Postoji pitanje: "Koja je metoda skladištenja energije poželjnija u danoj situaciji?". Na primjer, koji način skladištenja energije trebam odabrati za privatnu kuću ili vikendicu opremljenu solarnom ili vjetroelektranom? Očito, u ovom slučaju nitko neće graditi veliku pumpnu stanicu, ali je moguće instalirati veliki spremnik, podižući ga na visinu od 10 metara. Ali hoće li takva instalacija biti dovoljna za održavanje konstantnog napajanja u nedostatku sunca?

Da bismo odgovorili na pitanja koja se postavljaju, potrebno je razviti neke kriterije za ocjenu baterija koji će omogućiti objektivne ocjene. A da biste to učinili, morate uzeti u obzir različite parametre pogona koji vam omogućuju dobivanje numeričkih procjena.

Kapacitet ili akumulirani naboj?

Kada se govori ili piše o automobilskim akumulatorima, često se spominje vrijednost koja se zove kapacitet akumulatora i izražava se u amper-satima (za male baterije - u miliamper-satima). Ali, strogo govoreći, amper-sat nije jedinica kapaciteta. U električnoj teoriji, kapacitet se mjeri u faradima. A amper-sat je mjerna jedinica za naboj! Odnosno, akumulirani naboj treba smatrati (i tako nazvati) karakteristikom baterije.

U fizici se naboj mjeri u kulonima. Kulon je količina naboja koja prolazi kroz vodič pri struji od 1 ampera u jednoj sekundi. Budući da je 1 C/s jednak 1 A, tada, pretvaranjem sati u sekunde, nalazimo da će jedan amper-sat biti jednak 3600 C.

Treba napomenuti da je čak i iz definicije kulona jasno da naboj karakterizira određeni proces, naime proces prolaska struje kroz vodič. Ista stvar proizlazi čak i iz naziva druge veličine: jedan amper-sat je kada struja od jednog ampera teče kroz vodič jedan sat.

Na prvi pogled može se činiti da ovdje postoji neka nedosljednost. Uostalom, ako govorimo o očuvanju energije, onda bi se energija akumulirana u bilo kojoj bateriji trebala mjeriti u džulima, budući da je džul u fizici jedinica mjerenja energije. No, podsjetimo da struja u vodiču nastaje samo kada postoji razlika potencijala na krajevima vodiča, odnosno napon je doveden na vodič. Ako je napon na stezaljkama baterije 1 volt i naboj od jednog amper-sata teče kroz vodič, nalazimo da je baterija isporučila 1 V · 1 Ah = 1 Wh energije.

Dakle, u odnosu na baterije ispravnije je govoriti o akumuliranoj energiji (pohranjenoj energiji) ili akumuliranom (pohranjenom) naboju. Ipak, budući da je pojam “kapacitet baterije” raširen i nekako poznatiji, koristit ćemo ga, ali uz malo pojašnjenja, naime, govorit ćemo o energetskom kapacitetu.

Energetski kapacitet - energija koju daje potpuno napunjena baterija kada se isprazni na najnižu dopuštenu vrijednost.

Pomoću ovog koncepta pokušat ćemo približno izračunati i usporediti energetski kapacitet različite vrste uređaji za skladištenje energije.

Energetski kapacitet kemijskih baterija

Potpuno napunjena električna baterija navedenog kapaciteta (punjenja) od 1 Ah teoretski može isporučiti 1 amper struje tijekom jednog sata (ili, na primjer, 10 A za 0,1 sat, ili 0,1 A za 10 sati). Ali prevelika struja pražnjenja baterije dovodi do manje učinkovite isporuke energije, što nelinearno smanjuje vrijeme rada s takvom strujom i može dovesti do pregrijavanja. U praksi se kapacitet baterije izračunava na temelju 20-satnog ciklusa pražnjenja do konačnog napona.

Za automobilske baterije to je 10,8 V. Na primjer, natpis na oznaci baterije "55 Ah" znači da je sposoban isporučiti struju od 2,75 ampera 20 sati, a napon na stezaljkama neće pasti ispod 10,8 IN .

Proizvođači baterija često navode Tehničke specifikacije njihovih proizvoda pohranjenu energiju u Wh (Wh), a ne pohranjeni naboj u mAh (mAh), što, općenito govoreći, nije točno. Izračunajte pohranjenu energiju iz pohranjenog naboja opći slučaj nije lako: zahtijeva integraciju trenutne snage koju daje baterija tijekom cijelog razdoblja njenog pražnjenja. Ako nije potrebna veća točnost, umjesto integracije možete koristiti prosječne vrijednosti potrošnje napona i struje i koristiti formulu:

1 Wh = 1 V 1 Ah.

To jest, pohranjena energija (u Wh) približno je jednaka umnošku pohranjenog naboja (u Ah) i prosječnog napona (u voltima): E = q · U. Na primjer, ako je kapacitet (u uobičajenom smislu) 12-voltne baterije naveden kao 60 Ah, tada će pohranjena energija, odnosno njen energetski kapacitet biti 720 W sati.

Energetski kapacitet gravitacijskih skladišta energije

U svakom udžbeniku fizike možete pročitati da se rad A koji izvrši neka sila F pri podizanju tijela mase m na visinu h izračunava po formuli A = m g h, gdje je g akceleracija slobodan pad. Ova formula ima mjesto u slučaju kada se tijelo kreće sporo, a sile trenja se mogu zanemariti. Rad protiv gravitacije ne ovisi o tome kako podižemo tijelo: okomito (kao uteg na satu), uzduž nagnute ravnine (kao kad vučemo saonice uz planinu) ili na bilo koji drugi način.

U svim slučajevima, rad A = m · g · h. Prilikom spuštanja tijela na prvobitnu razinu, sila gravitacije će proizvesti isti rad kao što je utrošena silom F za podizanje tijela. To znači da smo prilikom podizanja tijela uskladištili rad jednak m · g · h, tj. podignuto tijelo ima energiju jednaku umnošku sile teže koja djeluje na to tijelo i visine na koju je podignuto. Ta energija ne ovisi o putanji kojom se dizanje odvija, već je određena samo položajem tijela (visinom na koju je podignuto ili visinskom razlikom između početnog i krajnjeg položaja tijela) i naziva se potencijalna energija.

