Накопичувачі енергії

ВСТУП

Для сучасної енергетики, як стаціонарної, так і автономної, важливе значення набувають інтенсивні форми розвитку, які висувають  підвищені вимоги до якісних показників енергетичних установок. В цьому плані зростає роль накопичувачів енергії, які забезпечують вирішення цілого ряду проблем накопичення, зберігання, перетворення енергії, реалізацію оптимальних режимів роботи обладнання, живлення споживачів з нестандартними параметрами і т. п.

Накопичувачі енергії  знаходять все більш широке застосування в електроенергетичних системах, автономних енергетичних установках, транспортних системах, бортовому обладнанні, технологічної апаратурі, електрофізичних стендах і т. д.

У загальному вигляді під  накопичувачем енергії будемо розуміти пристрій, що дозволяє накопичувати в ньому енергію будь-якого виду протягом періоду заряду t3, а потім передавати істотну частину цієї енергії навантаженні протягом періоду розряду tp. Взаємозв'язок параметрів накопичувача при заряді та розряді визначається законом збереження енергії, висловлюваним очевидним співвідношенням

,      (1.1)

де Pз і Рр - середні значення потужностей зарядного і розрядного процесів, η - ККД накопичувача.

Значення tз і tр , а також енергетичні показники при заряді та розряді можуть сильно відрізнятися. Відповідно, існує кілька основних напрямків використання накопичувачів.

По-перше, їх основна роль може зводитися до акумулювання надлишкової  енергії при відключенні значної  частини споживачів і подальшого використання накопиченої енергії в періоди інтенсивного енергоспоживання. При цьому значення tз і tр мають приблизно однаковий порядок, а показники енергії при заряді та розряді досить близькі. Прикладом такого накопичувача є гідроакумулююча електростанція. У нічні години надлишкова електроенергія направляється в гідротурбінні агрегати, що працюють в зверненому режимі: генератор переходить в режим електродвигуна, що обертає турбіну, яка виконує роль насоса, що подає воду в верхній резервуар. Відбувається накопичення потенційної енергії води, піднятої на необхідну висоту. У денні години вода з верхнього резервуара природним шляхом опускається в нижній резервуар, забезпечуючи обертання турбоагрегатів в генераторному режимі для отримання додаткової електроенергії.

Такого ж роду пристрої, але з меншими часовими діапазонами робочих циклів, можуть використовуватися для поліпшення показників енергосистем при короткочасному включенні споживачів підвищеної потужності (компенсувати пікові навантаження) і покращувати стійкість роботи енергоустановок і систем. Накопичувачі в цьому випадку є демпфуючими елементами між генеруючими установками і споживачами, які працюють в нестаціонарних режимах.

По-друге, основним призначенням накопичувачів може бути перетворення енергії різного виду. Так, наприклад, енергоустановка космічного літального апарату (KJIA) з паливними елементами на стадії накопичення енергії перетворює електричну енергію від сонячних батарей в хімічну за рахунок розкладу робочої речовини (наприклад, електролізу води) на відповідні компоненти (кисень і водень), а на стадії виведення енергії реакція взаємодії цих же компонентів створює електричну енергію.

По-третє, накопичувачі у відповідних режимах забезпечують перетворення необхідних показників певного  виду енергії. Якщо, наприклад, у накопичувачі будь-якого типу tр < tз, то з (1.1) випливає, що Рр>Pз, тобто потужність, що віддається накопичувачем навантаженні, у багато разів перевищує потужність, споживану ним при заряді від первинного джерела енергії, тобто накопичувач виконує функцію трансформатора потужності. Ємнісний накопичувач дозволяє виводити в навантаження струми, у багато разів більші, ніж при його заряді, а в індуктивному накопичувачі за рахунок ЕРС самоіндукції при комутації ланцюга можна отримати напруги, значно перевищуючі напруги джерела живлення. Накопичувачі механічної енергії допускають взаємне перетворення кінетичної і потенційної форм енергії і т. п. Накопичувачі можуть працювати в режимі відносно тривалого зберігання енергії (хімічні, механічні компресійні та ін.)

Таким чином, накопичувачі енергії утворюють великий клас енергетичних пристроїв з широким  спектром функціональних можливостей. Кожен з типів накопичувачів енергії має свої специфічні особливості, що визначають основну спрямованість науково-технічних розробок при його реалізації. Тому проблематика задач при вивченні накопичувачів є досить різнорідною і не дозволяє канонізувати методичні аспекти опису накопичувачів різного типу.  Особливе значення для накопичувачів всіх типів має узгодження їх характеристик з параметрами первинних джерел енергії, навантажувальних елементів, комутаційної апаратури і т. п.

