Когда надоедают постоянные отключения и обрывы линии передач в зимнее время, когда дом погружается во тьму, а это часто происходит в самый «подходящий» момент, например, во время произнесения новогодней речи. Когда не хочется в праздничном костюме бежать в подвал или сарай — пытаться завести запылившийся без дела генератор, который кроме «удобства» пуска, обладает пренеприятнейшим свойством – потреблять недешевый бензин. Тогда приходит решение перевести энергоснабжение дома в независимое, «автономное» русло – установить солнечные панели и/или ветрогенератор.
Однако хоть греет и «электроснабжает» солнце (основной источник энергии) бесплатно, однако и здесь не обходится без сюрпризов. Обладая неоспоримым преимуществом – не шумит, не «ест» бензин – у таких систем есть и свои недостатки. Один из главных — большинство альтернативных источников электрической энергии характеризуются периодичностью выработки. Действительно, солнце светит только днем! Ветер дует, куда и когда хочет. Пожалуй, только микро- гидроэлектростанция дает энергию без перерывов, но вот незадача – не часто рядом оказывается достаточно полноводная река с возможностью устроить плотину для необходимого перепада уровней воды.
Вот здесь и возникает необходимость запасания энергии в момент ее максимальной выработки (и минимального потребления) в специальных аккумуляторах. Так как энергетика в принципе страдает от неравномерности пиков выработки и потребления (отсюда ажиотаж вокруг зональных счётчиков), вопрос аккумулирования энергии уже давно успешно решается в промышленных и бытовых масштабах. В мире проводится множество исследований и запущены проекты практических испытаний по преобразованию и консервации (аккумулированию) электроэнергии в других формах. Википедия описывает следующие, широко используемые, технологии такого аккумулирования.
Содержание
Химические аккумуляторы
Кроме традиционных электрохимических аккумуляторов к ним также относят суперконденсаторы, проточные редокс-аккумуляторы (англ. «flow battery») и др. Этот тип аккумулирования будет подробно рассмотрен ниже. Обладают высокими значениями плотности энергии, циклируемостью, продолжительным сроком службы и эффективностью от 60 до 90%, в зависимости от типа используемых аккумуляторов.
Аккумуляторы сжатого воздуха
Суть аккумулирования заключается в закачивании воздуха в сосуд под высоким давлением и дальнейшим преобразованием энергии сжатого воздуха в электроэнергию (иногда совместно с тепловой энергией). Лучшие образцы, по плотности энергии, приближаются к свинцово-кислотным аккумуляторам, но имеют высокие показатели циклируемости и больший срок службы. Последние разработки связаны с созданием хранилищ сжатого воздуха под водой, на больших глубинах. Таким образом, реализуется возможность создавать колоссальные давления с использованием малопрочных материалов (в том числе тканных).
Термические хранилища
Суть сводится к использованию «избыточного» электричества сети (во время ночного спада потребления) для нагрева/охлаждения рабочего тела с последующим использованием накопленного тепла/холода для обогрева/охлаждения. В качестве рабочего тела могут выступать различные материалы: вода, эвтектические сплавы, гравий, соли и др. Метод позволяет повысить эффективность работы электросети за счет сглаживания пиков потребления. Также данный метод аккумулирования энергии используется на солнечных тепловых электростанциях с концентратором (см. рисунок ниже).
Накопление энергии в маховиках
Аккумулирование электрической энергии в виде механической, запасенной в большой массе маховика, вращающегося на большой скорости (частота оборотов достигает десятков тысяч оборотов в минуту). На данный момент, маховики обладают одним из наивысших значений удельной емкости, выдерживают от 105 до 107 циклов заряд/разряда, а эффективность достигает рекордных 98%. Основные сложности связаны с преодолением потерь на трение, а также поиском материалов, способных выдерживать высокие нагрузки «на разрыв» под действием центробежных сил.