Koristeći ovu formulu, procijenimo energetski kapacitet mase vode upumpane u spremnik kapaciteta 1000 litara, podignut 10 metara iznad razine tla (ili razine turbine hidrogeneratora). Pretpostavimo da spremnik ima oblik kocke s duljinom ruba 1 m. Tada je, prema formuli iz Landsbergovog udžbenika, A = 1000 kg · (9,8 m/s2) · 10,5 m = 102900 kg · m2/. s2. Ali 1 kg m2/s2 jednak je 1 džulu, a kada se pretvori u vat sate, dobivamo samo 28,583 vat sata. Odnosno, da biste dobili energetski kapacitet jednak kapacitetu konvencionalne električne baterije od 720 vat-sati, trebate povećati volumen vode u spremniku za 25,2 puta.

Spremnik će morati imati duljinu rebra od približno 3 metra. Istovremeno, njegov energetski kapacitet bit će jednak 845 vat-sati. To je više od kapaciteta jedne baterije, ali ugradbeni volumen znatno je veći od veličine konvencionalne olovno-cink-akumulatorske baterije. Ova usporedba sugerira da ima smisla razmatrati ne pohranjenu energiju u određenom sustavu – energiju samu po sebi, već u odnosu na masu ili volumen dotičnog sustava.

Specifični energetski kapacitet

Stoga smo došli do zaključka da je preporučljivo korelirati energetski kapacitet s masom ili volumenom uređaja za pohranjivanje, ili samog nosača, na primjer, vodu ulivenu u spremnik. Mogu se uzeti u obzir dva pokazatelja ove vrste.

Specifični energetski kapacitet mase nazivat ćemo energetskim kapacitetom uređaja za pohranu podijeljen s masom tog uređaja za pohranu.

Volumetrijski specifični energetski kapacitet bit će energetski kapacitet uređaja za pohranu podijeljen s volumenom tog uređaja za pohranu.

Primjer. Olovna baterija Panasonic LC-X1265P, dizajnirana za 12 volti, ima punjenje od 65 amper sati, teži 20 kg. a dimenzije (DxŠxV) 350 · 166 · 175 mm. Njegov radni vijek pri t = 20 C je 10 godina. Stoga će njegov maseni specifični energetski intenzitet biti 65 · 12 / 20 = 39 watt-sati po kilogramu, a volumenski specifični energetski intenzitet bit će 65 · 12 / (3,5 · 1,66 · 1,75) = 76,7 watt-sati po kubnom decimetru ili 0,0767 kWh po kubnom metru.

Za uređaj za gravitacijsko pohranjivanje energije koji se temelji na spremniku za vodu volumena 1000 litara, o kojem je bilo riječi u prethodnom odjeljku, specifična masena energetska intenzivnost bit će samo 28,583 vat-sati/1000 kg = 0,0286 Wh/kg, što je 1363 puta manje nego maseni energetski intenzitet olovno-cinkove baterije. I iako se radni vijek gravitacijskog uređaja za pohranjivanje može pokazati znatno duljim, s praktične točke gledišta spremnik se čini manje privlačnim od punjive baterije Pogledajmo još nekoliko primjera uređaja za pohranu energije i procijenimo njihovu specifičnu energiju intenzitet.

Energetski kapacitet akumulatora topline

Toplinski kapacitet je količina topline koju primi tijelo kada se zagrije za 1 °C. Ovisno o tome kojoj kvantitativnoj jedinici toplinski kapacitet pripada, razlikuju se maseni, volumetrijski i molarni toplinski kapacitet.

Maseni specifični toplinski kapacitet, također jednostavno nazvan specifični toplinski kapacitet, količina je topline koja se mora dodati jedinici mase tvari da bi se zagrijala na jediničnu temperaturu. U SI se mjeri u džulima podijeljenim s kilogramima po kelvinu (J kg−1 K−1).

Volumetrijski toplinski kapacitet je količina topline koja se mora dovesti u jedinicu volumena tvari da bi se zagrijala po jedinici temperature. U SI se mjeri u džulima po kubnom metru po kelvinu (J m−3 K−1).

Molarni toplinski kapacitet je količina topline koja se mora dovesti do 1 mol tvari da bi se zagrijala po jedinici temperature. U SI se mjeri u džulima po molu po kelvinu (J/(mol K)).

Mol je mjerna jedinica za količinu tvari u Međunarodnom sustavu jedinica. Mol je količina tvari u sustavu koja sadrži isti broj strukturnih elemenata koliko ima atoma u ugljiku-12 težine 0,012 kg.

Na specifični toplinski kapacitet utječu temperatura tvari i drugi termodinamički parametri. Na primjer, mjerenje specifičnog toplinskog kapaciteta vode dat će različite rezultate na 20 °C i 60 °C. Osim toga, specifični toplinski kapacitet ovisi o tome kako se termodinamičkim parametrima tvari (tlaku, volumenu itd.) dopušta promjena; na primjer, specifični toplinski kapacitet pri konstantnom tlaku (CP) i pri konstantnom volumenu (CV) općenito su različiti.

Prijelaz tvari iz jednog agregatnog stanja u drugo prati nagla promjena toplinskog kapaciteta na određenoj temperaturnoj točki pretvorbe za svaku tvar - talištu (prijelaz čvrsta u tekućinu), vrelište (prijelaz tekućine u plin) i, ​​sukladno tome, temperature obrnutih transformacija: smrzavanja i kondenzacije.

Specifični toplinski kapaciteti mnogih tvari navedeni su u referentnim knjigama, obično za proces pri konstantnom tlaku. Na primjer, specifični toplinski kapacitet tekuće vode pri normalnim uvjetima- 4200 J/(kg K); led - 2100 J/(kg K).

