Емкостные и магнитные накопители
Сверхпроводящие индукционные накопители (СПИН)
При подключении катушки индуктивности L к источнику напряжения U протекающий ток I создает магнитное поле, обладающее энергией
В обычных условиях из-за сопротивления контура эта энергия быстро рассеивается, превращаясь в тепло. СПИН используют явление сверхпроводимости, накапливая энергию магнитного поля, созданного током, циркулирующим в сверхпроводящей катушке, практически без потерь. Благодаря явлению сверхпроводимости энергия, заряженная в катушке, хранится длительное время и может практически мгновенно быть выдана в сеть по требованию.
Для СПИН характерен широкий диапазон изменения выходных токов и напряжений: токи в интервале 103—107 А, напряжения в интервале десятки вольт — единицы мегавольт, и соответственно, мощности до 1012 Вт, энергии до 109 Дж. Удельные энергетические характеристики достаточно высоки и могут достигать значений 100 кДж/кг.
Основными компонентами СПИН являются:
Катушка индуктивности со сверхпроводящей обмоткой — играет роль аккумулятора электрической энергии. Для изготовления обмотки применяются специальные сплавы, интерметаллические соединения TiNb, Nb3 Sn, являющиеся сверхпроводниками второго рода. Эти соединения имеют высокий уровень критической индукции магнитного поля и по ним можно пропускать значительные токи в сверхпроводящем состоянии.
Криостат — специальный термос для хранения холодных жидкостей, изолирующий обмотки находящейся внутри него катушки от притоков тепла извне. В криостат заливают жидкий гелий и чтобы он испарялся не слишком сильно, его окружают азотным экраном — поверх сосуда с жидким гелием. Испаряясь, жидкий азот уменьшает испарение более холодного и дорого гелия.
Рефрижератор — предназначен для поддержания катушки обмотки в сверхпроводящем состоянии при температуре жидкого гелия (
Работа СПИН сопровождается значительными сжимающими осевыми и распирающими радиальными усилиями, которые возникают под действием мощного электромагнитного поля. Поэтому к надежности конструкции бандажа катушки предъявляются очень жесткие требования. Бандаж, расположенный в зоне криогенных температур выполняют из нержавеющей стали, сохраняющей упругость при таких температурах.
Сверхпроводящие индуктивные накопители энергии (СПИН) имеют широкие перспективы использования, обусловленные возможностью длительного хранения энергии с высоким уровнем времени готовности (время от подачи команды до выдачи энергии в нагрузку -1 мс). Важной в практическом отношении особенностью СПИН является возможность его запитки от источника с малой электрической мощностью и выдаче как активной, так и реактивной мощности. При этом СПИН имеют высочайший кпд — 95-97%, а отсутствие движущихся частей в главных компонентах системы обеспечивает ее высокую надежность.
Основным ограничением, препятствующим получению высокой плотности энергии, является механическая прочность сверхпроводящей катушки. Поскольку магнитные поля и токи здесь громадны, то усилия, действующие на катушку очень велики. Сплавы же применяемые для создания сверхпроводников хрупкие.
Применение СПИН в качестве импульсных энергоисточников ограничивается критичностью сверхпроводников к скорости изменения магнитного поля при накачке и выводе энергии в нагрузку. Особенностью типичных СПИН является сравнительно малое значение рабочего тока (-10 кА). Методы электромашинного и электромеханического управления индуктивностью ИНЭ позволяют увеличить значения полного тока в нагрузке, однако другое ограничение (скорость изменения поля не превышает 20 Тл/с) увеличивает время разрядки до десятков миллисекунд.
При аварийной потере сверхпроводимости запасенная в накопителе энергия выделится в виде джоулева тепла на участке обмотки, перешедшем в нормальное состояние. При этом произойдет катастрофический взрыв с выбросом жидкого азота и гелия в окружающую среду. Поэтому самопроизвольное высвобождение такой энергии должно предотвращаться сложной системой защиты. Огромные магнитные поля, возникающие вокруг сверхпроводящих обмоток, могут оказать опасное воздействие на живую природу и человека. Поэтому необходимо создание буферных зон вокруг территории с работающим СПИН, чтобы обеспечить безопасность, как человека, так и живой природы.
Широкому внедрению в энергетику существующих проектов препятствует очень высокая стоимость, обусловленная необходимостью многочисленного вспомогательного оборудования, массивных опорных конструкций, дорогих материалов, и сложным процессом производства.
