Провести анализ и определить перспективные типы накопителей энергии для систем автономного электроснабжения на базе ВЭУ и микроГЭС

Задачи и виды аккумулирования энергии

В обычных условиях производство энергии должно соответствовать режиму суммарного потребления электроэнергии. Мощность энергоустановок должна быть рассчитана на удовлетворение максимально-возможной нагрузки, независимости от ее продолжительности. Вместе с тем, в энергосистеме необходим достаточный резерв мощности для обеспечения бесперебойности энергоснабжения потребителей на случай снижения мощности отдельных установок системы в ходе нормального производственного процесса или вследствие внезапных аварийных нарушений его.

Неравномерность режима потребления энергии приводит к тому, что мощность энергоустановок наиболее полно используется лишь в момент нагрузки. Неполное использование мощности энергосистемы может быть вызвано также:

- наличием в ее составе энергоустановок с переменной располагаемой мощностью, например теплоэлектроцентралей (ТЭЦ);

- недостаточной зарегулированностью гидроэлектростанций (ГЭС);

- не маневренностью регулирования мощности атомных электростанций (АЭС);

- неравномерностью выдаваемой мощности фотоэлектрических (ФЭС) и ветровых (ВЭС) электростанций из-за суточных и сезонных колебаний значений солнечной радиации и скорости ветра.

Повышение использования мощности системы и создание резервуаров энергии являются важнейшими проблемами проектирования и эксплуатации энергосистем [3].

Значение аккумулирования возрастает при эксплуатации энергоустановок на основе нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) – энергии солнца, ветра и т.д.

Для эффективной работы энергосистемы, повышения надежности и стабильности энергоснабжения потребителей в энергосистему необходимо включать накопители энергии.

Включение в энергосистему накопителей дают возможность регулирования режима работы энергетических установок дают возможность регулирования режима энергетических установок без жесткой зависимости от режима потребления энергии путем срезания графиков разрядом накопителя и заполнения провалов графика зарядом накопителя.

Существуют различные виды накопителей энергии. К наиболее интересным и применяемым накопительным установкам относятся следующие виды [ 4 ]:

- аккумуляторы электрохимической энергии – это установки, в которых электроэнергия сохраняется и отдается в результате химических реакций. Аккумуляторные батареи – широко распространенное средство накопления электроэнергии, рынок промышленных аккумуляторов оценивается в 5 млрд. долл. год.

Кроме традиционных кислотных, все шире применяются усовершенствованные аккумуляторы на основе сульфида-натрия и никель-кадмиевые с лучшими характеристиками и большим сроком службы, чем кислотные. Внедряются особо компактные ионно-литиевые аккумуляторы. Цикл накопления энергии- суточный.

Родственны по реакциям химических аккумуляторам регенеративные топливные элементы на основе электролитов: бромид цинка, бромид ванадия или бромид натрия. Разделения электролита в них осуществляется с помощью ионообменных мембран.

- аккумуляторы тепла (холода) – это установки, в которых энергия сохраняется в виде тепла (холода) – это установки, в которых энергия сохраняется в виде тепла (холода) за счет теплоемкости, тепло фазовых переходов или эндотермических (экзотермических) реакций. К ним можно отнести и растительную биомассу как аккумуляторы солнечной энергии;

- механические аккумуляторы – это установки в которых энергия сохраняется в виде потенциальной и кинетической энергии. К ним относятся маховиковые накопители запасают кинетическую энергию при разгоне ротора, чтобы отдать ее в нужный момент в виде электроэнергии. В качестве разгонного двигателя и средства отбора электроэнергии используется обычный вертикальный двигатель-генератор. Цикл накопления энергии –минуты.

Высокоскоростные маховики изготовляется из совершенных композитных материалов с низкой массой и большой прочностью к центробежным силам. Они более компактны по сравнению с низкоскоростными, маховик которых выполняется из металла. Недостатком кинетических накопителей является большая потребность в уходе чем у химических аккумуляторов.

- электрические аккумуляторы – это установки, в которых энергия сохраняется в виде электрической или электромагнитной энергии. К ним относятся сверхпроводниковые накопители (СПИН'ы) запасают энергию в магнитном поле индуктивной катушки из сверхпроводника, образуемом протеканием постоянного тока. Их главное преимущество – высокий КПД преобразования (больше 95%) и возможность выдавать мощность практически мгновенно. СП-накопители выдерживают тысячи циклов "заряд-разряд" без каких-то последствий для них. Считается, что к 2010 г. рыночный потенциал ВТСП-устройств составит около 2 млрд евро, почти половину от него представят устройства для сетей среднего напряжения (ограничители ТКЗ и СПИН'ы) на уровне 2001 г. стоимость СП-накопителей была уже соизмерима со стоимостью аккумуляторных установок большой мощности.

Суперконденсаторы – усовершенствованные конденсаторы, работающие на постоянном напряжении и имеющие очень высокую плотность заряда, благодаря выбору конструкции и обработке материала электродов. Большая емкость таких конденсаторов (порядка несколько фарад) позволяет накапливать значительную энергию, отдаваемую в нужный момент в виде больших токов. Срок службы у таких конденсаторов много выше, чем у обычных.

Применяются суперконденсаторы, главным образом, на электротранспорте, но есть перспективы использования их в энергетике.