Na temelju prikazanih podataka možete pokušati procijeniti toplinski kapacitet vodenog akumulatora topline (sažetak). Pretpostavimo da je masa vode u njemu 1000 kg (litara). Zagrijemo ga na 80 °C i pustimo da odaje toplinu dok se ne ohladi na 30 °C. Ako se ne zamarate činjenicom da je toplinski kapacitet različit kod različite temperature, možemo pretpostaviti da će akumulator topline osloboditi 4200 * 1000 * 50 J topline. Odnosno, energetski kapacitet takvog akumulatora topline je 210 megajoula ili 58,333 kilovat-sata energije.

Usporedimo li ovu vrijednost s energetskim nabojem konvencionalne automobilske baterije (720 watt-sati), vidimo da je energetski kapacitet dotičnog toplinskog akumulatora jednak energetskom kapacitetu približno 810 električnih baterija.

Specifična masena energetska intenzivnost takvog akumulatora topline (čak i bez uzimanja u obzir mase posude u kojoj će se stvarno skladištiti zagrijana voda i mase toplinske izolacije) bit će 58,3 kWh/1000 kg = 58,3 Wh/kg. Ispada da je to već više od masenog energetskog intenziteta olovno-cink baterije, jednakog, kako je izračunato gore, 39 Wh/kg.

Prema grubim izračunima, akumulator topline je usporediv s konvencionalnim automobilskim akumulatorom u pogledu volumetrijskog specifičnog energetskog kapaciteta, budući da je kilogram vode decimetar volumena, stoga je i njegov volumetrijski specifični energetski kapacitet jednak 76,7 Wh/kg, što točno se podudara s volumetrijskim specifičnim toplinskim kapacitetom olovno-kiselinske baterije. Istina, u proračunu za akumulator topline uzeli smo u obzir samo volumen vode, iako bi bilo potrebno uzeti u obzir i volumen spremnika i toplinske izolacije. Ali u svakom slučaju, gubitak neće biti tako velik kao kod gravitacijskog skladišnog uređaja.

Ostale vrste uređaja za pohranu energije

U članku “Pregled uređaja za pohranjivanje energije (akumulatora)” dati su izračuni specifičnog energetskog intenziteta još nekih pohranjivača energije. Posudimo neke primjere od tamo

Skladištenje kondenzatora

S kapacitetom kondenzatora od 1 F i naponom od 250 V, pohranjena energija će biti: E = CU2 /2 = 1 ∙ 2502 /2 = 31,25 kJ ~ 8,69 W h. Ako koristite elektrolitske kondenzatore, njihova težina može biti 120 kg. Specifična energija spremnika je 0,26 kJ/kg ili 0,072 W/kg. Tijekom rada, pogon može osigurati opterećenje ne veće od 9 W tijekom jednog sata. Vijek trajanja elektrolitskih kondenzatora može doseći 20 godina. Po gustoći energije ioniztori su bliski kemijskim baterijama. Prednosti: akumulirana energija se može iskoristiti u kratkom vremenu.

Akumulatori tipa gravitacijskog pogona

Prvo podignemo tijelo mase 2000 kg na visinu od 5 m, zatim se tijelo spušta pod utjecajem sile teže, rotirajući električni generator. E = mgh ~ 2000 ∙ 10 ∙ 5 = 100 kJ ~ 27,8 W h. Specifični energetski kapacitet 0,0138 W h/kg. Tijekom rada, pogon može osigurati opterećenje ne veće od 28 W tijekom jednog sata. Životni vijek pogona može biti 20 godina ili više.

Prednosti: akumulirana energija se može iskoristiti u kratkom vremenskom razdoblju.

Zamašnjak

Energija pohranjena u zamašnjaku može se pronaći pomoću formule E = 0,5 J w2, gdje je J moment tromosti rotirajućeg tijela. Za cilindar radijusa R i visine H:

J = 0,5 p r R4 H

Gdje je r gustoća materijala od kojeg je izrađen cilindar.

Ograničite linearnu brzinu na periferiji zamašnjaka Vmax (približno 200 m/s za čelik).

Vmax = wmax R ili wmax = Vmax /R

Tada je Emax = 0,5 J w2max = 0,25 p r R2 H V2max = 0,25 M V2max

Specifična energija će biti: Emax /M = 0,25 V2max

Za čelični cilindrični zamašnjak maksimalni specifični sadržaj energije je približno 10 kJ/kg. Za zamašnjak mase 100 kg (R = 0,2 m, H = 0,1 m) maksimalna akumulirana energija može biti 0,25 ∙ 3,14 ∙ 8000 ∙ 0,22 ∙ 0,1 ∙ 2002 ~ 1 MJ ~ 0,278 kW h. Tijekom rada, pogon može osigurati opterećenje ne veće od 280 W tijekom jednog sata. Životni vijek zamašnjaka može biti 20 godina ili više. Prednosti: akumulirana energija može se koristiti kratko vrijeme, performanse se mogu značajno poboljšati.

Super zamašnjak

Super zamašnjak, za razliku od konvencionalnih zamašnjaka, sposoban je za značajke dizajna teoretski pohraniti do 500 Wh po kilogramu težine. Međutim, iz nekog razloga razvoj superzamašnjaka je zaustavljen.

Pneumatski akumulator

Zrak pod tlakom od 50 atmosfera pumpa se u čelični spremnik kapaciteta 1 m3. Kako bi izdržali ovaj pritisak, stijenke spremnika moraju biti debele približno 5 mm. Za obavljanje posla koristi se komprimirani zrak. U izotermnom procesu, rad A koji izvrši idealni plin tijekom širenja u atmosferu određen je formulom:

A = (M / m) ∙ R ∙ T ∙ ln (V2 / V1)

Gdje je M masa plina, m molarna masa plina, R univerzalna plinska konstanta, T apsolutna temperatura, V1 početni volumen plina, V2 konačni volumen plina. Uzimajući u obzir jednadžbu stanja za idealni plin (P1 ∙ V1 = P2 ∙ V2) za ovu implementaciju skladišnog uređaja V2 / V1 = 50, R = 8,31 J/(mol deg), T = 293 0K, M / m ~ 50: 0,0224 ~ 2232, plinski rad tijekom ekspanzije 2232 ∙ 8,31 ∙ 293 ∙ ln 50 ~ 20 MJ ~ 5,56 kW · sat po ciklusu. Masa pogona je cca 250 kg. Specifična energija bit će 80 kJ/kg. Tijekom rada, pneumatski uređaj za pohranjivanje može osigurati opterećenje ne veće od 5,5 kW na sat. Životni vijek pneumatskog akumulatora može biti 20 godina ili više.

