НЭВЭЭС (П) - Камышинский технологический институт

А. Г. Сошинов, Г. Г. Угаров
НАКОПИТЕЛИ ЭНЕРГИИ
В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
СИСТЕМАХ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)
ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
А. Г. Сошинов, Г. Г. Угаров
НАКОПИТЕЛИ ЭНЕРГИИ
В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
СИСТЕМАХ
Учебное пособие
Под редакцией д. т. н. профессора Г. Г. Угарова
РПК «Политехник»
Волгоград
2007
1
УДК 621.311(075.8)
С69
Рецензенты: з. д. н. и т. РФ, заведующий кафедрой «Эксплуатация
энергооборудования и электрические машины» Саратовского государственного аграрного университета, д. т. н., профессор Г. П. Ерошенко; заведующий кафедрой «Автоматизация и управление» Пензенской государственной технологической академии, д. т. н., профессор И. А. Прошин.
Сошинов А. Г., Угаров Г. Г. Накопители энергии в электроэнергетических системах: Учеб. пособие / ВолгГТУ, Волгоград, 2007. – 106 с.
ISBN 5-230-04928-6
Рассмотрены существующие и перспективные накопители энергии,
даны критерии для их выбора.
Основное внимание уделено физическим процессам в накопителях,
особенностям их характеристик и математических моделей, а также сопоставлению накопителей различных типов. Изложены принципы технической реализации накопителей энергии и рассмотрены рациональные
области их использования.
Для студентов, обучающихся по специальности «Электроснабжение
промышленных предприятий» и направлению «Электроэнергетика».
Ил. 12. Табл. 7. Библиогр.: 12 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Волгоградского государственного технического университета
© Сошинов А. Г., Угаров Г. Г.
© Волгоградский
государственный
технический
университет, 2007
ISBN 5-230-04928-6
2
ВВЕДЕНИЕ
Производство и потребление различных видов энергии определяет
прогресс во всех областях жизнедеятельности человека. Наряду с ростом
количественных показателей энергообеспечения потребителей все большую роль начинают играть показатели качества использования энергии,
что связано с рациональным согласованием параметров энергии на различных стадиях ее преобразования. Значительное место в решении возникающих при этом проблем отводится накопителям энергии (НЭ) – реверсивным устройствам для частичного или полного разделения во времени выработки и потребления энергии. В накопителях энергии осуществляется аккумулирование энергии, получаемой из электроэнергетической системы (ЭЭС), ее хранение и выдача при необходимости в энергосистему. Таким образом, накопители энергии становятся важным промежуточным звеном между системами генерирования и системами распределения и потребления энергии.
В рамках данного пособия рассмотрены основные классы накопителей для стационарных и автономных энергетических установок. При подготовке издания были использованы материалы из источников, приведенных в конце пособия.
3
СПИСОК АББРЕВИАТУР
НЭ
ЭЭС
ГЭС
ТЭС
АЭС
АКЭС
КЭС
ТЭЦ
АТЭЦ
ГТЭС
ГАЭС
ГТУ
КПД
СССР
ЭС
АВЭС
СПИН
ЛНЭЭ
МГД
СН
БЭП
СКЭС
УУ
АЭ
АБ
КЛА
МН
ЭАБ
АКЭС
ТЭ
ЭХЭС
ЭХГ
НЭЭ
ЕН
ИН
СПИН
АБ
ДЭС
СМ-Set
– накопители энергии;
– электроэнергетическая система;
– гидравлическая электростанция;
– тепловая электростанция;
– атомная электростанция;
– атомная конденсационная электростанция;
– конденсационная электростанция;
– теплоэлектроцентраль;
– атомная теплоэлектроцентраль;
– газотурбинная электростанция;
– гидроаккумулирующая электростанция;
– газотурбинная установка;
– коэффициент полезного действия;
– Союз Советских Социалистических Республик;
– электрические станции;
– автономные энергосистемы;
– сверхпроводниковые индуктивные накопители;
– линейный накопитель электрической энергии;
– магнитогидродинамические генераторы;
– собственные нужды;
– беспроводные электропередачи;
– солнечные космические электростанции;
– устройство управления;
– аккумулирующий элемент;
– аккумуляторная батарея;
– космический летательный аппарат;
– механический накопитель;
– электрохимическая аккумуляторная батарея;
– аккумуляторная электростанция;
– топливный элемент;
– электрохимическая электростанция;
– электрохимический генератор;
– накопитель электрической энергии;
– ёмкостный накопитель;
– индуктивный накопитель;
– сверхпроводниковый накопитель;
– электрическая аккумуляторная батарея;
– двойной электрический слой;
– сборка конденсаторных модулей;
4
СМ
ДВС
ИП
США
ЛНЭЭ
ЭМН
ЭМ
МПТ
КЗ
ЛА
ТА
МГДГ
ЭДС
ЛЭП
ФКУ
ХН
ВАГТЭС
– конденсаторные модули;
– двигатель внутреннего сгорания;
– источник питания;
– Соединенные Штаты Америки;
– линейный накопитель электрической энергии;
– электромеханический накопитель;
– электрическая машина;
– машина постоянного тока;
– короткое замыкание;
– летательный аппарат;
– тепловой аккумулятор;
– магнитогидродинамический электрогенератор;
– разность потенциалов;
– линия электропередач;
– фильтро-компенсирующее устройство;
– химический накопитель;
– воздушно-аккумулирующая газотурбинная электростанция;
5
1. СИСТЕМНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ В СТАЦИОНАРНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ
1. 1. Тенденции развития потребителей электрической энергии
Потребление электрической энергии в течение суток изменяется в
значительных пределах. Типичный суточный график потребления электроэнергии промышленным городом показан на рис. 1, суточный график
нагрузки объединенной энергосистемы – на рис. 2. Графики имеют явно
выраженный утренний и вечерний максимумы и зону снижения нагрузки
на 2–3 часа в середине дня и глубокий провал нагрузки в течение 6–7
часов ночью. Нагрузка ночью составляет лишь 50−60 % Рmax. В перспективе намечается углубление ночного провала нагрузки до 30−35 % Рmax,
что уже имеет место в энергосистемах промышленно развитых стран.
Сравнение графиков, представленных на рис. 1 и 2, показывает, что характеры суточного потребления электрической энергии у них сходны.
Причинами повышения неравномерности графиков нагрузки энергосистем являются, в частности, разгрузка и ликвидация ночных смен и переход многих промышленных предприятий на односменную работу при
одновременном увеличении объема производства за счет более полной
загрузки дневных смен. Разуплотнение графиков нагрузок объясняется и
ростом потребления электроэнергии в быту. Это связано с ростом благосостояния и улучшением уровня жизни населения. Известно, что во время
провала нагрузки потребляемая мощность падает в отдельные дни до 65 %
от максимума. В выходные дни график существенно изменяется – уменьшаются максимум и минимум, но время прохождения их остается прежним. Графики нагрузки характеризуются следующими интегральными параметрами:
Рис. 1. Суточный график потребления
электроэнергии промышленным городом
Рис. 2. Суточный график нагрузки
объединенной энергосистемы
6
1. Коэффициентом минимума:
  Р min / Pmax ,
где Р min – ночной минимум нагрузки; Pmax – дневной максимум нагрузки.
Очевидно, что чем меньше величина  , тем более неравномерен график.
2. Коэффициентом заполнения, или плотностью нагрузки, равным
отношению суточного потребления энергии к максимально возможному:
24
   P( t )dt / 24 Pmax .
0
3. Числом часов использования максимума (наибольшей) нагрузки
24
Tнб   P( t )dt / Pmax или Tнб  24  .
0
4. Регулируемым диапазоном мощности
Р рег  Р max  Pmin .
Значения коэффициента минимума нагрузки для электроэнергетических систем развитых стран находятся в диапазоне 0,5…0,3.
Динамической характеристикой графиков является скорость роста
нагрузки – производная мощности электропотребления во времени:
Pv  dP / dt ,
где значение Рv в момент начала прохождения утреннего максимума
нагрузки и ночного минимума составляет 1…3 % в минуту.
Для детализации характера электропотребления суточный график
нагрузки разбивают на 4 зоны, различающиеся плотностью: базисную –
ниже ночного минимума нагрузки; полубазисную и полупиковую – между
дневным и ночным минимумом, и пиковую – выше дневного минимума.
Уплотнение графиков нагрузки ЭЭС может осуществляться общеорганизационными мероприятиями, мероприятиями, проводимыми средствами ЭЭС и регулировочными мероприятиями потребителей электроэнергии.
К общеорганизационным мероприятиям следует отнести распределение выходных дней промышленных предприятий, распорядок начала
работы, обеденных и междусменных перерывов промышленных предприятий, а также сдвиг часовой стрелки в летне-осеннее время. Так как
эти мероприятия затрагивают социально-бытовые условия жизни общества, то они должны использоваться достаточно продуманно.
К регулировочным мероприятиям относятся: упорядочение графиков
работы технологических агрегатов, назначение времени ремонта технологических установок, создание запасов полуфабрикатов для возможности останова некоторых промежуточных звеньев технологического про7
цесса, использование системы тарифов на электроэнергию (дифференцированные по времени суток, учитывающие участие в максимуме нагрузок
ЭЭС и т. п.).
К мероприятиям, осуществляемым средствами ЭЭС, относятся объединение ЭЭС и аккумулирование энергии в часы провала графика
нагрузки и выдача ее в часы максимума нагрузки ЭЭС.
Статистический анализ показывает, что графики нагрузок в дальнейшем будут разуплотняться, однако острота проблемы покрытия неравномерного графика в настоящее время и на перспективу не снижается.
1. 2. Основные направления развития генерирующих мощностей
Проблема покрытия неравномерных графиков электропотребления
обострилась в связи с исчерпанием возможностей строительства таких
эффективных источников пиковой мощности, как гидравлические электростанции (ГЭС), и с резким ограничением возможности использования
газомазутного топлива для создания эффективных маневренных ТЭС. В
будущем эта проблема осложнится в первую очередь тем, что вводы
мощностей намечается осуществлять в основном на тепловых электростанциях (ТЭС) и атомных электростанциях (АЭС), использование которых в переменном режиме трудно и экономически нецелесообразно. Следовательно, актуальная уже в настоящее время проблема обеспечения
графика нагрузки ЭЭС является долговременной, нуждающейся в постоянном развитии и совершенствовании средств ее решения.
Неравномерность суточного графика нагрузки предъявляет специфические требования как к структуре генерирующих мощностей, так и к
самим электростанциям. С одной стороны, установленная мощность
станций должна обеспечивать дневной и вечерний максимумы нагрузки в
течение примерно 6 ч и вращающийся резерв, составляющий 3 % от максимума. С другой стороны, необходимо снижение выдаваемой мощности
во время прохождения ночного провала нагрузки. В 1980 г. при β = 0,54
около половины всех генерирующих мощностей ЭЭС европейской части
СССР были загружены лишь в отдельные часы суток.
Современные ЭЭС включают в себя различные типы генерирующего
оборудования: атомные конденсационные (АКЭС) и тепловые конденсационные электростанции (КЭС), теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), атомные
теплоэлектроцентрали (АТЭЦ) и ГЭС. Имеется несколько газотурбинных
и гидроаккумулирующих электростанций (ГТЭС и ГАЭС).
Каждому из указанных типов станций в силу их маневренных характеристик отводится определенное место в покрытии графика нагрузок ЭЭС.
В соответствии с зонами графика нагрузки классифицируют и генерирующие установки: базисные, полубазовые, полупиковые, пиковые.
8
Базисные установки − это агрегаты и станции, несущие постоянную
(в рабочие дни − номинальную) нагрузку в суточном и недельном разрезах. К ним относятся АКЭС и мощные КЭС из-за практической невозможности и экономической нецелесообразности снижения их нагрузки.
Роль базисных станций в зимнее время выполняют ТЭЦ и АТЭЦ, что
вызвано необходимостью соблюдения заданного графика отпуска теплоты. При этом чем больше отпуск теплоты из регулируемых отборов ТЭЦ,
тем меньше их регулировочный диапазон по выработке электроэнергии.
В качестве базисной мощности используется также мощность, получаемая при работе станции на имеющемся стоке воды (среднесуточная обеспеченная мощность ГЭС).
Полубазовые установки − КЭС с агрегатами мощностью 200−300 МВт,
предназначенные для работы с разгрузкой мощности в период прохождения ночного провала нагрузки.
Полупиковые установки − КЭС с агрегатами мощностью 100−200 МВт,
значительно меняющие отдаваемую мощность не только во время ночного минимума, но и дневных максимумов нагрузки.
Пиковые установки − ГЭС, а также ТЭС с блоками мощностью
25−200 МВт, работающие только в часы покрытия максимума нагрузки.
Считается экономичным использование специальных источников пиковой мощности − газотурбинных установок (ГТУ), работающих до 6 ч в
сутки, а также ГАЭС.
Особые трудности в эксплуатации вызывает снижение относительного минимума нагрузки, в основном в ночное время, при этом вся тяжесть регулирования приходится на оборудование высокого давления
(агрегаты мощностью 100, 150, 200 МВт). При регулировании ночных
провалов агрегаты мощностью 150, 200 МВт разгружаются до 60 %, а
мощностью 100 МВт − до 5−10 МВт. Работа турбогенераторов при таких
нагрузках обходится дороже, чем при работе постоянно на полную мощность, что объясняется двумя причинами. Во-первых, электростанция,
работающая на неполную мощность, имеет более низкий коэффициент
полезного действия (КПД), следовательно, требуются добавочные расходы на топливо; во-вторых, приходится тратить деньги на эксплуатацию
других станций, берущих на себя оставшуюся нагрузку. При этом возникает еще один негативный момент, объясняющийся зависимостью интенсивности эксплуатации электростанции от стоимости вырабатываемой
ею энергии. Нагрузка дается в первую очередь на станцию, вырабатывающую более дешевую энергию, поэтому увеличение общего числа работающих электростанций ведет к повышению удельной стоимости энергии всей системы.
9
Выравнивание суточной нагрузки приводит к уменьшению износа и
поломок оборудования на ТЭС и сокращению расходов на техническое
обслуживание. Точная величина экономии зависит от ряда факторов, однако ее необходимо учитывать.
Структура генерирующих мощностей изменяется в следующих
направлениях:
● рост доли КЭС в энергосистемах;
● возрастание единичных мощностей агрегатов АЭС и ТЭС (до
800 − 1500 ГВт)
Для работы в полубазовой и полупиковой зонах графика был спроектирован специальный маневренный блок мощностью 500 МВт на докритические параметры пара, использующий газомазутное топливо и
уголь, не нашедший применения в ЭЭС.
Существует возможность применения оборудования базисных ТЭЦ
для покрытия нагрузки в полупиковой и пиковой зонах, которая связана:
1. С использованием теплоаккумулирующей способности зданий и
сетей. Снижение отпуска теплоты от ТЭЦ в период прохождения максимума электрических нагрузок может быть скомпенсировано внутренним
выделением аккумулированной теплоты в зданиях и сетях.
2. С принудительной разгрузкой ТЭЦ — переходом от совместной
выработки электроэнергии и теплоты к раздельной. Такая разгрузка, связанная со значительным перерасходом топлива и раньше, когда развитие
ЭЭС осуществлялось в основном за счет ввода ТЭЦ, экономически не
оправдывалась. Однако с увеличением масштабов ввода АЭС, имеющих
небольшую топливную составляющую, а также дефицитом органического топлива в европейской части страны принудительная разгрузка ТЭЦ
экономически оправдана.
Для правильной оценки возможности и целесообразности использования ТЭЦ в полупиковой и пиковой зонах нагрузки необходимо совместное рассмотрение различных способов решения проблемы.
1. 3. Накопители энергии – новая структурная
единица в электроэнергетической системе
Источники энергии, предназначенные для покрытия пиков нагрузки,
делятся на две группы. К первой группе относятся различные газотурбинные генераторные установки, работающие на жидких нефтепродуктах, а
также гидроэлектростанции. Возможности строительства ГЭС в европейской части Российской Федерации практически исчерпаны, а мощность их,
в определенной степени, присутствует в базисной и полупиковой мощностях. Ко второй группе относятся устройства, позволяющие разделитъ во
времени процессы выработки и потребления электроэнергии.
10
В них происходит накопление энергии, вырабатываемой ЭС, работающими в базисном режиме в часы прохождения минимума нагрузки, и
выдача энергии во время прохождения максимумов нагрузки. При этом
электроэнергия, вырабатываемая базисными станциями и обладающая
самой низкой себестоимостью, идет на покрытие максимума нагрузки,
т. е. превращается накопителем в пиковую. Такое превращение базисной
энергии при КПД накопителей, большем или равном отношению ночного
Сноч и дневного Сдн тарифов на электроэнергию н  С ноч / С дн , может
обеспечить минимальную стоимость покрытия пика.
При сопоставлении вариантов строительства установок пиковой
мощности первой и второй групп, кроме сравнения удельных капиталовложений, необходимо учитывать значительные эксплуатационные расходы, требующиеся для работы газотурбинных установок. К ним в
первую очередь относятся возрастающие расходы на топливо. Эта величина может превышать приведенные удельные капиталовложения на
строительство газотурбинной установки, которая станет неконкурентоспособной по сравнению с НЭ. Следствием увеличения расходов на топливо является возрастание стоимости потерь электроэнергии при передаче ее к потребителю, создание вращающегося резерва в системе и т. п. В
дальнейшем ожидается еще большее снижение рентабельности строительства газотурбинных установок, связанное с постепенным исключением нефтепродуктов из топливно-энергетического баланса.
Современные ЭЭС имеют характерные особенности:
1. Появляется возможность превращения местной аварии в системную, вызванную усложнением структуры энергообъединений, включающей дальние и сверхдальние электропередачи переменного и постоянного тока. Такие аварии могут иметь тяжелые последствия, так как сопровождаются массовым отключением потребителей, нарушением устойчивости и разделением ЭЭС на отдельные части при снижении частоты и
напряжения ниже допустимого уровня.
2. Происходит неуклонный рост неравномерности rpaфиков нагрузки. Отличительной чертой производства электроэнергии является необходимость выработки электростанциями в каждый момент времени такого ее количества, какое требуется потребителям. Однако нагрузка колеблется (и притом существенно) как в течение суток, так и в течение недели, месяца, года.
3. Увеличивается крутизна графиков нагрузки. Наклон утренних
максимумов в центрах нагрузок может достигать 1–3 % в минуту.
4. Происходит неизбежное укрупнение оборудования электростанций, что повышает их экономичность, но приводит к снижению маневренности. Это не позволяет эффективно работать по «крутым» графикам
11
нагрузки, снижает экономичность покрытия пиков мощности. Требования к резким темпам набора и сброса нагрузки можно выполнить лишь
при наличии достаточного числа высокоманевренных агрегатов мощностью 100, 150, 200 МВт. Но с укрупнением оборудования их доля неизбежно снижается.
Анализируя вышесказанное, можно сделать вывод о необходимости
дальнейших поисков мер, которые смогли бы комплексно решить проблемы, вызванные указанными особенностями. Следовательно, необходимо создание принципиально новых устройств. Таким образом, задача
заключается в создании установок, которые удовлетворяли бы требованиям как потребителей (получение необходимого количества энергии с
достаточным качеством и необходимой надежностью), так и генерирующих ЭС (возможность выработки постоянной мощности в течение длительного периода времени).
Идеальными со всех точек зрения можно было бы считать устройства, позволяющие разделить во времени процессы выработки и потребления электроэнергии, имеющие высокий КПД и вступающие в работу
мгновенно, т. е. НЭ. Они дают возможность улучшить техникоэкономические показатели энергоблоков с высокими капиталовложениями (например, ядерных энергоблоков), используя их с постоянной загрузкой с целью минимизации эксплуатационных расходов. Подсчитано,
что использование каких-либо накопителей для выравнивания графиков
нагрузки ЭС США в 1990 г. привело к экономии капиталовложений на
сумму 45·109 долл. (без учета стоимости самих НЭ).
Итак, применение аккумулирования энергии позволит удовлетворить потребность ЭЭС в маневренной мощности для покрытия пиков
нагрузки; компенсировать ее кратковременные изменения; уплотнить
графики нагрузки путем использования более дешевой ночной энергии;
увеличить мощность и время работы базисных ЭС. Но это лишь часть
задач, решаемая с помощью НЭ.
Из-за укрупнения станций возрастает их роль в балансе мощности
ЭЭС. Поэтому даже при частичной потере связи с ней возможно нарушение статической устойчивости, приводящее к отключению потребителей.
Вопросы поддержания динамической устойчивости ЭЭС при различных
авариях решаются в основном системной автоматикой. При этом отключаются не только аварийные объекты, но и часть потребителей. Использование ЭС для поддержания устойчивости возможно лишь при наличии
«горячего резерва», что крайне неэкономично. Ликвидировать такие аварийные ситуации в ЭЭС с высокой экономичностью и эффективностью с
помощью обычного оборудования трудно. Накопитель с хорошими маневренными характеристиками и высоким КПД, набирающий полную
12
мощность за несколько периодов напряжения питающей сети, позволил
бы положительно решить и эту часть задачи.
При эксплуатации автономных энергосистем (АвЭС) остро встают
вопросы надежности энергопитания и живучести; использование в АвЭС
устройств аккумулирования энергии позволит успешно их решить. При
этом параметры НЭ могут быть близки к параметрам накопителя, предназначенного для выравнивания графиков нагрузки.
В ближайшие годы возможно применение в ЭЭС турбогенераторов
со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения, которые будут иметь
значительно большую удельную и единичную мощности, более высокий
КПД. Однако постоянная времени цепи возбуждения у них может быть в
сотни раз большей, чем у обычных генераторов, причем энергия, запасаемая в обмотке возбуждения турбогенератора при равных мощностях,
может на порядок превышать энергию, запасенную в поле возбуждения
традиционного генератора. Вместе с тем демпфирование качаний у таких
генераторов почти отсутствует, поэтому необходимо применять специальные дорогостоящие устройства. В связи с этим целесообразно использовать вместе с криогенераторами и сверхпроводниковые индуктивные
накопители (СПИН). В этом случае гелиевый криогенный рефрижератор
может обслуживать одновременно генератор и накопитель. При использовании СПИН совместно с криогенератором, последний может быть
значительно удешевлен, так как отпадает необходимость применения
демпфирующего экрана на его роторе, позволяющая улучшить взаимосвязь обмоток якоря и индуктора, повысить индукцию магнитного поля в
зоне якорной обмотки и открывающая перспективу значительного увеличения удельной и единичной мощности.
Интересные перспективы существуют у схемы выдачи мощности
ГЭС в систему через линейный накопитель электрической энергии
(ЛНЭЭ). В этом случае частота не обязательно должна быть постоянной.
При этом вместо номинальной частоты появляется диапазон частот, в
котором может работать агрегат. Это расширяет область использования
универсальной характеристики агрегата; повышает его КПД и выработку
энергии, позволяя направить через турбину часть холостого водосброса
