Юрий Почанин – Современные системы накопления энергии в энергетике и на транспорте (страница 4)

При выборе устройств накопления энергии следует учитывать следующие характеристики:

–удельная мощность;

–емкость накопителя;

–удельная энергия;

–время отклика;

–эффективность;

–скорость саморазряда / циклы зарядки;

–чувствительность к теплу;

–срок службы заряда-разряда;

–воздействие на окружающую среду;

–капитальные / эксплуатационные расходы;

–обслуживание.

Электрические устройства хранения энергии являются неотъемлемой частью телекоммуникационных устройств (сотовые телефоны, дистанционная связь, рации и т. д.), резервных систем питания и гибридных электромобилей в виде компонентов хранения (батарей, суперконденсаторов и топливных элементов).

Устройства для хранения энергии, электрические или тепловые, признаны основными технологиями экологически чистой энергии.

2.1. Преимущества систем накопления энергии

Системы накопления энергии могут использовать, чтобы поддержать стабильность ее поставок, снизить затраты и обеспечить устойчивость энергетической системы в целом.

––Еще одно преимущество систем накопления энергии – их быстрое реагирование. Большинство технологий хранения могут компенсировать нехватку мощности электроэнергии в сети очень быстро, в то время как источники на основе ископаемого топлива имеют тенденцию довольно медленно увеличивать добавочную мощность. Такая скорость важна для обеспечения стабильного энергоснабжения в случаях, когда происходит неожиданное резкое увеличение нагрузки.

Резервное питание. Системы накопления энергии могут служить надежным источником резервного питания на случай потери питания от электросети из-за тяжелых погодных условий или иных проблем. Помогая объектам оставаться в рабочем состоянии, такие системы исключают потери из-за сокращения времени простоя и обеспечивают повышенную устойчивость к критическим ситуациям. Один из примеров – источник бесперебойного питания, но возможен и больший масштаб.

Ограничение пика и сдвиг нагрузки. Функциональность систем накопления энергии типа «потребность – ответ» позволяет им участвовать в стимулирующих поставщиков коммунальных услуг программах энергопотребления, которые направлены на снижение использования энергии в периоды пиковой нагрузки на электрическую сеть.

Цена на энергию, как правило, обычно самая высокая в периоды пикового спроса. Ограничение максимума пиковых нагрузок обычно достигается путем смещения ряда нагрузок на время более низкого спроса на электроэнергию.

Именно системы накопления энергии могут поддерживать сглаживание потребления электрической мощности для снижения затрат на электроэнергию. При этом, например, аккумуляторная батарея может заряжаться в периоды низкой нагрузки – в ночное время или в периоды более низкого потребления в течение дня. с использованием альтернативных источников энергии. Затем такая батарея разряжается во время периодов высокой нагрузки или аварийного отключения, смягчая воздействие больших нагрузок и сбоев напряжения в пределах объекта или энергосистемы в целом. Такой подход наиболее экономически эффективен для коммунальных потребителей, чей тариф основан на пиковом спросе энергопотребления.

Сдвиг нагрузки (также называемый «управлением тарифами») подобен пиковому сокращению потребляемой мощности, но вместо того, чтобы фокусироваться исключительно на пиковых ценах, он направлен на снижение общих затрат на кВт·ч. По сути, он использует разницу между низкой и высокой стоимостью энергии, сохраняя энергию при низких затратах и отдавая при высоких. Сдвиг нагрузки обычно обеспечивает дополнительную ценность для системы, которая уже предоставляет другие преимущества, такие как ограничение пика (максимума) нагрузки.

Качество электрической энергии. Системы накопления энергии обладают возможностью частотного регулирования. Это позволяет конкретному объекту поддерживать работу энергосистемы в целом и решать одну из ее основных задач, а именно обеспечивать постоянную частоту генерируемого напряжения переменного тока. Как известно, электрическая система все время находится в динамическом состоянии и постоянно балансирует между предложением (генерацией) и спросом (потреблением). Способность отдельной системы накопления энергии поглощать или высвобождать энергию, а также быстро компенсировать пики потребления представляет собой потенциальную услугу балансирования, приносящую доход. Система накопления энергии может повысить коэффициент мощности объекта, одновременно обеспечивая улучшение качества электроэнергии и экономию на ежемесячных счетах за коммунальные услуги.

Глава 3. Промышленные типы систем накопления электрической энергии

Накопители энергии представляют собой системы, которые хранят энергию в различных формах, с использованием, топливных элементов, батарей, конденсаторов, маховиков, сжатого воздуха, гидроаккумуляторов, суперпроводников и т. д. Распределение различных видов накопителей энергии по плотности и мощности энергии представлено на рис.3.1.

