Какое устройство в автомобиле служит для накопления электроэнергии

Накопитель энергии

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

Потенциальная энергия

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

Гидроэлектростанции

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

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

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

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

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

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

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

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

Накопители тепловой энергии

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

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

Проблем у накопителей тепловой энергии достаточно много. К примеру:

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

Аккумуляторы энергии сжатого газа

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

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

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

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

Накопители электрической энергии

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

Конденсатор

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

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

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

Ионистор

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

Аккумуляторы химического преобразования

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

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

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

В качестве заключения

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

Источник

Потребители электроэнергии. Сведения об электронных системах

Электрооборудование предназначено для обеспечения функционирования большинства систем транспортного средства.

Потребителями электроэнергии в транспортном средстве являются системы:

Кроме того, электроэнергию потребляют контрольные приборы (амперметры, указатели температуры охлаждающей жидкости и др.), приводы управления механизмами и дополнительное оборудование (вентиляторы, стеклоочистители и т.д.).

Основным источником электроэнергии является генератор с приводом от двигателя ТС, а вспомогательном — аккумуляторная батарея. Источники энергии обеспечивают также зажигание рабочей смеси в цилиндрах карбюраторных и газовых двигателей, т.е. работу систем зажигания этих двигателей.

Читайте также:  Кбм на второй автомобиля

Источники электроэнергии связаны с потребителями проводами. На ТС (колесных и гусеничных) применяется однопров9дная система проводки, в которой положительные полюсы источников и потребителей, работающих только на постоянном токе, соединены друг с другом изолированными проводами. Отрицательные полюсы соединяются через металлические части ТС (корпус машины, рама и др.). Использование однопроводной системы обеспечивает экономию проводов и упрощает схему соединения электрооборудования. Приборы аварийного освещения некоторых ТС подключают к источникам электроэнергии с применением двухпроводной системы.

К электрооборудованию относятся также выключатели, отключатели «массы» (отсоединяющие отрицательный полюс источника электроэнергии от корпуса ТС), предохранители, приборы, обеспечивающие работу генератора и стартера. Выключатели, предохранители и соединительные панели, имеющиеся в электросхеме, составляют группу коммутационной аппаратуры. Приборы, кратковременно потребляющие ток большой силы, и приборы, работающие в аварийных случаях (например, стартер, сигнал, подкапотная лампа для подсветки и др.), подключены к линии «амперметр—аккумулятор», а остальные потребители электроэнергии — к линии «амперметр—генератор». Контрольные приборы, звуковой сигнал и подсветка включены в цепь через плавкие предохранители, защищающие их от перегрузки.

Рис. Схема автоматизации управления трансмиссией полноприводного автомобиля

Схема электрооборудования гусеничной машины мало отличается от электросхемы автомобиля. Потребителями электроэнергии в гусеничных машинах являются, например, электродвигатели насосов, вентиляторов и других вспомогательных механизмов, а основными контрольно-измерительными приборами, обеспечивающими контроль за состоянием и работой всех систем, служат вольтамперметр, тахометр, спидометр, счетчик моточасов, манометры, термометры и др.

Вольтамперметр (комбинированный прибор) служит для измерения напряжения и силы тока, тахометр — для измерения частоты вращения коленчатого вала двигателя, а спидометр — для контроля скорости движения машины. Счетчик моточасов предназначен для измерения общей продолжительности работы двигателя.

Устройство и работу электрооборудования и приборов подробно изучают в специальных курсах по теории и эксплуатации ТС; схемы электрооборудования приводятся в техническом описании и инструкции по эксплуатации конкретной машины.

