохождения тока по проводнику. То же самое следует даже из названия другой величины: один ампер-час - это когда ток силой в один ампер протекает по проводнику в течение часа.

На первый взгляд может показаться, что тут какая-то нестыковка. Ведь если мы говорим о сохранении энергии, то накопленная в любом аккумуляторе энергия должна измеряться в джоулях, поскольку именно джоуль в физике служит единицей измерения энергии. Но давайте вспомним, что ток в проводнике возникает только тогда, когда имеется разность потенциалов на концах проводника, то есть к проводнику приложено напряжение. Если напряжение на клеммах аккумулятора равно 1 вольту и по проводнику протекает заряд в один ампер-час, мы и получаем, что аккумулятор отдал 1 В · 1 А·ч = 1 Вт·ч энергии.

Таким образом, применительно к аккумуляторам правильнее говорить о накопленной энергии (запасенной энергии) или о накопленном (запасенном) заряде. Тем не менее, поскольку термин «емкость аккумулятора» широко распространен и как-то более привычен, будем использовать и его, но с некоторым уточнением, а именно, будем говорить про энергетическую емкость.

Ёмкость энергетическая - энергия, отдаваемая полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого значения.

Используя это понятие, попытаемся приблизительно посчитать и сравнить энергетическую емкость различных типов накопителей энергии.

Энергетическая емкость химических аккумуляторов

Полностью заряженный электрический аккумулятор с заявленной ёмкостью (зарядом) в 1 А·ч теоретически способен обеспечить силу тока 1 ампер в течение одного часа (или, например, 10 А в течение 0,1 часа, или 0,1 А в течение 10 часов). Но слишком большой ток разряда аккумулятора приводит к менее эффективной отдаче электроэнергии, что нелинейно уменьшает время его работы с таким током и может приводить к перегреву. На практике ёмкость аккумуляторов приводят, исходя из 20-часового цикла разряда до конечного напряжения.

Для автомобильных аккумуляторов оно составляет 10,8 В. Например, надпись на маркировке аккумулятора «55 А·ч» означает, что он способен выдавать ток 2,75 ампер на протяжении 20 часов, и при этом напряжение на клеммах не опустится ниже 10,8 В.

Производители аккумуляторов часто указывают в технических характеристиках своих изделий запасаемую энергию в Вт·ч (Wh), а не запасаемый заряд в мА·ч (mAh), что, вообще говоря, не правильно. Вычислить запасаемую энергию по запасаемому заряду в общем случае непросто: требуется интегрирование мгновенной мощности, выдаваемой аккумулятором за всё время его разряда. Если большая точность не нужна, можно вместо интегрирования воспользоваться средними значениями напряжения и потребляемого тока и воспользоваться формулой:

1 Вт·ч = 1 В · 1 А·ч.

То есть запасаемая энергия (в Вт·ч) приблизительно равна произведению запасаемого заряда (в А·ч) на среднее напряжение (в Вольтах): E = q · U . Например, если указано, что емкость (в обычном смысле) 12-вольтового аккумулятора равна 60 А·ч, то запасаемая энергия, то есть его энергетическая ёмкость, составит 720 Вт · часов.

Энергетическая емкость накопителей гравитационной энергии

В любом учебнике физики вы можете прочитать, что работа A, совершаемая некоторой силой F при подъеме тела массы m на высоту h вычисляется по формуле A = m · g · h, где g - ускорение свободного падения. Эта формула имеет место в том случае, когда движение тела происходит медленно и силами трения можно пренебречь. Работа против силы тяжести не зависит от того, как мы поднимаем тело: по вертикали (как гирю в часах), по наклонной плоскости (как при втаскивании санок в гору) или еще каким-либо способом.

Во всех случаях работа A = m · g · h. При опускании тела на первоначальный уровень сила тяжести произведет такую же работу, какая была затрачена силой F на подъем тела. Значит, поднимая тело, мы запасли работу, равную m · g · h, т. е. поднятое тело обладает энергией, равной произведению силы тяжести, действующей на это тело, и высоты, на которую оно поднято. Эта энергия не зависит от того, по какому пути происходил подъем, а определяется лишь положением тела (высотой на которую оно поднято или разностью высот между первоначальным и окончательным положением тела) и называется потенциальной энергией.

