Аккумулирование энергии

Тепловые машины, использование низкопотенциального тепла.

Тепловые насосы, в отличие от холодильных машин, работают на повышенных параметрах и служат для преобразования теплоты низкого потенциала (теплоты земли, окружающего воздуха, воды морей, теплоты из систем оборотного водоснабжения конденсаторов ТЭС и др.) в теплоту более высокого потенциала. Принципиальная схема теплового насоса приведена ниже.

Одной из целей аккумулирования энергии является управление нагрузкой, когда энергия, аккумулированная во внепиковое время, используется в период максимальных нагрузок. Сегодня доступны следующие формы аккумулирования энергии: суперконденсаторы, аккумулирование кинетической энергии, гидроаккумулирующие станции, аккумулирование тепловой энергии, аккумуляторные батареи, установки электролиза, используемые совместно с топливными элементами, аккумулирование сжатого воздуха, аккумулирование холода, сверхпроводниковые системы аккумулирования электромагнитной энергии.

Современные суперконденсаторы обеспечивают достаточно высокую энергетическую плотность до 4000 Вт/м³ (в перспективе до 20000 Вт/м³) за счет использования новых диэлектрических материалов. Данная технология является экологически чистой, относительно безопасной, рассчитана до миллиона циклов заряд-разряд с КПД до 95%.

Аккумулируемая кинетическая энергия (супермаховик) - это маховое колесо, которое можно разогнать до очень высокой скорости вращения. Маховик соединен с валом генератора и помещен в герметический корпус, где для уменьшения потерь от трения поддерживается вакуум. Устройство работает как генератор, когда возрастает потребление энергии и как электродвигатель, когда энергию целесообразно аккумулировать. КПД маховиков 80-90%. Преимущественно используются для краткосрочного аккумулирования энергии в приводах транспортных механизмов.

Аккумулирование гидроэнергии является одной из технологий построения ГАЭС. Принцип работы ГАЭС следующий. В часы пик обратимый гидроагрегат (1) работает в турбинном режиме, расходуя воду из верхнего хранилища (2) и отдавая электроэнергию в энергосистему. В период ночного «провала» графика нагрузки энергосистемы агрегат работает в насосном режиме, потребляет мощность из сети и перекачивает воду из нижнего водохранилища (3) в верхнее.

КПД ГАЭС представляет собой отношение энергии, полученной при работе ее в генераторном режиме, к энергии, затраченной при работе в насосном режиме. Этот КПД в среднем составляет 80%. В настоящее время в мире насчитывается около 150 ГАЭС.

Аккумулирование тепловой энергии осуществляется двумя основными способами.

В первой группе устройств, происходит аккумулирование явной теплоты. Ее накопление осуществляется путем нагревания рабочего тела большой массы (например, кирпича) термически изолированного от внешней среды. В качестве вещества могут использоваться стены и полы помещений. Такая аккумуляторная система предоставляет достаточно теплоты для нагрева помещений во внепиковое время, позволяя значительно снизить нагрузку в пиковые периоды.

Во второй группе устройств накопление тепловой энергии происходит путем аккумулирования скрытой теплоты. Это осуществляется в результате перехода рабочего тела из одного агрегатного состояния в другое: из твердого в жидкое, из жидкого в парообразное. Они называются термохимическими аккумуляторами.

Аккумуляторные батареи (химические системы аккумулирования энергии) заряжаются путем питания электрической энергией от внешнего источника, которая в электрохимических элементах преобразуется в химическую энергию. При подключении электрической батареи на внешнюю нагрузку (потребителя) она отдает электрическую энергию с КПД 74-77%. В системах централизованного производства энергии они используются в основном в системах релейной защиты и автоматики. В последние годы они стали применяться в качестве резервного источника.

Топливные элементы (ТЭ) могут работать в прямом и реверсивном направлениях. При работе в обратном, реверсивном, режиме ТЭ производят водород и кислород, когда они используют электричество и воду. Реверсивная топливная система способна запасать электрическую энергию, которая генерируется (ветро- или солнечными генераторами) с эффективностью не ниже 80% и обеспечивают генерирование электрической энергии из газа с эффективностью не ниже 60% при условии общей (с использованием сопутствующего тепла) эффективности не ниже 80%.

Аккумулирование сжатого воздуха применяется в структуре газотурбинных установок. В процессе аккумуляции воздуха генерирующие установки работают как мотор. При разряде сжатый воздух служит для вращения генератора.

Аккумулирование холода это технология, предусматривающая создание и хранение холодильной мощности в периоды внепиковой работы энергоснабжающей компании с целью дальнейшего использования во время пиковых режимов для выполнения требований по охлаждению помещений. Наиболее распространенными ингредиентами являются охлажденная вода, лед и т.д.

Сверхпроводниковые системы аккумулирования энергии в качестве основного элемента используют сверхпроводниковую катушку, помещенную в среду с очень низкой температурой. В этих условиях она имеет практически нулевое сопротивление и, следовательно, минимальные потери электроэнергии, электромагнитная энергия сохраняется путем циркуляции постоянного тока в контуре. Сегодня в качестве обмоток катушки применяется ниобиево-титановый сплав, помещенный в жидкий гелий. Последние исследования в этой области связаны с использованием так называемых высокотемпературных сверхпроводников, что позволяет в качестве охлаждающей среды использовать жидкий азот и таким образом существенно снизить как капитальные, так и эксплуатационные затраты.

Дата добавления: 2014-01-14