Prednosti: spremnik se može nalaziti pod zemljom, standardne plinske boce u potrebnoj količini s odgovarajućom opremom mogu se koristiti kao spremnik, kada se koristi vjetromotor, potonji može izravno pokretati pumpu kompresora, ima dovoljno veliki broj uređaji koji izravno koriste energiju komprimiranog zraka.

Usporedna tablica nekih uređaja za pohranu energije

Sažemo sve gore dobivene vrijednosti parametara uređaja za pohranu energije u sažetu tablicu. Ali prvo, napomenimo da nam specifični energetski intenzitet omogućuje usporedbu uređaja za pohranu s konvencionalnim gorivom.

Glavna karakteristika goriva je njegova toplina izgaranja, tj. količina topline koja se oslobađa tijekom potpunog izgaranja. Razlikuju se specifična toplina izgaranja (MJ/kg) i volumetrijska toplina (MJ/m3). Pretvarajući MJ u kWh dobivamo:

Gorivo Energetski kapacitet (kWh/kg) Ogrjevno drvo 2,33-4,32 Uljni škriljevac 2,33 – 5,82 Treset 2,33 – 4,66 Mrki ugljen 2,92 -5,82 Tvrdi ugljen cca. 8,15 Antracit 9,08 – 9,32 Ulje 11,63 Benzin 12,8 kWh/kg, 9,08 kWh/litra

Kao što vidimo, specifični energetski intenzitet goriva znatno premašuje energetski intenzitet uređaja za pohranu energije. Budući da se dizel generatori često koriste kao rezervni izvor energije, u konačnu ćemo tablicu uvrstiti energetsku intenzivnost dizel goriva koja iznosi 42624 kJ/kg ili 11,84 kW-sati/kg. I dodajmo prirodni plin i vodik za usporedbu, jer potonji također može poslužiti kao osnova za stvaranje uređaja za pohranu energije.

Specifični maseni energetski sadržaj plina u bocama (propan-butan) iznosi 36 mJ/kg. ili 10 kWh/kg, a za vodik - 33,58 kWh/kg.

Kao rezultat dobivamo sljedeću tablicu s parametrima razmatranih uređaja za pohranu energije (zadnja dva retka u ovoj tablici dodana su za usporedbu s tradicionalnim nositeljima energije):

Uređaj za pohranu energije Karakteristike mogućih
implementacije pogona za pohranu Rezervirano
energija, kWh Specifični energetski kapacitet,
W h/kg Maksimalno vrijeme rada
za opterećenje od 100 W, minuta Volumetrijski specifični energetski intenzitet,
W h/dm3 Vijek trajanja,
godina zabijač stupova težina 2 t, vis
uzgon 5 m 0,0278 0,0139 16,7 2,78/volumen vozača u dm više od 20 Hidraulička gravitacija Masa vode 1000 kg, visina pumpanja 10 m 0,0286 0,0286 16,7 0,0286 više od 20 Kondenzatorska baterija kapaciteta 1 F ,
napon 250 V, težina 120 kg 0,00868 0,072 5,2 0,0868 do 20 Zamašnjak Čelični zamašnjak težine 100 kg, promjera 0,4 m, debljine 0,1 m 0,278 2,78 166,8 69,5 više od 20 Olovni akumulator Kapacitet 190 A sat , izlazni napon 12 V, težina 70 kg 1.083 15.47 650 60-75 3 ... 5 Pneumatski čelični spremnik volumena 1 m3, težine 250 kg s komprimiranim zrakom pod tlakom 50 atmosfera 0.556 22.2 3330 0.556 više od 20 Toplinski akumulator Volumen vode 1000 l ., grijana na 80 °C, 58,33 58,33 34998 58,33 do 20 Boca za vodik Volumen 50 l., gustoća 0,09 kg/m³, omjer kompresije 10:1 (težina 0,045 kg) 1,5 33580 906,66 671600 više od 20 Boca s propan-buta ne Zapremina plina 50 l, gustoća 0,717 kg/m³, omjer kompresije 10:1 (težina 0,36 kg) 3,6 10000 2160 200000 više od 20 Kanister s dizel gorivom Volumen 50 l. (=40 kg) 473,6 11840 284160 236800 više od 20

Brojke navedene u ovoj tablici vrlo su približne; izračuni ne uzimaju u obzir mnoge čimbenike, na primjer, koeficijent korisna radnja taj generator koji koristi pohranjenu energiju, volumene i težine potrebna oprema i tako dalje. Međutim, ove brojke omogućuju, po mom mišljenju, davanje početne procjene potencijalnog energetskog intenziteta različite vrste uređaji za skladištenje energije.

I, kako proizlazi iz gornje tablice, najviše efektan izgled Uređaj za pohranjivanje predstavljen je cilindrom s vodikom. Ako se za proizvodnju vodika koristi “besplatna” (višak) energija iz obnovljivih izvora, tada bi se uređaj za skladištenje vodika mogao pokazati najperspektivnijim.

Vodik može se koristiti kao gorivo u konvencionalnom motoru s unutarnjim izgaranjem koji će pokretati električni generator ili u vodikovim gorivnim ćelijama koje izravno proizvode električnu energiju. Pitanje koja je metoda isplativija zahtijeva zasebno razmatranje. Pa, sigurnosna pitanja u proizvodnji i korištenju vodika mogu napraviti prilagodbe kada se razmatra izvedivost korištenja jedne ili druge vrste uređaja za pohranu energije. Objavljeno

p.s. I zapamtite, samo promjenom vaše potrošnje, mi zajedno mijenjamo svijet! ©

Pridružite nam se na Facebooku, VKontakteu, Odnoklassniki

Stranica 10 od 23

Svi gore razmotreni NE imali su elektromehanički upravljački uređaj, što je odredilo njihovu nisku sposobnost manevriranja.

