Способы аккумуляции электричества

При производстве электроэнергии необходимыми составляющими в цепочке являются накопитель энергии и электрогенератор. При производстве энергии традиционными способами накопитель энергии находится до электрогенератора. Например, вода, запасенная в водохранилище гидроэлектростанции, обладает гравитационной энергией, которая может использоваться по мере надобности для вращения турбин электрогенератора. На тепловой электростанции энергия вначале запасается в виде угля, мазута или газа, которые также расходуются по мере надобности. На атомных электростанциях роль накопителя выполняет ядерное топливо. При производстве электрической энергии с использованием так называемых альтернативных источников (например, ветер, солнце) возникает проблема непостоянства их мощности, которая отсутствует при производстве энергии традиционными способами. Поэтому необходимо энергию источника вначале запасти в накопителе энергии, а затем уже энергию накопителя расходовать по мере надобности, преобразуя ее в электрическую энергию. При этом накопитель будет играть роль демпфирующего устройства, сглаживающего колебания мощности источника. Стоимость накопителя играет существенную роль в цене производимой электроэнергии.

Существует несколько разновидностей аккумуляторов электрической энергии.

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. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 9 Вт. Срок службы электролитических конденсаторов может достигать 20 лет. 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 энергия 0.05 кДж/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.

Гидравлический. Вначале перекачиваем 10 т воды из подземного резервуара (колодца) в емкость на вышке. Затем вода из емкости под действием силы тяжести перетекает обратно в резервуар, вращая турбину с электрогенератором. Легко обеспечить разницу высот 10 м. Тогда E = mgh ~ 10000 * 10 * 10 = 1 МДж = 0.278 кВт · час. Удельная энергия 0.1 кДж/кг. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 280 Вт. Срок службы накопителя может составлять 20 и более лет. Достоинства: при использовании ветродвигателя последний может непосредственно приводить в движение водяной насос, вода из емкости на вышке может использоваться для других нужд.

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 V_max (составляет примерно 200 м/с для стали).

V_max = w_max R или w_max = V_max /R

Тогда E_max = 0.5 J w²_max = 0.25 p r R² H V²_max = 0.25 M V²_max

Удельная энергия составит: E_max /M = 0.25 V²_max

Для стального цилиндрического маховика максимальная удельная энергия 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.

Электрохимическая аккумуляторная батарея

Различают два основных типа электрохимических накопителей энергии:

· батарей первичных элементов, которые разряжаются только один раз и не могут больше заряжатся. Только химическая энергия связи может преобразовываться в электрическую, обратная реакция, новый заряд, невозможен.

· батарей вторичных элементов, которые могут заряжаться вновь посредством подачи электрической энергии. Они являются промежуточными накопителями электрической энергии.

Граница между батареями первичных и вторичных элементов условна. Основой батареи является электрохимический аккумулятор.

Основные типы аккумуляторов следующие:

· свинцово-кислотные (стартерные (автомобильные), AGM (герметичные), герметичные гелевые, заливные с намазными пластинами (серия OpzS), тяговые);

· щелочные (никель-кадмиевые, никель-металгидридные);

· литий-ионные (вследствие высокой цены не рассматриваются в качестве аккумуляторов для систем автономного электроснабжения).

Наиболее распространенным типом являются свинцово-кислотные, как с жидким электролитом, так и герметизированные (в последнее время становятся все более популярными вследствие снижения цены).

Есть следующие основные типы свинцовых аккумуляторных батарей, которые можно применять в системах автономного электроснабжения:

• Стартерные – требуют обслуживания и вентиляции. Имеют высокий саморазряд.
• AGM – эти герметизированные, необслуживаемые батареи не требуют вентиллируемого помещения для установки. Недорогие батареи AGM типа прекрасно работают в буферном режиме, т.е. в режиме подзарядки. В таком режиме служат до 10 лет. Если же их использовать в циклическом режиме (т.е. постоянно заряжать-разряжать на хотя бы 30% от емкости), то их срок службы сокращается.
  Такие АБ используются в недорогих UPS; вообще UPS предназначены для аварийного завершения работ, а не для питания нагрузки в постоянном режиме. Поэтому, учитывая что обычно они стоят в офисах, там и ставят AGM батареи. Если АБ и выйдет из строя преждевременно, все же это во многих случаях дешевле, чем риск потери информации и результатов работы.
• Гелевые батареи лучше выдерживают циклические режимы заряда-разряда. Также, они лучше переносят сильные морозы. Их применение более желательно в системах автономного электроснабжения, когда батареи работают в циклических режимах (заряжаются и разряжаются каждый день) и нет возможности поддерживать температуру аккумуляторов в оптимальных пределах. Гелевые батареи дороже AGM батарей и тем более стартерных. Почти все герметичные аккумуляторы могут устанавливаться на боку.
• Тяговые – предназначены для цикличных режимов. Более подходят для автономных систем энергоснабжения (например, бортовых). Но и значительно дороже стартерных и гелевых АБ, обычно имеют жидкий электролит, требуют обслуживания и вентилируемого помещения для установки.
• Есть еще специальные «солнечные» – специально разработаны для «тяжелых» цикличных режимов. Лучше всего работают заливные батареи с намазными пластинами (серия OpzS). Эти батареи очень часто работают по тому же принципу, что и обычные автомобильные стартерные батареи, однако они спроектированы специально для использования в системах автономного электроснабжения.
  Имеют пониженное газовыделение. Допускают много циклов заряд-разряда до 60% от номинальной емкости без повреждения и значительного сокращения срока службы.
  Есть и вариант с герметичным исполнением – серия OpzV. «Солнечные «батареи в России пока не очень распространены, фирмы их возят на заказ до 3 месяцев, и стоят они гораздо дороже. Например, европейские аккумуляторы такого типа емкостью 100 Ач 12В стоят около 350 евро. В последнее время появились китайские аккумуляторы такого типа, цена их значительно меньше европейских и американских. Такие аккумуляторы выпускаются как отдельные банки напряжением 2 В емкостью от 200 Ач и выше. Есть также и батареи напряжением 6 и 12 В емкостью до 260 А*ч.

Ниже приведена таблица параметров АБ.

Таблица 2.3