Обзор накопителей (аккумуляторов) энергии

Обзор накопителей (аккумуляторов) энергии

При производстве электроэнергии необходимыми составляющими в цепочке являются накопитель энергии и электрогенератор. Для традиционных способов генерации электроэнергии накопитель энергии находится перед электрогенератором. Например, вода, запасенная в водохранилище гидроэлектростанции, обладает гравитационной энергией и может расходоваться по мере надобности для вращения турбин электрогенератора. На тепловой электростанции энергия вначале запасается в виде угля, мазута или газа, которые также используются в соответствии с потребностями. На атомных электростанциях роль накопителя выполняет ядерное топливо. Вышеприведенные электростанции могут работать в режиме постоянной мощности, изменяя ее только при изменении энергопотребления. При производстве электрической энергии с использованием так называемых альтернативных источников (например, ветер, солнце) возникает проблема непостоянства их мощности, которая отсутствует при производстве энергии традиционными способами. Поэтому необходимо энергию источника вначале запасти в накопителе энергии, а затем уже расходовать энергию накопителя, преобразуя ее, например, в электрическую энергию в необходимом количестве. При этом накопитель будет играть роль демпфирующего устройства, сглаживающего колебания мощности источника. Стоимость накопителя играет существенную роль в цене производимой электроэнергии [11].

Помимо вышесказанного накопители энергии могут применяться и для других целей, например, для генерации сильных и сверхсильных магнитных полей [5, 7, 10].

Соотношение между единицами измерения энергии

При емкости конденсатора 1 Ф и напряжении 250 В запасенная энергия составит: E = CU² /2 = 1 ∙ 250² /2 = 31.25 кДж ~ 8.69 Вт · час. Если использовать электролитические конденсаторы, то их масса может составить 120 кг. Удельная энергия накопителя при этом 0.26 кДж/кг. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 9 Вт. Срок службы электролитических конденсаторов может достигать 20 лет. Ионисторы по плотности запасаемой энергии приближаются к химическим аккумуляторным батареям. Достоинства: накопленная энергия может быть использована в течение короткого промежутка времени.

Копрового типа [5]. Вначале поднимаем тело массой 2000 кг на высоту 5 м. Затем тело опускается под действием силы тяжести, вращая электрогенератор. E = mgh ~ 2000 ∙ 10 ∙ 5 = 100 кДж ~ 27.8 Вт · час. Удельная энергия 0.05 кДж/кг. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 28 Вт. Срок службы накопителя может составлять 20 и более лет. Достоинства: накопленная энергия может быть использована в течение короткого промежутка времени.

Гидравлический. Вначале перекачиваем 10 т воды из подземного резервуара (колодца) в емкость на вышке. Затем вода из емкости под действием силы тяжести перетекает обратно в резервуар, вращая турбину с электрогенератором. Легко обеспечить разницу высот 10 м. Тогда E = mgh ~ 10000 ∙ 10 ∙ 10 = 1 МДж = 0.278 кВт · час. Удельная энергия 0.1 кДж/кг. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 280 Вт. Срок службы накопителя может составлять 20 и более лет. Достоинства: при использовании ветродвигателя последний может непосредственно приводить в движение водяной насос, вода из емкости на вышке может использоваться для других нужд.

Энергия, запасаемая в маховике, может быть найдена по формуле E = 0.5 J w² , где J - момент инерции вращающегося тела.

где r - плотность материала, из которого изготовлен цилиндр.

Предельная линейная скорость на периферии маховика V_max (составляет примерно 200 м/с для стали).

Для стального цилиндрического маховика максимальная удельная энергия составляет приблизительно 10 кДж/кг. Для маховика массой 100 кг (R = 0.2 м, H = 0.1 м) максимальная накопленная энергия может составлять 0.25 ∙ 3.14 ∙ 8000 ∙ 0.2² ∙ 0.1 ∙ 200² ~ 1 МДж ~ 0.278 кВт · час. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 280 Вт. Срок службы маховика может составлять 20 и более лет. Достоинства: накопленная энергия может быть использована в течение короткого промежутка времени, характеристики могут быть существенно улучшены [3, 4].

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

В стальной резервуар емкостью 1 м³ закачивается воздух под давлением 50 атмосфер. Чтобы выдержать такое давление, стенки резервуара должны иметь толщину примерно 5 мм. Сжатый воздух используется для выполнения работы. При изотермическом процессе работа A, совершаемая идеальным газом при расширении в атмосферу, определяется формулой [12]:

где M - масса газа, m - молярная масса газа, R - универсальная газовая постоянная, T - абсолютная температура, V₁ - начальный объем газа, V₂ - конечный объем газа. С учетом уравнения состояния для идеального газа (P₁ V₁ = P₂ V₂ ) для данной реализации накопителя V₂ / V₁ = 50, R = 8.31 Дж/(моль · град), T = 293 ⁰K, M / m ~ 50 : 0.0224 ~ 2232, работа газа при расширении 2232 ∙ 8.31 ∙ 293 ∙ ln 50 ~ 20 МДж ~ 5.56 кВт · час за цикл. Масса накопителя примерно равна 250 кг. Удельная энергия составит 80 кДж/кг. При работе пневматический накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 5.5 кВт. Срок службы пневматического накопителя может составлять 20 и более лет. Достоинства: накопительный резервуар может быть расположен под землей, в качестве резервуара могут использоваться стандартные газовые баллоны в требуемом количестве с соответствующим оборудованием, при использовании ветродвигателя последний может непосредственно приводить в действие насос компрессора, имеется достаточно большое количество устройств, напрямую использующих энергию сжатого воздуха.

Ниже приведена таблица с параметрами рассмотренных накопителей энергии.

Накопитель энергии	Характеристики возможной реализации накопителя	Запасенная энергия, кДж	Удельная запасенная энергия, кДж/кг	Максимальное время работы на нагрузку 100 Вт, минут	Срок службы, лет
Конденсаторный	Батарея емкостью 1 Ф, напряжением 250 В, масса 120 кг	31.25	0.26	5.2	до 20
Копровый	Масса копра 2 т, высота подъема 5 м	100	0.05	16.7	более 20
Гидравлический гравитационный	Масса воды 10 т, высота перекачки 10 м	1000	0.1	167	более 20
Маховик	Стальной маховик массой 100 кг, диаметр 0.4 м, толщина 0.1 м	1000	10	167	более 20
Свинцово-кислотный аккумулятор	Емкость 190 А · час, выходное напряжение 12 В, масса аккумулятора 70 кг	3900	56	650	3 ... 5
Пневматический	Стальной резервуар объемом 1 м³массой 250 кг со сжатым воздухом под давлением 50 атмосфер	20000	80	3300	более 20

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

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