Riža. 2.7. Dijagrami povezivanja NEE:
a - shunt; b - linearni
Pogoni električna energija(NEE) povezani su s EPS-om preko upravljanog ventilskog pretvarača*, čije je vrijeme povrata snage 0,01 s, što određuje njihovu visoku manevarsku sposobnost, a time i mogućnost integrirane uporabe u EPS-u.

*Budući da je akumulacija električne energije moguća samo uz konstantnu struju.

Uređaji za skladištenje električne energije uključuju:
gorive ćelije (FC);
elektrokemijske baterije (EAB);
supravodljivi induktivni uređaji za pohranu (SPIN);
kapacitivni uređaji za pohranu (EN).
Postoje dva načina za spajanje NEI na elektroenergetski sustav - šant i linearni; odgovarajući dijagrami prikazani su na sl. 2.7, a, b.
Pogledajmo pobliže jedinice za pohranu električne energije.

NEE upravljački uređaj.

Može se implementirati pomoću trofaznog mostnog kruga, koji ima visoke tehničke performanse i dokazao se u radu postojećih pretvarača velike snage. Broj mostova u upravljačkom uređaju NEE određen je stvarnom mogućom snagom tiristorskog mosta i radnim razmatranjima o kojima se raspravlja u nastavku.


Riža. 2.8. Shema sekvencijalnog povezivanja modula pretvarača s 12 impulsa koji čine upravljačku jedinicu:
1 - element za pohranu; 2 - prekidač; 3-međufazni reaktor; 4 - most pretvarača; 5- transformator; 6 - trofazna mreža
Svaki most je spojen na AC mrežu preko zasebnog transformatora. Da bi se osigurao 12-pulsni način pretvorbe, koji ima niz prednosti u odnosu na šest-pulsni (manje pulsiranje istosmjernog napona, bolji harmonijski sastav izmjeničnog napona itd.), sekundarni namoti jedne polovice transformatori su spojeni u “trokut”, a drugi u “zvijezdu” (sl. 2.8).
Za povećanje faktora snage napajanja, određenog kutovima regulacije i prebacivanja pretvaračkog uređaja, kao i stupnjem izobličenja valnog oblika izmjeničnog napona, na izmjenične sabirnice stanice priključeni su različiti kompenzacijski uređaji - sinkroni kompenzatori, statički tiristorski kompenzatori, uređaji za kompenzaciju filtera. Potrošnja jalove snage može se smanjiti dijeljenjem pretvarača u niz modula.

Tijekom rada, upravljački kutovi svih modula osim jednog održavaju se na 0°. Jedan od njih ima kut određen potrebnim naponom. Svi moduli s nultim kutom zahtijevaju samo minimalnu jalovu snagu za preklapanje.
Na sl. 2.8 prikazuje mogući dijagram pretvarača dizajniranog za smanjenje potrošnje jalove snage. Pretvarač je serijski spoj 12-impulsnih modula koji sadrže energetske transformatore. Svaki modul je naznačen na 4,5 kV i sastoji se od dva 6-pulsna mosta spojena paralelno s faznim reaktorom koji uravnotežuje struju. Dva modula imaju trenutne vrijednosti od 50 kA, druga dva - 30 i 20 kA. Na primjer, pri maksimalnoj struji AE uređaja za pohranjivanje, svaki 6-pulsni most daje konstantnu struju od 25 kA. Ako se 12-pulsni modul kratko spoji mehaničkim prekidačem na nultom naponu i zatim isključi iz trofazne mreže, ukupna učinkovitost pretvarača će se poboljšati jer će se eliminirati pad napona prema naprijed na četiri tiristora spojena u seriju .
Vrijednost izlazne djelatne snage NEE mora biti određena u svim režimima njegovog rada zahtjevima sustava i ne ovisiti o promjeni napona na samom AE. Jedan od načina da se osigura ispunjavanje ovog uvjeta je podešavanje kutova upravljanja ventila. Korištenje kontroliranih pretvarača kao veze između AE i AC mreže omogućuje, odgovarajućim mijenjanjem kutova sklopke ventila tijekom ciklusa punjenja i pražnjenja NEE, implementaciju gotovo bilo kojeg zakona upravljanja snagom. U ovom slučaju, snaga na sabirnicama izmjeničnog napona ovisit će o odnosu između napona na AE i povratnog EMF-a pretvarača, određenog vrijednošću kontrolnih kutova. Međutim, ova metoda kontrole ima niz ograničenja. Budući da snaga pretvarača NEE može doseći nekoliko stotina megavata, krakovi mosta moraju biti sastavljeni od serijski paralelno povezanih ventila. Da bi se ograničili prenaponi, potrebno je paralelno s njima spojiti aktivno-kapacitivne prigušne krugove. Kada su pretvarači duboko regulirani, na krakovima mosta i njegovim pojedinačnim ventilima pojavljuju se povratni udari napona. Parametri prigušnih lanaca potrebni za njihovo ograničavanje postaju neprihvatljivi zbog gubitaka snage u njima. Kada koristite druge zaštitne uređaje (na primjer, lavinske diode) ovaj problem ostaci. Primjena tiristora u snažnim pretvaračkim instalacijama dodatno povećava broj ventila u krakovima mosta i postavlja strože zahtjeve na njihove zaštitne uređaje.


Riža. 2.9. Preklopni krug pretvarača upravljačke jedinice


Riža. 2.10. Vanjske karakteristike pretvarača
S druge strane, kod duboke simetrične regulacije zbog faznog pomaka struje u odnosu na napon na kolodvorskim sabirnicama prevladava jalova komponenta snage.