Гидроаккумулирующие электростанции
Накопление энергии заключается в закачивании воды в водохранилище гидроэлектростанции, расположенное на возвышении. Энергия запасается в виде гравитационной, потенциальной энергии воды. Применяется на большинстве гидроэлектростанций в моменты спада потребления. При пике электропотребления закачанная вода спускается через турбину с выработкой электроэнергии.
Эффективность хранения находится в пределах 70-80%, однако выделение больших площадей (объемов) под аккумулирующий резервуар (в связи с низкой удельной емкостью и мощностью) делает данную технологию практически непригодной для частного использования. Несмотря на это, в промышленных масштабах, данная технология занимает первое место (по объему запасаемой энергии) среди методов аккумулирования. Суммарная мировая запасаемая мощность ГЭС составляет 127 000 МВт — это 99% от общей мировой емкости запасаемой энергии (по данным Wikipedia.org).
Аккумулирование энергии в сверхпроводниках
Накопление электроэнергии происходит в виде магнитного поля, возникающего при движении постоянного тока в замкнутой катушке из сверхпроводника. Катушка криогенно охлаждается до температур, обуславливающих явление сверхпроводимости. Типичная система состоит из трех частей: сверхпроводящей катушки, системы преобразования электричества в постоянный/переменный ток и криогенных холодильных машин. Электрические потери, при данном типе аккумуляции, связаны лишь с процессами преобразования переменного тока в постоянный при заряде, и обратном преобразовании – при разряде. На каждом этапе теряется 2-3% энергии. Общая эффективность составляет порядка 90%. Основным недостатком является, высокая стоимость и сложность оборудования.
Для альтернативной энергосистемы необходимо выяснить, какой из методов сохранения энергии подходит для частного (бытового) использования, разобраться в его принципе и подобрать подходящий.
Как несложно убедиться, изучив многочисленные ресурсы, посвященные системам альтернативной энергетики, для накопления электрической энергии в бытовых системах наиболее популярны электрохимические аккумуляторы. Это обусловлено многими факторами: безопасностью использования, простотой устройства и обслуживания, а также удельной дешевизной.
Для справки: электрохимическим аккумулятором называют обратимый электрохимический элемент, служащий для накопления электрической энергии путем приложения внешнего напряжения (процесс заряда) в форме химической энергии и обратной отдаче электрической энергии при разряде. Элемент является обратимым, если при изменении направления тока полностью восстанавливается его исходное состояние. Чтобы осуществить обратимый элемент, должны быть выполнены следующие условия: процесс, создающий ток, должен проходить без образования газов, электроды не должны растворяться, электролит должен состоять из одной жидкости.
Принцип работы
Как и любой электрохимический элемент, аккумулятор представляет собой два электрода погруженные в раствор электролита и разделенные, во избежание короткого замыкания, мембраной. Электроды представляют собой пластины, изготовленные из активного материала либо пластины из проводящего материала, на которые нанесен активный материал. Электролит может не только обеспечивать транспорт заряда и вещества, но и непосредственно принимать участие в электрохимических реакциях.
Другими словами, в аккумуляторах реализуется принцип преобразования и запасания электрической энергии в форме химических связей. Это можно представить следующим образом: в разряженном аккумуляторе пластины обоих электродов покрыты веществом в устойчивом состоянии (при соприкосновении друг с другом реакция протекать не будет). В процессе заряда вещества электродов, под действием электрического тока, переходят в неустойчивое состояние – на одном электроде с избыточным окислительным, а на другом – восстановительным потенциалом. Теперь, при соприкосновении, электродные вещества будут бурно взаимодействовать. В разомкнутом аккумуляторе этого не происходит, поскольку, с одной стороны, вещества разделены раствором электролита (переносит частицы, но не электроны), а с другой – разрывом цепи электрических проводов (переносит электроны, но не частицы). При замыкании проводов, через нагрузку, вещества на электродах приходят в «полный» контакт. Поскольку система стремиться к устойчивому состоянию, в котором вещества находятся в стабильной форме, то происходит разряд аккумулятора, с протеканием тока по цепи проводов.