при паводках; уменьшает кавитацию рабочего колеса турбины; открывает возможность применения быстроходных пропеллерных турбин и
уменьшения заглубления здания ГЭС.
Ввод энергии в крупные промышленные центры в будущем намечалось осуществлять с использованием сверхпроводниковых кабелей. Однако с учетом требований надежности электроснабжения эффективнее
применять для этой цели ЛНЭЭ. В качестве схем ввода энергии в города
и промышленные центры можно предложить как кольцевые на основе
13
секционирования ЛНЭЭ, так и радиальные. С помощью ЛНЭЭ можно
осуществить вывод энергии с магнитогидродинамических генераторов
(МГД), одновременно преобразуя постоянный ток, вырабатываемый ими,
в переменный. Значения параметров накопителей определяются конструктивными и системными требованиями.
Питание собственных нужд АЭС, а в будущем и термоядерных ЭС
должно отличаться повышенной надежностью, так как любой перерыв в
их питании может привести к тяжелым последствиям. В связи с этим
можно резервировать электроснабжение собственных нужд АЭС с помощью ЛНЭЭ. Повышение надежности питания собственных нужд (СН)
достигается за счет снабжения их энергией от ЛНЭЭ как в случае аварии
на шинах станции, так и в случае частичного повреждения самого ЛНЭЭ.
Параметры таких НЭ зависят только от параметров генерирующего оборудования ЭС и независимы от параметров системы.
Для передачи электроэнергии из космоса на Землю предполагается
использовать беспроводные электропередачи (БЭП). При этом по БЭП
будут передаваться большие (более 6 ГВт) мощности. Таким образом,
для ЭЭС солнечные космические электростанции (СКЭС) будут источниками базовой мощности, что налагает определенные требования на
качество энергии, поступающей от приемной антенны СКЭС. Наиболее
важные из них:
● Передаваемая в ЭЭС энергия не должна зависеть от каких-либо
внешних условий, определяемых не потребителем, например от метеорологических условий (облачности, ветра и т. п.). В противном случае в
ЭЭС будет необходим «горячий резерв» генерирующих мощностей порядка 10–30 % от мощности СКЭС (в среднем около 1 ГВт), что неприемлемо.
● Случайные кратковременные изменения мощности, принимаемой
антенной, связанные, например, с уходом луча, не должны отражаться на
потребителе. Иными словами, режимы работы источника энергии (приемной антенны) и потребителя не должны быть жестко связаны между
собой.
В силу конструктивных особенностей БЭП − наличия в беспроводном канале земной атмосферы, «прозрачность» которой зависит от метеорологических условий и изменяется стохастически − потребители на
земле получат энергию, значение которой будет меняться в больших пределах.
Таким образом, возможно возникновение двух аварийных ситуаций:
1) во время прохождения в системе максимума нагрузки (из-за
ухудшения метеорологических условий) пропускная способность БЭП
снизилась;
14
2) во время прохождения провала нагрузки произошло аварийное
отключение части потребителей, БЭП же передает мощность, соответствующую полной нагрузке.
В первом случае в ЭЭС образуется недопустимый дефицит генерирующих мощностей, а во втором − выжигание приемной подстанции
БЭП. В связи с этим необходима установка НЭ по крайней мере на приемной подстанции БЭП. При этом он будет обеспечивать баланс мощности в точке подключения − координировать два неравномерных графика
с несовпадающими максимумами и минимумами.
Для выполнения вышеуказанного возможно применение НЭ, имеющих
высокое быстродействие (0,02 с) и позволяющих регулировать потребляемую и выдаваемую мощности в достаточно широких пределах. В литературе
не приводятся конкретные требуемые значения мощности и энергоемкости
таких НЭ, однако предполагается, что они будут того же порядка, что и НЭ,
предназначенные для выравнивания графиков нагрузки ЭЭС.
Таким образом, применение накопителей энергии в ЭЭС на всех этапах их развития позволит комплексно решать существующие и возникающие в энергетике проблемы.
2. ХАРАКТЕРИСТИКИ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ
2. 1. Структура аккумулирующих устройств
для электрических систем
Для того чтобы накопитель обеспечивал дальнейшее использование
энергии, он должен включать в себя, по крайней мере, два блока:
● устройство управления (УУ) потоком энергии, регулирующее и
преобразующее энергию одного рода в другой в соответствии с законом
изменения мощности;
● аккумулирующий элемент (АЭ), непосредственно запасающий и
хранящий энергию.
В энергетике возможно использование нескольких типов АЭ: маховиков, гравитационных установок, конденсаторов, химических и тепловых аккумуляторов, криопроводящих и сверхпроводниковых соленоидов.
Существует два типа УУ накопителей энергии:
◊ электрическое (управляемый преобразователь);
◊ электромеханическое (асинхронизированная синхронная машина,
машина постоянного тока или синхронная машина).
Тип НЭ определяется аккумулирующим элементом, а характер
устройства управления – потребителем энергии.
15
2. 2. Параметры сопоставления накопителей энергии
Для сравнительного анализа типов НЭ используют сопоставление
набора их параметров, позволяющих достаточно полно охарактеризовать
эти устройства:
1) осуществимость − существуют ли экспериментальные или промышленные образцы данного типа АЭ;
2) удельные капиталовложения на единицу энергоемкости АЭ;
3) технически оптимальная энергоемкость АЭ (предполагаемая или
выявленная на основе опыта эксплуатации);
4) удельная энергоемкость − отношение энергоемкости НЭ к его
объему (энергоемкость НЭ − это максимальная энергия, которую он может аккумулировать за один цикл заряда наибольшей длительности);
5) требования к месту установки;
6) коэффициент полезного действия;
7) технически оптимальная мощность УУ;
8) номинальное напряжение или ток АЭ;
9) время работы − максимально возможное время заряда или разряда
с заданной мощностью;
10) время реверса мощности − время, в течение которого НЭ может
быть переведен из режима выдачи в режим накопления, и наоборот;
11) время хранения энергии − время, в течение которого сохраняется энергия, накопленная в АЭ;
12) число циклов работы;
13) количество запасенной энергии;
14) удельные питательные затраты (затраты на единицу запасенной
энергии или на единицу мощности);
15) удельные текущие затраты на эксплуатацию;
16) маневренность (время, затрачиваемое на включение НЭ в работу);
17) скорость набора и сброса энергии;
18) диапазон рабочей мощности;
19) возможная частота пусков;
20) потери энергии при хранении.
2. 3. Типы накопителей энергии
Различают следующие типы НЭ:
механические (статические, динамические, комбинированные), химические, электрохимические (аккумуляторные батареи (АБ), топливные элементы), электрические (емкостные накопители, электрохимические конденсаторы), магнитные (индуктивные и сверхпроводящие индуктивные накопители), электромагнитные (линейные), электромеханические, тепловые.
16
2. 4. Функции накопителей энергии
Для современной энергетики, как стационарной, так и автономной,
важное значение приобретают интенсивные формы развития, выдвигающие повышенные требования к качественным показателям энергетических установок. В этом плане возрастает роль накопителей энергии,
обеспечивающих решение целого ряда проблем накопления, хранения,
преобразования энергии, реализации оптимальных режимов работы оборудования, питания потребителей с нестандартными параметрами и т. п.
НЭ находят все более широкое применение в электроэнергетических
системах, автономных энергетических установках, транспортных системах, бортовом оборудовании, технологической аппаратуре, электрофизических стендах и т. д.
В общем виде под НЭ будем понимать устройства, позволяющие
накапливать в них энергию какого-либо вида в течение периода заряда t з ,
а затем передавать существенную часть этой энергии нагрузке в течение
периода разряда t р . Взаимосвязь параметров НЭ при заряде и разряде
определяется законом сохранения энергии, выражаемым очевидным соотношением
Р з t з  Р р t р ,
(1)
где Р з и Р р − средние значения мощностей зарядного и разрядного
процессов,  – КПД НЭ.
Значения t з и t р , а также энергетические показатели при заряде и
разряде могут сильно различаться. Соответственно, существует несколько основных направлений использования накопителей.
Во-первых, их основная роль может сводиться к аккумулированию
избыточной энергии при отключении значительной части потребителей и
последующему использованию накопленной энергии в периоды интенсивного энергопотребления (выравнивание графика нагрузок потребления электроэнергии, в частности). При этом значения t з и t р имеют
примерно одинаковый порядок, а показатели энергии при заряде и разряде достаточно близки.
Примером такого накопителя является гидроаккумулирующая электростанция. В ночные часы электроэнергия направляется в гидротурбинные агрегаты, работающие в обращенном режиме: генератор работает в
17
режиме электродвигателя, вращающего турбину, которая выполняет роль
насоса, подающего воду в верхний резервуар.
Происходит накопление потенциальной энергии воды, поднятой на необходимую высоту. В дневные часы вода из верхнего резервуара естественным
путем опускается в нижний резервуар, обеспечивая вращение турбоагрегатов в
генераторном режиме для получения дополнительной электроэнергии.
Такого же рода устройства, но с меньшими временными диапазонами рабочих циклов, могут использоваться для улучшения показателей
энергосистем при кратковременном включении потребителей повышенной мощности (компенсировать пиковые нагрузки) и улучшать устойчивость работы энергоустановок и систем. Накопители в этом случае являются демпфирующими элементами между генерирующими установками
и потребителями, работающими в нестационарных режимах.
Во-вторых, основным назначением НЭ может быть преобразование
энергии различного вида. Так, например, энергоустановка космического
летательного аппарата (КЛА) с топливными элементами на стадии
накопления энергии преобразует электрическую энергию от солнечных
батарей в химическую за счет разложения рабочего вещества (например,
электролиза воды) на соответствующие компоненты (кислород и водород), а на стадии вывода энергии реакция взаимодействия этих же компонентов создает электрическую энергию.
В-третьих, НЭ в соответствующих режимах обеспечивает преобразование необходимых показателей определенного вида энергии. Если,
например, в накопителе любого вида t р << t з , то из (1) следует, что Рр >>
Рз, т. е. мощность, отдаваемая накопителем нагрузке, во много раз превышает мощность, потребляемую им при заряде от первичного источника
энергии, т. е. НЭ выполняет функцию трансформатора мощности.
Емкостный накопитель позволяет выводить в нагрузку токи во много раз большие, чем при его заряде, а в индуктивном накопителе за счет
ЭДС самоиндукции при коммутации цепи можно получать напряжения,
значительно превышающие напряжения источника питания. Накопители
механической энергии допускают взаимное преобразование кинетической и потенциальной форм энергии и т. п. НЭ могут работать в режиме
относительно длительного хранения энергии (химические, механические,
компрессионные и др.).
Таким образом, НЭ образуют обширный класс энергетических
устройств с широким спектром функциональных возможностей.
18
3. АККУМУЛЯТОРЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
3. 1. Классификация механических накопителей
Механическим накопителем (МН) или аккумулятором механической энергии называется устройство для запасания и хранения кинетической или потенциальной энергии с последующей отдачей ее для совершения полезной работы.
Как и для любого вида НЭ, характерными режимами работы МН являются заряд (накопление) и разряд (отдача энергии). Хранение энергии
служит промежуточным режимом МН. В зарядном режиме к МН подводится механическая энергия от внешнего источника, причем конкретная
техническая реализация источника энергии определяется типом МН. При
разряде МН основная часть запасенной им энергии передается потребителю. Некоторая часть накопленной энергии расходуется на компенсацию потерь, имеющих место в разрядном режиме, в большинстве видов
МН — и в режимах хранения.
Поскольку в ряде накопительных установок время заряда может
намного превосходить время разряда (t3 >> tP), то возможно существенное превышение среднеразрядной мощности Рр над средней мощностью
Рз заряда МН. Таким образом, в МН накапливать энергию допустимо с
помощью сравнительно маломощных источников.
Основные разновидности МН подразделяются на статические, динамические и комбинированные устройства.
Статические МН запасают потенциальную энергию посредством
упругого изменения формы или объема рабочего тела, либо при его перемещении против направления силы тяжести в гравитационном поле.
Твердое, жидкостное или газообразное рабочее тело этих МН имеет статическое состояние в режиме хранения энергии, а заряд и разряд НЭ сопровождаются движением рабочего тела.
Динамические МН аккумулируют кинетическую энергию преимущественно во вращающихся массах твердых тел. Условно к динамическим МН можно отнести также накопительные устройства ускорителей
заряженных элементарных частиц, в которых запасается кинетическая
энергия электронов или протонов, циклически движущихся по замкнутым траекториям.
Комбинированные МН запасают одновременно кинетическую и потенциальную энергию. Примером комбинированного МН может служить
супермаховик из высокопрочного волокнистого материала, имеющего
относительно малый модуль упругости. При вращении данного МН в нем
наряду с кинетической энергией запасается потенциальная энергия упругой деформации. При извлечении накопленной энергии из такого МН
достигается использование обоих ее видов.
Рассмотрим отдельные виды МН.
19
3. 2. Статические механические накопители
Статические МН сохраняют запасенную энергию, находясь в неподвижном состоянии. Носителями потенциальной энергии в них служат
упруго деформированные твердые тела или сжатые газы, находящиеся
под избыточным давлением, а также массы, поднятые на высоту относительно земной поверхности. Типичными примерами статических МН
являются: растянутые или сжатые пружины, резины; газобаллонные аккумуляторы и пневмоаккумуляторы; ударные устройства различных копров, например, для забивания свай, использующие энергию масс в поднятом состоянии; водохранилища гидроаккумулирующих электростанций, баки водонапорных установок. Приведем основные энергетические
соотношения и характерные параметры некоторых типовых устройств.
3. 2. 1. Механические накопители с упругими
твердотельными элементами
Полагаем твердотельную систему линейной, тогда упругий накопительный элемент имеет постоянную жёсткость (или упругость) N = const.
Действующая на него сила F = Nx пропорциональна линейной деформации х. Совершенная при заряде МН элементарная работа dW = Fdx. Полная запасенная энергия
h
h
0
0
W   Fdx   Nxdx Nh 2 / 2  Fn h / 2 ,
где h – результирующая деформация, ограниченная, например, допустимым напряжением  р материала; Fn  Nh − приложенная сила.
Оценим удельную энергию
Wу д  W / M , приходящуюся на еди-
ницу массы М  V  Sh пружины или стержня объемом − V и сечением S, материал которых имеет плотность  и работает на разрыв в пределах закона Гука   x *  E , причем x*/h – относительная деформация,
Е − модуль упругости (Юнга),   р . Введя d  Edx * , можем записать
dW  Fhdx*  Fhd   / Е
dWу д  dW / Sh  Fd / SE ,
и
откуда
при
  F / S находим
3
Wу д   ( / E )d   2p /(2 Е) .
0
Для стальных пружин примем  р  8  10 8 Н/м 2, Е = 2,1·10 11 Н/м 2,
 = 7800кг/м3, тогда Wу д  200 Дж/кг. Аналогичный расчет для технической резины дает Wу д  350 Дж/кг. Однако, из-за гистерезисного харак20
тера зависимости F = F(x) в цикле «заряд-разряд» возникающие потери и
нагрев приводят к постепенному старению (разрушению) резины, нестабильности и ухудшению ее упругих свойств.
3. 2. 2. Гравитационные МН
Гравистатическая энергия притяжения Земли (на уровне моря) оценивается достаточно высоким показателем Wуд = 61,6 МДж/кг, который
характеризует работу, необходимую для равномерного перемещения тела
массой M1 = 1 кг с земной поверхности в космическое пространство (для
сравнения укажем, что это значение Wyд приблизительно в 1,4 раза больше химической энергии 1 кг керосина). При подъеме груза массой М на
высоту Н = x2 − x1 запасенная потенциальная энергия
x1
W у д  gMdx  gMh ,
x2
где М = const, g = 9,81 м/с . Согласно этой формуле, удельная энергия Wyд = W/M = gh зависит только от высоты h. Запасенная энергия высвобождается при падении груза и совершении соответствующей полезной работы в результате перехода потенциальной энергии в кинетическую энергию. Наибольшую удельную кинетическую энергию в природе
при падении могут развивать метеориты, для которых Wyд = 60 МДж/кг
(без учета затрат энергии на трение в атмосфере).
Непосредственное использование гравистатических сил, создаваемых природными массами, практически невозможно. Однако, перекачивая воду в поднятые искусственные водохранилища или из подземных
водохранилищ на поверхность, можно накопить достаточно большое количество потенциальной энергии для крупномасштабных применений в
электроэнергетических системах. Если разность уровней h = 200 м, то в
расчете на массу воды М = 103 кг, запасенная энергия равна W = 1,962 кДж,
удельная энергия Wyд = W/M = 1,962 кДж/кг. У гидроаккумулирующих
установок электрических станций зарядно-разрядный цикл их работы
достигает десятков часов.
2
3.2.3. Газоаккумулирующие механические накопители
Газоаккумулирующая система находится в механически неравновесном состоянии по отношению к окружающей среде: при равенстве температур системы и окружающей среды (Т = Тос), давление системы р > рос,
поэтому система может совершать работу. Запас упругой энергии сжатого газа в баллоне объемом V составляет
р2
Wу д   Vdp  V(p 2  p1 ) .
р1
21
На единицу массы М любого сжатого газа согласно этой формуле
приходится удельная энергия
Wуд  W / M  V(p2  p1 ) / M  р /  .
При V = 1м3 − значение W=WудМ численно равно перепаду давления р  р 2  р1 . Например, если р  250∙105 Па (начальное давление
p1 = 105 Па), то W = 25 106 Дж независимо от химического состава газа.
Максимальное значение Wуд при расширении сжатого газа до нулевого
давления при данной температуре (согласно уравнению МенделееваКлапейрона рV  M  R у ), составляет
Wу д  W / M  R у T /  ,
где   М / М  – молярная масса (кг/кмоль); Rу = 8,314 кДж (кмоль)
− универсальная газовая постоянная при Тк = 273К; р = 105Па; М  –
количество киломолей в газе массой М.
Из формулы видно, что наиболее эффективно применение в МН легких газов. Для самого легкого газа – водорода (  = 2 кг/кмоль) при Т =
300 К удельная энергия Wуд = 1250 кДж/кг (или 1250 Дж/г). В последнюю
формулу давление в явном виде не входит, так как Wуд определяется отношением избыточного давления газа к его плотности, которая при повышении давления и T = const возрастает по линейному закону (в изотермическом процессе pV = const). Следует заметить, что целесообразные
для эффективного применения рассматриваемых МН высокие давления
обусловливают, по соображениям прочности, существенную массу газовых баллонов, с учетом которой значение Wуд установки в целом может
снижаться почти на порядок.
3.3. Динамические (инерционные) механические накопители
Кинетическую энергию в принципе можно запасать при любом движении массы. Для равномерного поступательного движения тела массой
М со скоростью v кинетическая энергия W = Mv2/2 . Удельная энергия
Wyд = W/M = v2/2 зависит (квадратично) только от линейной скорости
тела. Тело, движущееся с первой космической скоростью v = 8 км/с, имеет удельную энергию Wуд = 32 МДж/кг.
Для разнообразных энергетических и транспортных применений рациональны МН вращательного движения — инерционные МН (маховики). Запасенная кинетическая энергия W  J2 / 2 определяется квадратом угловой скорости   2n (n − частота вращения) и моментом инерции J маховика относительно оси вращения. Если дисковый маховик
22
имеет радиус r и массу M  V (V − объем,  − плотность материала), то
J  Mr 2 / 2  Vr 2 / 2 и W  2 Mr 2 n 2  n 2 Vr 2 n 2 .
Соответствующая удельная энергия (на единицу М или V) составляет Wу д  W / M  r 2 n 2 , Дж/кг и W0 уд  W / V   2 r 2 n 2 , Дж/м3. Значения
 и n при заданном размере r ограничиваются линейной окружной скоростью v  r  2nr , связанной с допустимым разрывающим напряжением материала  p . Известно, что напряжение  в дисковом или цилиндрическом роторе МН зависит от v2 . В зависимости от геометрической
формы металлических маховиков для них характерны допустимые предельные скорости на периферии приблизительно от 200 до 500 м/с.
Накопленная энергия, в частности для тонкого ободкового маховика, W = Mv2/2 (М − масса вращающегося кольца). Удельная энергия:
Wуд = W/M = v2/2 не зависит от размеров кольца и определяется соотношением параметров  р /  его материала. Следует отметить, что аналогичная закономерность для Wуд~  р /  имеет место также в индуктивных
накопителях энергии, хотя они существенно отличаются от МН по физической природе. В общем случае при изготовлении накопительных элементов МН необходимо применять материалы с повышенными значениями  р /  10 Дж/кг. Наиболее подходящими материалами являются высокопрочные легированные стали, титановые сплавы, а также легкие
алюминиевые сплавы (типа «дюраль») и магниевые сплавы (типа «электрон»). Применяя металлические материалы, можно получить удельную
энергию МН до Wуд = 200…300 кДж/кг.
Предназначенные для создания маховиков с особо большими удельными энергиями (супермаховиков) тонковолокнистые материалы теоретически могут обеспечить следующие уровни показателя Wуд: стеклянные нити − 650 кДж/кг, кварцевые нити − 5000 кДж/кг, углеродные волокна (со структурой алмаза) − 15000 кДж/кг. Нити (или выполненные из
них ленты) и клеющие смолы образуют композитную конструкцию,
прочность которой ниже, чем у исходных волокон. С учетом элементов
крепления в реальных супермаховиках практически достигаются значения Wуд, меньше указанных, но все же относительно более высокие, чем
в других разновидностях МН. Супермаховики допускают окружные скорости до v = 1000 м/с. Техническая реализация таких устройств требует
обеспечения специальных условий. Например, необходима установка
маховика в вакуумированном кожухе, так как указанные значения v соответствуют сверхзвуковым скоростям в воздухе (число Маха Ма > 1), которые в общем случае могут вызывать целый ряд недопустимых эффек23
тов: появление скачков уплотнения воздуха и ударных волн, резкое повышение аэродинамического сопротивления и температуры.
Многослойные волокнистые супермаховики обладают достаточно высокой надежностью и безопаснее в эксплуатации, чем сплошные маховики.
При недопустимых нагрузках, обусловленных инерционными силами, разрушаются только наиболее напряженные наружные слои волоконной композитной конструкции супермаховика, тогда как разрушение массивного
маховика сопровождается разлетом его разорвавшихся частей.
Для инерционных МН характерны кратковременные разрядные режимы. Отбор энергии от МН сопровождается уменьшением угловой скорости маховика до допустимого уровня. В отдельных случаях торможение может происходить вплоть до полной остановки маховика. Возможны «ударные» разряды, отличающиеся одноразовым или циклическим
отбором запасенной энергии, причем вследствие большого кинетического момента и малого времени разряда МН снижение угловой скорости