В настоящее время автотранспортная техника создается с применением электронных систем, заменяющих традиционные узлы электрооборудования: регуляторы напряжения, приборы подогрева ДВС, управления световой и звуковой сигнализацией, тахометры, спидометры и др. Электроника служит для контроля эксплуатационных параметров машин (расход топлива, режим работы ДВС, включения коробок передач и т.д.) и диагностики их технического состояния. Электронные устройства широко используются также для управления агрегатами трансмиссии, тормозными системами и т.д. Командная электромагнитная или электромеханическая аппаратура в электронных системах управляет исполнительными механизмами с гидро- или пневмоприводом. Широко внедряются различные микропроцессорные системы (ЭВМ), например, для автоматического управления переключением передач.

На рисунке представлена схема автоматизации управления трансмиссией автомобиля с межосевым фрикционным дифференциалом, задним активным дифференциалом и антиблокировочной системой (АБС). Эти устройства имеют общую гидравлическую систему и управляются одним компьютером, который в процессе движения автомобиля вычисляет оптимальный коэффициент блокировки и необходимую интенсивность перераспределения вращающего момента между колесами.

Источник

Емкостные накопители энергии 4.2.1. Общие сведения

Емкостные накопители электрической энергии являются перспективным видом источника бортового питания электромобиля. До недавнего времени использование емкостных накопителей считалось малоперспективным и трудоемким из-за характеристики разряда. Появление емкостных накопителей с большой удельной энергоемкостью позволяет рассматривать их как перспективный накопитель энергии.

Преимуществами емкостных накопителей по сравнению с аккумуляторными батареями являются:

Взаимосвязь основных параметров конденсатора описывается формулами:

где С — электрическая емкость конденсатора;

К — относительная диэлектрическая постоянная;

А — площадь пластины;

Е — напряженность электрического поля; р — плотность энергии.

Исходя из вышеуказанных зависимостей роста удельной энергоемкости можно достичь увеличением емкости С или достижением предельной напряженности электрического поля Е, одновременно

оптимизируя величины — и К.

Для решения этой задачи используют два подхода:

чины — (применение конденсаторов с двойным диэлектриче-б

Электростатические накопители энергии или емкостные накопители энергии большой емкости конструктивно подразделяются на два типа по используемому электролиту: щелочному и органическому. Российскими производителями ЕНЭ на щелочном электролите являются МНПО «ЭКОНД» (г. Москва) и АОЗТ «ЭЛИТ» (г. Курск). ЕНЭ на органическом электролите представлены различными фирмами, лучшими из них являются изделия фирмы Maxwell и Epcos. Разработанные и изготовленные к настоящему времени ЕНЭ имеют удельные показатели: массовой энергоемкости 5—10 Втч/кг, объемной энергоемкости 1 — 1,5 Вт ч/л, мощности 4—5 кВт/кг. Видно, что ЕНЭ не могут конкурировать с ТАБ по энергоемкости, однако их основными преимуществами по сравнению с ТАБ являются экологическая чистота, большая удельная мощность, высокая динамичность (способность быстрого заряжения), безуходность и большой срок службы.

Суперконденсатор призван побороться с традиционными аккумуляторными батареями за право поставлять энергию современным мобильным устройствам. Если раньше конденсаторы использовались только для кратковременного хранения небольшого электрического заряда, то в настоящее время так называемые «суперконденсаторы» могут хранить в сотни раз больше энергии, чем традиционные емкостные элементы, причем делать это на протяжении долгого времени без утечки заряда. Еще одним важным преимуществом суперконденсаторов по сравнению с батареями является способность быстрого разряда, в ходе которого развивается практически любая мощность, необходимая потребителю.

Приставку «супер» они получили благодаря своей емкости, которая примерно на три порядка больше, чем у обычных конденсаторов тех же габаритов. Вместе с тем суперконденсаторы остаются традиционными двухвыводными компонентами. Выпускаются они самых разнообразных форм — от малогабаритных монтируемых на поверхность приборов размером с монетку до крупногабаритных призматических или цилиндрических компонентов с винтовым креплением. Основное назначение — источники высокой импульсной энергии и дублирование основного источника питания (батареи).