Za njegovu kompenzaciju potrebna je neprihvatljivo velika snaga kompenzacijskih uređaja (u granicama jednaka snazi ​​stanice). Ove okolnosti otežavaju regulaciju unutar širokog raspona kutova upravljanja. Njihove vrijednosti mogu se povećati korištenjem izmjeničnog upravljanja pretvaračima, u kojima jedan dio mostova radi u ispravljačkom načinu rada, a drugi u inverterskom načinu rada. S takvim asimetričnim zakonom upravljanja moguće je proširiti kontrolnu granicu izlaznog napona pretvarača na prihvatljiv faktor snage stanice. Međutim, očigledno je nemoguće u potpunosti dodijeliti funkciju upravljanja NEE reguliranju kutova prebacivanja ventila. Preporučljivo je kombinirati ga s drugim metodama osiguranja neovisnosti napajanja na sabirnicama EE od napona na AE.
Na sl. Slika 2.9 prikazuje dijagram upravljačke jedinice NEE (za slučaj kada se pretvarački uređaj stanice sastoji od dva mosta), koji omogućuje promjenu povratne EMF pretvarača (ovisno o naponu na AE) prebacivanjem mostova. s paralelne veze na serijsku vezu kod punjenja NEE i, obrnuto, kod njegovog ranga. Primjenjiv je za bilo koji broj pretvaračkih mostova u stanici. Anoda svakog mosta mora biti spojena preko sklopnih uređaja na anodu i katodu prethodnog mosta duž struje struje i anodu sljedećeg, a katoda - na anodu i katodu sljedećeg mosta duž struje struje i katodu prethodnog.
Razmotrimo rad NEE u inverzijskom načinu rada, budući da je u tom načinu rada važno osigurati da snaga na sabirnicama za pohranu bude neovisna o naponu na AE.
Razmotrimo vanjsku karakteristiku pretvarača za slučaj kada se vrijednost aktivne snage na AC sabirnicama održava blizu konstante. U početnom trenutku (pri maksimalnom AE naponu) pretvarač radi sa serijski spojenim mostovima. Održavanje zadane struje pražnjenja osigurava se podešavanjem kutova upravljanja pretvarača (točke 1-2 na sl. 2.10). U trenutku se napon na AE smanjuje na vrijednost na kojoj se može održati dana vrijednost struje zbog rada jednog mosta (točka 2), mostovi se prebacuju sa serijske veze na paralelnu, što odgovara prijelazu iz točke 2. vanjske karakteristike pretvarači do točke 3. U ovom slučaju, struje koje teku kroz mostove pretvarača, a posljedično, struja i snaga stanice na izmjeničnim sabirnicama se ne mijenjaju, budući da su primarni namoti transformatora spojeni paralelno. Položaj točke 4. određen je postotkom podiskorištenosti AE.
Ukupan broj mostova stanica treba odrediti dopuštenom granicom za podešavanje kutova upravljanja ventilima i navedenim faktorom iskorištenja AE. Strujni krug (vidi sl. 2.9) konstruiran je na način da se u inverzijskom načinu rada, pri preklapanju, stanice ne odvajaju od EPS-a i sklopni uređaji ne prekidaju radnu istosmjernu struju. Stoga njihova proizvodnja neće uzrokovati dodatne poteškoće. Kratkotrajna preopterećenja mostova tijekom sklopki ne prelaze ona dopuštena za pretvarače istosmjernog prijenosa.
Opisana shema, u kombinaciji s regulacijom kutova upravljanja ventila, omogućuje održavanje potrebne aktivne snage koju isporučuje stanica, do potpunog pražnjenja aktivnog elementa bez prekida napajanja. Uz njegovu pomoć moguće je osigurati neovisnost potrošene djelatne snage o naponu na AE iu njegovom načinu punjenja (kada mostovi rade u ispravljačkom načinu rada), ali uz isključenje stanice iz EPS-a za vrijeme trajanja rekomutacija. .
Drugi način reguliranja snage OIE je spajanje AE na pretvarač stanice u dijelovima. Da bi se to postiglo, AE mora biti podijeljen u odjeljke, od kojih je svaki neovisno jedan o drugom spojen na DC sabirnice uređaja za pretvaranje. U ovom slučaju, snaga postaje varira oko dane prosječne vrijednosti; potpuno napunjeni ili ispražnjeni dijelovi moraju se odvojiti od pretvarača prije ponovnog spajanja. Dovoljno fino usitnjavanje AE na sekcije u kombinaciji s regulacijom regulacijskih kutova pretvarača smanjit će na prihvatljivu razinu neravnomjernu promjenu djelatne snage AE tijekom radnog ciklusa.
ostalo poznate metode regulacija sklopova naboj-pražnjenje kondenzatorskih baterija (uporaba transformatora s regulacijom napona pod opterećenjem, prebacivanje baterijskih kondenzatora iz serijskog u paralelni spoj i obrnuto, povezivanje pretvarača na izmjeničnu mrežu preko induktivno-kapacitivnih statičkih pretvarača, korištenje kompenziranih pretvarača s umjetnim preklapanjem). kao uređaji za pretvaranje struje ventila itd.) zahtijevaju posebno razmatranje.
Dakle, NPS s upravljačkim uređajem koji se temelji na 12-pulsnom pretvaraču, kada se koriste gore razmotrene metode, ispunit će sve zahtjeve za vršne izvore energije u EPS-u.
Prijeđimo sada na razmatranje mogućih tipova uređaja za pohranjivanje neelektričnih izvora energije.
Elektrokemijski uređaji za pohranu energije. Elektrokemijski uređaji za pohranu energije ili elektrokemijske baterije jedan su od najčešćih tipova uređaja za pohranu.
Elektrokemijska baterija (ECB) sastoji se od mnogo ćelija spojenih u seriju i paralelno. Puni se u satima izvan najvećeg opterećenja, a prazni u satima najvećeg opterećenja. Tijekom procesa punjenja električna energija se elektrokemijski pretvara u kemijsku energiju. Tijekom pražnjenja, akumulirana energija se oslobađa u obrnutoj reakciji. Gotovo veliki posao poboljšati EAB. Pokazalo se da se olovne baterije mogu koristiti iu elektroenergetskim postrojenjima. Međutim, cijena takvih elemenata je visoka. Nove vrste baterija temelje se na upotrebi kemijske reakcije materijali kao što su cink, sumpor, natrij, itd., dostupni u dovoljnim količinama i relativno jeftini. Ispitivanje cink-kloridnih baterija koje rade na niske temperature, daju ohrabrujuće rezultate. Od baterija koje zahtijevaju više od visoke temperature mogu se spomenuti natrij-sumpor i litij-sumpor. Posebno su uspješni laboratorijski testovi natrij-sumpor EAB.
Karakteristike obećavajućih tipova baterija za izravnavanje vršnih opterećenja dane su u tablici. 2.3.
Elektrokemijske baterije imaju učinkovitost koja doseže 65-70%. Očekuje se da će perspektivne baterije imati radni vijek od oko 20 godina uz specifična kapitalna ulaganja u instalaciju od oko 150 dolara/kW i specifični energetski intenzitet od 250 kWh/m3.
Nedostaci EAB-a su ograničeni broj ciklusa punjenja i pražnjenja (ne više od 500), kratko vrijeme skladištenja energije i negativan utjecaj na okoliš.
Tablica 2.3

