ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ
/г И АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
-г BASIC PROBLEMS OF ENERGY
AND RENEWABLE ENERGY
Статья поступила в редакцию 27.04.15. Ред. рег. № 2243 The article has entered in publishing office 27.04.15. Ed. reg. No. 2243
УДК: 53.084.8
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ С.В. Козлов, А.Н. Киндряшов, Е.В. Соломин
Южно-Уральский государственный университет 454080 г. Челябинск, пр. Ленина 76 Тел./факс +79028909923; e-mail: soninpapa@mail.ru
doi: 10.15518/isjaee. 2015.02.004
Заключение совета рецензентов: 29.04.15 Заключение совета экспертов: 05.05.15 Принято к публикации: 07.05.15
В статье производится анализ известных накопителей энергии и оценивается их применимость для электросетей. В настоящее время для электросетей важным показателем стали пики энергопотребления. При сглаживании пиков можно использовать накопители энергии, подключаемые к локальным или магистральным сетям в период пикового потребления. В связи с этим рассмотрены основные методы и средства накопления энергии. Выявлено, что наибольшей эффективностью (более 90%) обладают сверхпроводящий индуктивный накопитель, супермаховик, суперконденсатор и литий-ионные аккумуляторы.
Ключевые слова: накопители энергии, электросети, локальные сети, электроснабжение.
ANALYSIS OF ENERGY STORAGE SYSTEMS EFFICIENCY
S.V. Kozlov, A.N. Kindryashov, E.V. Solomin
South-Urals State University 76 Lenin St., Chelyabinsk, 454080, Russian Federation Tel./fax: +79028909923, e-mail: soninpapa@mail.ru
doi: 10.15518/isjaee. 2015.02.004 Referred 29.04.15 Expertise 05.05.15 Accepted 07.05.15
This paper analyses known energy accumulators and evaluate their applicability for electric grids. Nowadays, peaks of the power supply became the very important indicator of electric grids. To smooth the peaks, the power storage systems could be used to support local or main electric grids during the peak operation. We found out that the most efficient approaches are the superconducting storage, super flywheel, and Li-Ion accumulators.
Keywords: energy accumulator, electric grid, local grid, electric supply.
Сведения об авторе: аспирант кафедры «Электротехника и возобновляемые источники энергии» Южно-Уральского гос. университета.
Образование: Южно-Уральский
Технический Университет (1994).
Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, накопители энергии.
Публикаций: 3.
Козлов Сергей Васильевич Sergey V. Kozlov
Information about the author:
post-graduate student of the Chair "Electric Engineering and Renewable Energy Sources" of South Ural State University.
Education: South Ural Technical University (1994).
Research interests: renewable energy sources, energy storage systems. Publications: 3.
№ 02 (166) 2015
Киндряшов
Александр Николаевич Alexander N. Kindryashov
энергокомплексы. Публикаций: 125.
Соломин
Евгений Викторович Evgeny V. Solomin
Введение
Системы накопления энергии все чаще применяются при создании локальных и магистральных электросетей. Использование накопителей позволяет увеличить надежность и динамическую стабильность электроснабжения, создавать запасы энергии на время перебоев. Системы позволяют сгладить пиковую нагрузку, заряжаясь в незагруженные часы, создавая возможность генераторам работать в оптимальном режиме, потенциально снижая среднюю себестоимость электроэнергии. Кроме того, увеличивая мощность систем накопления, можно избежать увеличения мощностей генераторов, снизить нагрузку на линии электропередач, внедрять в общие электросистемы энергию возобновляемых источников.
I. Классификация накопителей энергии
Системы накопления энергии можно разделить на три основные функциональные категории:
1. Крупномасштабные накопители.
2. Быстроразряжаемые.
3. Системы накопления на базе аккумуляторов (BESS, battery energy storage system).
В настоящее время разработаны и используются самые разнообразные методы накопления энергии. В целом, накопители можно разделить на следующие группы:
1. Механические (способны накапливать потенциальную и кинетическую энергию).
Information about the author:
post-graduate student of the Chair "Electric Engineering and Renewable Energy Sources" of South-Urals State University.
Education: South-Urals Technical University (2010).
Research interests: renewable energy sources, energy storage systems, electric machines, wind power facilities. Publications: 3.
Information about the author: Dr., Professor of South-Urals State University.
Education: Budapest Technical University (1990).
Research interests: wind power, solar power, distributed power, renewable energy, combined energy complexes.
Publications: 125.
2. Электрические (запас электростатической и электромагнитной энергии).
3. Электрохимические (электрический ток вызывает обратимую химическую реакцию).
4. Термальные (сохранение высокой либо низкой температуры).
5. Химические (топливные элементы, получение природного газа).