В сущности, суперконденсатор не отличается от обычного электрического конденсатора, и значение его емкости рассчитывается по известной со школы формуле. Большая емкость достигнута за счет максимизации эффективной площади обкладок и уменьшения эффективного расстояния между ними до нескольких нанометров. В большинстве представленных на рынке суперконденсаторов электроды выполнены из углерода (гранулированного или порошкового).

Между ними расположен разделитель, пропитанный электролитом (водным или органическим раствором) с высокой концентрацией подвижных ионов. При контакте электрода с электролитом с двух сторон их межфазовой границы формируются слои с избыточными носителями противоположной полярности. Межфазовая граница раздела двух материалов толщиной всего несколько нанометров служит диэлектриком конденсатора. Таким образом, собственно конденсаторный элемент образуют два слоя с избыточной концентрацией носителей и граница их раздела.

Отсюда второе название суперконденсаторов — электрохимические двухслойные конденсаторы. С другой стороны разделителя формируется точно такая же структура, но с противоположной первой полярностью носителей в образующих ее слоях. Таким образом, практически один компонент объединяет два включенных последовательно конденсатора с различными значениями последовательного сопротивления.

Основные достоинства суперконденсаторов — большое значение емкости при малых габаритах, отсутствие необходимости применять специальные схемы зарядки или схемы управления процессом разрядки, дружественность окружающей среде (отсутствие вносимых загрязнений), возможность пайки выводов и благодаря этому высокая стабильность контактов (в отличие от батарей).

Рабочее напряжение большинства суперконденсаторов равно 2,3—2,5 В. Они хорошо выдерживают кратковременные перегрузки по напряжению, но превышение рекомендуемого значения рабочего напряжения в течение длительного периода может привести к разложению электролита, а это вызывает увеличение тока утечки или разрушение корпуса. Сейчас, правда, уже выпускаются суперконденсаторы на напряжение 3 или 4 В. Но при таких значениях напряжения их параметры быстро деградируют.

Вот почему основная область применения суперконденсаторов на «высокое» напряжение — электронные игрушки, для которых короткий жизненный цикл используемых компонентов не имеет большого значения. Если же необходимо длительно работать при повышенном напряжении, то, как и в случае традиционных компонентов, приходится включать конденсаторы последовательно или параллельно/последовательно, и при этом также, как обычно, значение эффективной емкости уменьшается.

При последовательном соединении конденсаторов возникает проблема неравномерного падения напряжения отдельных компонентов и вероятность превышения допустимого значения напряжения из-за рассогласования их параметров.

Избежать этого можно путем пассивного или активного симметрирования напряжений конденсаторного блока. При пассивном методе параллельно каждому конденсатору включается резисторный делитель напряжения.

Читайте также:  Модернизация автомобиля модернизация бампера

Причем значение сопротивления резисторов следует выбирать так, чтобы ток зарядки/разрядки был больше приведенного в технических условиях тока утечки и вместе с тем не вызывал сокращения срока службы батареи. При низких значениях тока утечки рекомендуется использовать резисторы с сопротивлением 470 кОм — 1,2 МОм.

При таком симметрировании напряжения матричного модуля любой конденсатор матрицы, напряжение которого превышает установленный уровень, разряжается.

Превышение указанного в ТУ максимального значения температуры на 10 °С может привести к сокращению срока службы прибора в два раза, в основном из-за увеличения Е811.

Поэтому рекомендуется работать при минимально возможной температуре. Если же это не удается, целесообразно уменьшать рабочее напряжение. Например, при температуре 85 °С снижение рабочего напряжения до 1,8 В позволит компенсировать негативные эффекты, вызываемые перегревом прибора. В случае работы при низких температурах можно слегка повышать напряжение по сравнению с его значением в ТУ.

При длительной работе (и хранении) пропитка суперконденсаторов «высыхает» (как у электролитических конденсаторов). Но при правильном использовании они могут выдержать более 500 тыс. циклов зарядки/разрядки без изменения емкости, а их минимальный срок службы достигать 10 лет.

