Аккумуляторные электростанции, использование аккумуляторных батарей для хранения электрической энергии

Одним из наиболее эффективных и перспективных способов накопления электрической энергии, с точки зрения плотности ее хранения, является применение аккумуляторных электростанций на базе батарей, позволяющих запасать энергию в химической форме.

Электростанции на аккумуляторных батареях оказываются особенно полезными когда необходимо вспомогательно обеспечить кратковременную пиковую мощность, тем самым предотвратить аварийное отключение подачи электроэнергии к потребителям.

Таким образом, аккумуляторные электростанции, по принципу своей работы, имеют много общего с обычными источниками бесперебойного питания, отличаясь, однако, более крупным размером сооружения. Под размещение батарей станции выделяется отдельное помещение, похожее на большой склад, либо несколько контейнеров.

Так же как и в технологии бесперебойных источников питания, здесь существует характерная особенность, заключающаяся в том, что накопленную в аккумуляторах электрохимическую энергию можно использовать исключительно в форме постоянного тока.

Но поскольку для традиционных сетей необходим ток переменный, для его получения необходимо осуществить дополнительное преобразование накопленной в батареях энергии. Вот почему ток высокого напряжения, гораздо более подходящий для передачи энергии на расстояние, получают при помощи мощных тиристорных инверторов, обязательно входящих в состав электростанций.

То, какого типа аккумуляторы используются на конкретной станции, определяется ее стоимостью, требованиями к характеристикам (запасаемая энергия, доступная мощность) и предполагаемым сроком службы. В 80-е годы на аккумуляторных электростанциях можно было встретить лишь свинцово-кислотные батареи. В 90-е годы и в начале нулевых — появились никель-кадмиевые и натриево-серные аккумуляторы.

Сегодня, в связи со снижением стоимости на литий-ионные аккумуляторы (из-за стремительного развития автомобильной отрасли), главным образом применяются литий-ионные. Кое-где уже появились системы проточных батарей. Однако на некоторых бюджетных сооружениях все еще можно встретить свинцово-кислотные решения.

Преимущество аккумуляторных электростанций, по сравнению с гидроаккумулирующими, очевидно. Здесь нет постоянно движущихся частей, практически отсутствуют источники шума. Для запуска аккумуляторной электростанции достаточно нескольких десятков миллисекунд, после чего она сразу способна работать на полную мощность.

Данное преимущество позволяет аккумуляторным электростанциям легко выдерживать максимальные нагрузки, которые даже не воспринимаются оборудованием как что-то критическое, так что подобная станция способна работать на максимум часами.

Стоит ли говорить о том, что аккумуляторные станции легко справляются с задачей гашения колебаний напряжения, вызванных пиковыми нагрузками на сеть. Благодаря им города и целые регионы могут быть защищены от отключений электроэнергии вызванных перегрузками.

Ч то же касается работы аккумуляторных электростанций совместно с возобновляемыми автономными источниками энергии, то сегодня это — целая отрасль.

Возобновляемая энергетика [renewable energy production (renewable power engineering)] — Область хозяйства, науки и техники, охватывающая производство, передачу, преобразование, накопление и потребление электрической, тепловой и механической энергии, получаемой за счет использования возобновляемых источников энергии.

У аккумуляторов различных типов есть свои достоинства и недостатки. Одни (натриево-серные) хорошо работают в постоянном режиме, например в сочетании с автономными источниками энергии, однако подвержены коррозии и старению даже если не используются. Другие страдают от износа просто из-за большого количества быстрых циклов заряда-разряда.

Некоторые батареи требуют регулярного обслуживания (в свинцово-кислотные необходимо доливать воду), отвода газов во избежание взрыва и т. д.

Более современные герметичные литий-ионные аккумуляторы способны длительно работать без обслуживания, их состояние контролирует электроника, и если нужно — сигнализирует о необходимости замены ячейки.

В качестве современного примера можно привести одну из крупнейших в мире аккумуляторных электростанций — Hornsdale Power Reserve, работающую совместно с ветряной электростанцией Hornsdale. Компания Tesla построила ее в конце 2017 года.

В начале 2018 года, когда Южная Австралия несла экономические потери, станция принесла ее владельцам около миллиона долларов за поставку в сеть электричества по цене 14000 австралийских долларов за мегаватт-час. Станция способна непрерывно обеспечивать 30 МВт в течение 3 часов и 70 МВт в течение 10 минут.

100 МВт — общая проектная мощность электростанции. Вся аккумуляторная емкость станции в 129 МВт-ч набрана из нескольких миллионов литий-ионных элементов Samsung типоразмера 21700 (3000-5000 мАч).

Система надежно поддерживает сеть потребителей электроэнергии в стабильном состоянии даже в тех случаях, когда скорость ветра чрезвычайно мала. В 2020 году емкость станции была увеличена до 194 МВт-ч, а проектная мощность составила 150 МВт.

Пример старой технологии — существовавшая с 1988 по 1997 годы аккумуляторная электростанция в калифорнийском городе Чино. Станция включала в себя 8256 свинцово-кислотных батарей, размещенных в двух залах.