Выбор метода накопления для каждого случая индивидуален, поскольку у каждого из методов имеются свои недостатки. Далее будет показана примерная оценка коэффициента полезного действия цикла заряда-разряда для основных методов накопления энергии. Эффективность цикла определяется соотношением полученному на выходе количеству электроэнергии к затраченному.
1. Механические накопители используют потенциальную и (или) кинетическую энергию. Наибольшее распространение получили:
1.1. Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) являются крупномасштабными
накопителями, позволяющим сохранять
электроснабжение на длительный период времени. В период малого энергопотребления вода закачивается в расположенный выше бьеф (или водохранилище), и в необходимое время вода сбрасывается в нижний бьеф через гидростанцию. Данный способ не позволяет сохранять непосредственно энергию, но позволяет запасти потенциальный объем воды с получением возвратной энергии, причем на выход гидротурбин в номинальный режим обычно требуется не более 60 секунд. Общий КПД таких систем составляет 65-85%. Он зависит от разницы напора, количества подающих насосов и типа
Сведения об авторе: аспирант кафедры «Электротехника и возобновляемые источники энергии» Южно-Уральского гос. университета.
Образование: Южно-Уральский
Технический Университет (2010).
Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, накопители энергии, электрические машины, ветроэнергетические установки.
Публикаций: 3.
Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор Южно-Уральского гос.
университета.
Образование: Будапештский Технический Университет (1990).
Область научных интересов:
ветроэнергетика, солнечная энергетика, распределенная энергетика, возобновляемые источники энергии, гибридные
International Scientific Journal for ППР П V ' №02(166) Международный научный журнал Alternative Energy and Ecology ").--■ \!'Ж\\ 2015 «Альтернативная энергетика и экология» © Scientific Technical Centre «ТАТА», 2015_rfC ■—>■—>_© Научно-технический центр «ТАТА», 2015
используемых турбин. Сегодня распространены комбинированные системы, где мотор и генератор -одно и то же устройство [1]. Географически и климатически данный метод применим далеко не везде (в связи с различием климатических условий). В качестве нижней точки могут использоваться подземные хранилища либо водные акватории.
1.2. Гидравлические аккумуляторы -резервуары с несжимаемой жидкостью, на которую действует сила упругости пружины, либо газа. Существуют конструкции с накоплением потенциальной энергии за счет поднятия грузов. КПД данного вида накопителя достигает 95%, но если использовать газ, то КПД снижается из-за термопотерь при сжатии-расширении и составляет 81-84% [2].
1.3. Аккумуляторы сжатого воздуха CAES (compressed air energy storage). По своим масштабам данный метод сравним с ГАЭС. Компрессор нагнетает воздух (50-70 атм.) в подземные хранилища, а по мере необходимости сжатым воздухом раскручивают турбины генераторов. Узким местом данного способа является нагрев воздуха при сжатии до 150-1700С. Без системы рекуперации КПД составляет около 40%, при ее использовании можно получить 55%. Для подогрева выходящего воздуха иногда применяют обычные виды топлива. Если совместно использовать накопители тепловой энергии (например, расплавленную соль), то КПД может достичь 70%. Существует и метод хранения воздуха в специальных подводных мешках (Energy Bag) на глубине 600 метров. С системой хранения тепловой энергии его КПД составляет 75-80% [3].
1.4. Супермаховик (FESS - Flywheel Energy Storage System) получает электрическую энергию на входе и сохраняет ее в виде кинетической за счет электродвигателя. Вращение в закрытом кожухе с отсутствием сил трения достигается наличием магнитных подвесов и вакуумированием рабочего объема. Возврат электроэнергии в сеть осуществляется за счет преобразования инерционных сил в электрическую энергию с помощью электрогенератора. Основные достоинства - быстрое накопление энергии, надежность, низкая стоимость обслуживания, отсутствие негативного влияния на окружающую среду, возможность многократного полного разряда. Количество запасенной в супермаховике энергии квадратично зависит от скорости вращения, поэтому в современных образцах она достигает 16 тысяч оборотов в минуту с запасом в количестве 500 Втч (1,8 МДж) на килограмм массы. Электрический КПД супермаховика на магнитных подшипниках достигает 85-98%, при использовании обычных подшипников - на 20-50% ниже за счет торможения силами трения в подшипниках [4].
1.5. Железнодорожные накопители ARES (Advanced Rail Energy Storage) основаны на использовании потенциальной энергии и являются достаточно громоздкими конструкциями. Железнодорожный состав на электротяге, груженый
бетоном и камнями массой несколько сот тонн поднимается в гору во время избытка электроэнергии и ожидает сигнала к потреблению. После поступления команды и начала движения состава, генератор мощностью несколько мегаватт возвращает энергию в сеть. Электрическая эффективность составляет более 68% [5].
2. Электрические и электромагнитные накопители.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.