Всі типи накопичувачів  енергії мають свої характерні енергетичні  показники, режими роботи, особливості  конструктивного і схемо технічного виконання, визначають раціональні області їх використання. 
Таблиця 1.1 Характерні показники накопичувачів енергії

Накопичувач		Питома енергія, Дж / г	Час виведення  енергії, с
З статичною  активною зоною	Хімічний  Індуктивний  Ємнісний	102 - 103 1 - 10 0,1 - 0,5	1 – 105 10-3 - 10 10-6 – 10-2
З динамічною активною зоною	Механічний  Електромеханічний Електродинамічний	10 - 103 1 - 10 0,05 - 1	1 – 103 10-2 - 10 10-3 – 10-2

У табл. 1.1 наведено типові значення питомої енергії, тобто енергії, що припадає на одиницю маси, і часу виведення енергії для розглянутих типів накопичувачів. Порядок розташування накопичувачів в табл. 1.1 і їх розгляду у книзі визначається, по-перше, видом активної зони, в якій накопичується енергія, і, по-друге, зменшується часом виведення енергії (швидкодією).

Наведені показники  дають загальне уявлення про розмаїття  напрямів даної тематики і характеризують широту діапазону головних показників різних накопичувачів.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Електрохімічні накопичувачі

Електрохімічні накопичувачі (ЕХН) запасають і віддають енергію в результаті хімічних реакцій. До ЕХН відносяться: електрохімічні генератори (ЕХГ), тобто два або більше паливних елемента (ПЕ) в комплексі з системами, що забезпечують їх функціонування; хімічні акумуляторні батареї (АБ), тобто хімічні джерела струму, що складаються з двох або більше акумуляторів, з'єднаних між собою електрично для спільного виробництва електроенергії.

Паливним елементом називається  хімічне джерело струму, в якому  активні речовини надходять до електродів ззовні; це прямий перетворювач хімічної енергії в електричну, в якому реакція електрохімічного окислення протікає без витрати речовини електродів, а також без витрати електроліту.

Вихідними реагентами служать  компоненти хімічного палива - пальне і окислювач, що володіють запасом енергії хімічних зв'язків, яка перетворюється в енергію постійного електричного струму. У зверненому (регенераторному) режимі роботи ПЕ підведена до нього.

Її електроенергія перетворюється в хімічну енергію компонентів  палива. 
Елементом АБ, або акумулятором, називається хімічне джерело струму, що складається з одного гальванічного елемента, або накопичувача електричної енергії, в якому відбувається її перетворення в хімічну енергію і здійснюється також зворотне перетворення хімічної енергії в електричну при зміні складу речовини електродів і витраті електроліту в процесі струмо утворюючої реакції.

Як і для інших видів  накопичувачів енергії, для ЕХН  основними режимами роботи є заряд  і розряд. Проміжним служить режим зберігання енергії, тривалість якого може бути набагато більше, ніж у інших типів накопичувачів (порядку 10⁴ год).

Стосовно до ЕХГ в якості зарядної потужності Р, беруть середню потужність, витрачену на отримання пального і окислювача, наприклад водню і кисню при електролізі води. Значення Рз, для АБ визначається середньою потужністю, споживаної батареєю від джерела електроживлення за час заряду. Для ЕХН, виконаних на основі ПЕ або акумуляторних елементів, розрядної потужністю Рр є електрична потужність, яка надходить від накопичувача в ланцюг навантаження;

Характерним показником якості ЕХН служить їх питома енергія  Wуд, розрахована на одиницю маси, Всі природні органічні горючі (газ, нафта, вугілля) по суті можна розглядати як накопичувачі хімічної енергії. Ці компоненти палива застосовують зазвичай при використанні в якості, окиснювача атмосферного кисню. Тому для них параметр Wуд оцінюють у розрахунку на 1 кг маси власне пального. Для його кращих природних сортів може досягатися значення Wуд=4,5•10⁴ кДж/кг. Якщо подібне пальне застосовувати в автономних енергетичних установках (наприклад, в умовах космічних польотів), то в загальній масі палива слід враховувати внесок окислювача. Зокрема, при спалюванні 1 кг бензину витрачається близько 3 кг кисню, при цьому значення питомої енергії знижується до Wуд=10⁴ кДж/кг.

Останні два десятиліття  характеризуються значним прогресом в області створення ЕХГ, в яких ТЕ принципово можуть працювати на різному пальному органічного чи неорганічного складу.