его ротора относительно невелико, хотя отдаваемая мощность может достигать достаточно высоких значений. В таком режиме МН особые требования предъявляются к обеспечению прочности вала. Под воздействием крутящего момента в вале возникают опасные касательные напряжения, часть кинетической энергии ротора переходит в потенциальную
энергию упругих деформаций кручения вала. Для преодоления указанных затруднений в отдельных конструкциях МН предусматриваются
упругие или фрикционные муфты.
По уровню удельной накопленной энергии, приходящейся на единицу массы или объема аккумулирующего элемента, динамические инерционные МН существенно превосходят некоторые другие разновидности
НЭ (например, индуктивные и емкостные накопители). Поэтому МН
представляют большой практический интерес для многообразных применений в различных отраслях техники и научных исследований.
Комбинированные МН могут при заряде запасать одновременно кинетическую и потенциальную энергию. Примерами таких накопителей
могут служить: масса на жесткой струне, вращающаяся вокруг центра и
отклоненная от вертикали на угол и упругий обод, который при разгоне с
ускорением наряду с кинетической энергией может запасти и потенциальную энергию, обусловленную деформацией маховика в тангенциальном направлении.
4. АККУМУЛЯТОРЫ ХИМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
К категории аккумуляторов химической энергии следует отнести такие, которые позволяют запасать и отдавать энергию в результате хими24
ческих реакций. При этом запасенная энергия может выделяться в виде
теплоты, электроэнергии, света и механической энергии. Чаще всего основной реакцией, выделяющей энергию, является реакция окисления.
Аккумуляторы могут содержать в своем составе как окисляемое вещество, так и окислитель. В некоторых случаях в качестве окислителя используется кислород воздуха.
Все природные органические топлива (уголь, нефть, природный газ
и т. п.) по существу являются аккумуляторами химической энергии. Они
используются, как правило, с воздушным окислителем, и поэтому их
удельные характеристики оцениваются в расчете только на само горючее.
При этом удельная энергия лучших природных топлив может достигать
45000 КДж/кг. Природные топлива как аккумуляторы энергии обладают
большим числом положительных свойств, к которым относятся: возможность длительного, практически неограниченного хранения; высокие
скорости энерговыделения после начального инициирования; высокие
удельная и объемная энергии; относительно малая токсичность продуктов сгорания и многие другие свойства.
Наряду с природными органическими топливами в ряде случаев уже
теперь, а впоследствии во все возрастающем количестве, люди будут использовать в качестве аккумуляторов энергии искусственные топлива как
органические так и неорганические.
Основные реакции, освобождающие энергию, запасенную в энергоносителе-аккумуляторе: сжигание в воздухе или кислороде, или реакция
с водой с образованием теплоты и водорода, который оказывается вторичным энергоносителем и далее либо сжигается, либо используется в
топливном элементе. В ряду возможных энергоносителей водороду сейчас уделяется очень большое внимание. Интерес к водороду объясняется следующими обстоятельствами. Во-первых, потенциальные запасы
водорода практически не ограничены. Производство водорода постоянно
возрастает и в 2000 г. потребности мировой промышленности в водороде
достигли 260 млн. т.
Во-вторых, водород является универсальным видом энергоресурса,
так как может не только эффективно использоваться в качестве топлива
для производства электричества в тепловых циклах различных типов, но
и транспортироваться в газообразном или жидком виде – в последнем
случае после сжижения – в места, где требуется энергия не в форме электричества: для отопления, использования на транспорте, в различных
технологических процессах.
В-третьих, водород позволяет путем его накопления и хранения в
газообразном или жидком виде осуществлять аккумулирование энергии.
Это качество водорода чрезвычайно важно по сравнению с электроэнер25
гией, которая после ее получения должна быть немедленно передана потребителю для использования.
В-четвертых – водород является энергоресурсом будущего из-за
благоприятных экологических характеристик при его использовании в
качестве топлива.
Почти весь водород в настоящее время используется в промышленных целях (половина всего получаемого водорода идет на производство
аммиака).
Но несомненно, что перспективно использовать водород в качестве
источника энергии.
Можно разложить воду на кислород и водород и далее водород как
носитель энергии транспортировать к месту потребления. Здесь возникают трудности, связанные с главным недостатком водорода – большим
объемом. Однако достоинства этого вида топлива оправдывают дополнительные затраты на его транспорт.
Во-первых, водород обладает исключительно высокой теплотворной способностью: при сгорании он дает 28–30 тыс. ккал. Для сравнения: бензин дает только 10–11 тыс. ккал., хороший уголь – 8 тыс. ккал.,
дрова – 2,5 тыс. ккал. (все на 1 кг).
Во-вторых, водород как топливо позволяет снять конфликт энергии и
биосферы, так как в цикле «получение-сгорание» он почти не дает вредных
для окружающей среды соединений. Напротив, при получении его в атмосферу выделяется кислород, а при его сгорании получается вода.
Обстоятельство это существенно, поскольку, по имеющимся подсчетам, расход кислорода быстро растет.
Так в 1860 г. на сожжение всех видов топлива понадобилось 1,3 млрд. т.
кислорода, в 2000 г. энергетика съела около 60 млрд. т. кислорода атмосферы.
Футурологи считают, что топливный голод никогда не наступит, ибо
раньше, чем человечество сожжет последний килограмм топлива, оно
израсходует последний килограмм кислорода. В этом смысле единственным спасением представляется «водородная энергетика», выделяющая в
атмосферу кислород и ради создания такой энергетики стоит работать
над разрешением трудностей, связанных с транспортировкой водорода.
В настоящее время водород получают главным образом химическим
путем из нефти и природного газа – углеводородного сырья. В небольшом количестве водород получают из воды (расщеплением ее на Н 2 и О)
методом электролиза.
Последний путь более выгодный (запасы воды на планете практически неистощимы), а дефицит углеводородного сырья возрастает. Интересен такой путь, предложенный американскими специалистами. В США
появилась в последнее время тенденция строить АЭС в море, недалеко
26
от берега. Предлагается использовать энергию АЭС для разложения воды
и получения водорода, который далее транспортируется на материк по
трубам. Таким водородом, газом высокой калорийности, может снабжаться и промышленность и население.
Кстати в ФРГ уже в 1986 г. для бытовых целей использовался газ,
содержащий до 80 % водорода.
Станции, работающие на водороде, могли бы работать и как часть
атомных станций. Ведь на АЭС есть в избытке все, что нужно для его
производства: вода, тепло, электроэнергия. Полученный водород тут же
мог бы сжигаться и АЭС давала бы больше энергии.
Разрабатываются и другие способы получения водорода. Один из
них основан на использовании солнечной энергии. Сущность метода,
реализованного в Японии – проект завода по производству водорода и
кислорода из морской воды. Солнечная энергия с помощью тепловых
нагревательных коллекторов подводится к морской воде и преобразует ее
в пар, который поступает в генераторы-электролизеры. В процессе электролитического разложения паров воды получают Н2 и О, которые после
сжижения идут на берег. По сравнению с обычной схемой электролиза
здесь экономится энергия, так как предварительный процесс подогрева
воды и парообразования идет за счет солнечной энергии.
Есть предложения использовать водород и на движущихся энергетических установках, например, самолетах. Ожидается, что расход горючего
снизится в 2–2,5 раза. Ведет испытания фирма «Локхид». Самолет на водородном топливе не разрушает озон атмосферы. При массовом производстве водород – это абсолютно чистое топливо, будет дешевле бензина.
Трудности использования водорода на самолете: пришлось бы применить специальную изоляцию топливных баков и увеличить их объем.
На современном этапе (уровне технологического развития) доставка
потребителю равного количества энергии водородом примерно в 3 раза
дороже, чем электроэнергией.
На сегодня, видимо, рационально перерабатывать водород в электроэнергию на месте его получения и далее транспортировать уже электроэнергию. Из-за большого объема водород невыгодно перевозить на
движущемся транспорте – это привело бы к высоким затратам. Остается
еще один путь – перекачка его по трубам. Так как водород весьма энергоемок, то по трубопроводу диаметром 900 мм можно передавать свыше
9,5 млрд. ккал/ч, что соответствует мощности двух Красноярских ГЭС.
Наряду с водородом в качестве энергоносителей – аккумуляторов сегодня рассматриваются аммиак и метанол (метиловый спирт) и некоторые другие органические вещества. Эти вещества могут быть синтезированы с помощью водорода и имеют перед ним то преимущество, что при
27
обычных условиях или близких к ним представляют жидкости. Однако
их удельные показатели существенно ниже, чем у водорода: у аммиака
около 16700 кДж/кг, а у метанола около 20000 кДж/кг. Кроме того, при
их сжигании наряду с водяными парами образуются окислы азота и углерода, загрязняющие атмосферу.
В ряду возможных энергоносителей стоят металлы, которые хотя
достаточно распространены в природе, но однако в силу их высокой химической активности, за редким исключением (золото, платина), не
встречаются в чистом виде, а чаще всего в виде соединений – окислов,
солей и т. п.
Все эти соединения достаточно прочные и для их разрушения – для
получения металлов в чистом виде – необходимо затрачивать довольно
много энергии. Но после того, как чистый металл получен, его можно
рассматривать как энергоноситель, ибо при его реакции с кислородом,
водой или еще каким-нибудь веществом можно получить энергию в виде
теплоты или в виде водорода. В ряду таких металлических энергоносителей особенно интересны магний, кальций, алюминий и кремний. Вопрос
об их использовании представляет интерес для поисковых работ.
5. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ НАКОПИТЕЛИ ЭНЕРГИИ
5. 1. Аккумуляторные батареи
Элементом АБ или аккумулятором называют химический источник
тока, состоящий из одного гальванического элемента, или накопитель
электрической энергии, в котором происходит ее преобразование в химическую энергию и осуществляется также обратное преобразование химической энергии в электрическую при изменении состава вещества электродов и расходе электролита в процессе токообразующей реакции.
Электрохимические АБ – один из самых распространенных типов
накопителей.
Электрохимическая аккумуляторная батарея (ЭАБ) состоит из многих элементов, соединенных последовательно и параллельно. Заряд ее
происходит во внепиковые часы, а разряд – в часы пиков нагрузки. В
процессе заряда электроэнергия электрохимическим путем преобразуется
в химическую. При разряде накопленная энергия высвобождается в
процессе обратной реакции.
Наиболее распространенным типом аккумулятора в настоящее время
является свинцовый (кислотный) аккумулятор (изобретен в 1860 году
Планте). Анодом (источником электронов) является здесь пористый свинец Рb, а катодом (поглотителем электронов) – набор сеток, заполненных
перекисью свинца (РbО2). Электролитом служит слабо концентрирован28
ная серная кислота Н2SO4 . Стехиометрическое уравнение результирующей реакции в этой АБ имеет вид:
Рb + РbО2 + 2Н2SO4
РbSO4 + 2Н2О,
причем при заряде реакция идет справа налево, а при разряде – слева
направо.
Свинцовые аккумуляторы тяжелы и громоздки, имеют низкую мощность на единицу массы. Удельный энергозапас (при малых токах) свинцового аккумулятора составляет 33 Вт∙.ч/кт.
Электрохимические аккумуляторные батареи имеют КПД, достигающий 65–70 %. Ожидается, что перспективные аккумуляторы будут
иметь срок службы около 20 лет при удельных капиталовложениях в
установку порядка 150 долл/кВт и удельной энергоемкости 25 кВт∙.ч/м3 .
Недостатки ЭАБ – ограниченное число зарядно-разрядных циклов
(не более 500), малое время хранения энергии и отрицательное экологическое воздействие.
Несмотря на малую емкость, высокие удельные капиталовложения
на 1 кВт∙ч, низкий КПД, аккумуляторные батареи можно применять и в
ЭЭС. В последние годы на аккумуляторных электростанциях (АКЭС)
предполагается использовать новые разрабатываемые типы аккумуляторов, такие как натрий-серные, цинкохлористые и литий-серные с большей удельной емкостью и более длительным сроком службы. АКЭС присоединяется к сети переменного тока через преобразовательную подстанцию и имеют следующие преимущества для энергосистем: меньшие затраты на передачу эл. энергии, поскольку децентрализованное размещение АКЭС позволяет несколько сократить объем сетевого строительства,
снизить потери при передаче энергии от АКЭС до потребителей; практически мгновенный ввод в работу; высокие надежность и готовность; возможность регулирования реактивной мощности и напряжения в системе;
меньшие токи короткого замыкания.
5.2. Топливные элементы
Первое упоминание о топливном элементе относится к началу XIX
века (в 1801 г. Дэви предложил углеродно-кислородный элемент), т. е. к
периоду завершения создания основ теории гальванического элемента.
В топливном элементе используется гальванический принцип для
электрохимического сжигания топлива. В нем реакции идут по схеме
топливо–электролит–окислитель. Под топливом будем понимать совокупность горючего и окислителя.
29
Топливный элемент (ТЭ) – обычный электрохимический элемент,
отличающийся тем, что активные вещества к нему подаются извне, а
электроды в электрохимических превращениях не участвуют.
Устройство и принцип действия ТЭ рассмотрим на примере кислородно-водородного топливного элемента. КПД такого топливного элемента 0,56.
Водород и кислород пропускаются раздельно через два пористых
угольных электрода, опущенных в электролит (едкий калий КОН). На водородном электроде (аноде) происходит разложение молекул водорода на
атомы, которые, теряя свои электроны, превращаются в положительные
ионы. Ионы стремятся перейти в электролит, создавая, таким образом, отрицательный заряд на электроде. Электроны же по внешнему проводнику,
замыкающему цепь, переходят в кислородный электрод и присоединяются
к атомам кислорода, образуя с ними отрицательные ионы. Эти ионы в составе радикалов ОН проходят через ионно-проводящую мембрану и электролит к аноду, где происходит их соединение с ионами водорода с образованием воды. Таким образом, при подводе водорода и кислорода будет
происходить реакция окисления горючего (но не атомами кислорода, а
ионами) с одновременным образованием тока во внешней цепи.
Первый водородно-кислородный элемент был создан английским
электрохимиком Уильямом Робертом Гровом в 1839 году.
В угольно-кислородном ТЭ с едким натром в качестве электролита и
нерастворяющимся пористым телом в качестве твердой основы кислородного электрода уголь будет отрицательным электродом, углерод которого переходит в раствор с промежуточным образованием четырехзарядных катионов
С  4е  С 4  ,
образуя затем углекислые соли
С 4  6ОН   2 Na   OС32  2 Na   3H 2O .
На положительном (кислородном) электроде будет поглощаться кислород
2 H 2O  O2  4e  4OH  .
Тогда суммарное уравнение процесса будет иметь такой вид:
C  O2  2 NaOH  Na 2CO3  H 2O .
Уравнение для процесса в элементе с окисью углерода
2CО  O2  4 NaOH  2 Na 2CO3  H 2O
Если щелочный электролит в первых двух процессах заменить кислотным, то соответствующие реакции выразятся так:
С  О2  СО2 ,
2С  О2  2СО2
30
и образующая углекислота будет выделяться на отрицательном электроде в газообразном виде.
Достоинства ТЭ: 1) "холодное" горение, наблюдаемое в топливном
элементе, выгодно отличается от обычного: оно лишено ограничений,
установленных Карно, здесь КПД может быть близким к 100 %. Реально
можно обеспечить КПД 60 % и выше (экономия горючего), а имеем 40 %;
2) бесшумность работы, отсутствие подвижных частей; 3) отсутствие
выделения тепла с выхлопными газами (в атмосферу выбрасывается
только углекислый газ и вода); 4) способность работать при комнатных
температурах.
Недостатки: ограниченность срока службы элементов, относительно
высокая стоимость основного горючего топливных элементов (газообразного), высокая стоимость получаемой электроэнергии (2000 долл / кВт).
На подобных принципах функционирует вся живая природа. Биохимики установили: биологический водородно-кислородный топливный
элемент как бы вмонтирован в каждую живую клетку. Полученная электрическая энергия преобразуется в механическую энергию в мышцах,
жгутиках бактерий. Окислитель для биологических топливных элементов
(кислород) подается вместе с воздухом при дыхании через трахеи и легкие, всасывается в кровь, соединяется с гемоглобином и так разносится
по всем тканям. Источником водорода служит пища – жиры, углеводы,
белки. В желудке, кишечнике, клетках она в конечном итоге дробится до
жирных кислот, которые распадаются в клетке до воды, углекислого газа
и атомарного водорода.
Первое практическое применение топливные элементы нашли не на
Земле, а в космосе. Кислородно-водородные ТЭ работали в качестве
энергоустановки на американских космических кораблях серии "Джемини". Для двухнедельного функционирования этих космических аппаратов
требовалось 200 кВТ∙ч электроэнергии. Расчеты показали, что для обеспечения этой энергии самая совершенная батарея серебряно-цинковых
аккумуляторов должна была весить 1,5 тонны, батарея солнечных элементов – 335 кг, а энергоустановка из водородно-кислородных топливных элементов имела расчетный вес 225 кг. В отличие от солнечных батарей они вырабатывали электроэнергию в любое время суток, независимо от освещенности.
Топливные элементы не только снабжают космические экипажи
электроэнергией, но и буквально поят их, обеспечивают их водой. При
выработке каждого киловатт-часа электроэнергии в качестве побочного
продукта выделяется около литра чистейшей, годной для питья воды.
Участники экспедиции на Луну пили воду, которая синтезировалась в
топливных элементах корабля "Аполлон".
31
Что же мешает распространению топливных элементов на Земле?
Основными преградами являются дороговизна платины, требуемая чистота водорода и кислорода.
Толщина отдельного топливного элемента – миллиметры, снимаемая
мощность – сотни ватт. Батарея высотой в несколько метров, собранная из
многих сотен однотипных, правильно чередующихся топливных элементов,
способна дать сотни киловатт-час энергии. Прорабатываются варианты
электрохимических электростанций (ЭЭС), которые будут состоять из сотен
таких слоеных электрохимических колонн. Наряду с достоинствами этого
типа преобразователей, о которых говорилось выше, электростанция на топливных элементах будет занимать гораздо меньше места, нежели традиционные ТЭЦ. Предварительные оценки показывают, что электростанция
мощностью 20 МВт будет занимать участок размером лишь 375 кв. м, что
является немаловажным для городов и мегаполисов.
В мае 1980 г. в густонаселенном районе Нью-Йорка (Нижний Манхэттен) было проведено испытание экспериментальной ЭЭС на топливных элементах мощностью 4,8 МВт. Электростанция давала ток в городскую сеть. Пока это только дорогостоящий эксперимент.
В 1980 году успешно прошли дорожные испытания электромобили
на топливных элементах. Баки с горючим в них заменяет газовый баллон
с водородом, окислителем является обычный атмосферный воздух, очищенный особым способом.
В США создан образец электротрактора с двигателем мощностью 22 л. с.,
питаемым от топливных элементов.
В отечественном космическом летательном аппарате многоразового использования «Буран» были применены водородно-кислородные электрохимические генераторы (ЭХГ) мощностью 40 кВт, причем в первом автоматически управляемом полете потребляемая мощность составила 17 кВт.
Топливные элементы можно отнести к химическим накопителям
энергии. Аккумулирование энергии осуществляется за счет использования внепиковой энергии для производства синтетического топлива
(например, водорода путем электролиза), накопления этого топлива и
последующего его применения в периоды пика нагрузки для выработки
электроэнергии в ТЭ, газовых турбинах или котлах.
Водород можно хранить в баках при высоких давлениях и криогенных температурах в виде жидкости или гидрида металла, например MgH2
или FeTiH2. Эти гидриды при слегка повышенных давлениях абсорбируют большие количества водорода, приближаясь к плотностям жидкого
водорода. В период пиков путем понижения давления и повышения температуры гидридов металла высвобождается водород и используется в
ТЭ. Преобразователь переменного тока в постоянный, ранее использо32
вавшийся как выпрямитель для электролиза, теперь работает как инвертор и передает накопленную энергию в сеть. Уже созданы небольшие
промышленные установки для электролиза, а в течение 5−10 лет будут
разработаны установки с КПД, равным 80−85 %. Удельная стоимость
аккумулирования водорода для крупной установки электролиза оценивается в 65 долл/кВт. Дальнейшее увеличение эффективности требует создания усовершенствованных материалов, способных выдерживать высокие рабочие температуры в течение длительного времени.
6. НАКОПИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Представляет интерес хранение энергии в таком виде, чтобы ее не
нужно было многократно преобразовывать. Это возможно осуществить с
помощью накопителей электрической энергии (НЭЭ), к которым относятся емкостные накопители (ЕН), индуктивные накопители (ИН), в том
числе сверхпроводниковые накопители (СПИН), топливные элементы,
электрохимические аккумуляторные батареи.
При работе НЭЭ параллельно с ЭЭС, они присоединяются к ней посредством управляемого вентильного преобразователя, так как накопление электрической энергии возможно только при постоянном токе.
6.1. Емкостные накопители
Первый емкостной накопитель в виде т. н. лейденской банки был
изобретен голландским ученым Клейстом в 1745 г. Американский ученый Б. Франклин придал конденсатору современный вид и ввел понятие
«емкость конденсатора».
Принципиальная схема ЕН, работающего на автономную нагрузку,
приведена на рис. 3. Две металлические пластины (обкладки) 1 разделены
слоем изолятора 2. Конденсатор заряжается от источника электроэнергии
3, когда переключатель 4 стоит в положении а. После включения переключателя процесс зарядки происходит до тех пор, пока разность потенциалов между обкладками конденсатора не станет равной напряжению
источника питания.
Обычно процесс зарядки происходит весьма быстро и длится до нескольких секунд. В положении переключателя 0 (нейтральное положение) конденсатор способен в течение некоторого времени хранить энергию. При повороте переключателя 4 в положение б конденсатор замыкается на нагрузку 5 и отдает ей запасенную энергию непосредственно в
виде электроэнергии.
33
Рис. 3. Схема простейшего конденсатора.
Энергия в конденсаторе хранится в виде энергии электрического поля
в изоляторе конденсатора. Если конденсатор емкостью С [Ф], заряжен до
напряжения U [В], то запасенная в нем энергия Е [Дж] составляет
СU 2
Е
.
2
Емкость простейшего плоского конденсатора, изображенного на рис. 3,
легко вычисляется на основании его геометрических размеров и физических
свойств изоляции
S
C   о ,