Сооружение служило в качестве статического компенсатора реактивной мощности и защищало потребителей от отключений электроэнергии при перебоях в работе электростанций. Ее пиковая мощность составляла 14 МВт при общей емкости аккумуляторов 40 МВт-ч.

Источник

Накопитель энергии

Накопитель энергии – устройство, с которым большинство из людей постоянно сталкивается в быту. Всем знаком аккумулятор мобильного телефона, автомобиля, пальчиковые батарейки, которые не предусматривают повторной зарядки. Однако понятие энергетического накопления гораздо шире представлений среднестатистического индивидуума. Есть множество теорий, футуристических проектов и изысканий. Но интересно посмотреть, что реально может накапливать энергию и уже используется в самых разных областях деятельности человека.

Потенциальная энергия

Самый неочевидный накопитель собирает показатель потенциала, поднятого на высоту тела. Это устройство знакомо многим. Часы-ходики с массивными грузиками используют именно физический потенциал. Пока одна из гирь опускается, механизм работает. Для накопления запаса энергии требуется завести часы – переместить грузы определенным способом. Другие аккумуляторы потенциала работают не таким очевидным способом.

Гидроэлектростанции

Гидроэлектростанция – самый большой энергетический накопитель потенциального типа. Работает это следующим образом:

• главная часть гидроэлектрической станции – огромная плотина. Она замыкает большую территорию, создавая водохранилище, которое наполняется рекой или другим источником воды;
• в основании железобетонной стены станции находится основное инженерное решение для производства электричества. Падающая с большой высоты вода преобразует свою потенциальную энергию в кинетическую;
• при воздействии потока воды на лопатки турбины кинетика преобразуется в электричество.

Гидроэлектростанции классического типа, а точнее, их водохранилища – накопители энергии потенциального типа. Этот источник относится к возобновляемому. Поток воды постоянно пополняет искусственное озеро, при этом предусмотрены методики отвода жидкости в период, когда объем водохранилища на максимуме, а потребности в производстве электричества нет.

Энергетические накопители потенциального типа несколько другого принципа действия используются в аккумулирующих резервуарах гидроэлектростанций. Такой тип инженерных решений относится к вспомогательному и применяется в совокупности с другим источником. Часто – в солнечных электростанциях, построенных в местностях с мягким климатом. Работает все следующим образом:

• в период максимальной солнечной активности электроэнергия, которую производит солнечная станция, не нужна, потребности городов и энергосети, в общем, малы;
• электричество направляется на работу насосов, которые закачивают воду в огромный искусственный резервуар;
• в темное время суток, если нужно направить дополнительный поток электрической мощности в общую систему, включается механика гидроэлектростанции. Потенциал накопленной воды используется для работы турбин.

Станции, которые используют накопители энергии воды, становятся все более популярными. К достоинствам такого решения относится способность не только полностью использовать мощности основного производителя, но и гарантировать круглосуточный режим отдачи электричества в общую сеть.

Существуют и решения, оперирующие твердым грузом. К ним относятся системы, построенные на простой идее:

• во время работы солнечных батарей или ветрогенераторов излишек их мощности направляется на двигатели, которые перемещают вагоны по рельсовому пути вверх, по наклонной поверхности;
• в то время, когда солнца или ветра нет, тележки двигаются вниз, на их осях расположены генераторы, производящие электричество.

Достоинств у механического решения предостаточно. Здесь малые требования к мощности двигателей, используемых для подъема груза. Для перекачки воды нужно несравненно большие величины как токов, так и давления.

Накопители потенциальной энергии имеют одно неоспоримое достоинство: запасенное можно хранить практически без потерь крайне долго. Потери воды в огромном резервуаре из-за испарения почти незаметны, а если идет речь о поднятии груза, его легко зафиксировать механически в верхней точке.

Недостаток сбора потенциальной энергии также очевиден. Чтобы получить промышленные объемы использования или долговременную работу устройства в быту, нужно или оперировать огромными массами, так сказать, энергоносителя, или гарантировать низкое потребление преобразованной энергии.

Накопители тепловой энергии

Тепловые накопители – распространенные устройства. Самый знакомый рядовому потребителю – электрический нагревательный котел. Он накапливает тепло, которое затем используется для бытовых нужд, отопления.

Менее понятный класс – тепловые накопители энергии, выполняющие роль стабилизаторов. К ним относятся:

• водонагреватели, построенные на вторичной схеме передачи тепла;
• расширительные емкости солнечных коллекторов, которые не допускают перегрева теплоносителя и стабилизируют режим работы батареи;
• теплоаккумулятор может строиться на принципе фазового перехода. Расплав нагревается до высокой температуры, при этом теплоноситель переходит из твердого состояния в жидкое.

Проблем у накопителей тепловой энергии достаточно много. К примеру:

• энергию нужно использовать быстро. С течением времени содержимое накопителя просто теряет энергию, отдавая ее в окружающую среду;
• построенные на фазовом переходе накопители сложны в эксплуатации. Здесь наблюдается изменение объема: если жидкость переводят в пар, приходится бороться с огромным давлением.