Оценим по этой формуле энергетическую емкость массы воды, закачанной в цистерну емкостью 1000 литров, поднятую на 10 метров над уровнем земли (или уровнем турбины гидрогенератора). Будем считать, что цистерна имеет форму куба с длиной ребра 1 м. Тогда, согласно формуле в учебнике Ландсберга, A = 1000 кг · (9,8 м/с2) · 10,5 м = 102900 кг · м2/с2. Но 1 кг · м2/с2 равен 1 джоулю, а переводя в ватт-часы, получим всего 28,583 ватт-часов. То есть, чтобы получить энергетическую емкость, равную емкости обычного электроаккумулятора 720 ватт-часов, нужно увеличить объем воды в цистерне в 25,2 раза.

Цистерна должна будет иметь длину ребра примерно 3 метра. При этом ее энергетическая емкость будет равна 845 ватт-часам. Это больше емкости одного аккумулятора, но зато и объем установки существенно больше, чем размер обычного свинцово-цинкового автомобильного аккумулятора. Это сравнение подсказывает, что имеет смысл рассматривать не запасенную энергию в некоторой системе энергию саму по себе, а по отношению к массе или объему рассматриваемой системы.

Удельная энергетическая емкость

Итак мы пришли к заключению, что энергетическую емкость целесообразно соотносить с массой или объемом накопителя, или собственно носителя, например, воды, залитой в цистерну. Можно рассмотреть два показателя этого рода.

Массовой удельной энергоемкостью будем называть энергетическую емкость накопителя, отнесенную к массе этого накопителя.

Объемной удельной энергоемкостью будем называть энергетическую емкость накопителя, отнесенную к объему этого накопителя.

Пример. Свинцово-кислотный аккумулятор Panasonic LC-X1265P, рассчитанный на напряжение 12 вольт, имеет заряд 65 ампер-часов, вес - 20 кг. и размеры (ДхШхВ) 350 · 166 · 175 мм. Срок его службы при t = 20 C - 10 лет. Таким образом его массовая удельная энергоёмкость составит 65 · 12 / 20 = 39 ватт-часов на килограмм, а объёмная удельная энергоёмкость - 65 · 12 / (3,5 · 1,66 · 1,75) = 76,7 ватт-часов на кубический дециметр или 0,0767 кВт-часа на кубический метр.

Для рассмотренного в предыдущем разделе накопителя гравитационной энергии на основе цистерны с водой объемом 1000 литров удельная массовая энергоёмкость составит всего 28,583 ватт-часов/1000 кг = 0, 0286 Вт-ч/кг., что в 1363 раза меньше, чем массовая энергоемкость свинцово-цинкового аккумулятора. И хотя срок службы гравитационного накопителя может оказаться существенно больше, все же с практической точки зрения цистерна кажется менее привлекательной, чем аккумуляторная батарея.Рассмотрим еще несколько примеров накопителей энергии и оценим их удельные энергоемкости.

Энергоёмкость теплоаккумулятора

Теплоёмкость - количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании его на 1 °С. В зависимости от того, к какой количественной единице относится теплоёмкость, различают массовую, объёмную и молярную теплоёмкость.

Массовая удельная теплоёмкость, также называемая просто удельной теплоёмкостью - это количество теплоты, которое необходимо подвести к единице массы вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. В СИ измеряется в джоулях, деленных на килограмм на кельвин (Дж·кг−1·К−1).

Объёмная теплоёмкость - это количество теплоты, которое необходимо подвести к единице объёма вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. В СИ измеряется в джоулях на кубический метр на кельвин (Дж·м−3·К−1).

Молярная теплоёмкость - это количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 молю вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. В СИ измеряется в джоулях на моль на кельвин (Дж/(моль·К)).

Моль - единица измерения количества вещества в Международной системе единиц. Моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг.

На значение удельной теплоёмкости влияет температура вещества и другие термодинамические параметры. К примеру, измерение удельной теплоёмкости воды даст разные результаты при 20 °C и 60 °C. Кроме того, удельная теплоёмкость зависит от того, каким образом позволено изменяться термодинамическим параметрам вещества (давлению, объёму и т. д.); например, удельная теплоёмкость при постоянном давлении (CP) и при постоянном объёме (CV), вообще говоря, различны.