Следует также помнить, что влияние окружающей среды и условий работы на основные параметры суперконденсаторов отличается от их воздействия на характеристики обычных конденсаторов.

Сегодня активно ведутся работы по созданию суперконденсаторов, в которых средой накопления заряда служат проводящие полимеры. Молекулы таких органических веществ, подобно молекулам полупроводниковых материалов, имеют центры захвата ионов, а их механизм проводимости аналогичен электронно-дырочной проводимости полупроводников.

Благодаря тому, что ионы накапливаются в объеме полимера, а не на поверхности проводящего электролита, емкость таких конденсаторов значительно выше, чем «обычных» суперконденсаторов. Изучается возможность сочетания полимеров с материалами, формирующими суперконденсатор, например, полипропилена с углеродными нанотрубками.

Правда, пока самый большой заряд был накоплен в «чисто» полимерной системе.

Современные энергоемкие электрические и электронные системы выдвигают жесткие требования к источникам питания. Разнообразное оборудование — от цифровых камер и портативных электронных устройств до электрических трансмиссий «гибридных» автобусов, грузовиков и легковых автомобилей — нуждается как в аккумулировании, так и в подаче необходимой энергии.

Современный разработчик может решить эту задачу двумя способами: использовать аккумулятор (или источник питания), способный обеспечить большой импульс тока, или присоединить параллельно менее мощной батарее суперконденсатор («гибридное» решение). Во втором случае назначение суперконденсатора — «страховка» основного источника питания (как правило, батареи) на случай падения его напряжения.

При падении напряжения батареи или необходимости подачи большого импульса тока на нагрузку функции источника питания выполняет суперконденсатор. Это обусловлено тем, что общий уровень (плотность) энергии батарей высокий, а плотность их мощности мала, тогда как у суперконденсаторов, наоборот, плотность энергии мала, а плотность мощности велика. В простейшем случае суперконденсатор дублирует батарею, обеспечивая ток зарядки на нагрузку.

В последнее время большое внимание уделяется применению суперконденсаторов в системах гибридных автомобилей, в которых для управления генератором используется двигатель внутреннего сгорания, а приводится автомобиль в движение с помощью электрического двигателя (или двигателей).

В этом случае двигатель внутреннего сгорания работает с почти постоянной скоростью и выходной мощностью, т. е. с наибольшей эффективностью, а суперконденсатор служит источником тока в начале движения или при ускорении «подзаряжается» при торможении.

Несомненно, суперконденсаторы не могут заменить аккумулятор транспортного средства, но их применение значительно расширяет возможности системы питания, улучшая стартовые свойства при низких температурах (благодаря большему пусковому крутящему моменту), стабилизируя напряжение системы питания и сохраняя энергию, выделяемую при торможении. В общем случае в системе питания транспортных средств целесообразно применять суперконденсаторы, время зарядки/разрядки которых составляет 5—60 с.

4.2.2. Справочные данные

Состояние, перспективные показатели и характеристики различных типов ЕНЭ прелставлены в табл. 4.2—4.6.

Таблица 4.2. Состояние и перспективные показатели ЕНЭ

Источник

Как накопить энергию без аккумулятора: очевидно и невероятно

Профессор из Беркли Дэвид Каммен считает электросети самой сложной машиной, которую когда-либо создавало человечество: «Она самая большая, самая дорогая, включает больше всего компонентов и при этом элегантно проста. В ее основе лежит единственный принцип – приток энергии должен постоянно равняться оттоку». Система работает как ресторан быстрого питания: сколько заказано блюд, столько и приготовлено, лишнее приходится выбрасывать. Между тем потребление электроэнергии меняется постоянно и довольно ощутимо.