Принципиальная схема электрохимического элемента приведена ниже.
Технические характеристики
Для того чтобы выбрать подходящий для автономной системы аккумулятор нужно знать его технические характеристики. Наиболее важными техническими характеристиками электрохимических аккумуляторов являются:
- Удельная энергия – количество запасенной энергии на килограмм, выражается в Вт*ч/кг;
- Плотность энергии – тоже, но на объем аккумулятора, Вт*ч/л;
- Удельная мощность – максимально отдаваемая мгновенная нагрузка с килограмма батареи, Вт/кг;
- Эффективность заряд-разряд – отношение количества отдаваемой энергии к пропущенной в процессе заряда (КПД батареи), в %;
- Удельная стоимость, измеряется в Вт*ч/$
- Саморазряд – потеря энергии аккумулятором без нагрузки, % в месяц;
- Циклируемость – количество полных циклов заряд-разряд приводящих к значительной потере аккумулятором емкости (обычно, потеря около 20% начальной емкости), количество циклов;
- Номинальное напряжение, в вольтах;
- Диапазон рабочих температур.
При сравнении электрохимических аккумуляторов следует учитывать, что каждый тип характеризуется различным сочетанием данных параметров. Это не позволяет однозначно назвать «лучший» тип аккумуляторов. Можно говорить только о лучшей применимости конкретного типа аккумуляторов в конкретных условиях.
Аккумулирование энергии имеет большое, все время увеличивающееся значение. Имеются два основных потребителя аккумуляторов: транспортные установки и стационарные потребители.
Если бы можно было предоставить транспорту (например, автомобильному) малогабаритный и легкий электрический аккумулятор большой емкости с высоким КПД, то это было бы огромным достижением. Электромобиль заменил бы автомобиль, что сняло бы с повестки дня вопрос о главном загрязнителе воздуха в городах — автомобиле и резко снизило бы потребность в самом дефицитном топливе — нефти. К сожалению, проблема пока еще не решена.
Все большую остроту приобретает вопрос аккумулирования энергии для электроэнергетики, задача которой состоит в производстве электроэнергии и полном обеспечении ею потребителей. Как уже говорилось, потребление электрической энергии очень сильно изменяется в течение суток, и это ставит перед электроэнергетикой непростые задачи.
Если бы существовал не слишком дорогой электрический аккумулятор большой емкости с приличным КПД, то колебания в потреблении электроэнергии вообще никого бы не беспокоили. Электростанции всегда работали бы на неизменном, самом выгодном расчетном режиме. В часы снижения потребления происходила бы зарядка аккумулятора, а в часы наибольшего потребления энергия, накопленная в аккумуляторе, передавалась бы потребителям в качестве «довеска» к основной «гире» — электроэнергии, поступающей прямо с электростанции. К сожалению, такого электрического аккумулятора тоже нет.
Пора, по-видимому, поговорить не о том, чего нет, а о том, что есть. Существуют различные виды аккумуляторов энергии. Мы расскажем кратко о наиболее интересных из них.
Существуют аккумуляторы, накапливающие механическую энергию, — механические аккумуляторы. Один из их представителей — гидроаккумулирующие электростанции- ГАЭС. Схема ее была представлена ранее на рис. 8. Когда снижается потребность в электроэнергии, ее избыток используется на ГАЭС для перекачки воды из нижнего резервуара в верхний. Таким образом «лишняя» электрическая энергия превращается в механическую (потенциальную) энергию. Во время повышенного спроса на электроэнергию производится перепуск воды из верхнего резервуара в нижний. При этом вода протекает через гидротурбогенератор, в котором ее потенциальная энергия превращается в электрическую.