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое сопровождается скачкообразным изменением теплоёмкости в конкретной для каждого вещества температурной точке превращения - температура плавления (переход твёрдого тела в жидкость), температура кипения (переход жидкости в газ) и, соответственно, температуры обратных превращений: замерзания и конденсации.

Удельные теплоёмкости многих веществ приведены в справочниках обычно для процесса при постоянном давлении. К примеру, удельная теплоёмкость жидкой воды при нормальных условиях - 4200 Дж/(кг·К); льда - 2100 Дж/(кг·К).

Исходя из приведенных данных можно попытаться оценить теплоемкость водяного теплоаккумулятора (абстрактного). Предположим, что масса воды в нем равна 1000 кг (литров). Нагреваем ее до 80 °C и пусть она отдает тепло, пока не остынет до 30 °C. Если не заморачиваться тем, что теплоемкость различна при разной температуре, можно считать, что теплоаккумулятор отдаст 4200 * 1000 * 50 Дж тепла. То есть энергетическая емкость такого теплоаккумулятора составляет 210 мегаджоулей или 58,333 киловатт-часов энергии.

Если сравнить эту величину с энергетическим зарядом обычного автомобильного аккумулятора (720 ватт-часов), то видим, что для энергетическая емкость рассматриваемого теплоаккумулятора равна энергетической емкости примерно 810 электрических аккумуляторов.

Удельная массовая энергоемкость такого теплоаккумулятора (даже без учета массы сосуда, в котором собственно будет храниться нагретая вода, и массы теплоизоляции) составит 58,3 кВт-ч/1000 кг = 58,3 Вт-ч/кг. Это уже получается поболее, чем массовая энергоемкость свинцово-цинкового аккумулятора, равная, как было подсчитано выше, 39 Вт-ч/кг.

По приблизительным подсчетам теплоаккумулятор сравним с обычным автомобильным аккумулятором и по объёмной удельной энергоёмкости, поскольку килограмм воды - это дециметр объема, следовательно его объемная удельная энергоемкость тоже равна 76,7 Вт-ч/кг., что в точности совпадает с объемной удельной теплоемкостью свинцово-кислотного аккумулятора. Правда, в расчете для теплоаккумулятора мы учитывали только объем воды, хотя нужно было бы учесть еще объем бака и теплоизоляции. Но в любом случае проигрыш будет уже не так велик, как для граыитационного накопителя.

Другие виды накопителей энергии

В статье «Обзор накопителей (аккумуляторов) энергии» приведены расчеты удельных энергоемкостей еще некоторых накопителей энергии. Позаимствуем оттуда некоторые примеры

Конденсаторный накопитель

При емкости конденсатора 1 Ф и напряжении 250 В запасенная энергия составит: E = CU2 /2 = 1 ∙ 2502 /2 = 31.25 кДж ~ 8.69 Вт · час. Если использовать электролитические конденсаторы, то их масса может составить 120 кг. Удельная энергия накопителя при этом 0.26 кДж/кг или 0,072 Вт/кг. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 9 Вт. Срок службы электролитических конденсаторов может достигать 20 лет. Ионисторы по плотности запасаемой энергии приближаются к химическим аккумуляторным батареям. Достоинства: накопленная энергия может быть использована в течение короткого промежутка времени.

Гравитационные накопители копрового типа

Вначале поднимаем тело массой 2000 кг на высоту 5 м. Затем тело опускается под действием силы тяжести, вращая электрогенератор. E = mgh ~ 2000 ∙ 10 ∙ 5 = 100 кДж ~ 27.8 Вт · час. Удельная энергетическая ёмкость 0.0138 Вт · час/кг. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 28 Вт. Срок службы накопителя может составлять 20 и более лет.

Достоинства: накопленная энергия может быть использована в течение короткого промежутка времени.

Маховик

Энергия, запасаемая в маховике, может быть найдена по формуле E = 0.5 J w2 , где J - момент инерции вращающегося тела. Для цилиндра радиуса R и высотой H:

J = 0.5 p r R4 H

Где r - плотность материала, из которого изготовлен цилиндр.

Предельная линейная скорость на периферии маховика Vmax (составляет примерно 200 м/с для стали).