К 2010 г. ожидается мировой рост рынка емкостных накопителей до 1млрд долл.ежегодно (табл.4.6)

Основными величинами, характеризующими любую накопительную установку, являются: 1) аккумулирующая способность или емкость установки (А) – максимальная выработка энергии, которая может быть отдана установкой при однократном полном разряде; 2) максимальная мощность (Na) – это мощность, которая может дать установка в режиме разряда; 3) продолжительность разряда (tp) – это время за которое аккумулирующее устройство разряжается полностью при максимальной мощности; 4) максимальный к.п.д. установки – определяемый как произведение максимальных к.п.д. – определяемый как произведение максимальных к.п.д. всех элементов, действующих при заряде и разряде установки; при рассмотрении отдельно к.п.д. заряда и к.п.д. разряда; 5) средний к.п.д. установки за период Т.

Потенциальные возможности применения накопителей электроэнергии

Большой интерес у энергетиков вызывают возможности накопителей энергии. Так как эффективные системы накопителей энергии позволяют производству и распределению электроэнергии.

Удельная стоимость и КПД различных накопителей энергии[4].

Таблица 4.6

Вид накопителя	Удельная стоимость	КПД цикла "заряд/разряд" (макс.)%
энергии Долл./кВт.ч.	мощности долл./кВт.ч
Кислотные аккумуляторы малой мощности, средней мощности			0,80 0,85
Усовершенствованные аккумуляторные батареи			0,95
Сверхпроводнико- накопители микроСПИН средней мощности большой мощности			0,95 0,95 0,95
Маховики Высокоскоростные низкоскоростные			0,93 0,90
Суперконденсаторы			0,95

на месте потребления, чтобы обойтись без услуг централизованного электроснабжения. Осваиваются децентрализованные источники возобновляемой энергии, в связи с чем возникают затруднение в подключении их к общей сети. Экономический эффект накопителей заключается в сохранении продукции полученной по относительно низкой цене и реализация ее потребителям.

Накопители энергии оптимальным образом соединяют между собой пять основ энергетики – топливоснабжение, генерирование, передача, распределение электроэнергии и обслуживание потребителей, тем самым оптимизируется инфраструктура энергетики, в которую вкладываются огромные капвложения.

Потенциальные возможности применения накопителей электроэнергии

- управление режимами нагрузки – разряд накопителя во время пика нагрузки и зарядка в ночное время (выравнивание дневного и ночного графиков нагрузки)

-управление потоками мощности – питание местных нагрузок, когда с этим не справляется общая сеть

-вращающийся резерв – возможность быстрого замещения вышедшего из работы крупнейшего генератора в энергосистеме.

-помощь установкам, использующим возобновляемые источники энергии – выравнивание графика подачи мощности

-повышение возможности передачи энергии – участие в управлении устойчивостью, регулировании напряжения, частоты и реактивной мощности, повышающие стабильность работы сетей

-выравнивание графика нагрузки в сетях со значительной долей распределенных источников энергоснабжения

-повышения качества электроэнергии – поддержание стабильности напряжения установкой накопителей как питающих фидерах, так и непосредственно у потребителей, особенно при резкопеременном характере нагрузки, источник мощности для непрерывного электроснабжения

В период раздробления инфраструктуры накопители энергии становятся важным средством оптимизации режимов энергосистемы, поддержки распределенной энергетики.

Накопители энергии позволяют снизить требования к диапазону регулирования электростанцией, работающих в базисном режиме, повысить эффективность работы ЛЭП, загрузка которых составляет в среднем 50-65% от их пропускной способности. Накопитель как резерв мощности помогут и в случае системных аварий.

В таблице 4.7 даны характеристики и показатели электрического способа аккумулирования, [ 3 ]

Как было рассмотрено выше, имеются различные способы аккумулирования: химическое, тепловое, электрическое, в форме потенциальной или кинетической энергии.

При рассмотрении различных типов аккумуляторов энергии рассматриваются многие характеристики. В ряде случаев, когда ограничены габариты, существенной может оказаться плотность запасаемой энергии на единицу объема.

В настоящее время, на основании проведенного анализа оборудования было установлено, что для ветроустановок и микроГЭС небольшой мощности, расположенных в сельском хозяйстве, применимы традиционный кислотный тип аккумуляторов малой и средней мощности, имеющий сравнительно высокий к.п.д. и низкую стоимость электроэнергии, а также усовершенствованные типы аккумуляторных батарей. Сравнение основных характеристик электрической системы аккумулирования приведены в таблице 4.6.

Аккумулирующие системы и их характеристики

Таблица 4.7.

Система	Плотность Энергии	Рабочая Темпера-тура,С	Коммерческая характеристика	Преобразова-ние
	МДж/ Кг	МДж/ л	Срок вводалет	Покупате- льная способность,МДж/ долл	Тип	КПД
Электричес-кая:
Конденса-торы	-	10-6	-	-	-	-	-
Электромаг- ниты	-	10- 3	-	-	-	-	-
Аккумулято-ры
Свинцово-кислотные	0,10	0,29	T.окр.ср.	-	0,1*	электрическая
Натрий-сер- ные	0,65			-	0,1*	То же
литиевые	0,48				0,1*

* Энергоемкость на единицу стоимости; например, если аккумулятор имеет 10 циклов разряда на 50%, его энергия, расходуемая за определенный срок, на единицу стоимости равна (0,1 Мдж/долл).

Анализ схем накопления электрической энергии в автономных системах электроснабжения на основе ВЭУ и микроГЭС показал, что дальнейшее развитие получат электрохимические аккумуляторы на основе сульфида–натрия, ионно-литиевые компактные накопители, а также никель-кадмиевые аккумуляторы с улучшенными характеристиками и большим срок службы.

Дата добавления: 2015-10-21