Энергетический баланс аккумулятора Аккумулирование энергии

НЕТРАДИЦИОННЫЕ И
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
Сухоцкий Альберт Борисович
1. Цели и задачи аккумулирования
энергии.
2. Типы аккумуляторов и области их
применения.
3. Энергетический баланс
аккумулятора.
4. Механическое аккумулирование.
Задачи аккумулирования энергии
• приведение в соответствие выработки энергии
и потребности в ней во времени,
• обеспечение плавного запуска
энергетической установки,
• обеспечение резерва в случае внезапного
прекращения работы энергетической
установки.
Аккумулятор состоит из
• резервуара для хранения,
• аккумулирующей среды (рабочего тела),
• устройств для зарядки и разрядки,
• вспомогательного оборудования.
КПД аккумулятора =
= КПД зарядки * КПД хранения * КПД разрядки
Аккумуляторы по виду аккумулирующей
энергии могут быть:
• механические (гидравлический,
пневматический, инерционный, упругий).
• тепловые;
• термохимические (например, водородный);
• электрохимические (например, свинцовокислотные батареи);
• электрические (электростатические и
индуктивные);
Энергетический баланс аккумулятора
Vак

dmвх
dmвых
dQ
dL
u  p  gH  c 2 / 2

 d u  gH  c 2 / 2


вх
ак

dmвх  u  p  gH  c 2 / 2
mак  dL  dQ

вых
dmвых 
Аккумулирование энергии может
осуществляться в результате изменения
а) удельной внутренней энергии;
б) удельной потенциальной энергии давления;
в) удельной потенциальной энергией
положения,
г) удельной кинетической энергии;
д) массы системы.
Механическое аккумулирование энергии
1. Гидравлический аккумулятор.
Гидроаккумулирующие электростанции
(ГАЭС) состоит из двух емкостей
расположенных на разных геометрических
высотах и соединенных трубопроводом.
Гидроаккумулирующие электростанции
разделяют на ГАЭС:
• чистого аккумулирования,
• смешанного типа (ГЭС-ГАЭС).
а – ГАЭС, б – ГЭС-ГАЭС
Энергия
аккумулирования
E  VgH
V
H
2
1
КПД аккумулирования
ГАЭС 
Етурб
Енасоса
gV  H  hдл  т
H  hдл


т н  г т н
gV  H  hдл  / н H  hдл
l 2
l 8V 2
hдл  
 5 2 2
d 2g
d g T
г 
l
8V 2
1 
Hd 5 g 2Tразр 2
l
8V 2
1 
Hd 5 g 2Tзаряд 2
Мощность выдаваемая ГАЭС
N турб  gGтурб  H  hдл  т
Принципиальные схемы гидросилового
оборудования
По количеству машин ГАЭС разделяют:
• четырехмашинная схема  насос,
гидротурбина, генератор, электродвигатель
• трехмашинная схема  насос (центробежный),
гидротурбина (ковшовая или радиальноосевая), обратимая электрическая машина
• двухмашинная схема  обратимая
гидромашина (поворотно-лопастна, радиальноосевая, диагональная), обратимая электрическая
машина
Продолжительность цикла
аккумулирования ГАЭС:
• суточное регулирование (разрядка  4-5 часа,
зарядка  6-8 часов).
• недельное регулирование,
• сезонное регулирование,
Компоновка ГАЭС с подземным бассейном
Достоинства:
1. Позволяют достигать высоких напоров
1000-1500 м.
 5150

kуд  
 113  0,07  Т  0,7  , руб/кВт
 H

T – срок службы.
2. Снижают размеры отчуждения земель.
Недостатки:
1. Требует наличие прочных подземных
пород (Балтийский щит южнее г. Минска).
2. Требует строительства подземных зданий
ГАЭС.
Инерционный аккумулятор
Кинетическая энергия вращающегося тела равна
E  I2 / 2
Маховики инерционных аккумуляторов могут
быть двух типов:
• в виде диска
I  mr 2 / 2
• в виде обруча
I  mr
2
Максимальная скорость вращения маховика
ограничена разрывающими центробежными
силами
2
max   /   r

Тогда максимальная плотность энергии,
запасаемая однородным диском
Emax  m  r 
2
2
max
/ 4  m   /  4   V   / 4
Удельная массовая плотность энергии
стального диска – около 0,03 МДж/кг,
стеклокомпозитных материалов
– около 0,5 МДж/кг.
Преимущество инерционных аккумуляторов:
• простота изготовления,
• требуют значительно меньший срок
подзарядки, чем другие аккумуляторы,
• экологически безопасные.
Недостатки:
• значительная стоимость из-за жестких
требований к изготовлению,
• представляют значительную
физическую опасность.
3. Пневматический аккумулятор
Аккумуляторы со сжатым газом нашли широкое
применение в газотурбинных установках и на
выходе компрессионных установок.
Запасенную энергию при сжатии идеального
газа можно рассчитать по уравнению
E
V1

V2
V1
dV
pdV  nRT 
 p1V1 ln  p1 / p2 
V
V2
Недостатки:
• высокая стоимость,
• низкий КПД зарядки и разрядки.