На рис. 8 показаны верхний и нижний резервуары, соединяющий их трубопровод (водовод), базовая, работающая на неизменной нагрузке электростанция. Показанный на рисунке агрегат — насос — турбина — является обратимым: он может работать и как насос, и как гидравлическая турбина. Агрегат насос — турбина соединен (этого на рисунке не показано) также с обратимой электрической машиной (мотором-генератором), могущей работать и как электрический мотор для привода в действие насоса, и как электрический генератор. Контуры собственно ГАЭС обведены линией.
Второй тип механического аккумулятора, о котором мы скажем несколько слов, предназначается для транспортных устройств. Принцип его работы удивительно прост. Чтобы объяснить, как он работает, не требуется даже какой-нибудь схемы. Аккумулятор этого типа — маховик, обладающий большой массой и раскручиваемый до очень высокого числа оборотов.
Запасаемая им энергия-не что иное, как кинетическая энергия самого маховика. Для повышения кинетической энергии маховика нужно увеличивать его массу и число оборотов вращения. Но с ростом числа оборотов увеличивается центробежная сила, что может привести к разрыву маховика. Поэтому для маховиков используются самые прочные материалы. Например, сталь и стеклопластик. Уже изготовлены маховики, масса которых измеряется многими десятками килограммов, а частота вращения достигает 200 тыс. оборотов в минуту.
Потери энергии при вращении маховика вызываются трением между поверхностью маховика и воздухом и трением в подшипниках. Для уменьшения потерь маховик помещают в кожух, из которого откачивается воздух, т. е. внутри кожуха создается вакуум. Применяются самые совершенные конструкции подшипников. В этих условиях годовая потеря энергии маховиком может быть менее 20% (!).
В настоящее время созданы опытные образцы городских автобусов с аккумулятором энергии этого типа. Мы воздержимся от оценки перспективы использования маховиков-аккумуляторов. Мнения специалистов противоречивы.
Издавна используется такой класс аккумуляторов энергии, как электрические аккумуляторы. Мы остановимся на них совсем кратко, поскольку они в настоящее время имеют весьма узкое применение в качестве основного источника энергии, а именно это нас интересует в первую очередь.
Электрохимический аккумулятор заряжается (накапливает энергию) путем питания его электрической энергией. В аккумуляторе она преобразуется в энергию химическую. Выдает же электрохимический аккумулятор накопленную энергию вовне снова в виде электрической энергии.
Аккумулятор этого типа имеет два электрода — положительный и отрицательный, погруженных в раствор — электролит. Преобразование химической энергии в электрическую происходит посредством химической реакции. Чтобы дать начало реакции, достаточно замкнуть внешнюю часть электрической цепи аккумулятора. На отрицательном электроде, содержащем восстановитель, в результате химической реакции происходит процесс окисления. Образующиеся при этом свободные электроны переходят по внешнему участку электрической цепи от отрицательного электрода к положительному. Иными словами, между электродами возникает разность потенциалов, создающая электрический ток.
Таков процесс разрядки аккумулятора, когда он работает как источник тока. При зарядке аккумулятора химическая реакция протекает в обратном направлении.
Электрохимические аккумуляторы получили очень широкое распространение главным образом при запуске двигателей внутреннего сгорания.
В настоящее время больше всего используются сравнительно дешевые свинцово-кислотные аккумуляторы. Более высокие показатели имеют, но зато и стоят дороже серебряно-кадмиевые аккумуляторы.
Главным недостатком всех существующих электрохимических аккумуляторов является низкое значение удельной (т. е. отнесенной к 1 кг массы аккумулятора) энергии, запасаемой аккумулятором. Другими словами, если мы хотим сделать относительно мощный аккумулятор (например, для привода в движение автомобиля, т. е. мощностью того же порядка, что и мощность автомобильного бензинового двигателя) да еще желаем, чтобы между зарядками аккумулятора такой автомобиль прошел бы несколько сотен километров, то аккумулятор получается непомерно тяжелым и громоздким. Такой автомобиль практически не мог бы транспортировать ничего другого, кроме питающего его аккумулятора.