где εо = 8,85 . 10-2 Ф/м – электрическая постоянная;
ε – относительная диэлектрическая проницаемость изолятора или
диэлектрическая постоянная; S – площадь обкладки конденсатора, м 2;
δ – толщина изолятора, м.
Из последней формулы следует, что энергия Е и в еще большей степени
удельная энергия конденсатора (см. ниже) зависят от δ. Чем меньше толщина
δ, тем эти показатели выше. Однако уменьшать δ можно лишь до определенной величины δmin, дальнейшее уменьшение вызовет электрический пробой
изолятора и конденсатор выйдет из строя. Пробивная напряженность Епр.
представляет важнейшую характеристику материала конденсатора.
Для работы конденсатора необходимо, чтобы напряженность электрического поля в конденсаторе U/δ была бы в крайнем случае равна
пробивной напряженности Епр. В действительности приходится вводить
коэффициент запаса меньший единицы.
Удельную энергию конденсатора определим, деля полную его энергию
на массу, в качестве которой можно принять массу изолятора М  S,
34
(массой обкладок в первом приближении пренебрегаем). Тогда
2
е
Е  о  U  1

.
 
m
2  
Если принять в качестве верхней границы для U/δ Епр., то максимальное значение удельной энергии
е m ах 
 о 2
Е пр . .
2
Таким образом, удельная энергия конденсатора определяется величинами ε, ρ, Епр.. Для конденсатора с изолятором из гетинакса еmax = 7,5 Дж/кг,
для полиэтилена еmах = 408 Дж/кг.
Для обычных конденсаторов удельные энергии сравнительно невелики. Кроме того у них невелика и длительность хранения энергии, из-за
токов утечек. Поэтому такие конденсаторы могут рассматриваться как
аккумуляторы энергии только в специальных случаях.
6.2. Электрохимические конденсаторы
В последние годы в России и за рубежом были достигнуты значительные успехи в увеличении удельной энергоемкости конденсаторных
накопителей. В Японии в 1976 г. был создан конденсатор из активированного угля. Активированный уголь имеет огромную поверхность в
единице объема, что и важно для конденсатора. Электролитом здесь служит раствор соли щелочных металлов в органическом растворителе. Такой конденсатор имел емкость около 10 Ф на 1 см 3 , что почти в 100 миллионов раз превышает емкость обычных конденсаторов. Каждый кубический сантиметр такого конденсатора может накопить 1,22 Дж энергии
(примерно 1 кДж/кг). Такие показатели на один–два порядка выше, чем у
обычных конденсаторов. В настоящее время ведутся интенсивные разработки в этом направлении.
Электрохимические конденсаторы относятся к устройствам, заряд
которых происходит благодаря накоплению электрической энергии в
двойном электрическом слое (ДЭС) на границе электронного проводника
и электролита. Двойной электрический слой создается поверхностью заряженного проводника и слоем прилежащих к нему ионов электролита.
Двойной электрический слой можно рассматривать как конденсатор с
двумя обкладками, емкость которого пропорциональна площади обкладок и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Принимая во
внимание, что расстояние между обкладками очень мало и измеряется
ангстремами, а величина поверхности проводника, например, активиро35
ванного угля, достигает 1500–2000 м2/г, емкость образованного таким
образом двойного слоя очень велика и энергия, запасаемая такими конденсаторами, может достигать 50–60 Дж/г.
Первое упоминание о строении двойного слоя и возможности использования запасаемой в нем энергии принадлежит Гельмгольцу и относится к середине XIX в. Практическое использование энергии двойного
электрического слоя в электрических конденсаторах началось лишь во
второй половине XX в. с появлением, с одной стороны, материалов, позволяющих создавать такие конденсаторы, с другой стороны – возникшей
потребности в мощных, быстро заряжаемых источниках тока с большим
ресурсом для решения множества технических задач.
В последние десятилетия интерес к электрохимическим конденсаторам, как к источникам тока, резко возрос. Появляется множество публикаций о разработках электрохимических конденсаторов и материалов для
их изготовления. Однако до сих пор нет определенного термина для их
обозначения, не до конца выработаны критерии для сравнения такого
рода конденсаторов между собой. Наиболее часто встречающимися обозначениями для данной группы устройств являются "электрохимические
конденсаторы", "ультраконденсаторы", "суперконденсаторы", "сверхъемкие конденсаторы", "двойнослойные конденсаторы".
Принципиально традиционный электрохимический конденсатор
представляет собой систему, состоящую из двух химически инертных
электродов, помещенных в электролит (рис. 4). Двойной электрический
слой на поверхности каждого электрода представляет собой отдельный
конденсатор. Между собой они соединены последовательно через электролит, являющийся проводником с ионной проводимостью.
Рис. 4. Принципиальная схема электрохимического конденсатора.
36
Таким образом, упрощенная электрическая схема такого конденсатора представляет собой последовательное соединение емкости С1 двойного электрического слоя положительного электрода и емкости С 2 двойного электрического слоя отрицательного электрода. С учетом этого емкость электрохимического конденсатора определяется по формуле
С = С1·С2/С1 + С2.
Типичной, наиболее часто применяющейся конструкцией электрохимических конденсаторов является так называемая "симметричная"
конструкция, в которой положительный и отрицательный электроды выполнены из одинакового материала, в большинстве случаев – активированного углерода и имеют одинаковую емкость, т. е. С1 = С2.
Тогда емкость всего конденсатора будет равна С = С1/2 = С2/2.
Таким образом, при равных емкостях положительного и отрицательного электродов емкость симметричного конденсатора равна половине
емкости одного электрода.
Компанией ЭСМА разработана и запатентована передовая технология электрохимических конденсаторов так называемой "асимметричной"
конструкции. В данной конструкции отрицательный электрод выполнен
из активированного углеродного материала (поляризуемый электрод), а
положительный электрод является неполяризуемым (фарадеевским)
электродом. Положительный электрод изготовлен из гидрооксида никеля, в качестве электролита используется водный раствор щелочи, применяемый в щелочных аккумуляторах.
Особенностью электрохимических конденсаторов ЭСМА является т. н.
"асимметричная" конструкция. В данной конструкции отрицательный
электрод выполнен из активированного углеродного материала, а положительный электрод содержит гидроксид никеля в качестве основного
компонента активного материала.
С1  C2
C
C1  C2
C C
 1 2  C2 ,
C1  C2
C1
т. е. увеличивается почти в два раза по сравнению с конденсатором
симметричной конструкции.
По ряду причин, при использовании обоих электродов из активированного углерода в водных электролитах сложно обеспечить рабочее
напряжение свыше 0,9 В. Конденсатор ЭСМА можно заряжать до напряжения 1,5–1,7 В, что приводит к значительному выигрышу в удельной
энергии. Все это позволило значительно повысить емкость и накапливаемую энергию электрохимического конденсатора и, как результат, в 4–5
37
раз увеличить его удельные энергетические характеристики в сравнении
с традиционной симметричной системой с водным электролитом.
Важным преимуществом конденсаторов ЭСМА по сравнению с традиционными симметричными электрохимическими конденсаторами является низкий саморазряд. Конденсаторы ЭСМА сохраняют свой заряд в течение месяцев, что является практически важным в ряде областей применения.
При производстве электрохимических конденсаторов используют
водные и органические электролиты. Водные электролиты дешевле, просты в обращении, не загрязняют окружающую среду. Органические электролиты позволяют увеличить рабочее напряжение конденсатора и, соответственно, удельную запасаемую энергию, однако являются дорогими,
имеют сложный процесс производства (не допускают попадания в электролит паров воды), часто небезопасны в экологическом отношении.
В конденсаторах ЭСМА в качестве электролита используется водный раствор щелочи, применяемый в щелочных аккумуляторах и имеющий низкую цену.
Необходимые характеристики в конденсаторах ЭСМА достигаются
путем сочетания различных по параметрам положительных и отрицательных электродов.
Новая конструкция позволила создать суперконденсаторы с высокой
удельной емкостью и энергией, низким внутренним сопротивлением,
слабо зависящим от температуры.
Конденсаторы ЭСМА имеют большой срок службы, низкий саморазряд, в процессе эксплуатации и хранения не требуют обслуживания
(или требуют крайне редкого обслуживания – для «тяговых» версий конденсаторов), имеют широкий интервал рабочих температур, сохраняют
работоспособность при крайне низких (–50 °С) температурах.
Существенным отличием конденсаторов ЭСМА от всех других суперконденсаторов является способность выдерживать без разрушения и
выхода из строя повышенное напряжение.
В отличие от аккумуляторов, асимметричные суперконденсаторы
ЭСМА не содержат свинца, мышьяка, ртути, кадмия или иных высокотоксичных материалов.
ЭСМА разработаны и выпускаются два основных класса электрохимических конденсаторов: с высокой удельной мощностью и с высокой
удельной энергией. Конденсаторные элементы разделяются на следующие серии: 100, 200, 300, 400, 500, являющиеся базовыми для сборки различных типов конденсаторных модулей. Это позволяет комплектовать
конденсаторные модули в широком диапазоне значений по энергии и
мощности, что дает возможность реализовать требования к накопителю
энергии для широкого круга потребителей.
38
Существенным отличием асимметричных конденсаторов ЭСМА от
всех других электрохимических конденсаторов является способность
сравнительно длительное время выдерживать без выхода из строя напряжение выше рекомендуемого.
Конденсаторы ЭСМА при работе в рабочем диапазоне напряжений
являются герметичными, но в их конструкции предусмотрены предохранительные клапаны для сбрасывания избыточного давления, которое может возникнуть при нарушении условий эксплуатации модулей. Продукты разложения электролита не оказывают отрицательного действия на
работу конденсатора. Превышения рекомендуемых уровней номинальных напряжений не приводят к выходу из строя конденсаторов ЭСМА.
Конденсаторы ЭСМА имеют большой срок службы, в процессе эксплуатации и хранения не требуют обслуживания, работоспособны в широком интервале температур. Они имеют низкий саморазряд, что позволяет эффективно применять их в буферных системах.
Конденсаторы ЭСМА, в отличие от аккумуляторов, не содержат таких токсичных металлов, как свинец, кадмий, ртуть и др.
Обобщая изложенное, можно выделить основные достоинства электрохимических конденсаторов фирмы ЭСМА: высокая мощность, длительный срок службы, быстрый заряд, широкий диапазон рабочих температур, отсутствие необходимости в обслуживании (или крайне редкое
обслуживание для «тяговых» версий); крайне низкий уровень саморазряда, безопасность в эксплуатации, отсутствие материалов, опасных для
здоровья и окружающей среды.
Благодаря отмеченным достоинствам, конденсаторы фирмы ЭСМА
могут с успехом использоваться как в стационарных, так и в транспортных устройствах.
Современные электрохимические конденсаторы представляют перспективные источники энергии. Основными преимуществами их перед
традиционными аккумуляторными источниками являются: способность
отдавать большую мгновенную мощность благодаря малому внутреннему сопротивлению; быстрый разряд; более продолжительный срок службы (несколько сотен тысяч циклов, заряд-разряд; безуходность; отсутствие вредного влияния на окружающую среду.
6.3. Области применения электрохимических конденсаторов
В последние годы появилась реальная возможность создания емкостно-аккумулирующей электростанции на базе суперконденсаторов
повышенной энергоемкости. В свое время в СССР на базе конденсаторов
аномальной емкости был создан и прошел опытно-промышленную эксплуатацию ЕH, мощность которого в модели ЭЭС составляет 10 кВт.
39
Уровень запасаемой энергии определяется типом АЭ и достигает 30 кДж
и более.
Исходя из многолетней научно-технической и эксплуатационной практики, такими накопителями в настоящее время могут являться ЕН, основанные
на эффекте двойного электрического слоя и имеющие емкость в десятки и
сотни фарад при напряжении примерно 350 В в одном модуле и более.
Модульная конструкция позволяет говорить о создании достаточно мощной батареи из конденсаторов на высокое напряжение, выдерживающих токи
в несколько килоампер, энергоемкость батареи может быть доведена до 1011–
1012 Дж. Это дает возможность использовать такую батарею в качестве накопителя энергетического назначения. Время хранения энергии в таких НЭ более
сотен часов. ЕН энергоемкостью 1000 МДж при напряжении в десятки киловольт может иметь объем примерно 100–200 м3 при стоимости менее 106 долл.
США и высоком КПД. При постоянной времени саморазряда порядка 100 ч
суммарный КПД зарядно-разрядного цикла должен составлять 90 %. ЕН не
имеет отрицательного экологического воздействия, он может быть расположен практически в любом месте.
ЕН следует рассматривать как перспективные устройства, которые
позволят комплексно решать проблемы современных ЭЭС. Они могут
быть установлены практически в любой точке ЭЭС, а также для выравнивания графиков нагрузки и повышения ее устойчивости.
6. 3. 1. Использование электрохимических конденсаторов
в качестве резервного источника питания
В последнее время все большее внимание уделяется повышению надежности и качества энергоснабжения крупномасштабного автоматического промышленного оборудования и компьютерных сетей. Особо чувствительны к
нарушениям в энергоснабжении непрерывные технологические процессы,
используемые в производстве бумаги, текстиля, кабелей, стекловолокна, полупроводников, фармацевтических препаратов и т. п. В таких производствах
используются привода с регулируемой скоростью, которые чувствительны
даже к кратковременным нарушениям в электропитании. Такие нарушения
могут стать причиной полного отключения производственных линий и, как
следствие, приводить к значительным потерям изготавливаемой продукции.
Особой поддержки качества энергоснабжения требуют круглосуточно работающие компьютерные системы, обеспечивающие надежную работу систем связи, Интернета, финансово-кредитных учреждений и т. д.
По данным организаций, связанных с проблемой обеспечения качественной энергией, 95 % сбоев в энергоснабжении приходится на провалы в сети длительностью менее 5 сек. Такая статистика открывает дорогу
использованию именно суперконденсаторов для компенсации кратко40
временных (до 1 мин.) нарушений энергоснабжения, которые наилучшим
образом обеспечивают баланс между плотностями энергии и мощности и
позволяют свести к минимуму размеры систем резервного электропитания. Кроме того, конденсаторы превосходят по надежности все соперничающие с ними электронакапливающие устройства.
Компания ЭСМА разработала систему поддержки электропитания
RTS-100, которая демонстрирует возможность использования для таких
целей суперконденсаторов. Источником энергии для упомянутой системы являются асимметричные суперконденсаторы ЭСМА.
Основные характеристики RTS-100:
● Мощность 100 кВт в течение 10 сек.
● Выходная мощность, отдаваемая в нагрузку, не менее 100 кВт.
● Время работы на нагрузку 100 кВт, при полном заряде конденсаторов, не менее 10 сек.
● Диапазон регулируемого выходного напряжения DC/DC конвертера − 575–600 В.
● Точность стабилизации выходного напряжения, не хуже ±1,0 %.
● Пульсации выходного напряжения, не более 5 %.
● Время готовности RTS100 (полного заряда конденсаторов), не
более 150 сек.
● Средняя мощность, потребляемая от внешнего источника для заряда конденсаторов 10 кВт.
● Мощность, потребляемая в режиме ожидания, не более 300 Вт.
● Сопротивление изоляции силовых шин относительно корпуса
шкафа, не менее 1 МОм.
● Габариты, мм 640 × 835 × 1795.
● Масса, не более 500 кг.
● Отдаваемая энергия 1000 кДж.
● Внутреннее сопротивление 10 мОм.
Система бесперебойного питания RTS 100 является резервным источником энергии постоянного тока для подсоединения к шинам постоянного тока следующих систем: привод с регулируемой скоростью, UPS
в режиме on-line, интерактивный UPS, UPS, соединенный с электросетью.
RTS 100 может быть использована также для работы с другими потребителями, для которых ее технические характеристики являются приемлемыми. В состав системы входят: сборка конденсаторных модулей
(СМ-Set), состоящая из 9 конденсаторных модулей (СМ) типа 30ЕС402,
соединенных последовательно.
Конденсаторные модули содержат по 30 электрохимических конденсаторов типа ЕС402, соединенных последовательно. Все конденсаторные
модули взаимозаменяемы.
41
6. 3. 2. Применение электрохимических конденсаторов на транспорте
Гибридный транспорт. В настоящее время все основные мировые
производители автомобилей ведут разработку различных видов транспортных средств, оснащенных гибридной силовой установкой. Гибридный транспорт является одним из наиболее перспективных с точки зрения экономичности расхода топлива и снижения количества вредных
выбросов. Гибридная силовая установка сочетает двигатель внутреннего
сгорания (ДВС) с электрическим двигателем и емкостным накопителем
энергии. Например, в таких транспортных средствах, как автобус, полная
мощность двигателя используется только при разгоне. В случае использования гибридной установки двигатель может быть заменен на менее
мощный, а динамические и мощностные характеристики автобуса останутся прежними при существенно более низком уровне вредных выбросов. Высокая удельная энергия и мощность асимметричных электрохимических суперконденсаторов ЭСМА, а также их высокая скорость заряда/разряда позволили создать носитель энергии, способный не только
регулировать энергию торможения транспортного средства и отдавать
накопленную энергию для его разгона, но и совершать несколько километров пробега на одной электротяге с выключенным ДВС за счет энергии конденсатора.
Электрохимические конденсаторы могут быть эффективно использованы в гибридном транспорте как в сочетании с уже существующими
ДВС, так и с перспективными источниками энергии, например, топливными элементами.
Для гибридного транспорта разработаны конденсаторные модули
30ЭК 104Н, 30ЭК402Н, 30ЭК405Н, 30ЭК501Н с диапазоном рабочих
напряжений 45…12 В, максимальных мощностей 28…56 кВт, запасаемых энергий в диапазоне рабочих напряжений 100…370 кДж.
Электротранспорт. Высокие значения удельной энергии асимметричных суперконденсаторов ЭСМА так называемого «тягового» типа
позволили создать конденсаторные модули, используемые в качестве
единственного источника энергии для электробусов, электрогрузовиков,
заводского напольного электротранспорта и личного электротранспорта,
такого как электромобили, электрические велосипеды и скутеры.
Электротранспорт, использующий суперконденсаторы ЭСМА в качестве источника энергии, предназначен для работы на коротких или
фиксированных маршрутах. В сравнении с применением традиционных
аккумуляторных батарей, эффективность грузовых и пассажирских перевозок в этом случае повышается за счет использования небольшого по
весу и обладающего малым временем заряда (10 … 15 минут) суперконденсаторного накопителя энергии.
42
В связи с этим разработаны комплекты конденсаторных модулей
30ЭК 204Т и 30ЭК 353Т с диапазоном рабочих напряжений 48…24 В,
запасаемой энергией 2,3 МДж; отдаваемой энергией 2,0 МДж при разряде током 50 А при 25 оС. Эти модули используются в качестве тягового
источника энергии в электротележках, электропогрузчиках, малой уборочной технике вместо аккумуляторных батарей. Использование малогабаритного бортового зарядного устройства и короткое время заряда позволяют осуществлять круглосуточную эксплуатацию техники. При этом
для заряда не требуются специально обусловленные помещения и дорогостоящие зарядные станции.
Компания ЭСМА совместно с другими организациями разработала и
изготовила партию электрогрузовиков и электробусов оригинальной конструкции. Данные экологически чистые транспортные средства предназначены для выставочно-парковых зон и центральных частей города и
оснащены электрохимическими конденсаторами ЭСМА в качестве единственного источника энергии.
Комбинированные источники питания. Электрическая мощность,
потребляемая различными устройствами на борту современного автомобиля (электроподогрев сидений, стекол, зеркал, кондиционер, электростеклоподъемник, катализатор с электроподогревом, электропривод руля,
подвеска, аудиосистема и пр.), достигла нескольких тысяч ватт и продолжает стремительно увеличиваться. Обеспечение такой мощности в
существующей двенадцативольтовой электрической системе может приводить к увеличению силы тока до нескольких сотен ампер. Для снижения токовых нагрузок на электрическую систему автомобиля в автомобильной промышленности в ближайшие годы намечается переход на новую электрическую систему напряжения 42 В.
Одним из рассматриваемых вариантов является комбинированный
источник энергии, состоящий из суперконденсатора и традиционной аккумуляторной батареи. При этом, батарея обеспечит питание низкотоковых длительных импульсов (аудиосистема стандартной мощности, освещение во время отключенного двигателя и т. д.), а суперконденсатор будет играть роль «буферного» источника энергии, обеспечит выдачу и
прием мощных кратковременных импульсов для пуска двигателя, разгона
автомобиля и рекуперации энергии торможения. Такое применение
накладывает жесткие требования на «буферный» накопитель энергии по
уровню максимальной мощности, количеству циклов заряд-разряд, диапазону рабочих температур и надежности. Асимметричные суперконденсаторы ЭСМА соответствуют таким требованиям. Фирмой ЭСМА разработаны конденсаторные модули для автомобилей с сорокадвухвольтовой
43
электрической системой: 30ЭК104Н, 30ЭК402Н, 30ЭК405Н, 30ЭК501Н с
диапазоном рабочих напряжений 45 … 12 В, максимальными мощностями 28 … 56 кВт, запасаемой энергией 100 … 370 кДж.
Применение электрохимических конденсаторов для пуска двигателей внутреннего сгорания, турбин.
На базе электрохимических конденсаторов созданы переносные и стационарные устройства, которые обеспечивают запуск как дизельных, так и
бензиновых двигателей любой мощности (даже двигателей тепловозов и
речных судов) при максимально низких и температурах до – 50 °С. Они не
требуют дополнительного обслуживания (доливки дистиллированной воды
и проверки плотности электролита), полностью герметичны. Масса
устройств от 5 до 26 кг в зависимости от развиваемой мощности. Интервал
развиваемых мощностей от 9 до 35 кВт. Время заряда менее 15 мин, при
этом используется либо стандартное зарядное устройство, либо специальное, обеспечивающее большие токи, постоянный ток 100 ампер, напряжение до 16 вольт. С одного заряда можно осуществить до 12 запусков любых двигателей при температуре –30 … – 50 °С. Срок службы устройств
фактически не ограничен (от 600 тыс. циклов заряд/разряд). Переносные
устройства для запуска двигателей и стационарные модули, подключенные
параллельно аккумуляторной батарее, используются в течение нескольких
лет на грузовых автомобилях, флотах в США.
Другие области применения электрохимических конденсаторов
Источники питания для импульсных приводов – устройств возбуждения механических волн в наземной импульсной невзрывной сейсморазведке полезных ископаемых.
Источники питания для привода высоковольтных размыкателей. В
системах приводов высоковольтных размыкателей в настоящее время
применяются индуктивные накопители или пружинные механизмы. В
силу ряда причин они не обеспечивают требуемые надежность, долговечность и постоянную готовность к работе.
Перспективным размыкателем является электромагнитный привод с автономным источником питания. Долговечные и мощные конденсаторы
ЭСМА могут эффективно применяться в качестве такого источника энергии.
Системы питания приводов задвижек и аварийных клапанов трубопроводов, системы вентиляции и кондиционирования воздуха, комплекты
асимметричных суперконденсаторов, в отличие от аккумуляторов или
пневматических систем приводов, не требуют обслуживания, имеют длительный срок службы, обладают большей надежностью и безопасностью.
44
Таблица 1
Характеристики модулей для стартерного пуска ДВС
10ЭK402S
20ЭK402S (12В)
20ЭK402S (24В)
20ЭK501S (12В)
Диапазон рабочих
напряжений,
14,5–4
В
Максимальное напряжение,
В
Минимальное напряжение,
В
10ЭK501S
Характеристики
10ЭK104S
Стандартные модули
14,5–4
14,5–4
14,5–4
26–4
14,5–4
16
32
16
4
6(9)
3(5)
3(4)
2(3)
3(4)
Запасаемая энергия,
кДж
30
55
95
190
110
Максимальная мощность,
кВт
9
35
26
350 × 104 × 250
5,0
9,4
13,5
Рабочая
температура, °С
– 50 / + 50
Температура хранения, °С
– 60 / + 70
45
350 × 195 × 253
350 × 104 × 193
Масса, кг
350 × 195 × 253
Размеры Д × Ш × В, мм
265 × 63 × 163
17,5
26
350 × 195 × 194
Внутреннее
омическое сопротивление,
мОм + 25; – 30 °С
18
Окончание табл. 1
20ЭK501S (12В)
20ЭK402S (24В)
20ЭK402S (12В)
10ЭK402S
10ЭK501S
Характеристики
10ЭK104S
Стандартные модули
Ресурс, циклы
заряд/разряд
> 600000
Время
заряда
10–15 мин с помощью зарядного устройства соответствующими токами
Примеры транспортных
средств
Мощные грузовые автомобиЛюбые легковые автомобили,
ли, тягачи, тракторы и т. д.
небольшие грузовики типа
203K402S (12В) используется
«ГАЗЕЛЬ»
чаще в переносных пусковых
устройствах
Число запусков с одной
зарядки
Цена, руб
8–12 при – 30 °С
46000
46000
55000
6–10 при – 30 °С
106000
106000
88000
Источники энергии для физических установок, импульсно-периодических лазеров. Замена в таких устройствах традиционных конденсаторных накопителей на накопители на базе асимметричных суперконденсаторов ЭСМА приводит к значительному снижению габаритных размеров
и веса источника энергии.
Накопители энергии в солнечных, ветровых и других энергоустановках, использующих возобновляемые источники энергии. В состав энергоустановок, преобразующих энергию природных сил в электрическую,
обязательно должен входить накопитель энергии. Его назначение – воспринимать эту энергию, накапливать, а затем отдавать. Все эти процессы
должны протекать с минимальными потерями. Кроме того, такой накопитель должен быть необслуживаемым, иметь большой срок службы и работать в широком диапазоне температур, т. к. энергоустановки могут
устанавливаться в любой климатической зоне и в труднодоступных местах. Низкий ресурс, разбаланс, сильная зависимость характеристик от
температуры осложняют использование в качестве накопителей энергии
46
в таких системах свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Конденсаторные модули ЭСМА обладают требуемыми свойствами и могут быть
с успехом использованы в преобразующих энергоустановках.
Наряду со стандартными, в данных применениях могут быть использованы модули, оптимизированные для конкретных требований, или специально разработанные модули.
6. 3. 3. Оценка применения электрохимических конденсаторов
для использования энергии торможения транспортных средств
Торможение вагона. Расчет приведен для данных: масса вагона 52 т,
максимальная скорость 80 км/час, время разгона 32 с, время торможения
17 с, стоянка 25 с, напряжение 800 В.
Расчетная энергия, необходимая на разгон вагона до скорости 80 км/ч
составит 5200022,22/2 = 12,8 МДж. С учетом всевозможных потерь на трении и сопротивлении воздуха в электродвигателе, в механических передачах
имеем 12,81/0,7 = 18,3 МДж. Средняя мощность разгона за время 32 с составит примерно 600 кВт. Если с помощью конденсатора хотим компенсировать
половину необходимой энергии, нужно, чтобы конденсатор поставлял при
средней мощности примерно 300 кВт и 9,1 МДж полезной энергии.
Очевидно, что энергия, необходимая для торможения вагона, также
будет 12,8 МДж. Однако следует учесть, что доступная для рекуперации в
конденсаторе энергия будет значительно меньше. Часть ее рассеется, как и
в случае с разгоном, на трении и сопротивлении воздуха, другая в электродвигателе, который должен представлять собой мотор-генератор, в механических передачах, а также на сопротивлении самого конденсатора.
Таким образом, при условии КПД = 70 % (как и в случае разгона) доступная для накопления в конденсаторе энергия составит примерно 9 МДж, а с
учетом эффективности работы конденсатора 80–90 % получаем 7– 8 МДж.
Для следующего разгона этой энергии не хватит, поскольку надо
9,1 МДж. Но недостающие 1–2 МДж можно закачать в конденсатор, если
после разгона вагона часть энергии из контактной сети, требуемой на
движение, перераспределить в конденсатор.
В табл. 2 представлен вариант конденсаторной системы, состоящей
из последовательно соединенных элементов ЭК303. Эта система должна
обеспечить примерно 50 % мощности и энергии разгона и рекуперировать энергию торможения.
Следует учесть также, что запасенной энергии в конденсаторах (в случае 500ЭК303 запасенная энергия может составить 24 МДж или 6,7 кВтч)
может хватить на несколько километров движения вагона без контактной
сети. При этом, чем меньше будет скорость движения, тем больший получим пробег.
47
Таблица 2
Характеристики конденсаторной системы для вагона метрополитена
Тип системы
Диапазон рабочих напряжений, В
500ЭК303
800–400
Максимальное напряжение, В
Внутреннее омическое сопротивление, мОм
+ 25 °С
– 30 °С
Емкость, Ф
Запасаемая энергия в диапазоне рабочих напряжений, МДж
850
100
150
100
24
Максимальная мощность, МВт
1…6
Масса только конденсаторов, кг
1250
Объем только конденсаторов, л
840
Рабочая температура, °С
– 50 / + 60
Температура хранения, °С
Ресурс, циклы
– 60 / + 70
Более
600000
Отдаваемая энергия в окне рабочих напряжений при средней мощности 300
кВт, МДж
20,0
Время разряда в окне рабочих напряжений при средней мощности 300 кВт, с
66
Эффективность (Ed/Ec) в цикле заряда–разряда при средней мощности заряда–разряда 300 кВт
Цена только конденсаторов сегодня, тыс. долл.
0,8
Перспективная цена при промышленном производстве, тыс. долл.
100
12–25
Попробуем оценить экономические преимущества от применения
конденсатора при рекуперации. Предположим, что длительность цикла
разгон–торможение–стоянка составляет примерно 2 мин, тогда в день
количество циклов составит 500, а в год примерно 180 тыс. Цена промышленной электроэнергии у нас невысока, примерно 4 цента/кВтч. Общая энергия рекуперации составит 1260000 МДж или 400000 кВтч, что
соответствует 16 тыс. долл. Таким образом, при сегодняшней цене конденсаторный модуль окупится через 6 лет, а по перспективной – за 2 года.
Следует также учесть очень важное обстоятельство, что при 50 %
снижении мощности потребления электропоезда, существенно снизится
нагрузка на всю потребляемую сеть. Особенно это важно, когда одновременно могут разгоняться несколько электропоездов. Возможно серьезно
снизить металлозатраты на обслуживании контактной сети.
Аналогичный расчет можно сделать для другого электротранспорта
(электричка, электровоз, троллейбус, трамвай).
48
Торможение пассажирского поезда. Пусть масса тепловоза при
полной загрузке 129 + 1750 = 979 т, максимальная скорость 80 км/час.,
время разгона 5 мин, время торможения 5 мин, напряжение 3400 В.
В качестве тепловоза выбран ТЭП-60 (пассажирский) массой 129 т,
масса вагона 50 т.
Расчетная энергия, необходимая для разгона пассажирского поезда до