Materijal koji se koristi kao katoda, anoda	elektrolit	Temperatura, °C	moguće gustoća energija, Wh/kg	moguće gustoća vlast, W/kg
Olovo oksid
Cink - klor	Vodena otopina
Natrij - sumpor
Litij - sumpor

Lanac tehnološkog ciklusa proizvodnje električne energije nužno uključuje takvu vezu kao uređaj za pohranu (baterija). U tradicionalnim načinima proizvodnja električne energije energetske rezerve akumuliraju u preliminarnom, "neelektričnom" obliku, a ta veza - uređaj za pohranu energije - nalazi se neposredno ispred električnog generatora.

Spremnik hidroelektrane je dizajniran za akumulaciju potencijalna energija riječna voda u gravitacijskom polju Zemlje podižući je uz pomoć brane na određenu visinu. Termoelektrana u svojim skladištima akumulira zalihe krutog ili tekućeg goriva potrebne za nesmetan rad ili cjevovodom opskrbljuje prirodni plin čija ogrjevna vrijednost jamči potrebnu rezervu energije. Reaktorske šipke nuklearnih elektrana predstavljaju zalihu nuklearnog goriva koja raspolaže određenim resursom nuklearne energije za korištenje.

Režim konstantne snage dostupan je za sve navedene tipove agregata. Količina proizvedene energije regulirana je u širokim granicama ovisno o razini dnevne potrošnje energije. Alternativni izvori (vjetar, plima, geotermalna energija, solarna energija) ne može osigurati zajamčenu konstantnu snagu generatora na traženoj ovaj trenutak razini. Uređaj za pohranjivanje, dakle, nije toliko pohranjivanje resursa koliko uređaj za prigušivanje, što potrošnju energije čini manje ovisnom o fluktuacijama u snazi ​​izvora. Energija izvora se akumulira u uređaju za pohranu i kasnije se po potrebi troši u obliku električne energije. Štoviše, njegova cijena uvelike ovisi o cijeni pogona.

Karakteristična značajka pogona je alternativni izvori energije je i činjenica da se energija akumulirana u njemu može potrošiti u druge svrhe. Na primjer, uz njihovu pomoć mogu se generirati jaka i super-jaka magnetska polja.

U fizici i energetici prihvaćene mjerne jedinice energije i međusobni odnosi: 1 kWh, odnosno 1000 W 3600 s - isto što i 3,6 MJ. Prema tome, 1 MJ je ekvivalentan 1/3,6 kWh, ili 0,278 kWh

Neki uobičajeni uređaji za pohranu energije:

Odmah rezervirajmo: gornji pregled nije potpuna klasifikacija uređaja za pohranu energije koji se koriste u energetskom sektoru; osim onih o kojima se ovdje raspravlja, postoje termalni, opružni, indukcijski i razne druge vrste uređaja za pohranu energije.

1. Pohrana tipa kondenzatora

Energija koju pohranjuje kondenzator od 1 F pri naponu od 220 V je: E = CU2 /2 = 1 2202 /2 kJ = 24 200 J = 0,0242 MJ ~ 6,73 Wh. Težina jednog takvog elektrolitskog kondenzatora može doseći 120 kg. Specifična energija po jedinici mase iznosi nešto više od 0,2 kJ/kg. Rad pogona po satu moguć je s opterećenjem unutar 7 W. Elektrolitički kondenzatori mogu trajati do 20 godina. Ionistori (superkondenzatori) imaju veliki gustoća energije i snage (oko 13 W h/l = 46,8 kJ/l, odnosno do 6 kW/l), s resursom od oko 1 milijun ciklusa punjenja. Neosporna prednost uređaja za pohranu kondenzatora je mogućnost korištenja akumulirane energije u kratkom vremenskom razdoblju.

2. Uređaji za pohranu gravitacijskog tipa

Uređaji za pohranjivanje energije tipa zabijača pilota pohranjuju energiju pri podizanju zabijača pilota težine 2 tone ili više na visinu od oko 4 m. Kretanje pokretnog dijela zabijača pilota oslobađa potencijalnu energiju tijela, prenoseći je na električni generator. Količina proizvedene energije E = mgh in idealno(bez uzimanja u obzir gubitaka trenja) bit će ~ 2000 10 4 kJ = 80 kJ ~ 22,24 Wh ispada da je jednaka 0,04 kJ/kg. U roku od sat vremena, pogon može pružiti opterećenje do 22 W. Očekivani radni vijek mehaničke konstrukcije prelazi 20 godina. Energija koju tijelo akumulira u gravitacijskom polju također se može potrošiti u kratkom vremenu, što je prednost ove opcije.

Hidraulički akumulator koristi energiju vode (težine oko 8-10 tona) koja se pumpa iz bunara u spremnik vodotornja. U obrnutom hodu, pod utjecajem gravitacije, voda okreće turbinu električnog generatora. Konvencionalna vakuumska pumpa može lako pumpati vodu do visine od 10 m. Pohranjena energija je E = mgh ~ 10000 8 10 J = 0,8 MJ = 0,223 kW sat. Specifična energija po jedinici mase ispada da je 0,08 kJ/kg. Opterećenje koje osigurava pogon za sat vremena je unutar 225 W. Pogon može trajati 20 godina ili duže. Vjetromotor može izravno pokretati pumpu (bez pretvaranja energije u električnu energiju, što je povezano s određenim gubicima); voda u spremniku tornja može se, po potrebi, koristiti za druge potrebe.