Действительно, свинцово-кислотный аккумулятор обладает удельной энергией порядка 100 кДж/кг, более дорогой серебряно-кадмиевый аккумулятор — около 400 кДж/кг, в то время как бензин имеет теплотворную способность примерно 40 000 кДж/л.
Именно по этой причине электромобили с электрохимическими аккумуляторами находят пока только узкое применение. Например, в случаях, когда радиус пробега мал, а остановок приходится делать много (городские автомобили для почты, для развозки молока и т. п.).
С каждым годом увеличивается интерес к аккумуляторам тепла. Это не удивительно. Ко всем причинам, вызывающим этот интерес (а среди них прежде всего суточные колебания потребления тепла), появилась еще одна. И очень важная. Речь идет об использовании энергии Солнца для нагревания, чаще всего для отопления. За последние годы использование солнечной энергии для отопления стало, как уже об этом говорилось, во многих районах Земли выгодным и поэтому быстро развивается.
Но для земных условий Солнце — не постоянный источник энергии: днем солнечная радиация имеется, ночью — нет. По этой причине отопление за счет энергии
Солнца возможно при использовании аккумулятора тепла: днем он должен запасать тепло за счет солнечного излучения, а ночью — отдавать.
Аккумуляторы тепла подразделяются на две основные группы: во-первых, запасающие тепло путем нагревания рабочего тела аккумулятора, температура которого при этом повышается, и, во-вторых, накапливающие тепло в результате перехода рабочего тела из одного агрегатного состояния в другое, чаще всего из твердого в жидкое; в этом случае температура рабочего тела не изменяется или изменяется мало.
Передача тепла потребителю от аккумуляторов первой группы происходит за счет охлаждения рабочего тела и понижения его температуры, а от аккумуляторов второй группы — за счет возвращения рабочего тела в первоначальное агрегатное состояние (замерзание).
Важно отметить, что, каким бы ни было устройство аккумулятора тепла, необходимо придерживаться одного, главного принципа: температура рабочего тела должна поддерживаться как можно более высокой, по возможности близкой к температуре того источника тепла, от которого заряжается аккумулятор тепла. Этот принцип ясен: чем выше температура источника тепла, тем более ценно запасенное им тепло. В пределе, если бы источник тепла имел температуру среды, то ни сам источник тепла, ни запасенное им тепло не представляли бы никакой ценности и никому не были бы нужны. Все сказанное, как помнит читатель, есть не что иное, как содержание второго закона термодинамики.
Из сказанного также следует, что рабочее тело должно иметь хорошую тепловую изоляцию от окружающей среды, с тем чтобы в максимальной мере снизить неизбежные потери тепла и сохранить возможно более высокую температуру.
В случае аккумулятора тепла по-прежнему большое значение имеют его размеры (вспомним критическую массу для ядерного горючего). Чем больше аккумулятор тепла (объем его рабочего тела), тем меньше отношение его поверхности к объему и тем, следовательно, меньше относительные (удельные) потери тепла, например, отнесенные к единице запасенного тепла или к единице массы рабочего тела.
В качестве рабочего тела в аккумуляторах первой группы (аккумуляторов с переменной температурой) чаще всего употребляются жидкости и твердые тела. В случае, когда потребитель нуждается в тепле температурой не выше 100° С (например, для отопления и бытовых нужд), хорошим рабочим телом служит вода. Она имеет большую теплоемкость (примерно 4,2 кДж/кг, или 1,0 ккал/кг), практически несжимаема, поэтому требуется мало энергии на ее прокачку, стоит дешево. Если же потребителю нужно тепло с более высокой температурой, то преимущества воды резко снижаются: в этом случае пришлось бы использовать воду при давлении более высоком, чем атмосферное, и стоимость аккумулятора и его эксплуатации существенно возросли бы.
Хорошим рабочим телом для аккумулятора тепла с переменной температурой служат также твердые тела: гравий, щебень, морская галька. В аккумуляторе этого типа нагревание рабочего тела производится путем продувки через него подогретого (например, в солнечном нагревателе) воздуха. В часы разрядки теплового аккумулятора продуваемый через твердое рабочее тело холодный воздух нагревается и переносит полученное от рабочего тела тепло потребителю. Таким образом воздух в данном случае выполняет роль теплоносителя.