скорости 80 км/ч, равна 100000022,22/2=246 МДж. С учетом всевозможных
потерь на трении и сопротивлении воздуха, в электродвигателе, в механических передачах имеем 246/0,7=351 МДж. Средняя мощность разгона за время 300 с составит примерно 351/300=1,2 МВт, за 150 с – 2,3 МВт. Если с помощью конденсатора хотим компенсировать половину необходимой энергии, нужно, чтобы конденсатор поставлял при средней мощности 600 кВт
либо 1,2 МВт примерно 175 МДж полезной энергии.
Очевидно, что энергия, необходимая для торможения локомотива,
также будет 246 МДж. Однако следует учесть, что доступная для рекуперации в конденсаторе энергия будет значительно меньше. Часть ее рассеется, как и в случае с разгоном, на трении и сопротивлении воздуха, другая – в электродвигателе, который должен представлять собой моторгенератор, в механических передачах, а также на сопротивлении самого
конденсатора. Таким образом, при условии КПД = 70 % (как и в случае
разгона) доступная для накопления в конденсаторе энергия составит
примерно 175 МДж, а с учетом эффективности работы конденсатора 80
% получаем 140 МДж.
В табл. 3 представлен вариант конденсаторной системы, состоящей
из последовательно соединенных элементов ЭК303. Эта система должна
обеспечить примерно 50 % мощности и энергии разгона и рекуперировать энергию торможения.
Попробуем оценить экономические преимущества от применения
конденсатора при рекуперации. Предположим, что длительность цикла
разгон-торможение-стоянка составляет примерно 10 мин, среднее время
движения между остановками 20 мин, т. е. общее время цикла 30 мин.
Время работы за сутки 15 часов (900 мин), тогда количество циклов составит примерно 30 в сутки, а в год примерно 10 тыс. Тогда за год можно
рекуперировать 14000000 МДж.
В форсированном режиме при неполном сгорании топлива, можно
взять КПД двигателя примерно 10 %. Тогда за год эксплуатации можно
рекуперировать топлива на 1400000/0,10 = 14000000 МДж. Если принять
теплоту сгорания топлива примерно 43000 кДж/кг, имеем 326 т сэкономленного топлива или примерно 81 тыс. долл. в год (цена дизельного топлива около 25 цент./кг).
49
Таблица 3
Характеристики конденсаторной системы для локомотива
Тип системы
2 × 2000ЭК303
Диапазон рабочих напряжений, В
3200–1600
Максимальное напряжение, В
3400
Внутреннее омическое сопротивление, мОм
+ 25 °С
– 30 °С
200
300
Емкость, Ф
60
Запасаемая энергия в диапазоне рабочих напряжений, МДж
230
Максимальная мощность, МВт
12,8
Масса только конденсаторов (без учета корпуса модуля), т
10
Объем только конденсаторов (без учета корпуса модуля), м
6,7
Рабочая температура, °С .
– 50 / + 60
Температура хранения, °С
– 60 / + 70
Ресурс, циклы
Более 300000
3
Отдаваемая энергия в окне рабочих напряжений при средней мощности,
МДж
600 кВт
220
1200 кВт
200
Время разряда в окне рабочих напряжений при средней
мощности, с
600 кВт
1200 кВт
360
160
Эффективность (Ed / Ec) в цикле заряда–разряда при средней мощности
заряда-разряда 600–1200 кВт
0,8–0,9
Цена только конденсаторов сегодня, тыс. долл.
600
Перспективная цена при промышленном производстве, тыс. долл.
100–200
Кроме рекуперации энергии торможения конденсаторный модуль
берет на себя нагрузку по запуску дизельного генератора и поддержке
автономного питания тепловоза (отпадет необходимость в аккумуляторных батареях).
Так как при эксплуатации тепловоза, особенно в зимних условиях,
глушение двигателя производится очень редко из-за проблем с запуском,
то тепловоз находится до 5 часов в сутки в режиме холостого хода. При
50
этом расход топлива составляет до 40 л в час. За год это составит примерно 40∙5∙365 = 290 т, что составит 72 тыс. долл. При использовании
конденсаторного модуля отпадет необходимость в таком режиме эксплуатации, что приведет к серьезной экономии топлива.
Таким образом, конденсатор может окупиться в случае его промышленного производства примерно за 1,5–2 года эксплуатации тепловоза.
При цене современного тепловоза 2,5–3 млн. $ экономия дизельного
топлива от установки конденсаторного модуля полностью возместит покупку тепловоза за время его эксплуатации.
Торможение троллейбуса. Оценка эффективности применения конденсаторов выполнена для троллейбуса Тролза-5264-01 «Столица» с параметрами: масса троллейбуса с пассажирами при полной загрузке – 23 т,
максимальная скорость – 50 км/час, время разгона – 10 с, время торможения – 8 с, стоянка – 15 с., напряжение – 550 В.
Расчетная энергия, необходимая для разгона троллейбуса до скорости 50 км/ч составит 23000∙13,92/2 = 2,22 МДж. С учетом всевозможных
потерь на трении и сопротивлении воздуха, в электродвигателе, в механических передачах имеем 2,22/0,7 = 3,18 МДж. Средняя мощность разгона за время 10 с составит примерно 3,18/10 = 320 кВт. Если с помощью
конденсатора хотим компенсировать половину необходимой энергии,
нужно, чтобы конденсатор поставлял при средней мощности примерно
160 кВт 'примерно 1,6 МДж полезной энергии.
Очевидно, что энергия, необходимая для торможения троллейбуса, также
будет 3,18 МДж. Однако следует учесть, что доступная для рекуперации в
конденсаторе энергия будет значительно меньше. Часть ее рассеется, как и в
случае с разгоном, на трении и сопротивлении воздуха, другая – в электродвигателе, который должен представлять собой мотор-генератор, в механических
передачах, а также на сопротивлении самого конденсатора. Таким образом,
при условии КПД = 70 % (как и в случае разгона) доступная для накопления в
конденсаторе энергия составит примерно 2,17 МДж, а с учетом эффективности работы конденсатора 80 % получаем 1,7 МДж.
Для следующего разгона этой энергии должно хватить, поскольку надо
3,18 МДж. Недостающую энергию можно получить из контактной сети.
В табл. 4 представлен вариант конденсаторной системы, состоящей
из последовательно соединенных элементов ЭК303. Эта система должна
обеспечить примерно 50 % мощности и энергии разгона и рекуперировать энергию торможения.
Следует учесть также, что запасенной энергии в конденсаторах
(в случае 340ЭК303 запасенная энергия может составить 16,6 МДж
или 4,6 кВтч) может хватить на несколько км движения троллейбуса без
51
контактной сети. При этом, чем меньше будет скорость движения, тем
больший получим пробег.
Таблица 4
Характеристики конденсаторной системы для троллейбуса
340ЭК303
Диапазон рабочих напряжений, В
550–275
Максимальное напряжение, В
578
Внутреннее омическое сопротивление, мОм
+25 °С
-30 °С
68
100
Емкость, Ф
147
Запасаемая энергия в диапазоне рабочих напряжений,
МДж
16,6
Максимальная мощность, МВт
1,1
Масса только конденсаторов (без учета корпуса модуля),
кг
Объем только конденсаторов (без учета корпуса модуля),
л
850
571
Рабочая температура, °С
-50/+60
Температура хранения, °С
-60/+70
Ресурс, циклы
Более 600000
Отдаваемая энергия в окне рабочих напряжений при
средней мощности 160 кВт, МДж
13,6
Время разряда в окне рабочих напряжений при средней
мощности 160 кВт, с
85
Эффективность (Ed/Ec) в цикле заряда–разряда при средней мощности заряда-разряда 300 кВт
0,8
Цена только конденсаторов сегодня, тыс. долл.
51
Перспективная цена при промышленном производстве,
тыс. долл.
7−15
Попробуем оценить экономические преимущества от применения
конденсатора при рекуперации. Предположим, что длительность цикла
разгон-торможение-стоянка составляет примерно 0,5 мин, среднее время
движения между остановками и на светофорах 0,5–1 мин, т. е. общее
время цикла 1–1,5 мин. Время работы городского электротранспорта за
52
сутки 15 часов (900 мин), тогда количество циклов составит примерно
600–900 в сутки, а в год примерно 220–330 тыс. Цена промышленной
электроэнергии в России примерно 4 цента/кВтч. Общая энергия рекуперации составит 374000–561000 МДж или 104000–155500 кВтч, что соответствует 4–6 тыс. долл.
Таким образом, если учитывать цену конденсатора при промышленном производстве, конденсаторная система в троллейбусе окупится через
1,5–3 года.
Конденсаторный модуль возьмет на себя роль штатной аккумуляторной батареи.
Следует также учесть очень важное обстоятельство, что при 50 %
снижении мощности потребления троллейбусов существенно снизится
нагрузка на контактную сеть. Особенно это важно, когда одновременно
могут разгоняться несколько троллейбусов.
Применение асимметричных электрохимических конденсаторов на
городском электротранспорте позволяет: добиться экономии 50 % электроэнергии, потребляемой троллейбусами; решить проблемы обесточек;
снизить износ электрооборудования и тормозной системы за счет более
эффективного электроторможения; решить проблемы автомобильных
«пробок», возникающих по причине потери связи троллейбуса с контактной сетью; сократить расходы на резервное питание контактной сети;
повысить комфорт и эффективность перевозок пассажиров.
7. АККУМУЛЯТОРЫ МАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ
7. 1. Индуктивные накопители
В ИН энергия аккумулируется в виде энергии магнитного поля. Индуктивный накопитель представляет собой катушку с индуктивностью L, по
которой течет ток i, благодаря чему создается магнитное поле с энергией
W = 0,5Li2.
Помимо индуктивной катушки энергоустановка с ИН содержит источник питания (ИП) – зарядное устройство, коммутаторы К1 и К2, нагрузку Н,
например, как показано на рис. 5а, при подключении ИН к ИП с помощью
К1 осуществляется режим заряда ИН в течение времени t3 (рис. 5а). При замыкании К2 и размыкании К1 ток ИН течет через Н и основная часть
накопленной энергии передается нагрузке в течение времени разряда tр.
Обычно реализуются режимы с tр < t3 (или tр<< t3 ), благодаря чему мощность ИН при заряде существенно больше мощности зарядного цикла.
Поэтому ИН, подобно другим типам накопителей, может использоваться
как трансформатор мощности – он обеспечивает кратковременное пита53
ние мощных потребителей электроэнергии при разряде после относительно длительного периода запасания энергии при заряде.
к1
к2
u, i
i3
ИП
iр
up
н
u3
к3
i3
t3
н
ip
t
tp
а)
б)
Рис. 5. Схема ИН (а) и характер изменения в нем токов и напряжений (б).
Особенность ИН заключается также в том, что в момент замыкания
К2 и размыкания К1 он может рассматриваться как источник тока, поскольку при переключении ИН на активную нагрузку ток в нем должен
сохраняться непрерывным независимо от структуры внешней цепи. Если
сопротивление цепи нагрузки велико, то благодаря постоянству тока в
момент переключения, напряжение на зажимах ИН достигает больших
значений, многократно превосходящих напряжение источника питания,
заряжающего накопитель. Таким образом с помощью ИН можно обеспечить преобразование электрической энергии с существенным повышением мощности и напряжения. Характер изменения токов и напряжений ИН
во времени при заряде и разряде показан на рис. 5,б.
Электрическая схема ИН упрощается, если ветвь с коммутатором К2
отсутствует, а нагрузка Н с параллельным коммутатором К3 включается
последовательно с ИН, как показано пунктиром на рис. 5,а. В такой схеме
К1 служит лишь для начального подключения ИП и остается включенным на весь рабочий период с заданным числом циклов, а питание
нагрузки осуществляется периодическим замыканием и размыканием К3.
При замкнутом К3 ток в индуктивности L возрастает до Imax, при размыкании К3 ток течет через нагрузку и пaдает до Imin. Разность 0,5 L ( I max  I min )
за вычетом потерь определяет энергию, передаваемую нагрузке за один
цикл. Такая схема рациональна при циклическом питании нагрузки с частотами f  1Гц и более.
2
54
2
Её достоинством является использование при заряде и разряде только одного коммутатора. Недостаток схемы − замыкание разрядного тока
при повышенном напряжении через ИН.
Помимо процессов, связанных с накоплением и выводом энергии, в ИН
большую роль играют электромагнитные силы и создаваемые ими механические напряжения, поскольку в ИН протекают значительные токи при
сильных магнитных полях. Также из-за больших токов первостепенное значение имеет правильная организация процессов охлаждения катушек.
Таким образом, анализ ИН должен охватывать совместное рассмотрение электромагнитных и тепловых процессов с учётом прочностных
характеристик катушек и конструктивных элементов ИН.
Достоинствами ИН являются: простота и статичность конструкции,
хорошие энергетические и массогабаритные показатели (при уровне запасаемой энергии более 105 – 106 Дж характерные значения удельной
энергии ИН могут достигать 5–10 Дж/г и более), возможность запитки от
низковольтных нерегулируемых источников, высокая надежность,
К недостаткам ИН можно отнести необходимость использования
быстродействующих силовых коммутаторов (размыкателей), большие
электродинамические усилия в активной зоне и соответственно наличие
прочностных элементов, усложнённые системы охлаждения.
Область применения ИН достаточно широка. Они используются для
кратковременного питания мощных потребителей электроэнергии в электрофизических установках, технологическом оборудовании, автономных
электроэнергетических системах и т. п. Обсуждаются проекты создания
мощных ИН в промышленной энергетике. Новые виды применения ИН связаны с работами по управляемому термоядерному синтезу, а также с созданием электродинамических ускорителей масс (макротел), позволяющих разгонять объекты до скоростей порядка десятков километров в секунду. Накопитель подключается непосредственно к рельсотрону ускорителя и обеспечивает его питание большими токами при высоких напряжениях. Установки
такого типа могут служить для вывода в космос необходимой аппаратуры,
удаления с Земли экологически вредных отходов, создания реактивной тяги.
7. 2. Сверхпроводящие индуктивные накопители
Особо большие количества энергии можно накопить в индуктивных
аккумуляторах, если применить накопители энергии, основанные на явлении сверхпроводимости.
Из физики известно, что с понижением температуры электрическое
сопротивление проводников уменьшается. Некоторые металлы (свинец,
олово, цинк, алюминий и др.) и сплавы при очень низких температурах
становятся сверхпроводниками, т. е. проводят ток без потерь.
55
Перечисленные сверхпроводники, называемые сверхпроводниками
первого рода, уже при небольших токах или магнитных полях теряли
свойства сверхпроводимости.
В 1961 г. американский физик Кунцлер испытал сверхпроводник
второго рода – провод из сплава ниобия с оловом. По нему удалось пропустить ток плотностью 1000 А/мм2.
Даже самый сильный из имевшихся тогда электромагнитов не смог
разрушить этой сверхпроводимости. С этого момента началось лавинообразное нарастание количества работ по прикладной сверхпроводимости: уже известно более тысячи сверхпроводников второго рода.
Обмотка сверхпроводников ИН выполняется из сверхпроводников
второго рода (NbTi, Nb3Sn, V3Ga и др), помещенных в криостат с жидким
гелием. Средняя плотность тока такого СПИН может достигать
(0,5…1)109 А/мм2. Благодаря этому СПИН являются наиболее энергоемкими по сравнению с другими ИН. Кроме того в СПИН отсутствуют
омические потери (при стационарных или квазистатических процессах) и
КПД СПИН достигают высоких значений.
Потери в СПИН возникают при быстром изменении тока (в основном при разряде) из-за вихревых токов в проводах, конструктивных элементах. К потерям в номинальных режимах СПИН относятся также потери в токопроводах и теплопритоки через стенки криостата.
На каждый ватт потерь в СПИН необходимо иметь примерно 0,5…1 кВт
мощности рефрижераторной установки. Таким образом, СПИН требуют
сложного криогенного обеспечения и имеют высокую стоимость. Поэтому их использование рационально при больших запасаемых энергиях. В ряде стран создаются опытные и промышленные установки со
СПИН на энергии до 100 МДж. В нашей стране и за рубежом проектируются
крупные СПИН с энергиями 1012 … 1014 Дж для выравнивания графиков
нагрузки мощных ЭЭС и хранения электроэнергии.
Характерные размеры таких СПИН составляют сотни метров и для
их размещения предлагается использовать подземные выработки со
скальным грунтом, воспринимающим большие электромагнитные силы.
В США в опытную эксплуатацию в одну из энергосистем включался
СПИН энергоемкостью 30 МДж.
Основными преимуществами СПИН перед другими системами являются:
1. Высокий КПД (до 95–98 %) схем преобразования.
2. Компактность, связанная с высокой плотностью запасаемой энергии (до 108 Дж/м3). Удельная энергоемкость увеличивается с ростом абсолютного значения запасаемой энергии, что определяет снижение
удельных затрат при увеличении масштаба системы.
56
3. Отсутствие физических ограничений на значения мощности
СПИН, поскольку энергия запасается в них в электрической форме.
4. Широкий диапазон изменения времени рабочего цикла (от 108 до
-3
10 с) и высокое быстродействие (переключение режимов заряда-разряда
энергии может быть осуществлено за 0,01 с (1/2 периода тока промышленной частоты). Исключительно «тонкое» реагирование на изменение
графика нагрузки.
5. Незначительное экологическое влияние, упрощающее проблему
выбора места расположения.
Перечисленные преимущества СПИН позволяют рассматривать его
не только в качестве перспективного источника покрытия пиковых суточных нагрузок (с функциями, аналогичными ГАЭС, которые используются в настоящее время), но и как регулирующий элемент, обеспечивающий динамическую и статическую устойчивость ЭЭС, постоянство
частоты, увеличение пропускной способности ЛЭП и т. д.
Крупные СПИН кроме перечисленных обладают следующими преимуществами:
1) могут быть объектами стратегического резервирования электроэнергии благодаря использованию сверхпроводимости.
2) могут выполнять функции крупных подземных хранилищ жидкого и газообразного гелия.
Таким образом, СПИН является перспективным типом НЭ, пригодным для комплексного использования в ЭЭС.
Этому способствует открытие в 1986 г. высокотемпературной проводимости.
В настоящее время активно разрабатываются сверхпроводниковые
материалы, работающие при повышенных температурах (более 70–80 К)
и имеющие простые и дешевые системы охлаждения (например, с использованием жидкого азота).
7. 3. Линейные накопители электромагнитной энергии
Линейные накопители электромагнитной энергии (ЛНЭЭ) совмещают функции накопления энергии с ее передачей. Они накапливают одновременно энергию электрического и магнитного поля, т. е. являются
электромагнитными накопителями. Рассмотренные выше НЭ подключаются к энергосистеме по шунтовой схеме замещения. ЛНЭЭ подключаются последовательно и представляют собой криогенный или криопроводящий коаксиальный кабель постоянного тока с повышенными инерционными свойствами: у него увеличены индуктивность и емкость. Токоведущий слой на кабеле ЛНЭЭ выполняется из материала повышенной
емкости в виде спирали, таким образом кабель превращается в длинный
57
соленоид, индуктивность которого повышается в 100–1000 раз. Однако
пока по нему протекает постоянный по значению ток, эта индуктивность
не проявляется. При любом изменении протекающего тока соленоид играет роль демпфера, мешая этому изменению. В силу того, что ЛНЭЭ
является длинным соленоидом (внешние поля у него отсутствуют), не так
остро стоит вопрос о надежности соединений, так как в нем их значительно меньше, чем в обычном ЕН. В силу своих конструктивных
свойств, ЛНЭЭ является таким же многофункциональным, как и обычный шунтовой НЭЭ, но одновременно он позволяет передавать энергию
на расстояние, что значительно улучшает его технико-экономичекие показатели. Управление таким накопителем производится на преобразовательных подстанциях, установленных на концах ЛНЭЭ.
ЛНЭЭ – перспективный тип НЭ, пригодный для комплексного использования в ЭЭС. Особенно перспективным может оказаться применение ЛНЭЭ в накопительных комплексах совместно с ГАЭС, где он будет одновременно выполнять функции электропередачи, связывающей
ГАЭС с ЭЭС.
Интересные перспективы существуют у схемы выдачи мощности
ГЭС в систему через ЛНЭЭ. В этом случае частота не обязательно должно быть постоянной.
При этом вместо номинальной частоты появляется диапазон частот, в котором может работать агрегат. Это расширяет область использования универсальной характеристики агрегата; повышает его КПД и выработку энергии.
Ввод энергии в крупные промышленные центры в будущем намечалось осуществлять с использованием сверхпроводниковых кабелей. Однако с учетом требований надежности электроснабжения эффективнее
применять для этой цели ЛНЭЭ. В качестве схем ввода энергии в города
и промышленные центры можно предложить как концевые на основе
секционирования ЛНЭЭ, так и радиальные. С помощью ЛНЭЭ можно
осуществить вывод энергии с МГД-генераторов, одновременно преобразуя постоянный ток, вырабатываемый ими, в переменный.
Питание собственных нужд АЭС, а в будущем и термоядерных ЭС
должно отличаться повышенной надежностью, так как любой перерыв в
их питании может привести к тяжелым последствиям. В связи с этим
можно резервировать электроснабжение собственных нужд АЭС с помощью ЛНЭЭ. Повышение надежности питания СН достигается за счет
снабжения их энергией от ЛНЭЭ как в случае аварии на шинах станции,
так и в случае частичного повреждения самого ЛНЭЭ. Параметры таких
НЭ зависят только от параметров генераторов ЭС и независимы от параметров системы.
58
8. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ НАКОПИТЕЛИ ЭНЕРГИИ
Электромеханическим накопителем (ЭМН) называется устройство
для запасания и хранения механической энергии с последующим ее преобразованием и отдачей в форме электрической энергии для дальнейшего использования.
Запасается, как правило, кинетическая энергия вращательного
движения маховика, который при заряде ЭМН раскручивается с помощью механического или электрического привода: пружины; турбины,
использующей энергию сжатых газов, сгорания топлива или порохового
заряда и т. п.; электрической машины (ЭМ), работающей в режиме двигателя. В устройствах ЭМН может отсутствовать маховик как самостоятельный элемент, соединенный посредством жесткой или упругой связи с
ЭМ. В этом случае инерционным накопительным элементом ЭМН служит
ротор ЭМ (наряду со своим функциональным назначением в электромеханическом процессе машины). Ротор ЭМ в некоторых вариантах НЭ
может быть конструктивно совмещен с дополнительным маховиком. При
разряде ЭМН механическая энергия преобразуется в электрическую посредством ЭМ, работающей в режиме генератора. В качестве генератора применяется та же ЭМ, которая служит электродвигателем для разгона маховика, или другая ЭМ, также установленная на валу ЭМН.
Таким образом, ЭМН представляет собой конструктивно объединенные в одной установке механический инерционный накопитель и ЭМ
(генератор, двигатель), причем при заряде и разряде ЭМ допускает работу как обратимый преобразователь.
В зависимости от вида и назначения ЭМН в его состав входят различные ЭМ. Согласно общей классификации ЭМ можно выделить ЭМН на
основе машин переменного тока (синхронных или асинхронных) и машин
постоянного тока (МПТ), включая коллекторные или вентильные разноименнополюсные МПТ и униполярные (одноименнополюсные) машины.
Первые ЭМН для использования в электрофизических установках
предложены академиками П. Л. Капицей и М. П. Костенко. В зависимости
от назначения ЭМН, разновидностей потребителей их энергии и устройств
электропривода в состав ЭМН входит одна или несколько ЭМ постоянного
и (или) переменного тока. Например, в промышленных установках распространены ЭМН с асинхронными приводными двигателями и трех- или однофазными синхронными генераторами с демпферными обмотками.
Общая структурная схема электроэнергетической установки с ЭМН
представлена на рис. 6.
59
В режиме заряда ЭМ работает как двигатель, получая электроэнергию ЭЭ от ИП постоянного или переменного тока, и раскручивает маховик М. После достижения ротором агрегата заданной скорости ЭMH может работать в режиме хранения энергии. По сигналу системы управления СУ срабатывает переключатель режимов ПР и ЭМН переводится в
разрядный режим, в котором ЭМ работает как генератор и питает потребитель электроэнергии ПЭЭ. Наличие обратимого коммутатора К характерно для ЭМН с ЭМ постоянного тока. В машинах классической конструкции К выполнен как электромеханический щеточно-коллекторный
узел ЭМ, а в бесконтактных вентильных блок К представляет собой
управляемый полупроводниковый преобразователь. Последний действует как инвертор при работе ЭМ в режиме двигателя и как выпрямитель
при генераторном режиме работы ЭМ. Если ЭМ используется в качестве
двигателя или генератора переменного тока, то блок К может отсутствовать (этому случаю соответствует штриховая линия связи на схеме рис. 6).
Для такого варианта характерен блок стабилизации частоты БСЧ, который исключается в установках постоянного тока и некоторых установках
переменного тока (см. штриховую линию связи на рис. 6).
Конкретные установки с ЭМН могут содержать некоторые дополнительные элементы, например пусковые устройства электродвигателей,
блоки для стабилизации и регулирования частоты и напряжения генераторов и др. В целом выбор структуры ЭМН и типа ЭМ определяется техническими требованиями, предъявляемыми к установке в отношении
номинальных параметров, быстродействия, показателей качества электроэнергии, особенностей зарядно-разрядных режимов, массогабаритных
ограничений, ресурса, аппаратной надежности и т. д.
Для ЭМН характерна специфика работы их синхронных или асинхронных ЭМ как генераторов ударного действия: отбор электрической мощности
происходит в условиях, соответствующих переходному процессу внезапного
несимметричного (для однофазных машин) либо симметричного (например,
для трехфазных машин) короткого замыкания (КЗ) генератора из предшествующего режима холостого хода. Под ударной мощностью подразумевают
максимум мгновенной мощности за время первой полуволны тока внезапного КЗ. Практически целесообразно использовать, как правило, первый максимум тока (пиковое значение) с учетом апериодической составляющей. При
этом разряд генератора, рассчитанного на промышленную частоту f = 50 Гц,
длится менее 0,02 с. За такое малое время возможен отбор от ЭМН и преобразование в электроэнергию сравнительно небольшой части запасенной кинетической энергии (менее 10–20 %).
60
ПЭЭ
ИП
БСЧ
ЭЭ
ПР
СУ
ЭМН
К
ЭМ
М
Рис. 6. Структурная схема электроэнергетической установки ЭМН
Наиболее характерными областями применения ЭМН являются: автономные установки электропитания, в том числе транспортного назначения; резервные установки гарантированного питания, которые обеспечивают функционирование ответственных потребителей, не допускающих перерыва электроснабжения (например, при аварии штатного источника питания); крупномасштабные электроэнергетические установки;
электрофизические комплексы (термоядерные установки типа «Токамак», ускорители элементарных частиц – синхрофазотроны, мощные
плазмотроны и др.); гироскопические устройства, которые используются,
например, в системах ориентации и навигации летательных аппаратов
(ЛА), морских судов. В целом ЭМН имеют разносторонние применения
при широком диапазоне шкалы их энергий и мощностей.
9. ТЕПЛОВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Тепловые аккумуляторы (ТА) накапливают энергию в результате
подвода к ним теплоты. При этом различают два типа таких аккумуляторов. К первому типу относятся те, температура которых в результате
61
подвода теплоты возрастает, ко второму – те, в которых подводимая теплота затрачивается на какой-либо фазовый переход – чаще всего плавление. В первом случае удельная энергия аккумулятора определяется теплоемкостью аккумулирующего вещества и допустимым изменением его
температуры, а во втором – скрытой теплотой фазового перехода.
Аккумулирование теплоты в ряде случаев оказывается весьма желательным. Прежде всего здесь речь идет о таких возобновляемых источниках энергии, которые непостоянны во времени по самому своему существу. Например, использование солнечной энергии для целей отопления практически невозможно без использования аккумуляции теплоты –
аккумулятор нагревается, когда солнечная радиация есть и отдает теплоту, когда ее нет. Кроме того, аккумуляция теплоты может рассматриваться, как средство выравнивания графика энергопотребления. Особенно это
существенно для АЭС. Атомный реактор должен по возможности работать в стационарных условиях в режиме номинальной расчетной нагрузки. При уменьшении энергопотребления избыточную теплоту, выделяемую реактором, можно запасать, чтобы отдать ее, когда энергопотребление вновь возрастает. Вид, конструкция и стоимость ТА существенно
зависит от желаемой длительности хранения теплоты. Дело в том, что
энергетическая ценность теплоты зависит от температуры, при которой
она может быть отдана.
Поэтому хранить теплоту следует при максимально высокой температуре, по возможности близкой к температуре того источника теплоты,
энергию которого желательно аккумулировать.
Всякое тело, имеющее температуру, превышающую температуру
окружающей среды, теряет теплоту, сколь бы совершенной ни была его
изоляция. Но улучшение тепловой изоляции, разумеется, уменьшает интенсивность тепловых потерь, а значит, увеличивает возможную длительность хранения запасенной энергии.
Рассматривая вопрос о тепловых потерях и возможной длительности
хранения теплоты, следует иметь в виду масштабный фактор. Дело в том,
что любой ТА хранит теплоту во всем объеме, а теряет ее со своей внешней поверхности. Поэтому при прочих равных условиях тепловые потери, отнесенные к единице объема аккумулятора, а именно они определяют качество хранения теплоты, будут обратно пропорциональны линейному размеру ТА.
Проще всего это понять на примере ТА в форме шара. Объем шара
V = 4/3 R 3 , а площадь его поверхности S = 4 R 2 .
Тогда ясно, что тепловые потери, отнесенные к единице объема,
окажутся пропорциональными отношению S/V = 4 R 2 / 4/3 R 3 = 3/R.
62
Из этого следует, что для очень больших аккумуляторов эти удельные потери могут оказаться весьма небольшими.
В ТА с переменной температурой в качестве рабочего тела используются жидкости или твердые тела.
Для температур до 100 оС весьма удобным теплоаккумулирующим
веществом является вода. Она имеет достаточно большую удельную теплоемкость (С = 4,2 кДж/кг·К), обладает многими привлекательными эксплуатационными качествами и, что важно, стоит очень дешево. Применение воды при более высоких температурах требует использования сосудов
под давлением, что существенно усложняет и удорожает конструкцию.
Интересным типом ТА переменной температуры является аккумулятор из твердого гранулированного материала, например: гравия, щебня,
морской гальки. Эти материалы состоят в основном из окиси кремния,
удельная теплоемкость которого несколько превышает 1 кДж/(кгК). Такие ТА могут применяться до температур в несколько сот градусов; в
качестве теплоносителя служит воздух или инертные газы. В процессе
зарядки горячий воздух продувается через слой аккумулирующего материала, нагревая его, а в процессе разрядки воздух или другой газ прокачивается в обратном направлении и отбирает эту теплоту. Достоинство
таких ТА – простота и дешевизна.
Тепловые аккумуляторы постоянной температуры основаны на том,
что при зарядке ТА теплота затрачивается на какой-либо фазовый переход (чаще всего на плавление) рабочего вещества. При отборе теплоты от