Современные системы тепловой защиты позволяют долго сохранять характеристики накопителя тепловой энергии. Но здесь играет роль баланса стоимости защиты и целевого использования энергии. Поэтому накопители тепла идеальны в роли компенсаторов. В это же время их эффективность в качестве мощного источника энергии со стабильными показателями отдачи весьма спорна.

Аккумуляторы энергии сжатого газа

Пневматический инструмент, газопоршневые генераторы, небольшие кары – вот краткий список устройств, которые используют энергию сжатого газа. Устройство накопителя энергии знакомо практически всем. Это надежная, прочная колба из стали, в которую под огромным давлением закачивается газ.

Уровень выхода энергии накопителя сжатого газа нестабилен. Он велик, пока давление внутри баллона близко к максимуму. И снижается по мере расходования газа. Для стабилизации выхода используются редукторы. Они обеспечивают постоянное давление на выходе, что не только создает оптимальные условия работы потребителя, но и продлевает срок эффективного расходования запаса газа.

Накопители энергии сжатого газа применяются и в роли компенсаторов. Стабилизация работы компрессора производится при помощи расширительной емкости. В нее закачивается газ основным двигателем, поддерживается конкретное давление. При использовании энергии пневмоинструментом, компрессор может включаться периодически, поддерживая стабильное состояние системы. Основная мощность поступает именно из накопителя, расширительного баллона, совмещенного с редуктором.

Главное достоинство аккумулятора сжатого газа – простота манипулирования. Соблюдается некий термический баланс, когда в режиме компенсатора выделенное тепло при сжатии газа соответствует количеству энергии при расширении рабочего тела. К другому плюсу относится надежность инженерного решения. Прочность баллона такова, что он может заправляться неоднократно, служить на протяжении десятков лет. Третий плюс – при наличии надежной перекрывающей арматуры или запайки емкости, газ может сохранять свои параметры и энергетику очень долго.

Накопители электрической энергии

Аккумуляцию электроэнергии можно проводить разными способами. Сегодня к самым распространенным и широко используемым средствам относятся конденсатор, ионистор, химические преобразователи, накопители заряда активных частиц.

Конденсатор

Данный класс аккумулятора электрической энергии – знакомое всем устройство, конструкцию, так называемой, лейденской банки проходят еще в школьном курсе физики. Заряд накапливается на двух пластинах. Современные конденсаторы имеют прокладку, изготовленную из полимера с высокими показателями пробоя. Это позволяет:

• накапливать большое количество энергии;
• работать большими значениями напряжения;
• гарантировать безопасность использования;
• обеспечить малые размеры накопителя.

Соединенные параллельно элементы позволяют построить батарею с нужным показателем емкости. Данный тип накопителя не может сохранять энергию долго без потерь. К тому же, собирается ее довольно мало. Но при малом потреблении конденсатор может быть достаточно эффективен. Сегодня именно такие накопители используют в аварийных светодиодных лампах.

Во время питания конденсатор заряжается, при отсутствии энергоснабжения светильник работает в течение получаса, чтобы люди могли принять меры к устранению причин перебоя, лечь спать или перевести оборудование в режим консервации.

Ионистор

Ионисторы, или, как их еще называют, суперконденсаторы, используют несколько другую схему накопления энергии. Здесь заряд распределяется в объеме рабочего тела в виде заряженных частиц. В результате достигаются огромный (по сравнению с конденсаторами) срок хранения энергии и емкость, но наблюдается крайняя чувствительность к температуре. Чем ниже температура рабочей среды, тем меньше отдача тока от накопителя энергии.

Аккумуляторы химического преобразования

Электрохимическая ячейка – основа большинства автомобильных, мотоциклетных и других привычных типов аккумуляторов. Схема работы накопителя проста:

• в результате взаимодействия пластины металла и кислоты образуются заряженные ионы;
• в ходе работы соли осаждаются на пластине из катализатора;
• по мере понижения насыщенности электролита аккумулятор истощается – уровень выдачи энергии снижается.

При зарядке происходит обратный процесс. Электролиз восстанавливает показатели электролита, переносит металл на пластину-донор. Достоинств у электрохимического аккумулятора множество. Можно получить стабильный и высокий выходной ток, что ценно для пуска мощного оборудования. Легко создать устройство с высокой емкостью, полезное для долгой работы различного оборудования.

К недостаткам электрохимической ячейки классического типа относится конечное число циклов заряда-разряда. Некоторое количество солей металла становятся инертными, пластины приходят в негодность, истощается электролит. Данные недостатки в большой степени нейтрализованы в гелевых батареях. Этот современный источник энергии содержит коллоидный электролит. В нем лучше проходят процессы образования ионов. Но есть и недостаток – повышается чувствительность к температуре. При ее понижении гель твердеет, показатель отдачи тока падает.

В качестве заключения

Накопители разного типа энергии можно рассматривать очень долго. Это механические – различные пружины. Кинетические – маховики большой массы, используемые, например, в троллейбусах. Аккумуляторы с разным типом носителя ионов – литиевые, никель-марганцевые, кадмиевые. Но использование любого типа накопителя, прежде всего, обуславливается балансом между его характеристиками и показателями потребления энергии.

Источник