3. Spremište na zamašnjaku

Kinetička energija rotirajućeg zamašnjaka određuje se na sljedeći način: E = J w2/2, J označava vlastiti moment tromosti metalnog cilindra (budući da se vrti oko osi simetrije), w je kutna brzina vrtnje.

Uz radijus R i visinu H, cilindar ima moment inercije:

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

gdje je p gustoća metala - materijala cilindra, produkt pi* R^2 H njegov volumen.

Najveća moguća linearna brzina točaka na površini cilindra Vmax (iznosi oko 200 m/s za čelični zamašnjak).

Vmax = wmax*R, odakle wmax = Vmax/R

Najveća moguća energija rotacije Emax = J wmax^2/2 = 0,25 pi*p R2^2 H V2max = 0,25 M Vmax^2

Energija po jedinici mase je: Emax/M = 0,25 Vmax^2

Specifična energija ako je cilindrični zamašnjak od čelika bit će oko 10 kJ/kg. Zamašnjak težine 200 kg (sa linearne dimenzije H = 0,2 m, R = 0,2 m) skladišti energiju Emax = 0,25 pi 8000 0,22 0,2 ​​2002 ~ 2 MJ ~ 0,556 kWh Maksimalno opterećenje koje daje pogon na zamašnjaku za jedan sat ne prelazi 560 W. Zamašnjak bi mogao trajati 20 ili više godina. Prednosti: brzo oslobađanje akumulirane energije, mogućnost značajnog poboljšanja performansi odabirom materijala i promjenom geometrijskih karakteristika zamašnjaka.

4. Skladištenje u obliku kemijske baterije (olovne kiseline)

Klasična punjiva baterija, kapaciteta 190 Ah pri izlaznom naponu od 12 V i 50% pražnjenja, može isporučiti struju od oko 10 A tijekom 9 sati. Oslobođena energija bit će 10 A 12 V 9 h = 1,08 kWh ili približno 3,9 MJ po ciklusu. Uzimajući masu baterije jednaku 65 kg, imamo specifičnu energiju od 60 kJ/kg. Maksimalno opterećenje koje baterija može pružiti tijekom jednog sata ne prelazi 1080 W. Jamstveni rok Vijek trajanja kvalitetne baterije je 3 - 5 godina, ovisno o intenzitetu korištenja. Moguće je izravno primati električnu energiju iz baterije s izlaznom strujom koja doseže tisuće ampera, s izlaznim naponom od 12 V, što odgovara automobilskom standardu. Mnogi uređaji dizajnirani za konstantni napon od 12 V su kompatibilni s baterijom; dostupni su pretvarači različite izlazne snage.

5. Spremište pneumatskog tipa

Zrak pumpan u čelični spremnik volumena od 1 kubičnog metra do tlaka od 40 atmosfera obavlja rad u uvjetima izotermne ekspanzije. Rad A koji izvrši idealni plin pod uvjetima T=const određuje se prema formuli:

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

Ovdje je M masa plina, mu je masa 1 mola istog plina, R = 8,31 J/(mol K), T je temperatura izračunata na apsolutnoj Kelvinovoj ljestvici, V1 i V2 su početna i konačna volumen koji zauzima plin (kod ovog V2 / V1 = 40 kada se proširi na atmosferski pritisak unutar spremnika). Za izotermno širenje vrijedi Boyle-Marriottov zakon: P1V1 = P2 V2. Uzmimo T = 298 0K (250C) Za zrak M / mu ~ 40: 0,0224 = 1785,6 mola tvari, plin radi A = 1785,6 8,31 298 ln 50 ~ 16 MJ ~ 4,45 kWh po ciklusu. Zidovi spremnika, dizajnirani za tlak od 40-50 atmosfera, moraju imati debljinu od najmanje 5 mm, pa će stoga masa skladišnog uređaja biti oko 250 kg. Specifična energija koju pohranjuje ovaj pneumatski uređaj za pohranu bit će jednaka 64 kJ/kg. Maksimalna snaga koju osigurava pneumatski akumulator tijekom jednog sata rada bit će 4,5 kW. Zajamčeni životni vijek, kao kod većine pogona temeljenih na performansama mehanički rad njihovi strukturni dijelovi su od 20 godina. Prednosti ove vrste skladištenje: mogućnost lociranja spremnika pod zemljom; spremnik može biti standardni plinski cilindar uz korištenje odgovarajuće opreme; Osim toga, mnogi uređaji izravno koriste pohranjenu energiju komprimiranog zraka u spremniku.

Predstavljamo parametre razmatranih vrsta uređaja za pohranu energije u sažetoj tablici:

Tip uređaj za pohranu energije	Procijenjene karakteristike izvedbe	Količina pohranjenog energija, kJ	Specifična energija (po jedinici mase uređaja), kJ/kg	Maksimalno opterećenje kada pogon radi jedan sat, W	Očekivani vijek trajanja u godinama
Vrsta kondenzatora	kapacitet baterije 1 F, napon 220 V, težina 120 kg	24,2			unutar 20
Kopro tip	težina ženke kopre 2000 kg, maks uspon 4 m		0.04		najmanje 20
Gravitacijski hidraulički tip	masa tekućine 8000 kg, visinska razlika 10 m		0.08		najmanje 20
Zamašnjak	cilindrični zamašnjak od čelika vaganje 200 kg, radijus 0,2 m, debljina 0,2 m	2000			najmanje 20
Olovni akumulator	kapacitet baterije 190 A sat, izlazni napon 12 V, težina baterije 60 kg	3900		1080	minimalno 3 maksimalno 5
Pneumatski tip	čelični spremnik s kapacitetom 1 m 3, težina spremnika 2,5 c tlak komprimiranog zraka 40 atmosfere	16000		4500	najmanje 20