ТА рабочее вещество опять затвердевает. Такие ТА имеют, по крайней
мере два преимущества. Во-первых, они характеризуются большими значениями удельной энергии, чем теплоемкостные аккумуляторы переменной температуры. Во-вторых, разность температур теплоносителя, передающего теплоту потребителю, и источника теплоты, заряжающего аккумулятор, определяется здесь только желаемой интенсивностью теплопередач, тогда как в первом типе ТА она в большинстве случаев включает еще само изменение температуры рабочего вещества ТА. Недостатком
ТА постоянной температуры является то, что для каждой задаваемой
температуры в них надо использовать новое рабочее вещество, ибо температура плавления любого вещества представляет вполне определенное
значение. При средних температурах удобными веществами для ТА постоянной температуры оказываются различные соли, например, поваренная соль плавится при 800 оС и имеет теплоту плавления 517 КДж/кг, в
связи со своей дешевизной и доступностью она может применяться как
рабочее вещество аккумулятора.
В связи со сравнительно низкими удельными энергиями ТА могут
применяться в основном в стационарных установках.
63
Для всякой транспортной установки тепловой аккумулятор окажется
слишком тяжелым.
Вообще транспортировать теплоту, аккумулированную в каком-либо
веществе, целесообразно только по трубам, да и то на сравнительно небольшие расстояния; например, горячая вода, нагретая до 160–170 о С,
транспортируется от ТЭЦ к жилым массивам на расстояние в несколько
километров. Более дальний транспорт такой малоконцентрированной
энергии оказывается нерентабельным.
Аккумулирование тепловой энергии имеет три основные области
применения в ЭЭС:
◊ аккумулирование теплоты у потребителя для кондиционирования
воздуха и нагрева воды;
◊ аккумулирование теплоты на ЭС для подогрева питательной воды;
◊ аккумулирование теплоты на ЭС в виде пара, расплавленных солей и т. п.
Ведется большая работа в области развития теплового аккумулирования энергии для горячего водоснабжения и отопления на стороне потребителя, хотя предлагается применять и аккумулирование теплоты в
системах централизованного водоснабжения. Для некоторых систем,
имеющих выраженные пики нагрузки, использование внепиковой энергии в водонагревателях и устройствах отопления может улучшить коэффициент заполнения графиков, создав значительную нагрузку в часы
провала. Горячую воду из накопителя можно использовать в качестве
питательной воды котла, отключив нагреватели. При этом увеличивается
отдаваемая электрическая мощность установки.
В области централизованного аккумулирования теплоты в сетях теплоснабжения давно используются и оправдали себя аккумуляторы кратковременного действия для выравнивания суточных и праздничных пиковых нагрузок.
Теплоаккумулирующие установки отличаются от других накопительных систем одной особенностью: аккумулирующее устройство не
является самостоятельной станцией, работающей в составе ЭЭС, а непосредственно связано с определенной паросиловой установкой. Данную
особенность необходимо принимать во внимание во всех экономических
расчетах, так как она влечет за собой некоторую потерю готовности и
паросиловой установки, и аккумулирирующего устройства. Если по какой-то причине выходит из строя паросиловая установка, то не работает
и аккумулирующее устройство, и наоборот. Такое положение приводит к
трудностям при планировании, поскольку на стадии проектирования
нужно решить, какая именно паросиловая установка будет работать
большую часть расчетного срока службы, чтобы можно было объединить
с ней аккумулирующее устройство.
64
Тепловые накопители можно устанавливать непосредственно на
ТЭС и АЭС, используя их теплотехническое оборудование. Они имеют высокую удельную энергоемкость. Так вода в стальном баллоне
при t = 200 оC имеет удельную энергоемкость 60 кВтч/м3, системы фазового перехода – 1500 кВтч/м3.
Недостатками таких накопителей являются: ограниченный КПД; небольшое время хранения, связанное с теплопередачей, лучеиспусканием
и конвекцией теплоты с поверхности рабочего тела; значительное время
реверса, определяющееся маневренными характеристиками блоков ТЭС
и АЭС. Кроме того, в накопителях на основе фазового перехода, имеющих большую удельную энергоемкость, чем обычные тепловые накопители, существуют непреодолимые пока трудности, связанные с отбором
запасенной энергии. Данные недостатки ограничивают использование
тепловых накопителей энергии в ЭЭС.
10. МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ
ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРЫ
Магнитогидродинамические электрогенераторы (МГДГ) представляют собой один из типов тепловых электрогенераторов. Его действие
основано на принципе взаимодействия рабочего тела с магнитным полем.
Название получил по названию науки, на основе которой разрабатывался.
Магнитная гидродинамика изучает взаимодействие между ионизированными жидкостями или газами, плазмой и электромагнитными полями.
Принцип действия. Воздух, сжимаемый в компрессоре, подается в
камеру сгорания, где происходит горение подаваемого топлива. Продукты сгорания из камеры попадают в разгонное сопло, в котором энергия
рабочего тела превращается во внешнюю кинетическую энергию потока.
После сопла газ попадает в канал МГДГ. При прохождении канала кинетическая энергия потока превращается в электрическую энергию, которая
отводится потребителю. Из канала рабочее тело выбрасывается в атмосферу или поступает в тепловую турбину, вращающую электрогенератор.
Принципы преобразования механической энергии в электрическую в
МГДГ подобны принципам, используемым в классических генераторах.
На электрический заряд, перемещающийся в магнитном поле перпендикулярно направлению силовых линий (а такое поле в МГДГ специально
создается), действует механическая сила, перпендикулярная направлению движения. Направление этой силы зависит также от знака заряда.
Это приводит к тому, что поток электрически заряженных частиц в магнитном поле пространственно разделяется на положительные (ионы) и
отрицательные (электроны) заряды. Создается разность потенциалов,
65
которую с помощью электродных пластин можно использовать для создания замкнутой внешней цепи электрического тока. В обычных генераторах разность потенциалов (ЭДС) возникает в медных обмотках (проводники 1 рода), в МГДГ – в ионизированных газах (проводники 2 рода).
Электроны направляются к электродам и отводятся ими во внешнюю
цепь, создавая электрический ток. Для возмещения отводимых электронов должен происходить их ввод вместе с газовым потоком. Взаимодействие магнитного поля и получаемого электрического тока приводит к
торможению несущего электроны газового потока. При потере газами
половины их начальной скорости теоретически 75 % их начальной кинетической энергии может быть превращено в электрическую энергию постоянного тока.
Таким образом, установки МГДГ не являются установками, непосредственно превращающими тепловую энергию в электрическую. В них
осуществляется сначала превращение тепловой энергии в механическую
энергию потока ионизированного рабочего тела, а в канале МГДГ механическая энергия потока превращается в электрическую энергию.
Рабочим телом для МГДГ могут быть электропроводный газ (смесь
нейтральных молекул, ионов и свободных электронов – так называемая
низкотемпературная плазма), газ в плазменном состоянии (четвертое агрегатное состояние вещества), жидкие металлы.
Принцип действия МГДГ основан на использовании ионной проводимости, наблюдаемой в ионизированных газах и жидкостях. Для обеспечения достаточной термической ионизации газа необходимо получить высокие температуры рабочего тела. На входе в канал МГДГ рабочее тело имеет очень высокую температуру (для органического топлива до 2500 °С; в
обычных газотурбинных установках 650–800 °С). Высокие температуры
предъявляют очень жесткие требования к материалам для изготовления
камер сгорания, каналов, электродов и к самому рабочему телу.
Для изготовления камер сгорания и каналов МГДГ применяют керамики из окиси магния, цирконата стронция, цирконата кальция. Электроды каналов изготавливают из керамик на основе различных окислов, карбидов, боридов.
Сочетание действия магнитного давления и электрического тока создает давление, направленное внутрь цилиндрического элемента плазмы.
Этот эффект носит название эффекта самосжатия или пинч-эффекта. Плазме присуща неустойчивость, которая приводит к изгибу пламенного шнура, последний касается стенок контейнера, охлаждается и эффект самосжатия исчезает. Это явление можно предотвратить, если окружить контейнер
катушками, создающими магнитное поле вдоль краев сжатой плазмы.
66
Широкое применение МГД-генераторов может оказать существенное влияние на развитие современной энергетики. Основное отличие
МГД-метода генерирования электроэнергии − это получение электричества непосредственно от газового потока, не требующее при этом применения обычных турбин и электрогенераторов. МГД-электростанции, так
же как и ГТЭС, целесообразно использовать в ЭЭС как пиковоаварийные. Они работают в режиме выдачи 2–4 ч в сутки, в остальное
время происходит накопление газообразного кислорода в специальных
хранилищах. Определяющий критерий выбора оптимальных параметров
МГД-электростанций − минимальная стоимость одного киловатт-часа
электроэнергии с учетом заданного числа часов работы установки. По
предварительным оценкам, удельные капиталовложения в МГДэлектростанцию (без учета стоимости кислородной установки)
КМГД = (0,75 … 0,855)КГТУ,
где КГТУ − удельные капиталовложения в пиковую ГТУ на базе авиационных двигателей.
Таким образом, удельные капиталовложения в МГД-электростанцию
мощностью 300 МВт, работающую в течение 500 ч/год, составляют в
среднем около 40 долл./кВт. По технико-экономическим показателям она
конкурентоспособна с ГТУ.
Первая опытная МГД-установка, созданная в США, развивала мощность 32 МВт в течение нескольких секунд. Но последующие попытки
удлинить цикл не дали результатов, и с тех пор работы над МГДпроблемой в США проводятся в ограниченных масштабах.
В свое время СССР удалось достичь определенных успехов в данной
области. Создан опытный образец МГД-генератора расчетной мощности
10 МВт. Он прошел длительный цикл испытаний, в результате которых выявлено, что выход на рабочий режим осуществляется за 1,25 с. Непрерывность работы ограничивается внешними условиями и составляет 5–7 мин.
Построены также две опытные установки У-02 и У-25. Последняя развивала мощность до 10 МВт в течение 250 ч и была взята за основу при проектировании промышленной МГД-электростанции мощностью 500 МВт.
Блок данной МГД-электростанции должен включать в себя МГДустановку расчетной мощностью 250 МВт и стандартную паровую турбину мощностью 300 МВт. Предполагается сэкономить около 20 % топлива по сравнению с энергоблоками, работающими по классической тепловой схеме. МГД-электростанции первого поколения должны иметь
КПД около 50 %, второго – до 60 %. При этом КПД собственно МГДгенератора соответственно составит 8–10 % и 18–20 %. Наряду с экономией топлива МГД-электростанции меньше загрязняют окружающую
67
среду. Их маневренные свойства высоки − автоматический запуск МГДгенератора осуществляется за 1,25 с по сравнению с 5–10 мин. у ГТУ.
Недостатками МГД-электростанций являются более узкий диапазон
применений МГД-установок, чем у накопителей, поскольку первые нельзя использовать для заполнения провалов графика нагрузки, а также
худшие маневренные свойства. Кроме того, широкое внедрение МГДэлектростанций требует решения сложных научно-технических и конструкторских проблем.
11. МОДЕЛИРОВАНИЕ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ
11.1. Задачи, решаемые с помощью накопителей энергии
в электроэнергетических системах
Накопители энергии можно использовать в качестве многофункциональных устройств, способных при работе современных энергосистем
решать задачи:
● обеспечения потребителя, имеющего переменный график нагрузки
электроэнергией при постоянной загрузке генераторов ЭЭС; постоянных
напряжений с заданной степенью точности в некоторых точках; статической устойчивости возможных режимов работы систем с заданным запасом; заданных пределов динамической устойчивости систем;
● регулирования потоков обменных мощностей между ЭЭС.
Решение вышеперечисленных задач сложно, что обусловлено многосвязностью объектов регулирования, нелинейностью процессов в
ЭЭС, многообразием установившихся режимов и возможных допущений. В связи с этим данные задачи целесообразно разбить на решаемые
последовательно частные подзадачи обеспечения:
◊ потребителя, имеющего переменный график нагрузки электроэнергией при постоянной загрузке генераторов ЭС;
◊ статической устойчивости и заданных показателей качества переходных процессов систем при малых возмущениях;
◊ динамической устойчивости системы при больших возмущениях.
Такое разделение рационально, так как оно отвечает ранжировке
процессов по времени их протекания; учитывает основные факторы, характеризующие функционирование современных ЭЭС; позволяет применять частные методы исследования для решения каждой подзадачи. Для
их успешного решения необходимо создание серии моделей НЭ, действующих в ЭЭС: физических, математических и экономических. Информация для составления таких моделей может быть получена в основном с помощью экспериментов на реальном НЭ.
68
Следует учесть, что ряд типов НЭ существует только в проектах, поэтому для них можно составить лишь оценочные модели.
Рассмотрим подробнее комплекс экономико-математической и физической моделей накопителей энергии, отражающий его поведение в ЭЭС.
11.2. Режимы работы накопителей энергии
В связи с тем что НЭ является частью ЭЭС, он должен работать и в
нормальных (рабочих), и в аварийных режимах. Существуют режимы:
накопления энергии (заряд), хранения, выдачи (разряд), аварийные.
Режим накопления энергии (заряд). В этом режиме генераторные
станции вырабатывают энергии больше, чем требуется потребителю. Этот
режим в основном используется в ночные часы во время прохождения
«провала» нагрузки. Накопитель заряжается избыточной энергией, вырабатываемой на станциях, что позволяет исключить остановки генерирующего
оборудования. Для ЛНЭЭ характерен также режим «транспорт + накопление», при котором через ЛНЭЭ передается необходимая потребителю
энергия и одновременно производится дальнейшее накопление.
Режим хранения энергии. В данном случае существует соответствие между энергиями: вырабатываемой на станциях и потребляемой
нагрузкой. Накопитель переводится в режим хранения энергии, но на
случай возникновения аварийных режимов от системы не отключается.
Линейный накопитель электрической энергии работает только как линия
электропередач (ЛЭП), т. е. осуществляется режим «транспорт».
Режим выдачи энергии (разряд). В данном режиме потребитель
требует энергии больше, чем вырабатывается генераторными ЭС. Накопитель энергии разряжается и отдает накопленную энергию потребителю. Линейный накопитель электрической энергии может передавать потребителю всю энергию, генерируемую станциями, и, кроме того, сам
разряжается на потребителя (режим «транспорт + выдача»).
Аварийные режимы. Накопитель энергии обязан работать и в аварийных режимах: резких (в том числе и кратковременных) сбросах и
набросах нагрузки, качаниях, отключениях генерирующего оборудования
и т. д. При возникновении аварийных ситуаций необходимо, чтобы НЭ,
во-первых, с достаточной скоростью выдавал или потреблял требуемое
количество энергии, и, во-вторых, обладал достаточной маневренностью
и аварийной энергоемкостью для демпфирования колебаний. Маневренность НЭ характеризуется: временем реверса мощности tрев, необходимым для перевода его из режима выдачи энергии в режим потребления, и
наоборот, и величиной, характеризующей скорость изменения потребляемой или выдаваемой им мощности Pv = dP/dt. В аварийных режимах,
69
связанных с отключением части генерирующих мощностей или нагрузок,
ЛНЭЭ работает аналогично шунтовому накопителю.
Во всех указанных нормальных и аварийных режимах должен соблюдаться баланс мощностей в узле подключения НЭ, т. е.
Р нагр  Р н  Р г  0;
Q нагр  Q фку  Q н  Q г  0;
где Р нагр , Р г , Q нагр , Q г − соответственно активные и реактивные
мощности, втекающие (нагрузка) и вытекающие из узла (генерация);
Р н , Q н − активная и реактивная мощности, потребляемые НЭ; Q фку –
реактивная мощность фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ), которые могут быть установлены на шинах НЭЭ.
Поскольку НЭ должен работать в течение времени, определяемого
из графика нагрузки, его рабочая энергоемкость
t раб
Э н.раб   Pн ( t )dt ,
0
где tраб – время работы накопителя (tраб = max{tзар, tразр}); tзар, tразр −
соответственно время работы НЭ в режимах накопления (заряда), выдачи
(разряда).
По конструктивным соображениям разряжать НЭ полностью не
рекомендуется, поэтому его полная энергоемкость Э н > Эн.раб.
Значение так называемого минимального уровня накопленной
энергии (иногда применяется термин «мертвый объем») Э о неодинаково для разных типов НЭ.
Оно должно определяться в каждом конкретном случае и, кроме
того, для всех типов НЭ, исходя из технических требований для обеспечения нормальной работы АЭ. Например, для механических накопителей − минимальная частота вращения маховика, для химических накопителей (ХН) − минимально допустимый уровень разряда и т. д. Для
НЭЭ величина Э о выбирается с учетом обеспечения нормальной
работы преобразователей, а для ГАЭС должны учитываться также
экологические требования и требования, обеспечивающие нормальную
работу водопользователей.
Полная энергоемкость накопителя с учетом аварийных составляющих:
Эн = Эо + Эн.раб + Эав,
где Эав − аварийная энергоемкость, необходимая для демпфирования колебаний, возникающих в ЭЭС в любом из его режимов работы.
70
11.3. Режимные параметры накопителей энергии
Можно выделить четыре параметра функциональных возможностей
НЭ в ЭЭС: 1) максимальная мощность накопителя Рн; 2) полная энергоемкость Эн; 3) время работы tpaб; 4) время реверса мощности tpeв.
Для выяснения возможности и целесообразности использования каких-либо типов НЭ в энергосистеме необходимо определить ее требования к ним, т. е. очертить границы значений режимных параметров −
минимально допустимой мощности Рн, энергоемкости Эн, времени работы
tраб и времени реверса мощности tpeв.
11.4. Экономико-математическое моделирование
накопителей энергии
Структура экономико-математической модели объекта исследования
зависит от многих факторов. Основным из них является тип задач, для
решения которых предназначена данная модель. В этом случае она представляет собой выражение для определения величины, принимаемой критерием оптимальности. В настоящем параграфе описана модель для решения оптимизационных задач, где критерием эффективности применения НЭ приняты приведенные затраты.
Величина, отражающая наличие в ЭЭС накопителя, – это приведенные затраты на его установку и эксплуатацию (Зн), зависящие от параметров и режима работы как самого НЭ, так и ЭЭС в целом. Параметры
НЭ: мощность, энергоемкость и КПД. Параметры режима: мощность,
выдаваемая или потребляемая НЭ на каждой ступени графика нагрузок в
пределах рассматриваемого периода времени, а также число его зарядноразрядных циклов в пределах этого периода. Параметры и режим работы
НЭ находятся в сложной нелинейной зависимости с параметрами и режимом работы ЭЭС, обязательно учитывающейся при разработке алгоритмов и программ решения конкретных оптимизационных задач.
Накопитель энергии состоит из трех функциональных блоков (рис. 7):
аккумулирующего элемента, устройства управления и системы управления.
Аккумулирующий элемент. Для СПИН им является сверхпроводниковый соленоид (включая рефрижераторную подстанцию); для ЕН – батарея
конденсаторов, для ХН − батарея аккумуляторов, для ГАЭС − верхний бьеф
c водоводами, для ВАГТЭС − резервуар для хранения сжатого воздуха и т. д.
Устройство управления потоком мощности. Для всех типов НЭЭ −
это управляемый вентильный преобразователь; для ГАЭС − обратимые
агрегаты (турбина − генератор − двигатель − насос); для ВАГТЭС − собственно газотурбинная установка.
71
Система управления УУ – это регулятор на базе микропроцессоров,
изменяющий режим работы НЭ в зависимости от параметров режима системы, в которую он включен.
Передающая
(приемная)
система
Каналы Регулятор-система
связи
СУ
УУ
АЭ
Рис. 7. Схема накопителя энергии
При экономико-математическом моделировании необходимо учесть,
что ежегодные затраты на НЭ складываются из затрат на каждый из блоков (руб/год):
Зн = ЗАЭ + ЗУУ + Зрег,
где, Зн − ежегодные затраты на НЭ; ЗАЭ, ЗУУ, Зрег − соответственно затраты на АЭ, УУ, регулятор.
Затраты на АЭ зависят от полной энергоемкости НЭ и определяются
выражением
ЗАЭ = (ен + аАЭ) kЭ Эн +
′пот,
где ен − нормативный коэффициент эффективности капиталовложений, 1/год; аАЭ − коэффициент отчислений на амортизацию, реновацию и
обслуживание, 1/год; kЭ – удельные капиталовложения для создания
энергоемкости в АЭ, руб/Дж (в частности, для ГАЭС эта величина равна
отношению капиталовложений в сооружение верхнего бьефа и водоводов
к энергоемкости ГАЭС); Эн – энергоемкость НЭ, Дж; И'пот − издержки на
компенсацию потерь энергии в АЭ (для СПИН, например, это энергия,
потребляемая рефрижераторной станцией), руб/год.
Затраты на УУ зависят от мощности НЭ и определяются выражением
З УУ = (е н + а р ) kр Р н + (е н + а ФКУ ) k ФКУ Q ФКУ + И″ пот ,
72
где kp и kФКУ − соответственно удельные капиталовложения в
устройства управления установленной мощности, руб/кВт, и фильтрокомпенсирующие устройства, руб/квар (только для НЭЭ); ар, аФКУ − соответственно коэффициенты амортизационных отчислений для тиристорных преобразователей и ФКУ; Рн − мощность НЭ, кВт; И"пот − издержки
на компенсацию потерь энергии в преобразователе и ФКУ, руб/год.
Суммарные издержки на компенсацию потерь энергии в НЭ
(Ипот = И′пот + И″пот) зависят от потерь энергии в накопителе за год и себестоимости электроэнергии станции, от которой заряжается НЭ (С0).
Потери энергии в НЭ складываются из потерь в процессе его заряда
и разряда, а также в режиме хранения энергии:
Эпот = Эпот.зар + Эпот.хр + Эпот.разр,
где Эпот − потери энергии в НЭ в течение рассматриваемого периода
времени; Эпот..зар, Эпот.хр, Эпот.разр − соответственно потери энергии в НЭ в
режимах заряда, хранения и разряда.
Ежегодные потери энергии в НЭ
Эпот = (Эпров − Эпик )N ц ,
где Эпров , Эпик − соответственно потребленная (во время провала)
и отданная (во время пика) накопителем энергия за один цикл работы,
Nц – число циклов работы в год.
Коэффициент полезного действия НЭ полного цикла работы – это
соотношение вида
н  (Э пров  Э пик ) / Э пров .
Считая, что КПД накопителя за время заряда и разряда равны, можно записать Эн.раб = ηнЭпров. Тогда потери энергии в НЭ за один цикл работы определяются формулой
Эпот = [(1 - ηн)/ ηн] Эн.раб.
где Эн.раб − рабочая энергоемкость НЭ:
Эн.раб = (1-kи)Эн .
Здесь kи − коэффициент использования НЭ, показывающий, какая
часть его энергоемкости может быть израсходована.
Тогда суммарные издержки на компенсацию потерь энергии в НЭ,
работающем Nц раз в году,
1  н
И пот 
Эн N ц С0 (1  k и ) ,
н
где С0 – замыкающие затраты на топливо в ЭЭС.
73
Затраты на регулятор Зрег не зависят от параметров НЭ и определяются лишь кругом задач, решаемых накопителем в ЭЭС.
Таким образом, суммарные ежегодные затраты на НЭ имеют вид
Зи = (еи + аАЭ)kЭЭн + (ен + ар)kрРн + (ен + аФКУ)kФКУQФКУ +
+ [(1 – ηн)/ ηн] ЭнNцC0 (1 – kи) + Зрег.
(2)
Выражение (2) представляет собой экономико-математическую модель накопителя энергии любого типа и может использоваться при оптимизации параметров НЭ, предназначенного для выполнения в энергосистеме заданной функции. Выражение (2) непосредственно не учитывает
влияния параметров системы и параметров режима ее работы на приведенные затраты для НЭ. Это влияние должно исследоваться на математических и физических моделях НЭ в энергосистеме с учетом его конкретного типа, а также задач, решаемых им.
Мощность и энергоемкость НЭ, мощность компенсирующих
устройств, число циклов работы, коэффициент использования и величина
С0 должны определяться в зависимости от режимов, в которых он будет
работать, и задач, решаемых им в ЭЭС.
11.5. Математическое моделирование накопителей
электрической энергии
Составление математической модели системы, отображающей основные факторы, влияющие на исследуемые процессы, и приближенно учитывающей (либо совсем не учитывающей) факторы, незначительно влияющие на исследуемые процессы, является первым этапом исследования.
Формирование математической модели − это составление моделей
отдельных элементов исследуемой системы и связь их между собой. Основными элементами НЭ являются, как уже отмечалось, АЭ, УУ и система управления, при рассмотрении которых будем исходить из детального
математического описания и последующего упрощения.
Система управления накопителем энергии. Для успешной работы
НЭ как в нормальных, так и в аварийных режимах необходимо иметь
возможность регулирования мощности, протекающей через него, в зависимости от изменения параметров режима ЭЭС. Так, например, при отклонении частоты от установленной, связанной с нарушением баланса
активной мощности (т. е. в случае сброса или наброса нагрузки, когда
либо отсутствует возможность регулирования мощности, генерируемой
станциями, либо регуляторы не «успевают» отреагировать на резкое изменение нагрузки), НЭ должен изменять потребляемую или выдаваемую
мощность так, чтобы выполнялся ее баланс в точке его подключения.
Следовательно, система управления накопителем должна быть снабжена
74
блоком, изменяющим выдаваемую активную мощность соответственно
этому отклонению. Накопитель энергии можно использовать и для регулирования напряжения. При этом система управления его должна быть
снабжена блоком, изменяющим потребление активной и реактивной составляющих мощности в зависимости от отклонения напряжения.
Возможности создания регулятора для НЭ связаны с построением
систем регулирования по электрическим режимным параметрам, к которым относятся системы регулирования относительного или абсолютного
угла ротора генератора. Поддержание постоянства угла по регулируемой
передаче позволяет работать в зоне искусственной устойчивости и поднимать передаваемую мощность до предела. Стабилизация данной системы осуществляется введением первой и второй производной регулируемого параметра, благодаря наличию которых она быстро реагирует на
резкие изменения режима и повышает предел динамической устойчивости. При выходе из синхронизма обеспечивается ресинхронизация. Метод регулирования абсолютного угла заключается в поддержании постоянных углов регулируемых станций относительно вектора эталонной
ЭДС, вращающегося с частотой 50 Гц. Помимо решения вопросов устойчивости, данный метод предназначен для распределения изменений
нагрузки системы между станциями в соответствии с коэффициентами
усиления по углу, значение которых выбирается специально.
Управление мощностью, которая выдается или потребляется НЭ,
предназначенным: для работы по переменному графику нагрузки, поддержания напряжения и демпфирования колебаний, вызванных резкими сбросами и набросами нагрузки, должно производиться следующим образом:
n
Р н  W(p)  k i П i ;
i 1
n
Q н  W(p)  k jП j ,
j 1
где ΔРн, ΔQH − регулируемые изменения активной и реактивной
мощностей; W(p) − передаточная функция НЭ, вид которой зависит от
его типа и от соотношения времени работы накопителя с длительностью
процесса, в котором он используется. Так, например, если время работы
НЭ равно 4 ч, а используется он для демпфирования нерегулярных колебаний, имеющих частоту 0,1 − 1Гц, передаточная функция W(p) = 1; ki, kj
− коэффициенты регулирования по i-му и j-му параметрам (Пi и Пj ) режима работы ЭЭС.
Моделирование устройства управления накопителем энергии.
Как уже отмечалось в разделе 2, существует два типа устройств управления: электрический и электромеханический.
75
Управляемые реверсивные тиристорные преобразователи применяются
для связи системы переменного тока с накопителями электрической энергии:
химическими, сверхпроводниковыми индуктивными или емкостными.
Рассмотрим подробнее моделирование управляемого реверсивного
тиристорного преобразователя.
Для получения энергетических характеристик преобразователей и
проведения анализа электромагнитных процессов в них, рассмотрим схему замещения устройства управления НЭЭ, изображенную на рис. 8.
еА
еВ
еС
Хк = Храс+ХS
Id
Ud
к АЭ
Рис. 8. Схема замещения устройства управления
накопителем электрической энергии
Питающая система представлена трехфазной системой симметричных и синусоидальных ЭДС, приложенных за эквивалентным сопротивлением ХS. Эквивалентирование системы и приведение ее к данному виду осуществляется известными методами, не рассматривающимися здесь. Трансформатор преобразователя представлен сопротивлением рассеяния Xрас. Сопротивления системы
и трансформатора, а также ЭДС приведены к одной ступени напряжения.
При анализе режимов преобразователей рассматриваются процессы
длительностью 0,5 − 1,5 мс, во время которых затухание свободной составляющей тока практически не сказывается, в связи с чем активные
сопротивления цепи; переменного тока в схему замещения не включены.
Собственные емкости оборудования также не включены в нее, так как
их влияние на основные характеристики преобразователей крайне мало.
76
Пульсации в выпрямленном токе отсутствуют, ток намагничивания
трансформатора не учитывается.
Записав уравнения первого и второго законов Кирхгофа для схемы
замещения преобразователя, с учётом указанных допущений, получим
нелинейную систему уравнений, так как напряжения на вентилях являются нелинейными функциями токов через них.
Решив любым из известных методов полученную систему уравнений, получим значения активной и реактивной мощности на входе двухмостового преобразователя:
Рн  (9 / 2)(Uв2.о. / Хк ) sin   sin(2a  );
Qн  (9 / 2)(Uв2.о. / Хк )[
(3)
 sin   cos(2a  )].
Угол  определяется по следующей формуле:
  (1/ 2)аrc cos(cos2a 
4Х к
Рн )  a ,
9U в2.о.
где а,  − соответственно углы управления преобразователя и
коммутации; X к = X рас + X S − реактанс коммутации; Uв.о − амплитудное значение фазного напряжения вентильной обмотки трансформатора.
Для инверторного режима имеем
2  +  = 2 (180° −  ) +  = 360° − (2  +  ).
С учетом этого соотношения активная и реактивная мощности
инвертора
Рн  
9U в2.о.
sin   sin(2  ) ;
2Х к
(4)
Qн 
9Uв2.о.
2Хк
[   sin   cos(2  )].
В уравнениях (3) и (4) Uв.о − соответственно напряжения сети переменного тока передающей и приемной системы, а Хк − соответствующие
реактансы. В случае подключения шунтового НЭ они равны. Если же
рассматривается ЛНЭЭ, то напряжения и реактансы в общем случае будут разными.
На основе энергетических характеристик выпрямителя и инвертора
можно получить зависимости, связывающие приращения активной (ΔРн)
77
и реактивной (ΔQн) мощностей с отклонениями угла регулирования
напряжения Uв.о и частоты f:
Р н 
α,
Р н
Р
Р н
  н f 
U в.о ;