Из за высоких капиталовложений СПИН в настоящее время экономически выгодно применять только маломощные системы (100- 1000 кВт), обеспечивающие высокую стабильность и качество электроэнергии ответственных потребителей (например, завода по производству микропроцессоров). Время цикла аккумулирования таких систем составляет всего несколько секунд.
Суперконденсаторы
Энергия, накапливаемая в электрическом поле конденсатора с емкостью С, определяется по формуле:
К числу важнейших достижений электрохимической технологии относится создание суперконденсаторов (СК), которые представляют собой конденсаторы с двойным электрическим слоем. Они отличаются от обычных конденсаторов тем, что для пространственного разделения разноименных зарядов, создающих рабочее электрическое поле, используются не макроскопический диэлектрический слой между проводящими обкладками, а микроскопический поляризованный слой на границе поверхности раздела двух сред. Исследованиями установлено, что максимальная плотность энергии может быть достигнута, если осуществляется контакт полупроводника или металла с диэлектрической (электронно- изолирующей) молекулярной жидкостью, содержащей парные подвижные ионы.
К настоящему времени исследованы системы СК с удельной энергией до 10-25 кДж/кг, что примерно в 100 раз превышает удельную энергию известных конденсаторов. В технологически освоенных образцах накопителей энергии, испытанных в различных режимах разряда с длительностью импульса до 0,1-100 с, достигнуты значения удельной энергии 1-10 кДж/кг. Удельная средняя мощность СК составляет в зависимости от длительности разряда величину 0,1- 10 кВт/кг, что существенно превышает удельную мощность традиционных накопителей энергии (в том числе и аккумуляторов). Количество допустимых циклов «разряд-заряд» для СК различных типов составляет от 104 до 105.
Принцип работы заключается в следующем: на границе раздела фаз (проводник первого рода — электролит) создается двойной электрохимический слой, в котором электролит имеет один знак заряда, а твердое тело — другой. Емкость двойного слоя лежит в пределах 0,1-1,0 мФ/м2. Площадь поверхности раздела фаз может быть очень большой, поэтому и значения удельной емкости границы раздела фаз также достигают высоких значений. Конденсаторы, состоящие из двух электродов и электролита между ними, в которых реализуется емкость двойного слоя, называются двухслойными (рис.4.7).
Дополнительно эти конденсаторы могут иметь фарадеевскую емкость (псевдоемкость), обусловленную разрядом адсорбированных частиц, например, водорода.
В качестве электродов применяются углеродистые материалы, электронопроводящие полимеры, например полипиррол, политиофен и оксиды, а в качестве электролитов — растворы кислот или неводные растворы. Наибольшая достигнутая удельная емкость составляет 360 Ф/г для углеродистых материалов и 768 Ф/г — для оксида рутения.
Выпускаемые суперконденсаторы, в том числе в России, имеют удельную энергию 1,5…5 Втч/кг, удельную мощность до 10 кВт/кг, ресурс более 105 циклов. В перспективе ожидается увеличение удельной энергии до 12 Вт ч/кг, удельной мощности — до 100 кВт/кг.
Основные преимущества — высокие скорости зарядки и разрядки, слабая деградация после сотен тысяч циклов, малый вес, низкая токсичность материалов, высокая эффективность (более 95 %).
Возможность использования данных накопителей значительно ограничена тем, что минимальная длительность разряда характеризуется миллисекундными временами, а генерируемые токи — единицами килоампер. Модульный характер конструкции требует значительного числа контактных соединений, что снижает надежность устройства. Также существует необходимость изменения полярности батарей при переключениях из заряда в разряд и напряжение зависит от степени заряжённости.
Накопители на базе конденсаторов с высокой удельной емкостью можно рассматривать как перспективные устройства, позволяющие комплексно решать проблемы аккумулирования ЭЭ в энергосистемах.
Они могут быть установлены в любой точке сети для выравнивания графиков нагрузки, но на данный момент из-за высокой стоимости широкое использование суперконденсаторов ограничено применением в качестве мобильных источников энергии для бытовой и автомобильной промышленности.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ/Елистратов В. В., Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2008
1. Для автономного подвижного состава
Назначение
Использование СПИН на автономном подвижном составе (тепловозы, дизель-поезда и т.п.) позволяет: снизить расход топлива и установленную мощность дизель-генераторного агрегата (или иного первичного теплового двигателя), повысить экологичность за счет организации работы дизель-генератора в неизменном и наиболее экономичном (с точки зрения потребления топлива) режиме – номинальном и обеспечить рекуперацию энергии торможения для последующего ее использования в тяговых режимах.