Рис. 3.1. Распределение различных видов накопителей энергии по плотности и мощности энергии

3.1. Электрохимические накопители

В зависимости от электрохимической технологии можно выделить следующие основные типы современных батарей:

–герметизированные свинцово-кислотные (SLA, Sealed Lead Acid);

–никель-кадмиевые (NiCd);

–никель-металлгидридные (NiMH);

–литий-ионные (Li-Ion);

–литий-полимерные (Li-Pol).

Сравнительные характеристики данных батарей представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Сравнительные характеристики батарей

Рассмотрим основные аккумуляторы (батареи) электрической энергии.

3.1.1. Свинцово-кислотные аккумуляторы

Для обозначения свинцово-кислотных аккумуляторов применяется аббревиатура SLA (Sealed Lead Acid – герметизированные свинцово-кислотные). Это старейшие перезаряжаемые аккумуляторы, предназначенные для коммерческого использования, причем они до сих пор остаются наиболее дешевыми автономными источниками энергии. Сегодня SLA-аккумуляторы применяются в основном там, где требуется большая мощность при низкой стоимости устройств, а их вес и габаритные характеристики несущественны (например, в блоках бесперебойного питания, охранных системах, системах резервного освещения). В портативных приборах используются герметичные (необслуживаемые) аккумуляторы или аккумуляторы с регулирующим клапаном давления. Подобными SLA-устройствами иногда комплектуются переносные сотовые телефоны большой мощности и некоторые видеокамеры, но в целом их применение для портативных систем нехарактерно. Появились необслуживаемые и мало обслуживаемые аккумуляторы, основанные на внутренней рекомбинации газа, а также различные герметизированные аккумуляторы

Аккумулятор – это химический источник тока, способный многократно преобразовывать химическую энергию в электрическую и аккумулировать, запасать ее на длительное время. Упрощенно аккумулятор можно представить следующим образом: два электрода, в виде пластин, помещены в раствор серной кислоты с плотностью 1,27-1,29 г/см3. При этом положительный электрод выполнен из двуокиси свинца (PbO2), а отрицательный из свинца (Pb). При прохождении тока между ними протекают окислительно-восстановительные реакции.

При разряде происходит химическая реакция, в результате которой активная масса обоих электродов начнет изменять свой химический состав, преобразуюсь из губчатого свинца и его двуокиси в сернокислый свинец (сульфат свинца – PbSO4), а плотность электролита начнет падать. В результате внутри батареи образуется направленное движение ионов и в цепи потечет электрический ток. При заряде аккумулятора происходит обратный процесс – направление тока меняется на противоположное, активные массы восстанавливают свой первоначальный химический состав, а плотность электролита растет. Процесс этот, называемый циклом, может быть многократным. Количество запасаемой при этом электрической энергии зависит от площади активного взаимодействия электродов и электролита и его объема. Номинальное напряжение, вырабатываемое таким аккумулятором, составляет 2 вольта. Для получения большего значения напряжения одиночные аккумуляторы соединяют последовательно. Например: 12-ти вольтовый аккумулятор состоит из шести аккумуляторов, последовательно соединенных в общем корпусе.

Рассмотрим 5 видов свинцово-кислотных аккумуляторов: WET, гибридные АКБ, AGM, GEL и EFB. Практически любой тип этих батарей, содержит в своей конструкции одни и те же составные элементы, рис.3.2.

Конструкция состоит:

1.Герметичный корпус или оболочка. В нем могут быть пробки для доливки воды, относится для WET-батарей с обслуживанием, предохранительный клапан для экстренного сброса давления и индикаторы состояния заряда. Производится из специального очень упругого пластика, устойчивого к химикатам.

2. Внутри корпус разделен на ячейки, в каждой из которых находится комплект свинцовых пластин, называемых электродами. На крышке стандартной 12-вольтовой батарее находится 6 пробок, соответственно, 6 пакетов, выдающий по 2 В каждый. В общем формируется напряжение 12 В.

Рис.3.2. Конструкция свинцово-кислотного аккумулятора

3. В каждой паре пластин имеется положительная и отрицательная. Первая обмазывается свинцово-оксидным составом, а вторая – свинцовой губкой. Между пластинами располагается разделитель из волокнистого или перфорированного материала. Через него свободно проходят электроны, но не проникают частицы активной пасты. 4.Аккумуляторы типа EFB оснащены сепараторами в виде конверта, что заведомо исключает короткое замыкание между банками. Их использование позволило продлить срок эксплуатации АКБ.