Взглянув на графики, легко заметить, что нагрузка на сеть следует суточным и недельным циклам и повышена во время зимних холодов. Работа солнечных электростанций с этими периодами согласуется плохо: излучение есть именно тогда, когда его энергия меньше всего нужна, – днем. А ярче всего солнце светит летом. Производство электроэнергии ветряными станциями тоже подчиняется погодным условиям. Реакторы АЭС нельзя подстраивать под нужды потребителей: они выдают постоянное количество энергии, так как должны функционировать в стабильном режиме. Регулировать подачу тока в сеть приходится, меняя объемы сжигаемого топлива на газовых и угольных ТЭС. Энергосеть постоянно балансирует между выработкой электростанций и нуждами потребителей.

Если бы тепловые электростанции не приходилось регулировать и они могли работать всегда в оптимальном режиме, их ресурс был бы выше, а стоимость и потребление топлива – ниже. Но для этого сеть должна иметь запас энергии, который накапливался бы в периоды избыточного производства и отдавался на пиках потребления. Ну а если уж мы хотим вовсе отказаться от углеводородов и использовать только чистое электричество возобновляемых источников, то без средств для накопления энергии и стабилизации ее подачи в сеть никак не обойтись. Есть идеи?

Варианты очевидные

Электросети начали проектировать больше века назад с учетом технологий того времени, и сегодня даже в самых развитых странах они нуждаются в модернизации, в том числе во введении «амортизирующего» компонента, накопителей соответствующей мощности. Пока что такими проектами не могут похвастаться даже США: по данным за 2017 год, все имевшиеся в стране промышленные накопители имели мощность лишь около 24,2 ГВт, тогда как генерирующие мощности составили 1081 ГВт. Текущие возможности России в области накопления – чуть больше 2 ГВт, а всего мира – 175,8 ГВт.

Почти весь этот объем приходится на гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). Самая большая в России Загорская ГАЭС имеет мощность 1,2 ГВт, а самая мощная в мире работает в Вирджинии. Станция Bath County мощностью 3 ГВт и высотой 380 м способна накачивать воду в верхний резервуар и спускать в нижний со скоростью около 50 тыс. т в минуту. Такие накопители превращают электричество в потенциальную энергию воды и вырабатывают его обратно с потерями лишь 30%. Однако их недостатки вполне очевидны: водохранилища требуют сложного рельефа, обширной и часто нужной площади и связаны с неизбежными потерями на испарение.

Сегодня больше 98% мировых мощностей накопителей приходится на ГАЭС, а из оставшегося количества около трети используется в химических аккумуляторах. Прежде всего, это обычные литий-ионные батареи: крошечные размеры ионов лития делают их отличными носителями заряда, позволяя добиться высокой плотности энергии. По оценке Джорджа Крабтри из Аргоннской национальной лаборатории министерства энергетики США, литий-ионным аккумуляторам для широкого применения необходимо стать как минимум впятеро более емкими и на столько же более дешевыми. Но даже в этом случае они останутся токсичными и взрывоопасными.

Некоторых их недостатков лишены альтернативные проекты: сегодня создан целый «зоопарк» электрохимических элементов. Например, аккумуляторы профессора Дональда Садоуэя на основе жидких металлических электродов и расплава соли требуют для работы высоких температур, зато они безопасны и намного дешевле литий-ионных. Однако любые батареи со временем неизбежно деградируют и уже лет через десять потребуют серьезных и регулярных вложений в обновление. Что нам остается, помимо этого?

Читайте также:  Лучший автомобиль за 4500000

Школьная физика

Инженеры любят простые и остроумные решения, и многие проекты накопителей основаны на довольно простой физике. Базовые формулы, позволяющие оценить энергию таких систем, проходят еще в средней школе. Скажем, вращательная кинетическая энергия пропорциональна массе и квадрату скорости, что позволяет сохранять электрическую энергию во вращении тяжелого маховика. Такие накопители отличаются великолепной управляемостью и надежностью, они используются на транспорте и даже в космосе. Однако самые мощные из них способны обеспечить разве что небольшую электростанцию, стабилизируя выдачу тока, и эффективны лишь на небольших промежутках времени – не больше четверти часа.