Разработка
Разработана конструкция и рассчитаны основные технические характеристики СПИН для тепловозов.
Основные технические характеристики СПИН различной энергоемкости
Конструкция СПИН энергоемкостью 100 МДж (Ф-образный вариант)
 |
 |
|
план |
поперечное сечение |
Разработана оригинальная схема силового преобразователя для встраивания СПИН в электрическую передачу мощности автономного локомотива.
Экспериментальные исследования:
Проведены испытания физической модели энергосиловой установки маневрового тепловоза со СПИН (в сотрудничестве со специалистами РНЦ «Курчатовский институт»).
Экспериментальны исследования подтвердили работоспособность и эффективность предложенных технических решений конструкций и алгоритмов функционирования.
Эффективность:
Использование бортового СПИН позволяет получить годовую экономию топлива: 30—35% — для маневрового тепловоза и 8—12% — для магистрального тепловоза; уменьшить установленную мощность дизель-генератора маневрового тепловоза и дизель-поезда по сравнению с базовой моделью в 2…3 раза.
2. Для систем электроснабжения тяговых и нетяговых потребителей
Назначение
- в системе тягового электроснабжения (на тяговых подстанциях — ТП): стабилизация напряжения на нагрузке (в контактной сети); стабилизация мощности (тока), потребляемой из системы внешнего электроснабжения; обеспечение рекуперации электроэнергии от электроподвижного состава через контактную сеть в СПИН;
- в системах электроснабжения нетяговых потребителей (центры управления перевозками, вычислительные центры, терминалы, логистические центры) — повышение качества электроэнергии за счет обеспечения бесперебойности питания и фильтрации помех питающей сети.
 |
г
|
|
Магнитная система СПИН на 30 МДж тороидальной конструкции с равномерным распределением энергии в объёме: а) форма магнитной системы СПИН; б) форма и в) разрез одного сектора магнитной системы; г) фото изготовленного сектора экспериментальный образца СПИН |
|
Достоинства: отсутствие полей рассеяния, транспортабельность в железнодорожных габаритах, секционирование обмотки, косвенный способ охлаждения обмотки, возможность аварийного сброса энергии без использования балластных сопротивлений.
Разработаны оригинальные схемы силовых преобразователей для связи СПИН с системой тягового электроснабжения.
Разработка:
Разработана конструкция и рассчитаны основные технические характеристики СПИН для систем энергоснабжения тяговых и нетяговых потребителей.
Технические характеристики перспективных СПИН
|
Параметр |
Размерность |
Значение |
|
|
Система электроснабжения |
тяговая |
нетяговая |
|
|
Тип обмотки |
Тороид с распределенной обмоткой |
||
|
Энергоемкость |
кВт*ч (МДж) |
1000 (3600) |
27,7 (100) |
|
Максимальная мощность |
МВт |
8,3 |
|
|
Число секторов тороида |
штук |
||
|
Внешний диаметр обмотки |
м |
2,1 |
|
|
Высота обмотки |
м |
1,2 |
|
|
Диаметр криостата |
м |
7,5 |
2,6 |
|
Высота криостата |
м |
2,6 |
|
|
«Холодная» масса обмотки |
т |
4,3 |
|
Экспериментальные исследования:
В сотрудничестве со специалистами РНЦ «Курчатовский институт» и ФГУП ГНЦ РФ «ТРИНИТИ» по заданию ОАО «РЖД» изготовлен и испытан экспериментальный образец СПИН энергоёмкостью 1,5 МДж (0,42 кВт*ч) на постоянный ток до 10 кА при напряжении до 5 кВ.
Экспериментальные исследования подтвердили работоспособность и эффективность предложенных технических решений.
Эффективность:
Экономический эффект от применения СПИН достигается за счет: уменьшения затрат на покупку электроэнергии; снижения ущерба от перерывов электроснабжения и некачественного электроснабжения.
Научно-исследовательский и испытательный центр «Криотрансэнерго»
Руководитель — Носков В.Н.
nvn_nis@sci.rgups.ru, centrkte@rgups.ru