Vmax = wmax R или wmax = Vmax /R

Тогда Emax = 0.5 J w2max = 0.25 p r R2 H V2max = 0.25 M V2max

Удельная энергия составит: Emax /M = 0.25 V2max

Для стального цилиндрического маховика максимальная удельная энергоемкость составляет приблизительно 10 кДж/кг. Для маховика массой 100 кг (R = 0.2 м, H = 0.1 м) максимальная накопленная энергия может составлять 0.25 ∙ 3.14 ∙ 8000 ∙ 0.22 ∙ 0.1 ∙ 2002 ~ 1 МДж ~ 0.278 кВт · час. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 280 Вт. Срок службы маховика может составлять 20 и более лет. Достоинства: накопленная энергия может быть использована в течение короткого промежутка времени, характеристики могут быть существенно улучшены.

Супермаховик

Супермахови́к в отличие от обычных маховиков способен за счёт конструктивных особенностей теоретически хранить до 500 Вт·ч на килограмм веса. Однако разработки супермаховиков почему-то остановились.

Пневматический накопитель

В стальной резервуар емкостью 1 м3 закачивается воздух под давлением 50 атмосфер. Чтобы выдержать такое давление, стенки резервуара должны иметь толщину примерно 5 мм. Сжатый воздух используется для выполнения работы. При изотермическом процессе работа A, совершаемая идеальным газом при расширении в атмосферу, определяется формулой:

A = (M / m) ∙ R ∙ T ∙ ln (V2 / V1)

Где M - масса газа, m - молярная масса газа, R - универсальная газовая постоянная, T - абсолютная температура, V1 - начальный объем газа, V2 - конечный объем газа. С учетом уравнения состояния для идеального газа (P1 ∙ V1 = P2 ∙ V2) для данной реализации накопителя V2 / V1 = 50, R = 8.31 Дж/(моль · град), T = 293 0K, M / m ~ 50: 0.0224 ~ 2232, работа газа при расширении 2232 ∙ 8.31 ∙ 293 ∙ ln 50 ~ 20 МДж ~ 5.56 кВт · час за цикл. Масса накопителя примерно равна 250 кг. Удельная энергия составит 80 кДж/кг. При работе пневматический накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 5.5 кВт. Срок службы пневматического накопителя может составлять 20 и более лет.

Достоинства: накопительный резервуар может быть расположен под землей, в качестве резервуара могут использоваться стандартные газовые баллоны в требуемом количестве с соответствующим оборудованием, при использовании ветродвигателя последний может непосредственно приводить в действие насос компрессора, имеется достаточно большое количество устройств, напрямую использующих энергию сжатого воздуха.

Сравнительная таблица некоторых накопителей энергии

Все полученные выше значения параметров накопителей энергии сведем в обобщающую таблицу. Но вначале заметим, что удельные энергоемкости позволяют сравнивать накопители с обычным топливом.

Основной характеристикой топлива является его теплота сгорания, т.е. количество теплоты, выделяющееся при полном его сгорании. Различают теплоту сгорания удельную (МДж/кг) и объемную (МДж/м3). Переводя МДж в кBт-часы получаем:

Топливо Энергетическая ёмкость (кВт-ч /кг) Дрова 2,33-4,32 Горючий сланец 2,33 – 5,82 Торф 2,33 – 4,66 Бурый уголь 2,92 -5,82 Каменный уголь ок. 8,15 Антрацит 9,08 – 9,32 Нефть 11,63 Бензин 12,8 кВт-ч/кг, 9,08 кВт-ч/литр

Как видим, удельные энергоёмкости топлива значительно превосходят энергоемкость накопителей энергии. Поскольку в качестве резервного источника энергии часто используются дизельные генераторы, включим в итоговую таблицу энергоемкость дизельного топлива, которая равна 42624 кДж/кг или 11,84 кВт-часа/кг. И добавим для сравнения еще природный газ и водород, поскольку последний тоже может служить основой для создания накопителей энергии.

Удельная массовая энергоёмкость баллонного газа (пропан-бутан) составляет 36 мДж/кг. или 10 КВт-ч/кг., а у водорода - 33,58 КВт-ч/кг.

