Соотношение между единицами измерения энергии

1 кВт · час = 1000 Вт · 3600 с = 3600000 Дж = 3.6 МДж

1 кВт · час	3.6 МДж
0.1 кВт · час	360 кДж
1 МДж	0.278 кВт · час
100 кДж	27.8 Вт · час

Примеры накопителей энергии [3, 6]

1. Конденсаторный накопитель [2]

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. Ионисторы по плотности запасаемой энергии приближаются к химическим аккумуляторным батареям. Достоинства: накопленная энергия может быть использована в течение короткого промежутка времени.

2. Гравитационные накопители

Копрового типа [5]. 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.

3. Маховик [3, 4]

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 [3, 4].

4. Химическая аккумуляторная батарея [1]

Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея емкостью 190 А · час с выходным напряжением 12 В при 50 % разрядке может выдавать ток величиной 10 А примерно 9 часов. Запасенная энергия составляет 12 ∙ 10 ∙ 9 = 1.08 кВт · час ~ 3.9 МДж за цикл. При массе батареи 70 кг удельная энергия составит 56 кДж/кг. При работе аккумулятор может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 1080 Вт. Срок службы аккумулятора составляет 3... 5 лет. Достоинства: от аккумулятора можно получать непосредственно электрическую энергию, выходной ток может достигать величины порядка тысячи ампер, выходное напряжение 12 В соответствует автомобильному стандарту, имеется множество устройств, работающих непосредственно от источника постоянного напряжения 12 В, имеются преобразователи 12/220 В различной мощности [8, 9].

5. 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 [12]:

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 (P₁V₁ = 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.

Ниже приведена таблица с параметрами рассмотренных накопителей энергии.

Накопитель энергии	Характеристики возможной реализации накопителя	Запасенная энергия, кДж	Удельная запасенная энергия, кДж/кг	Максимальное время работы на нагрузку 100 Вт, минут	Срок службы, лет
Конденсаторный	Батарея емкостью 1 Ф, напряжением 250 В, масса 120 кг	31.25	0.26	5.2	до 20
Копровый	Масса копра 2 т, высота подъема 5 м		0.05	16.7	более 20
Гидравлический гравитационный	Масса воды 10 т, высота перекачки 10 м		0.1		более 20
Маховик	Стальной маховик массой 100 кг, диаметр 0.4 м, толщина 0.1 м				более 20
Свинцово-кислотный аккумулятор	Емкость 190 А · час, выходное напряжение 12 В, масса аккумулятора 70 кг				3... 5
Пневматический	Стальной резервуар объемом 1 м³массой 250 кг со сжатым воздухом под давлением 50 атмосфер				более 20

Помимо рассмотренных существуют и другие накопители энергии, например, индукционные, пружинные, тепловые.

НАКОПИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ БОЛЬШОЙ ЕМКОСТИ

Накопители электрической энергии большой емкости: · электростатические - аккумуляторные батареи большой энергоёмкости (АББЭ); · накопители энергии на основе молекулярных конденсаторов; · накопители энергии на основе низкотемпературных сверхпроводников.

Накопители электрической энергии являются важнейшим элементом будущих активно-адаптивных сетей. Накопители энергии выполняют ряд функций:

· выравнивание графиков нагрузки в сети (накопление электрической энергии в периоды наличия избыточной (дешевой) энергии и выдачу в сеть в периоды дефицита);

· обеспечение в сочетании с устройствами FACTS повышения пределов устойчивости;

· обеспечение бесперебойного питания особо важных объектов, собственных нужд электростанций и подстанций;

· демпфирование колебаний мощности, стабилизация работы малоинерционных децентрализованных источников электрической энергии.

Сетевые накопители энергии

Сетевые накопители энергии накапливают энергию при ее избытке в сети и возвращают в сеть в периоды дефицита. Разные накопители энергии работают на разных физических и химических принципах, но наибольшее коммерческое распространение получили накопители на электрохимических аккумуляторах.

Сетевые накопители электрической энергии

Сетевой накопитель электроэнергии (СНЭ) – многофункциональное устройство, позволяющее многократно накапливать и выдавать обратно электроэнергию, повышая надежность и качество электроснабжения сетей и подсоединенных к ним потребителей, и обеспечивая энергосберегающие режимы работы.

Сетевой накопитель энергии структурно состоит из трех функциональных блоков:

· аккумуляторных батарей большой емкости;

· инверторного блока (преобразователей переменного тока в постоянный и наоборот);

· интеллектуальной системы управления накопителем, обеспечивающей:

— измерение параметров и управление режимами работы накопителя;
— безопасный режим заряда/разряда батареи;
— противоаварийную автоматику накопителя;
— блокировку несанкционированных действий и защиту оборудования.

Сетевой накопитель энергии построен на основе двунаправленного инвертора (DC/AC преобразователя), на основе ШИМ-технологии с использованием высокоскоростных, управляемых ключей (IGBT технологии), и системы интеллектуального управления, определяющей дополнительный функционал системы.

⇐ Предыдущая 35 36 37 38 394041 42 43 44 Следующая ⇒