f
U в.о
Qн 
Qн
Qн
Qн
 
f 
U в.о .

f
Uв.о
Регулирующий эффект по частоте мал, так как определяется только
изменением сопротивления Хк от частоты. Следовательно, возможности
регулирования УУ НЭЭ связаны с воздействием на два параметра: угол
управления преобразователя и напряжение его вентильных обмоток.
Математическая модель аккумулирующего элемента (АЭ).
Рассмотрим схему, изображенную на рис. 9. Поток, протекающий
через сопротивление rвн, является функцией разности значений потенциалов потока до и после него. Примем эту зависимость линейной, что справедливо для всех НЭЭ, а также для остальных типов накопителей при
малых изменениях их режимов. Все дальнейшие рассуждения будем проводить для АЭ НЭЭ. Для схемы замещения тиристорного преобразователя запишем
Iн 
(3 / ) 3U в.о соs  U d
,
rвн
(5)
где Iн − ток, протекающий через АЭ; Uв.о и Ud − соответственно
напряжения вентильной обмотки и на АЭ; rвн − эквивалентный реактанс сети переменного тока («вносимое сопротивление»).
rвн
Е
Ud
к АЭ
Рис. 9. Схема, соответствующая уравнению АЭ.
При этом rвн = (3/π)Хк + Rd.
Так как ток протекает через АЭ, значение регулируемой величины
меняется, причем чем меньше инерционные свойства АЭ (емкость для
ЕН, индуктивность для индуктивного НЭ, момент инерции для маховика
и т. д.), тем больше скорость изменения.
78
Для АЭ емкостного типа запишем
t раб
U d  (1 / Cн )  idt ;
Iн  Cн dUd / dt  .
(6)
0
Для АЭ индуктивного типа
U d  L н (dIн / dt) .
(6a)
Решив совместно уравнения (5) и (6), получим дифференциальное
уравнение АЭ накопителя энергии:
dUd
Cн [(3 / )Xк  R d ]  Ud  (3 / ) 3Uв.oсоs ;
dt
U в.o соs
dIн
Lн
I н  (3 / ) 3
.
dt (3 / )X к  R d
(3 / )X к  R d
(7)
Снrвн и Lн/rвн,, имеющие размерность времени, назовем постоянной
времени НЭ Тн.
Передаточная функция шунтового НЭ выводится из уравнения АЭ с
помощью преобразования Лапласа и имеет вид (для случая α = const)
W(p) = 1/(1 + рТн).
(8)
Для ЛНЭЭ можно записать дифференциальное уравнение, описывающее связь входных и выходных параметров Uн1 и Uн2:
T L ( d 2 Uн2/ d t 2 ) + T C ( d Uн2/ d t ) + U н2 = Uн1 ,
(9)
где TL = Lн/rвн и ТС = Снrвн − соответственно постоянные времени
индуктивного и емкостного контуров АЭ ЛНЭЭ. Из уравнения (9) можно
получить передаточную функцию ЛНЭЭ W(p), имеющую вид
W(p) = (TLp2 + TCp + 1)-1
(10)
Из выражений (8) и (10) определяем значения переходных проводимостей φн(t) и φн.л(t) для шунтовых и линейных накопителей соответственно:
н (t )  1  е  t / Tн ,
н.л (t )  (е 1t  е 2 t ) /( 2  1 ) ,
где
1  (Т С  Т С2  4Т 2L )(2Т L ) 1 ;
 2  (Т С  Т С2  4Т 2L )(2Т L ) 1
79
Решение дифференциального уравнения AЭ относительно напряжения на конденсаторе и тока, протекающего через сверхпроводниковую
катушку индуктивности, показывает, что при отсутствии регулирования
преобразователя (α = const) эти параметры изменяются по экспоненциальному закону:
U  U max (1  е  t / Tн ) ;
I  I max (1  е  t / Tн ) ,
где Umax, Imax − установившиеся значения напряжения и тока, протекающего через АЭ. Накопитель энергии выполняет свои функции лишь
до тех пор, пока ток, протекающий через его АЭ, изменяется. Поэтому
время работы накопителя при отсутствии регулирования ограничено соотношением tраб ≤ 3Tн.
Мощность НЭ равна первой производной энергии, накопленной в
АЭ по времени. Для емкостного и индуктивного накопителей соответственно она равна
Р н  Сн U d
(3 / ) 3U в.o соs  U d
;
Тн
(11)
 (3 / ) 3U в.0соs

(12)
Р н  Lн Id 
 Id  .
 (3 / )X к  R d

Полученные выражения представляют собой математическую
модель аккумулирующего элемента НЭЭ.
На основе математических моделей элементов НЭ составим следующую систему уравнений, например, для ЕН:
dU d
Tн  U d  (3 / ) 3U в.0 соs ;
dt
Р н  Сн U d
Qн 
(3 / ) 3U в.0 соs  U d
;
Тн
9 U в2.0
[   sin   cоs(2   )] ;
2 X к
  (1 / 2) arccos(cos2 
(13)
4X к
Рн )   .
9U в2.0
Так как преобразователи работают на сеть переменного тока, то
справедливо соотношение U  ( U в.o / 2 )  sin t (U − мгновенное значение напряжения, приложенного к преобразователям).
80
Система уравнений (13) содержит пять неизвестных: Рн, Qн,  ,  , Ud
и представляет собой математическую модель НЭ. Следовательно, для ее
решения необходимо задать одно из них. Обычно мощность Рн определяется заранее и, следовательно, может считаться известной. Диапазоны
изменения углов управления  , коммутации  , реактивной мощности
Qн из различного рода технических и экономических соображений также
задаются. Решение дифференциального уравнения АЭ производится любым из известных способов.
11.6. Физическое моделирование
накопителей электрической энергии
Сооружение НЭ требует детального изучения возможностей их работы в энергосистемах. Для этого необходимо иметь физические модели
НЭ, которые должны:
полно и адекватно отображать поведение НЭ в энергосистеме при
переходных процессах;
быть недорогими в эксплуатации и допускать установку и стыковку
с имеющимися физическими электродинамическими моделями ЭЭС;
допускать проведение большого числа экспериментов.
Для того чтобы модель адекватно отображала поведение НЭ в энергосистеме, необходимо совпадение соответствующих критериев подобия
для оригинала и модели  iop и iм , т. е.
 iop = iм = idem
(14)
(перевод лат. idem — тоже).
Здесь  iop и iм – i-e критерии подобия оригинала и модели:
 iop = fi (x 1ор … x jор … x mор );
iм = fi (x 1м … x jм … x mм ),
где x jор и x jм − соответствующие параметры оригинала и модели.
Из условия (14) следует
 iop / iм = 1 или
f i (x1оp ...x jop...x mop )
f i (x1м ...х jм ...x mм )
81
1 .
В большинстве случаев fi (x 1 … x j … x m ) имеет вид степенного одночлена. Поэтому
(x1op ) 1
( x1м ) 1
 ... 
( x jop )
(x jм )
j
j
 ... 
( x mop ) m
( x mм ) m
1
(    j   ).
Но x jор / x jм = mj, где mj − коэффициент подобия, или масштаб сходственных параметров. Тогда
m11  ... mmm  1.
Число полученных соотношений масштабов равно числу критериев
подобия. Эти соотношения, называемые иногда индикаторами подобия,
позволяют определять параметры физической модели по известным данным оригинала. Число критериев подобия всегда меньше числа параметров. Аналогичное соотношение существует и между числами индикаторов
подобия и масштабов. Поэтому часть масштабов следует выбирать произвольно, следовательно, часть параметров модели также произвольна. Однако и на значения этих параметров, называемых независимыми, накладываются ограничения, связанные с удобством проведения эксперимента,
стоимостью физической модели и т. д. С этих позиций, например, следует
стремиться к тому, чтобы масштаб времени был равен единице, т. е. mt = 1,
что создает ряд преимуществ при постановке и проведении эксперимента.
В данном случае НЭ характеризуется следующим набором параметров:
Э н − энергоемкость НЭ;
Р н − максимальная мощность;
U нУУ − напряжение УУ;
I нАН − максимальный ток, протекающий через АЭ;
I 0 − минимальный ток, протекающий через АЭ;
Э 0 − минимальный уровень накопленной энергии («мертвый
объем»), определяемый условиями работы преобразователя и задачами, которые НЭ должен решать.
Рассмотрим физические модели двух типов НЭЭ − СПИН и емкостного накопителя. Тогда к режимным параметрам НЭ добавятся:
Lн − индуктивность АЭ.
С н − емкость АЭ.
rвн − эквивалентное сопротивление сети переменного тока;
Тн − постоянная времени НЭ.
Имеют место следующие соотношения между ними:
P н = IнUH; Эн − Э0 = Р Htраб (справедливы как для СПИН, так и емкостного НЭ);
Эн = 0,5 Lн I н2 (для СПИН);
82
Эн = 0,5 Cн U н2 (для емкостного НЭ);
Тн = Снrвн (для емкостного НЭ);
Тн = Lн /rвн (для СПИН).
На основе полученных соотношений могут быть найдены критерии
подобия, а следовательно, и связь между значениями параметров модели
и оригинала.
Критерии подобия для НЭ.
На основе анализа системы уравнений (13) методом интегральных
аналогов (опуская очевидные преобразования) получим критерии подобия из 1, 2, 3 и 4-го уравнений системы соответственно:
1  Т н / t , 2  U в.o / U d , 3   ;
4  (Cн Uв2.o ) /(РнТн ) ;
5  Uв2.o /(Qн Хк ) , 6   ;
7  Uв2.o /(Рн Хк ) .
Учитывая соотношение, связывающее работу преобразователя с
сетью переменного тока, найдем критерий гомохронности
8    t .
На базе полученных критериев определим соответствующие им системы индикаторов подобия (табл. 5).
Критерий
подобия
Индикатор
подобия
Критерий
подобия
Индикатор
подобия
1
2
mT
1
mt
5
m 2U в.o
mQmХ
m U в. 0
m Ud
1
6
1
Таблица 5
4
3
m  1
m  1
7
m 2Uв.o
mРmХ
m C m 2U в.o
1
mРmХ
Окончание табл. 5
8
1
mf m't  1
Критерий гомохронности 8 является одним из важнейших при создании модели НЭ и стыковки ее с физической моделью ЭЭС. Если частоту физической модели fм выбрать равной частоте оригинала fор(fм = fор), то
83
mf = 1, что позволяет использовать при исследованиях обычную измерительную и регистрирующую аппаратуру, хотя и увеличивает габариты
физической модели. Равенство масштабов mα и m  единице позволяет
применять в преобразователях модели и оригинала идентичную элементную базу. Оставшиеся пять индикаторов подобия связывают восемь масштабов, а именно: mТ , m t , m Uв.o , m Ud , mC , m P , m Q , m Х . Масштабы
mC , m Х , m P целесообразно выбрать произвольно, т. e. считать их независимыми. Это связано с необходимостью наибольшего упрощения при
подборе элементов для физической модели. В иных условиях можно
принять другие решения.
Прологарифмировав пять индикаторов подобия, составим следующую систему уравнений:
ln mT  ln mf  0  0  0  0 ;
0  0  ln mUв.o  ln mU  0  0 ;
 ln m T  0  2 ln m U в.o  0  0  ln m Р  ln m С ;
0  0  2 ln mUв.o  0  ln mQ  ln mX ;
0  0  2 ln mUв.o  0  0  ln mP  ln mX .
Итак, получена система линейных уравнений с пятью неизвестными. Решая ее, найдем:
mT  m t  mC m X ;
mQ  mP ;
m Uв.0  m Ud  (m P m X )1/ 2 .
Остальные необходимые для создания физической модели масштабы получим из общеизвестных закономерностей. Например:
mI  mP / m U ; mЭ  mP mt  m2U mC и т. д.
Если исходить из других условий и принять в качестве независимых масштабов иной набор mi, то получим отличные от найденных
выше соотношения между параметрами оригинала и модели, хотя
процессы будут подобны протекающим в оригинале.

Отметим, что m t и m't – масштабы времени в цепях постоянного и переменного тока. В
общем случае m t  m't .
84
Физическое моделирование СПИН.
За основу при моделировании СПИН берутся следующие его особенности:
ток, протекающий через АЭ, меняя свое значение, ни в одном из режимов не меняет направления;
ток, протекающий через АЭ накопителя, в процессе работы убывает
или возрастает по экспоненциальному закону в соответствии с постоянной времени зарядно-разрядных контуров СПИН;
начальное значение тока I0 в рабочем режиме заряда определяется
условиями работы преобразователя и задачами, решаемыми накопителем;
в режиме хранения энергии значение тока, протекающего через
АЭ, не изменяется, оставаясь равным достигнутому в предыдущем
режиме.
В связи с вышесказанным создание электродинамической модели
осуществляется в соответствии со вторым дополнительным положением
о подобии.
Модель состоит из четырех блоков: 1) управляемого выпрямителя, моделирующего постоянство направления тока, протекающего через АЭ; 2) тиристорной следящей системы, моделирующей режим
хранения и отключающей управляемый выпрямитель в режимах заряда и разряда; 3) регулируемого дросселя, моделирующего изменение
тока по экспоненциальному закону; 4) управляемого тиристорного
преобразователя, моделирующего устройство управления потоком
мощности СПИН.
Модель адекватно описывает поведение СПИН в энергосистеме в
течение времени заряда или разряда дросселя и предназначена для исследования влияния НЭ на протекание переходных процессов в ней.
При известных параметрах оригинала параметры модели НЭ можно определить из соотношений:
P iм = miP iop и т. д.
Моделировать регулятор УУ нецелесообразно, так как он до лжен выполняться на базе микропроцессора или ЭВМ и иметь число
каналов связи с параметрами моделей АЭ и УУ, равное числу регулируемых параметров.
Описанные в данной главе различные типы моделей НЭ применяются при решении широкого класса задач, связанных с применением НЭ в энергосистемах. В последующих главах будут рассмотрены
возможности использования описанных моделей.
85
12. Эффективность применения накопителей энергии
в электроэнергетической системе
Рассмотрим включенный в ЭЭС накопитель, основной функцией которого является заполнение переменной части графика нагрузки потребителя, (выравнивание графика нагрузки электропередачи на участке
между станцией и точкой включения НЭ). Под экономической эффективностью функционирования в ЭЭС такого НЭ понимается разница в
ежегодных затратах на производство и передачу электроэнергии в
энергосистеме без НЭ и с НЭ, включенным в определенных точках.
В энергосистеме можно выделить четыре группы таких точек −
на шинах станции, в центрах нагрузки, на линиях межсистемных связей
или вставках постоянного тока и непосредственно у потребителей.
Как уже отмечалось, НЭ являются многофункциональными
устройствами, следовательно, выполнение ими некоторых основных
функций автоматически обеспечивает выполнение остальных. Например,
выравнивание графика нагрузки станции приводит к снижению требуемой установленной мощности (к ее «высвобождению»); выравнивание
графика нагрузки электропередачи − к уменьшению передаваемой
мощности и потерь энергии; обеспечение статической устойчивости − к
повышению пропускной способности ЛЭП и т. д.
В зависимости от места установки НЭ эффективность его
функционирования меняется, но всегда определяется суммой следующих слагаемых:
● экономией топлива, связанной с выравниванием графика загрузки агрегатов станций;
● уменьшением потерь электроэнергии в электропередачах на
участках между ЭС и местом установки НЭ;
● сокращением капиталовложений в электропередачу: а) уменьшением («высвобождением») мощности станций, трансформаторов,
выключателей и другого оборудования, обеспечивающего нормальные режимы работы ЭЭС; б) исключением (частичным или полным)
из состава ЭЭС дополнительных устройств, гарантирующих ее особые
режимы; в) увеличением пропускной способности существующих ЛЭП
и связанной с этим экономией на строительство новых; г) снижением
расхода цветных металлов, обусловленным уменьшением токовых
нагрузок линий; д) сокращением величины включенного резерва;
е) уменьшением загрязнения среды обитания.
86
Все затраты на производство и передачу электроэнергии можно
разделить на постоянные, не зависящие от объема выработанной энергии, и переменные − пропорциональные ему.
Отметим, что в основном только затраты на топливо и покрытие
потерь энергии в ЛЭП зависят от объема выработанной энергии,
остальные же − не зависят от него.
Рассмотрим подробнее изменение основных составляющих затрат,
связанное с включением НЭ.
12.1. Экономия топлива
Рассмотрим ЭЭС с годовой выработкой электроэнергии Эгод. Для
упрощения анализа допустим, что генерирующая часть ЭЭС состоит
только из КЭС и АЭС. Если годовое число часов использования максимума нагрузки (наибольшей) равно Тнб, то удельные затраты (стоимость 1
кВтч):
З  З т.в т  Зп.в (8760 / Т нб )  С ,
(15)
где Зт.в, Зп.в − соответственно затраты на топливо на 1 кВтч электроэнергии, прочие затраты на 1 кВтч электроэнергии, отпущенной потребителю (при полностью выровненном графике нагрузки); Т нб − годовое
число часов использования максимума нагрузки Pmax:
Т нб  Э год / Р max ;
(16)
С – дополнительные затраты (на пуск, останов, содержание в горячем резерве энергетического оборудования), вызванные работой по неравномерному графику;  т – коэффициент, учитывающий изменение
топливной составляющей затрат, обусловленное переменным режимом
его работы.
Выразим коэффициент  т через годовое число часов использования
максимума нагрузки.
 т  1  0,073[(8760  Tнб ) / Т нб ]  1  0,073 (Tнб / Tнб ) .
(17)
Разделим обе части равенства (15) на величину
З0  З т.в  Зп.в ,
(18)
которая представляет собой удельные приведенные затраты на
1кВтч, отпущенный потребителю, при полностью выровненном графике
нагрузки (т. е. при Т нб.в  8760 ч).
87
Долю топливной составляющей в стоимости 1 кВтч энергии, отпущенной с шин, обозначим через
 т.в  З т.в / З т ,
(19)
а долю прочих затрат – через
п.в  Зп.в / З т
(20)
тогда (17), с учетом (19) и (20) примет вид
З*1  З / З0  т.в [1  0,073 (Tнб / Т нб )  п.в (8760 / Т нб )  С / З0 .
Очевидно, что
т.в  п.в  1 ,
(21)
З*   т.в [1  0,073 (Т нб / Т нб )]  (1   т.в )(8760 / Т нб )  С / З0 .
(22)
тогда
Приняв  т.в  0,5 , что характерно для современных ЭЭС, получим
З*  1  0,537 (Т нб / Т нб )  С / З0 .
Пусть включение НЭ выравнивает график нагрузки станции так, что
число часов использования максимума нагрузки меняется от Т нб до Тнб.в.
Тогда изменение ежегодных затрат на топливо при разной степени выравнивания графика нагрузки
З  З0 [1  0,537 (Т нб / Т нб )  1  0,537 (Т нб.в / Т нб.в )]  C  Cв .
или после приведения подобных членов.
Т Т  Т нб.в Т нб
З  0,537 З 0 нб нб.в
.
Т нб Т нб .в
(23)
Причем Т нб.в   в 8760 . Тогда уменьшение ежегодных затрат на
топливо в ЛЭП, содержащей НЭ, по сравнению с ЛЭП без него определяется по формуле
S т  0,537 З 0 Э год (1 /   1 /  в ) ,
(24)
где Sт − уменьшение ежегодных затрат на топливо.
Из (24) следует, что экономия топлива при одинаковой выработке зависит только от  и  в – плотностей исходного и выровненного графиков
нагрузки. Учитывая соотношение, связывающее мощность НЭ со степенью

Положим С = Св, что уменьшает величину ΔЗ, так как не учитывается разница в затратах
на энергетическое оборудование.
88
выравнивания графика нагрузки, можно утверждать, что существует зависимость экономии топлива от мощности НЭ, показанная на рис. 10.
1δт106, руб
25
20
15
10
0
0,1 0,2 0,3 Рн, о.е.
Рис. 10. Зависимость экономии топлива
от мощности НЭ (Т нб.  5500 ч;   0,53)
Из рис. 10 видно, что максимальное значение Sт достигается при мощности НЭ, обеспечивающей полное выравнивание графика нагрузки (γв = 1).
В общем случае, когда генерирующая часть ЭЭС содержит базовые,
полубазовые, полупиковые и пиковые станции различных типов, уменьшение затрат на топливо в ЭЭС, содержащей НЭ, по сравнению с системой без него определяется по следующей формуле:
З* 
З

З '
n1
m n2
i 1
j1 i 1
 C 0iб b iб Piб T    C 0iпп b iпп Р ijпп t ijпп 
n1
'
m n2
 C 0iб b iб Piб T    C 0iпп b iпп Р
'
i 1
j1 i 1
'
'
ijпп ijпп
t
... 

m n3
 ...
   C 0iп b iп Р ijп t ijп 
j1 i 1
'
m' n3
   C 0iп b iп Р t
j1 i 1
'
'
ijп ijп
m l
... 
   C cр Э  т 
j1 i 1
'
ij
m l
 ...
   C cр Э ij т
j1 i 1
  т {C 0б Э н N ц [(1  н ) / н ]}
,
(25)
где З и З − соответственно затраты на топливо, израсходованное
'
для выработки заданного графиком нагрузок количества электроэнергии,
при выровненном графике (наличии в ЭЭС НЭ) и при неравномерном
графике нагрузок;  т − доля топливной составляющей в стоимости выработки 1 кВтч энергии для заданной системы; Э ij − потери энергии на
j-й ступени графика нагрузок в i-м элементе сети.
Уменьшение затрат на топливо за период Т
Sт  Зт  З'т .
89
(26)
Ежегодная экономия топлива определяется по формуле
Sт  (З т.раб  З'т.раб ) N раб  (З т.вых  З'т.вых ) N вых ,
(27)
где N раб , N вых − соответственно число рабочих, выходных и праздничных дней в году; Зт.раб, Зт.вых − затраты на топливо в рабочий и выходной день при отсутствии в ЭЭС накопителя; З 'т.раб , З'т.вых − то же, при его
наличии.
12.2. Снижение потерь электроэнергии
Потери энергии в ЛЭП рассчитываются следующим образом:
Э 
Р 2maxR л
8760  Т нб
[2Т нб  8760 
(1  ) 2 ] ,
1    2
U н2 cos 2 
(28)
где Э − годовые потери энергии, МВтч; Рmах − максимальная
мощность, передаваемая по ЛЭП, МВт: Uн − номинальное напряжение
линии, кВт; Rл − ее активное сопротивление; Тнб − число часов использования максимума нагрузки;  − коэффициент минимума нагрузки; 
− коэффициент плотности нагрузки.
С включением в ЛЭП накопителя энергии уменьшается Рmах, увеличиваются Тнб,  и  .
Пусть включение НЭ мощностью Рн изменяет Тнб до γв8760,  до
 в , а Рmах до Рв = Рmах − Рн.
Тогда коэффициент изменения ежегодных потерь энергии, связанный с включением НЭ, вычисляется следующим образом:
k пот
8760 (1   в )
(2 в  1)  8760 
(1   в ) 2
Э пот .в (Р max  Pн ) 2
1   в  2 в
. (29)