Из той же школьной физики мы помним, что энергия идеального газа пропорциональна его давлению, что дает возможность накопить ее в виде сжатого воздуха. Емкостью для него могут служить герметичные цистерны, как у 9-мегаваттного накопителя Next Gen CAES на одной из электростанций в Нью-Йорке, штольни заброшенных шахт или естественные пещеры-каверны. На том же принципе разницы давлений работает предложенный немецкими инженерами концепт ORES. Полые бетонные емкости погружаются на дно и подключаются к офшорной электростанции: избыток энергии они накапливают, закачивая внутрь воду, а при необходимости она под давлением сжатого внутри воздуха выбрасывается наружу, запуская генератор.

Пригодится нам и энергия тепловая: например, концерн Siemens уже сооружает для одной из ветряных электростанций под Гамбургом накопитель, запасающий энергию в тепле 100 тонн камня. Избыток выработки будет направляться на их нагрев, чтобы затем груз, остывая, превращал воду в пар, вращающий турбину генератора. Впрочем, чаще энергию градиента температуры используют для накопителей энергии на солнечных электростанциях. Зеркала концентраторов фокусируют свет, раскаляя теплоноситель (обычно расплавленный солевой раствор), который продолжает отдавать тепло и днем, и ночью, когда солнце уже не светит, – в полном согласии с изученными в школе началами термодинамики.

Еще ближе нам элементарная формула потенциальной энергии тела в поле тяжести Земли: E = mgh (где m – масса груза, h – высота его подъема, g – ускорение свободного падения). Именно в таком виде запасают ее мощные и надежные ГАЭС или проект немецкой компании Heindl Energy, поднимающий водным столбом внутри цилиндра цельный гранитный поршень диаметром до 250 м. Потенциальную энергию накапливают и тяжелые железнодорожные составы проекта ARES, которые буксируют бетонные грузы вверх и вырабатывают ток, когда спускаются с ними. Но для всего этого нужно иметь наготове холм высотой в несколько сотен метров и – как в случае с ГАЭС – большую площадь под строительство. Есть ли другие возможности?

Вариант почти невероятный

Накопитель в новосибирском Академгородке много места не занимает. За самым обыкновенным забором стоит новенькое здание размером с пятиэтажку – шоу-рум, в котором размещен действующий прототип твердотельной аккумулирующей электростанции (ТАЭС) высотой 20 м и мощностью 10 кВт. Внутри здания вдоль стен расположены две узкие ячейки ТАЭС шириной около 2 м и длиной около 12.

Принцип работы их основан на накоплении потенциальной энергии: двигатель потребляет электроэнергию из сети и с помощью каната поднимает наполненные грунтом полимерные мешки. Они крепятся наверху и в любой момент готовы начать спуск, вращая вал генератора. По словам основателя проекта «Энергозапас» Андрея Брызгалова, инженеры изучили почти сотню идей для промышленных накопителей энергии, но не нашли подходящего варианта и создали собственный.

В самом деле, Россия – страна богатая, но не рельефом. «Это практически ровный стол, – рассказывает Андрей Брызгалов, – возводить ГАЭС можно лишь в отдельных районах, остальное – равнинная плоскость». В отличие от водохранилища, ТАЭС можно установить где угодно: для строительства не требуется водохранилищ и естественного перепада высот. Мешки заполняются местным грунтом, который добывают при строительстве фундамента, а строить можно в чистом поле, которого в России достаточно.

Оптимальная мощность ТАЭС при высоте 300 м будет порядка 1 ГВт, а емкость определяется площадью накопителя и при застройке 1 км2 составит 10 ГВт·ч, то есть станция займет примерно в пять раз меньше места, чем аналогичная ГАЭС. Тысячи специальных многошахтных лифтов, снабженных системой рекуперации, будут перемещать за сутки около 15 млн т груза. «Ежедневный грузооборот одной такой ТАЭС будет всемеро больше, чем у крупнейшего мирового порта, Шанхайского, – объясняет Андрей Брызгалов. – Вы представляете себе уровень задачи?» Неудивительно, что дальше начинается физика уже отнюдь не школьного уровня.