В тепловых аккумуляторах второй группы (работающих при постоянной температуре и использующих тепло фазового превращения, обычно «твердое тело — жидкость») в качестве рабочих тел чаще всего применяются различные соли. Например, поваренная соль, температура плавления которой близка к 800° С. В этом случае аккумулятор запасает тепло (при постоянной температуре) в результате плавления соли и отдает его потребителю (опять-таки при постоянной температуре) в процессе замерзания этой соли.
Мы рассмотрели некоторые типы аккумуляторов энергии, находящих применение в настоящее время. Могут возникнуть такие вопросы: как обстоит дело с аккумуляторами, накапливающими непосредственно электрическую энергию без преобразования ее на время «хранения» в другие виды энергии? Есть ли в этой области интересные идеи или, может быть, уже созданы удовлетворяющие запросы энергетики конструкции таких аккумуляторов?
Наши ответы на эти вопросы способны принести скорее огорчение, чем радость: идеи есть, но конструкции такого аккумулятора пока не существует. Более того, трудно даже сказать, когда можно ожидать появления такого аккумулятора.
Но так как имеющиеся по этому вопросу соображения, безусловно, представляют интерес, а разработка желаемой конструкции аккумулятора отнюдь не безнадежна, остановимся на этой проблеме.
Что собой представляет электрический аккумулятор, в котором энергия хранится в виде энергии электрического поля. По существу дела, это не что иное, как электрический конденсатор. Схема устройства показана на рис. 21. Собственно конденсатор состоит из двух электродов, именуемых обкладками, и находящегося между ними диэлектрика. По тому, какой избран диэлектрик, называется тип конденсатора: стеклокерамический, слюдяной, бумажный, пленочный, электролитический, полупроводниковый.
Рис. 21. Схема конденсатора
Система обкладок и диэлектрика обладает электрической емкостью. Когда показанный на рис. 21 переключатель замкнут на источник тока (на рисунке внизу), происходит зарядка конденсатора. В заряженном конденсаторе энергия хранится в виде энергии электрического поля диэлектрика. Если переключатель перевести в верхнее положение, т. е. замкнуть электрическую сеть на потребителя, происходит разрядка конденсатора.
Ввиду того что удельная энергия, запасаемая конденсатором, очень невелика (практически от 10 до 400 Дж/кг), а длительность возможного хранения энергии вследствие имеющейся ее утечки небольшая, этот тип аккумулятора энергии применяется только в тех случаях, когда надо отдать электроэнергию потребителю за очень короткое время при кратком сроке ее хранения.
Другой вид аккумулятора, запасающего непосредственно электрическую энергию, — соленоид — катушка, намотанная из изолированного провода (рис. 22). При протекании постоянного тока по обмоткам соленоида возникает, как показано на рисунке, магнитное поле. Электрическая энергия аккумулируется в виде энергии магнитного поля. Поэтому этот тип накопителя именуется электромагнитным.
Рис. 22. Схема соленоида
Описанный вид аккумулятора электрической энергии в настоящее время не может быть использован для решения главных энергетических задач, т. е. в случаях, когда количество запасаемой энергии должно быть велико, а время разрядки и время хранения энергии должно быть достаточно длительным (измеряться часами, а еще лучше — сутками). На самом деле время выдачи энергии электромагнитными аккумуляторами обычно измеряется даже не секундами, а долями секунды.
Следует отметить, что работа по улучшению основных показателей электромагнитных накопителей энергии и расширению диапазона их возможного применения ведется интенсивно. Большой интерес представляет создание сверхпроводящих соленоидов, у которых электрическое сопротивление обмоток равно нулю, что делает возможным использование больших значений электрического тока и, следовательно, увеличение запасаемой аккумулятором энергии.