Вибираючи для ЕХГ робочі тіла, враховують ряд характеризують їх факторів: питому енергію, кінцеві продукти реакції, вартість, агрегатний стан (газ, рідина або тверде тіло) і пов'язану з ним відносну масу тари (контейнерів, балонів) для зберігання реагентів, можливість їх безперервного підведення до електродів, швидкість електрохімічного взаємодії (за наявності катали заторів і при заданих діапазонах температури і тиску). Найбільш широко для ЕХГ як пального застосовуються водень (Н2) та гідразин (N2H4) у зв'язку з їх високою активністю, легкістю підвода і відводу кінцевих продуктів реакції, досить високою питомою енергією. Відомі розробки ЕХГ з використанням вуглеводневих горючих (метану СН4, пропану С3Н8), а також метанолу (СН3ОН), аміаку (NH3), що мають відносно низьку вартість. Перспективні розробки напівтоплевних елементів (з підведенням тільки окиснювача) на основі вбудованого в елемент твердо тильного пального (металів Zn, Al, Mg, Li та ін). Багато різновидів компонентів палива відносяться до групи токсичних речовин, шкідливих для життєдіяльності людини і інших організмів (наприклад, чадний газ СО, гідразин, аміак, галогени і т.п.).

В якості окиснювача застосовується переважно кисень, а також перекис водню (Н202), азотна кислота (HNO3) галогени (Cl2, F2).

Оскільки Н2 і 02 не токсичні, переважно використання воденево-кисневих ЕХГ, особливо для автономних об'єктів. В якості кінцевого продукту реакції такі ЕХГ виробляють пари води, тобто ці ЕХГ є екологічно чистими. Після сепарації та очищення від електроліту вода використовується в системах життєзабезпечення автономних об'єктів (зокрема, космічних літальних апаратів) або направляється для отримання вихідних продуктів реакції (водню і кисню) в генераційних циклах. 

Спільною перевагою ЕХГ на ПЕ є високий ККД. Істотне значення стосовно автономним об'єктах має безшумність роботи ЕХГ, відсутність механічно переміщаються деталей і зношуються частин. Довговічність (ресурс) ЕХГ визначається наявним запасом компонентів палива у відкритих циклах або ресурсом допоміжного устаткування в циклах з регенерацією. Ресурс ЕХГ може перевищувати 8-10 тис.год, тобто досить великий.

Недоліки ЕХГ перебувають  у складності забезпечення збалансованих  електрохімічних реакцій і відносно малої питомої потужності Руд, що припадає на одиницю маси. Без урахування маси запасу хімічних реагентів в ЕХГ рівень параметра Руд = 0,15 - 0,2 кВт / кг трохи нижче, ніж в АБ. Це пояснюється тим, що зважаючи на специфіку електрохімічних реакцій з ЕХГ не можна досить швидко вивести електроенергію.

Застосування ЕХГ знайшли  в основному для енергозабезпечення автономних установок, у тому числі пересувних (нестаціонарних) і стаціонарних. Є значний досвід, накопичений, зокрема, за кордоном (США), у використання ЕХГ в розробках для космічних програм «Аполлон», «Дже-міні», «Скайлеб», «Спейс Шаттл» та ін. Проводяться численні розробки і дослідження в напрямках застосування ЕХГ для різних наземних транспортних установок (наприклад, електромобілів), а також для морських суден і апаратів (батискафів, батисфер). Діапазон електричних потужностей для різноманітних застосувань ЕХГ порівняно широкий-від одиниць до сотень кіловат.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 індуктивні накопичувачі ЕНЕРГІЇ

В індуктивних накопичувачах (ІН) енергія акумулюється у вигляді  енергії магнітного поля. ІН являє собою котушку з індуктивністю L, по якій тече струм І, завдяки чому створюється магнітне поле з енергією

    W = 0,5 Li². (2.1)

Крім індуктивної котушки  енергоустановка з ІН містить  джерело живлення ІП (зарядний пристрій), комутатори К1 і К2, навантаження Н. При підключенні ІН до ІП за допомогою К1 здійснюється режим заряду ІН протягом часу t3 . При замиканні К2 і розмиканні К1 струм ІН тече через Н і основна частина накопиченої енергії передається навантаженню протягом часу розряду tp. Зазвичай реалізуються режими з t9 <t3, завдяки чому потужність ІН при розряді істотно більше потужності зарядного циклу. Тому ІН, подібно іншим типам накопичувачів, може використовуватися як трансформатор потужності - він забезпечує короткочасне живлення потужних споживачів електроенергії при розряді після відносно тривалого періоду запасання енергії при заряді.