8760 (1   )
Э пот
Р 2max
(2  1)  8760 
(1  ) 2
1   в  2
Введем обозначения: 1 − Рн = (Рmax − Рн) / Рmax, с учетом которых выражение (29) примет вид
(1   в )(1   в ) 2
1   в  2 в
 (1  Р *н ) 2 
.
(1   )(1  ) 2
2  1 
1    2
2 в  1 
k пот
90
(30)
Рассмотрим случай полного выравнивания графика нагрузки (  в = 1,
 в = 1).
В соответствии с выражением для мощности НЭ Рн = 1 − γ. Коэффициент изменения потерь
k пот  (1  1   ) 2
1
.
(1   )(1  ) 2
2  1 
1    2
После преобразования
k пот 
 2 (1    2)
.
(   ) 2   (   )
(31)
Рассмотрим неравенство
k пот  1 ,
(32)
из которого с учетом (31) получим (  −1) (  −  ) < 0.
Из определения Тнб следует, что неравенство PminТ < PнбТнб справедливо, откуда  <  .
2
Тогда для всех  < 1, k пот  1 , следовательно, полное выравнивание
графика нагрузки ηн приводит к уменьшению потерь энергии. На рис. 11
показана зависимость коэффициента уменьшения потерь от степени выравнивания графика нагрузки [ k пот = f(  ,  )].
kпот
1,0
Β = 0,4 0,5 0,6 0,7
0,9
0,8
, о.е.
0
0,4
0,6 0,7 0,9
Рис. 11. Зависимость степени уменьшения потерь
от степени выравнивания графика нагрузки.
91
С учетом вышесказанного, эффект от уменьшения потерь при
включении НЭ определяется по формуле
Sпот  З0 (1  k пот )R л Р 2max 
(2  1)8760  [Tнб /(1    )](1  ) 2
.
U н2 соs2
(33)
12.3. Уменьшение капиталовложений
в электроэнергетические системы
Капиталовложения в ЭЭС определяются суммой нескольких слагаемых, которые рассмотрим по отдельности.
Уменьшение капиталовложений в электростанции. Установленная
мощность ЭС соответствует максимуму ее графика нагрузки (Рmaх) с учетом резерва. Включенные в состав энергосистемы НЭ обеспечивают заполнение пиковой части графика нагрузки, снижая тем самым максимум
до Рmах в. Следовательно, суммарная установленная мощность ЭС может
быть уменьшена до Р в = Рmах в и тогда они будут работать по более равномерным графикам. При этом количество вырабатываемой электроэнергии
не изменится. Использование НЭ позволит также отказаться от строительства пиковых и полупиковых ЭС, так как их роль выполняют НЭ.
Капиталовложения в i-ю ЭС определяются по формуле
КЭСi = kустiPmax
(34)
где kустi – i-я стоимость 1 кВт установленной мощности.
В результате изменения установленной мощности ЭС в электропередаче с НЭ ежегодная экономия капиталовложений и эксплуатационных
расходов составит
ΔSЭС = (ен + ан) kустi (Рmax – Рmax в),
(35)
где ен, ан – соответственно нормативные коэффициенты эффективности и амортизации капиталовложений.
При включении НЭ в состав ЭЭС капиталовложения в ЭС равны
КЭСi = kуст Рmax в.
(36)
Эффект от уменьшения капиталовложений в ЭС возникает лишь при
мощности НЭ, большей или равной минимальной стандартной мощности
единичного турбоагрегата, выпускаемого промышленностью. Причем
ΔSЭС возрастает с увеличением Рн. Максимальный эффект достигается
при полном выравнивании графика нагрузки.
Уменьшение капиталовложений в линии электропередач. Часто
максимальная загрузка ЛЭП значительно отличается от средней. Уста92
новка НЭ на приемных подстанциях позволит обеспечить максимальную
мощность потребителя без увеличения пропускной способности ЛЭП.
Поскольку график нагрузки выравнивается, передаваемая пиковая мощность уменьшается до Рнб.в. При этом по ЛЭП будет передаваться то же
количество энергии, что и в случае без НЭ, следовательно, появляется
возможность строительства ЛЭП меньших габаритов, чем прежде. Снижается расход цветных металлов, связанный с уменьшением токовых
нагрузок линий. С увеличением загрузки уже существующих ЛЭП отпадает необходимость строительства новых. Эффект от функционирования
НЭ в этом случае можно определить капиталовложениями на сооружение
дополнительной ЛЭП, постройка которой была бы необходимой при его
отсутствии и по которой передавалась бы разница между Рmax i и Рmax iв.
Капиталовложения в i-ю ЛЭП.
1/ 4
К ЛЭП
i
 Pmax i 

 a
 1,1 3U n 
н


ln,
(37)
где a – коэффициент, зависящий от типа опор, класса напряжения, района гололеда; Uн – номинальное напряжение линии; l – ее
длина; n – число ЛЭП.
Так как включение НЭ в состав ЭЭС снижает максимум мощности, передаваемой по ЛЭП до Р mах iв , то капиталовложения в линии в
ЭЭС с накопителем можно определить следующим образом:
1/ 4
К ЛЭП
iв
 Pmax iв 

 a
 1,1 3U n 
н 

ln,
(38)
Уменьшение затрат на сооружение и эксплуатацию ЛЭП связано
с установкой НЭ, может быть оценено с помощью выражения
S ЛЭП i
 Pmax i  Pmax
 (ен  a ЛЭП )а
 1,1 3U n
н

iв




1/ 4
ln,
(39)
Эффект от уменьшения капиталовложений в ЛЭП возникает при
мощности НЭ большей или равной Р н min, соответствующей пропускной
способности стандартного сечения провода, применяемого в данном
классе напряжения. Таким образом, (38) и (39) справедливы при значениях мощности НЭ, больших либо равных приведенным ниже:
Uн, кB…………..35
110
150
220
330
500
Рн min, МВт……..4,66
14,67 34,29 125,7 377,2 475
93
Величина ΔSЛЭП возрастает с увеличением мощности НЭ Рн. Максимальный эффект достигается при полном выравнивании графика нагрузки.
Уменьшение установленных мощностей трансформаторных подстанций.
Приведенные затраты на трансформацию электрической энергии приближенно подсчитываются по выражению
Зтр = (ен + атр) Ктр n ,
где Ктр – расчетные капиталовложения в трансформаторы; n – число
трансформаторов.
Для удобства расчетов и формы записи были получены зависимости вида
a
тр
,
К тр  А тр Р ном
(40)
где Рном – номинальная мощность трансформатора; aтр – показатель
степени (его усредненное значение, согласно проведенным исследованиям, для всех классов напряжения и типов трансформаторов равно 0,50);
Атр – расчетный коэффициент, зависящий от типа трансформатора и
класса напряжения.
Считая, что суммарная установленная мощность трансформаторов
на подстанции приблизительно равна максимуму мощности графика
нагрузки этой подстанции, можем записать
З тр i  (е н  aтр )А тр (Р max i / n )
a тр
n.
При включении в ЭЭС накопителя произойдет изменение потокораспределения в сетях, уменьшение передаваемой мощности на Рн, следовательно,
появится возможность снижения установленных мощностей трансформаторных подстанций на эту величину.
Возникающая при этом экономия затрат оценивается стоимостью трансформаторов, за счет которых уменьшена мощность подстанции. Мощность
этих трансформаторов
S тр i  (е н  a тр )А тр (Р н / n )
aтр
(41)
n
Расчетные затраты на трансформаторные подстанции в ЛЭП с НЭ равны
З тр i  (е н  aтр )А тр (Р max
i
/ n)
a тр
n
.
(42)
Однако выражение (41) имеет смысл лишь при мощности НЭ, большей
или равной минимальной стандартной мощности трансформатора, применяемого для данного класса напряжения Pн min ≥ Sтp. Максимальное значение
ΔSтp достигается при мощности НЭ, обеспечивающей полное выравнивание
графика нагрузки.
94
12.4. Повышение надежности электроснабжения потребителей
Включение НЭ в ЭЭС позволит значительно повысить надежность
электроснабжения потребителей. При установке НЭ на шинах потребителя
он, при отключении питающих ЛЭП, сможет выполнять функции источника
питания. Так, например, НЭ, установленный на шинах ЭС, сможет поддерживать работу блоков при внезапном набросе нагрузки.
Повышение надежности работы ЭЭС в значительной степени будет зависеть от места установки НЭ и его характеристик.
В общем случае экономию за счет повышения надежности можно определить следующим образом:
ΔSнад = (ΔЭ – ΔЭн)Ууд – (ен + aР)КрРр,
(43)
где ΔЭ, и ΔЭн – соответственно годовой недоотпуск энергии в системе
без НЭ и с НЭ; Ууд – удельный ущерб от недоотпуска энергии; Кр – капиталовложения устройств, устанавливаемых для повышения надежности электроснабжения потребителей; Рр – мощность резервных устройств.
12.5. Повышение устойчивости работы
электроэнергетической системы
Накопитель энергии может достаточно быстро отдавать и поглощать энергию и тем самым значительно повышать устойчивость работы ЭЭС, демпфируя возникающие колебания. Успешное выполнение
этой задачи также будет зависеть от места установки НЭ в ЭЭС и от
его характеристик.
Экономический эффект от повышения устойчивости в общем случае
определяется по формуле
ΔSсут = (ен + a)КдопР доп,
(44)
где Кдоп – капиталовложения в дополнительные устройства, устанавливаемые для обеспечения статической и динамической устойчивости; Рдоп – мощность устройства.
12.6. Уменьшение вредного влияния на окружающую среду
Установка НЭ в ЭЭС позволяет выравнивать график нагрузки, за
счет повышения экономичности режимов работы ЭС, и тем самым снижать количество сжигаемого топлива для производства необходимой
электроэнергии. Это уменьшит объем выбросов в атмосферу на ТЭС.
Кроме того, включение накопителя в ЭЭС позволяет отсрочить строительство новых ЛЭП за счет максимального использования пропускной
способности существующих. Следовательно, уменьшается площадь
отчуждения под новые ЛЭП.
95
Экономический эффект от действия этих факторов приблизительно
можно определить по следующей формуле:
Sэк  (ен  a)К з  У ЛЭПSЛЭП n  (B  Bн )У з ,
(45)
где Кз – капиталовложения в устройства, уменьшающие вредное
влияние выбросов золы; У ЛЭП – удельный ущерб в результате отчуждения площадей под новые ЛЭП; SЛЭП – площадь отчуждения под
ЛЭП; n – число линий, строительство которых можно отсрочить; В, Вн
− соответственно количество сжигаемого топлива в ЭЭС без НЭ и с НЭ;
Уз – удельный ущерб от выбросов золы в окружающую среду (точно
не определен).
12.7. Результирующий экономический эффект
от функционирования накопителей энергии
Результирующий экономический эффект ΔSΣ от функционирования
НЭ в ЭЭС зависит в конечном итоге от места его установки, которое
предопределяет мощность, энергоемкость и график работы НЭ, влияя тем
самым на величину всех составляющих данного эффекта. Кроме того,
результирующая экономия не является арифметической суммой всех слагаемых эффекта. В зависимости от места установки НЭ в ΔSΣ будут входить различные составляющие экономии.
При установке НЭ в центре нагрузки результирующая экономия
ΔS∑ = ΔSт + ΔSЭС + ΔSЛЭП + ΔSПОТ + ΔSТР + ΔSНАД + ΔSУСТ + ΔSЭК.
На рис. 12 показана зависимость ΔS∑ = f(Pн), из которой видно, что
ΔS∑ увеличивается с ростом мощности НЭ и достигает максимума при
полном выравнивании графика нагрузки в месте его установки.
Рис. 12. Зависимость экономической эффективности и капиталовложений
в энергосистему от мощности НЭ без учета затрат на него
(Р m а х = 1 500 М В Т ; Т н б = 7400 ч; β = 0,6)
96
В табл. 6 приведено процентное соотношение составляющих экономического эффекта от функционирования НЭ в ЭЭС (для оптимальной
мощности НЭ).
Таблица 6
Составляющие экономического
эффекта
%
Экономия топлива
46
Уменьшение мощности ЭС
Уменьшение капиталовложений в ЛЭП
Уменьшение потерь энергии
Составляющие экономического эффекта
%
Снижение мощности
подстанций
0,2
27
17
Прочие
1,0
7,8
Суммарный экономический
эффект
100
Таким образом, основной эффект от использования НЭ в энергосистеме обусловлен экономией топлива. Немаловажное значение имеет
также уменьшение мощности ЭС.
12.8. Экономическая эффективность
использования накопителей энергии
Экономическую эффективность Sн применения НЭ для выравнивания графиков электрических нагрузок ЭЭС можно определить по следующей формуле:
Sн = Δ S∑ – Зн
(46)
Для экономически целесообразной установки НЭ в ЭЭС должно выполняться условие Sн ≥ 0.
С учетом (46) оно примет вид
Δ S∑ ≥ З н
(47)
Выражение (47) позволяет определить максимальные значения стоимостных показателей НЭ, обеспечивающих получение положительного
экономического эффекта при его установке. Они определяются следующим образом:
kЭ 
S  k P Pн (ен  аР )
;
(ен  аАЭ )Эн
kP 
S  (ен  аР )k эЭн
.
(ен  аP )Pн
(48)
Накопители энергии являются своеобразными устройствами переработки электроэнергии, причем по сравнению с потребляемой энергией в
режиме заряда происходит ее удорожание.
97
Стоимость одного киловатт-часа энергии, отпущенной НЭ, определяется по выражению
С0н = С0б + 1 / (ЭнNц){(αАЭkЭЭн+ аРkРРн) + [(1 – ηн) / ηн] ЭнС0бNц},
где Соб – стоимость выработки 1 кВт*ч электроэнергии базовой
станцией, от которой заряжается НЭ.
Полученные выражения дают возможность определить показатели
экономической эффективности применения НЭ, на основе которых можно сделать вывод о целесообразности их использования для выравнивания графиков электрических нагрузок.
13. СРАВНЕНИЕ ТИПОВ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ
Накопители энергии можно разделить на группы по трем основным
характеристикам: номинальной энергоемкости, быстродействию, требованиям к месту установки. Эти характеристики в основном будут определять возможности использования накопителей энергии в ЭЭС (табл. 7).
Таблица 7
Характеристики накопителей энергии
Экономически
оптимальная
мощность или
электроемкость
КПД,
%
Удельная
энергоемкость,
Дж/м3
Разряда
Хранения
Гидроаккумулирующая ЭС
200–400 МВт
65–75
103
10–104
не ограничено
Сжатого воздуха
200–1000 МВт
70
106
10–105
10–105
50–200 МВт
65–75
-
-
ограничено
20–50 МВт·ч
60–75
107
10-1–10-3
ограничено
20–50 МВт·ч
70–80
-
-
ограничено
Тип накопителя
энергии
Тепловой
Со свинцовокислотными аккумуляторами
С аккумуляторами
новых типов
С маховиком
Водородный
Сверхпроводящий
индуктивный
На конденсаторах
новых типов
Гравитационный
10–50 МВт·ч
70–85
10
6
7
Время, с
10 –10
-1
-2
ограничено
-
не ограничено
107
10-4-104
ограничено
До 85
105
10-4–104
ограничено
80–90
104
10-3–10-2
не ограничено
20–50 МВт
20–40
10
До 400 МВт
75-90
1–1000 МВт·ч
10-1–103 МВт
05–200 МВт
98
Накопители энергии разделяются на две группы:
1) маневренные с малым значением времени реверса (до 1 с), но
рассчитанные на небольшую (до 109 Дж) энергоемкость (химические,
инерционные);
2) не обладающие большим быстродействием, но рассчитанные на
энергоемкость до 1014 Дж (ГАЭС и тепловые НЭ).
НЭЭ обладают самым большим диапазоном энергоемкости и высоким быстродействием.
Следовательно, они могут использоваться как для выравнивания
графиков нагрузки, так и для повышения устойчивости и надежности
ЭЭС. НЭЭ – единственный тип накопителей, аккумулирующих непосредственно электрическую энергию, поэтому обладают самым высоким
КПД. Они инвариантны к месту установки, могут быть расположены в
центрах нагрузки и непосредственно у потребителя. НЭЭ практически
бесшумны в работе, достаточно надежны, так как не имеют движущихся
частей. Следовательно, их можно использовать комплексно в ЭЭС.
Недостатки НЭЭ связаны в основном с использованием в качестве
устройства управления тиристорных преобразователей, требующих дополнительной реактивной мощности и генерирующих высшие гармонические
составляющие, которые искажают синусоидальность переменного тока.
Несмотря на ряд недостатков, НЭЭ являются самыми перспективными типами НЭ для энергетики. Для уменьшения существующих недостатков НЭЭ (в первую очередь высокой стоимости) большой интерес
представляет использование различных типов НЭ, создание накопительных комплексов, содержащих дешевые, но не маневренные НЭ (ТАЭС,
тепловые НЭ), и высокоманевренные, более дорогие НЭ (инерционные
НЭ). Такие системы могут решать большой комплекс задач, поставленных ЭЭС и будут достаточно дешевыми.
99
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Введение в электроэнергетические системы накопителей энергии в
качестве самостоятельной структурной единицы обусловлено объективными причинами. Более того, на ближайшую перспективу нет альтернативы ЭЭС, содержащей мощные ТЭС и АЭС в сочетании с накопителями
энергии. Когда накопительные устройства станут полноправным элементом ЭЭС, уйдет в прошлое проблема максимума нагрузки, исчезнет специфическая особенность электроснабжения – непрерывность, одновременность производства и потребления.
За последние годы наблюдается тенденция к расширению использования нетрадиционных источников энергии (ветровой, солнечной и т. д.)
как к насущной необходимости развивать методы генерирования энергии, не истощающие органические ресурсы топлива и минимально воздействующие на окружающую среду. Использование аккумуляторов позволяет придать переменному поступлению ветровой и солнечной энергии
во времени постоянный характер.
Области применения накопителей энергии непрерывно расширяются, соответственно расширяются требования к их конструктивному исполнению, технико-экономическим показателям и т. д. – все это способствует интенсификации работ по их совершенствованию и всестороннему
исследованию.
100
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Изобразите типичный суточный график потребления электроэнергии
промышленным городом.
2. Какими интегральными параметрами характеризуются графики электрических нагрузок?
3. Каковы тенденции развития потребителей электроэнергии?
4. Изложите основные направления развития генерирующих мощностей в электроэнергетических системах.
5. Чем вызвано применение накопителей энергии в электроэнергетических системах?
6. Что входит в структуру аккумулирующих устройств для электрических систем?
7. Перечислите основные параметры накопителей энергии.
8. Объясните функции накопителей энергии.
9. Как подразделяются механические накопители?
10. Перечислите известные вам примеры статических механических
накопителей.
11. Какие конструкции характерны для динамических механических
накопителей?
12. Охарактеризуйте реакции, освобождающие энергию в аккумуляторах
химической энергии.
13. Объясните принцип работы свинцового аккумулятора.
14. Как устроен и работает топливный элемент?
15. Каким образом аккумулируется энергия в емкостных накопителях?
16. Изложите принцип работы электрохимического конденсатора.
17. Назовите основные области применения электрохимических конденсаторов.
18. Охарактеризуйте применение электрохимических конденсаторов на
транспорте.
19. Для каких целей применяются электрохимические конденсаторы в
системах электроснабжения?
20. Объясните устройство и работу индуктивного накопителя.
21. Перечислите преимущества сверхпроводящих индуктивных накопителей.
22. Каковы функции линейных накопителей электромагнитной энергии?
23. Охарактеризуйте путь преобразования энергии в электромеханических накопителях.
24. Дайте классификацию тепловых аккумуляторов и укажите область
их применения.
101
25. Какой компонент накапливается в магнитогидродинамических электрогенераторах и с какой целью?
26. Виды моделей при изучении накопителей энергии.
27. Как осуществляется экономико-математическое моделирование
накопителей энергии?
28. Каким образом и для чего применяется физическое моделирование
накопителей энергии?
29. Охарактеризуйте эффективность применения накопителей энергии в
электроэнергетических системах для снижения затрат на производство и
передачу электроэнергии.
30. Проведите сравнение основных типов накопителей энергии по энергоемкости, КПД, быстродействию.
31. Какой вид энергии с наименьшими затратами хранится, накапливается и транспортируется и почему?
32. Почему необходимо применение накопителей энергии в возобновляемых источниках энергии (солнечной, ветровой)?
102
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Веников В. А. и др. Накопители энергии в электрических системах /
Веников В. А., Астахов Ю. Н., Газарян А. Г. – М.: Энергия, 1989. −
159 с.
2. Накопители энергии / Д. А. Бут, Б. Л. Алиевский, С. Р. Мизюрин, П.
В. Васюкевич. – М.: Энергоатомиздат, 1991. − 400 с.
3. Гулиа Н. А. Инерция. – М.: Наука, 1982. − 152 с.
4. Еременко В. Г., Соломин А. Н. Принципы построения преобразователей энергии. – М.: Издательство МЭИ, 2002. − 56 с.
5. Михайлов В. В., Поляков М. А. Потребление электрической энергии
– надежность и режимы. – М.: Высшая школа, 1989. − 144 с.
6. Стырикович М. А., Шпильрайн Э. Э. Энергетика. Проблемы и перспективы. – М.: Энергия, 1981. − 192 с.
7. Козлов В. Б. Энергетика и природа. – М.: Мысль, 1982. − 92 с.
8. Гулиа Н. В. Накопители энергии. – М.: Наука, 1980. − 150 с.
9. Сипайлов Г. А., Хорьков К. А. Генераторы ударной мощности. – М.:
Энергия, 1979. − 127 с.
10. Сенилов Г. Н. и др. Расчет и эксплуатация светотехнических импульсных установок и источников питания / Сенилов Г. Н., Родионов
Л. В., Ширшов Л. Г. – М.: Энергоатомиздательство, 1989. − 194 с.
11. Веников В. А. и др. Сверхпроводники в энергетике / Веников В. А.,
Зуев Э. Н., Околотин В. С. – М.: Энергия, 1972. − 119 с.
12. Веников В. А. и др. Энергетика в современном мире / Веников В. А,,
Журавлев В. Г., Филиппова Т. А.– М.: Знание, 1986. − 191 с.
1.
103
ОГЛАВЛЕНИЕ
1.
1.1.
1.2.
1.3.
2.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
3.
3.1.
3.2.
3.2.1.
3.2.2.
3.2.3.
3.3.
4.
5.
5.1.
5.2.
6.
6.1.
6.2.
6.3.
6.3.1.
6.3.2.
6.3.3.
Введение………………………………………………………
Список аббревиатур.................................................................
Системные предпосылки использования накопителей
энергии в стационарной энергетике…………………………
Тенденции развития потребителей электрической
энергии………………………………………………………..
Основные направления развития генерирующих
мощностей…………………………………………………….
Накопители энергии – новая структурная единица в электроэнергетической системе…………………………………..
Характеристики накопителей энергии………………………
Структура аккумулирующих устройств для электроэнергетических систем…………………………………………….
Параметры сопоставления накопителей энергии…………..
Типы накопителей энергии…………………………………..
Функции накопителей энергии………………………………
Аккумуляторы механической энергии……………………...
Классификация механических накопителей………………..
Статические механические накопители…………………….
Механические накопители с упругими твердотельными
элементами……………………………………………………
Гравитационные механические накопители………………..
Газоаккумулирующие механические накопители………….
Динамические (инерционные) механические
накопители……........................................................................
Аккумуляторы химической энергии………………………...
Электрохимические накопители энергии…………………...
Аккумуляторные батареи…………………………………….
Топливные элементы…………………………………………
Накопители электрической энергии………………………...
Емкостные накопители……………………………………….
Электрохимические конденсаторы………………………….
Области применения электрохимических
конденсаторов………………………………………………..
Использование электрохимических конденсаторов в качестве резервного источника питания…………………………
Применение электрохимических конденсаторов
на транспорте…………………………………………………
Оценка применения электрохимических конденсаторов
104
3
4
6
6
8
10
15
15
16
16
17
19
19
20
20
21
21
22
24
28
28
29
33
33
35
39
40
42
7.
7.1.
7.2.
7.3.
8.
9.
10.
11.
11.1.
11.2.
11.3.
11.4.
11.5.
11.6.
12.
12.1.
12.2.
12.3.
12.4.
12.5.
12.6.
12.7.
12.8.
13.
для использования энергии торможения транспортных
средств………………………………………………………... 47
Аккумуляторы магнитной энергии…………………………. 53
Индуктивные накопители…………………………………… 53
Сверхпроводящие индуктивные накопители………………. 55
Линейные накопители электромагнитной энергии……….
57
Электромеханические накопители энергии………………..
59
Тепловые аккумуляторы…………………………………….. 61
Магнитогидродинамические электрогенераторы................. 65
Моделирование накопителей энергии……………………… 68
Задачи, решаемые с помощью накопителей энергии в
электроэнергетических системах…………………………… 68
Режимы работы накопителей энергии……………………… 69
Режимные параметры накопителей энергии………………. 71
Экономико-математическое моделирование накопителей
энергии………………………………………………………... 71
Математическое моделирование накопителей электрической энергии………………………………………………..
74
Физическое моделирование накопителей электрической
энергии………………………………………………………... 81
Эффективность применения накопителей энергии в электроэнергетической системе…………………………………. 86
Экономия топлива…………………………………………… 87
Снижение потерь электроэнергии………………………….. 90
Уменьшение капиталовложений в электроэнергетические
системы……………………………………………………….. 92
Повышение надежности электроснабжения
потребителей…………………………………………………. 95
Повышение устойчивости работы электроэнергетической
системы……………………………………………………….. 95
Уменьшение вредного влияния на окружающую среду…... 95
Результирующий экономический эффект от функционирования накопителей энергии…………………………….
96
Экономическая эффективность использования накопителей энергии…………………………………………………
97
Сравнение типов накопителей энергии…………………….. 98
Заключение ………………………………………................... 100
Контрольные вопросы …………………................................. 101
Список использованной литературы……………………...... 103
105
Анатолий Григорьевич Сошинов
Геннадий Григорьевич Угаров
НАКОПИТЕЛИ ЭНЕРГИИ
В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
СИСТЕМАХ
Учебное пособие
Редактор Попова Л. В.
Темплан 2007 г., поз. № 25.
Лицензия ИД №04790 от 18.05.2001
Подписано в печать 03. 07. 2007.
Формат 60×84 1/16. Бумага листовая.
Усл. печ. л. 6,63. Усл.-авт. л. 6,44.
Тираж 100 экз. Заказ .
Волгоградский государственный технический университет.
400131, Волгоград, просп. им. В. И. Ленина, 28
РПК «Политехник»
Волгоградского государственного технического университета
400131, Волгоград, ул. Советская, 35
106