«Мы не можем позволить себе строить сразу 300-метровую башню, – говорит Андрей Брызгалов, – это по меньшей мере легкомысленно. Поэтому мы делаем конструкцию минимальных размеров, при которых она обладает свойствами полноразмерной ТАЭС». Как только проект получит господдержку в рамках Национальной технологической инициативы, в «Энергозапасе» приступят к работе. Возведение 80-метровой башни мощностью более 3 МВт позволит испытать строительные решения, которые на данный момент прошли только модельные испытания на многоядерных компьютерных кластерах.

Сложная наука

В самом деле, какой бы простой ни была высотная конструкция, ей предстоит столкнуться с опасностью землетрясений и нагрузкой ветра. Но вместо обычных решений с применением все более мощных и тяжелых несущих элементов из стали и бетона ТАЭС использует массу инженерных находок. Для борьбы с ветром ее окружат защитной «юбкой», которая раскинется на ширину примерно в четверть радиуса самой станции. Она будет превращать горизонтальное давление ветра в вертикальную нагрузку, на которую рассчитана конструкция. «Это позволяет значительно сократить расходы на металл, который применяют для компенсации изгибных нагрузок, снизить себестоимость ТАЭС и тем самым поднять ее конкурентоспособность», – объясняют разработчики.

Сейсмические колебания демпфирует сама конструкция – матрица вертикальных колонн, к каждой четверке которых подвешено до девяти 40-тонных грузов. «В любой конкретный момент перемещается лишь небольшое количество груза, остальное действует как отвес, подавляя раскачивание. Несмотря на огромную массу, даже благодаря ей мы получили самое сейсмостойкое здание в мире, – уверяет Андрей Брызгалов, – причем практически без дополнительных расходов». Легкая, простая, лишенная перекрытий, такая башня будет в несколько раз дешевле обычного здания тех же размеров.

Несмотря на внешнюю простоту, разработка накопителя потребовала не только знаний сложной физики и материаловедения, но даже аэродинамики и программирования. «Возьмите, например, провод, – объясняет Андрей Брызгалов. – Ни один не выдержит десятки миллионов циклов сгибания-разгибания, а мы рассчитываем на полвека бесперебойной работы. Поэтому передача энергии между подвижными частями ТАЭС будет реализована без проводов». Накопитель ТАЭС буквально нашпигован новыми технологиями, и десятки инженерных находок уже запатентованы.

Матричные преобразователи частоты тока позволяют мягко и точно управлять работой моторов и сглаживать выдачу энергии. Сложный алгоритм автоматически координирует параллельную работу нескольких тележек-подъемников и требует лишь удаленного присмотра со стороны оператора. «У нас есть специалисты десятков направлений, – говорит Андрей Брызгалов, – и все они работают, не ожидая моментального результата и окупаемости проекта в ближайшие 2–3 года. При этом создано решение, равного которому нет нигде в мире. Теперь его можно лишь повторить, но сделать такое с нуля было возможно только в России, только в Сибири, где есть такие люди».

Впрочем, без уверенности в том, что проект рано или поздно станет прибыльным, ничего бы не состоялось. «Проблема российской энергосистемы – избыток мощностей, – продолжает Андрей Брызгалов. – Исторически сложилось так, что мы генерируем больше, чем надо, и это позволяет немало экспортировать, но и создает серьезный запрос на аккумулирующие мощности». По оценкам Navigant Research, к 2025 году этот рынок будет расти средними темпами в 60% ежегодно и достигнет 80 млрд долларов. Возможно, эти деньги преобразуют типичный российский пейзаж, и где-то у горизонта обычной бесконечной плоскости появятся и станут привычными гигантские гравитационные накопители.

Источник

Поделиться с друзьями
Практические советы по железу и огороду
Adblock
detector