В результате получим следующую таблицу с параметрами рассмотренных накопителей энергии (последние две строки в этой таблице добавлены для сравнения с традиционными энерго-носителями):

Накопитель энергии Характеристики возможной
реализации накопителя Запасенная
энергия, КВт*ч Удельная энергетическая ёмкость,
Вт · час/кг Максимальное время работы
на нагрузку 100 Вт, минут Объемная удельная энергоемкость,
Вт · час/дм3 Срок службы,
лет Копровый Масса копра 2 т, высота
подъема 5 м 0,0278 0.0139 16,7 2,78/объем копра в дм более 20 Гидравлический гравитационный Масса воды 1000 кг, высота перекачки 10 м 0,0286 0,0286 16,7 0,0286 более 20 Конденсаторный Батарея емкостью 1 Ф,
напряжением 250 В, масса 120 кг 0,00868 0.072 5.2 0,0868 до 20 Маховик Стальной маховик массой 100 кг, диаметр 0.4 м, толщина 0.1 м 0,278 2,78 166,8 69,5 более 20 Свинцово-кислотный аккумулятор Емкость 190 А·час, выходное напряжение 12 В, масса 70 кг 1,083 15,47 650 60-75 3 … 5 Пневматический Стальной резервуар объемом 1 м3массой 250 кг со сжатым воздухом под давлением 50 атмосфер 0,556 22,2 3330 0,556 более 20 Теплоаккумулятор Объем воды 1000 л., нагретой до 80 °C, 58,33 58,33 34998 58,33 до 20 Баллон с водородом Объем 50 л., плотность 0,09 кг/м³, степень сжатия 10:1 (масса 0,045 кг) 1,5 33580 906,66 671600 более 20 Баллон с пропан-бутаном Объем газа 50 л, плотность 0,717 кг/м³, степень сжатия 10:1 (масса 0,36 кг) 3,6 10000 2160 200000 более 20 Канистра с дизельным топливом Объем 50 л. (=40кг) 473,6 11840 284160 236800 более 20

Приведенные в этой таблице цифры очень приблизительны, в расчетах не учтено множество факторов, например, коэффициэнт полезного действия того генератора, который использует сохраненную энергию, объемы и веса необходимого оборудования и так далее. Тем не менее, эти цифры позволяют, на мой взгляд, дать первоначальную оценку потенциальной энергоемкости различных видов накопителей энергии.

И, как следует из приведенной таблицы, наиболее эффективным видом накопителя представляется баллон с водородом. Если для получения водорода используется «дармовая» (избыточная) энергия из возобновляемых источников, то именно водородный накопитель может оказаться самым перспективным.

Водород может использоваться в качестве топлива в обычном двигателе внутреннего сгорания, который будет вращать электрогенератор, либо в водородных топливных ячейках, которые непосредственно производят электроэнергию. Вопрос о том, какой способ выгоднее, требует уже отдельного рассмотрения. Ну, и вопросы безопасности при производстве и использовании водорода могут внести коррективы при рассмотрении целесообразности применения того или иного вида накопителей энергии. опубликовано

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! ©

Присоединяйтесь к нам в Facebook , ВКонтакте, Одноклассниках

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

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 ~ 2 МДж ~ 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 ~ 16 МДж ~ 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:

Тип накопителя энергии	Расчетные рабочие характеристики	Величина запасенной энергия, кДж	Удельная энергия (на единицу массы устройста), кДж/кг	Предельная нагрузка при работе накопителя в течении часа, Вт	Ожидаемый срок службы, в годах
Конденсаторного типа	емкость батареи 1 Ф, напряжение 220 В, масса 120 кг	24,2			в пределах 20
Копрового типа	масса бабы копра 2000 кг, максимальный подъем 4 м		0.04		не менее 20
Гравитационный гидравлического типа	масса жидкости 8000 кг, разница в высотах 10 м		0.08		не менее 20
Маховик	цилиндрический маховик из стали массой 200 кг, радиус 0,2 м, толщина 0,2 м	2000			не менее 20
Аккумулятор свинцово-кислотный	емкость батареи 190 А · час, напряжение на выходе12 В, масса батареи 60 кг	3900		1080	минимум 3 максимум 5
Пневматического типа	резервуар из стали емкостью 1 м 3 , масса резервуара 2,5ц давление сжатого воздуха 40 атмосфер	16000		4500	не менее 20