Нетрадиционные возобнов. источники энергии

Сверхпроводящие индуктивные накопители энергии

При подключении катушки индуктивности L к источнику напряжения протекающий ток I создает магнитное поле, обладающее энергией:

I2 L . WL 2

Потери энергии в индуктивном накопителе определяются сопротивлением контура, по которому протекает ток. Использование явления сверхпроводимости обеспечивает циркуляцию тока в накопителе с минимально возможными потерями энергии.

Сверхпроводящий индуктивный накопитель (приложение Д, рис. Д 2) состоит из катушки индуктивности со сверхпроводящей обмоткой и инверторной установки (рис. 28), обеспечивающей связь накопителя с электрической системой. Для изготовления обмотки применяются специальные сплавы, интерметаллические соединения TiNb, Nb3Sn, являющиеся сверхпроводниками второго рода. Эти соединения имеют высокий уровень критической индукции1 магнитного поля и по ним можно пропускать значительные токи в сверхпроводящем состоянии.

Рис. 28.

Принципиальная схема СПИН

1 При индукции выше критической сверхпроводимость исчезает, и металл становится обычным проводником.

60

Переход от режима накопления к режиму генерирования происходит за 1…2 периода переменного тока частотой 50 Гц.

Так как энергия вырабатывается на переменном токе, то связь с энергосистемой осуществляется с помощью управляемого вентильного преобразователя, работающего в режиме как выпрямителя, так и инвертора. Рефрижератор предназначен для поддержания катушки обмотки в сверхпроводящем состоянии при температуре жидкого гелия (4,2 К). Для изоляции обмотки от притоков тепла извне необходимо сооружение криостатов.

Эскизный проект СПИН показан на рис. 29.

Рис. 29. Эскиз сверхпроводящего индуктивного накопителя энергии:

1– регулятор; 2 – преобразователь; 3 – рефрижератор; 4 – аккумулятор на основе сверхпроводящей катушки индуктивности; 5 – насос; 6,7 – резервуары

с жидким и газообразным гелием

Работы по созданию СПИН интенсивно ведутся в США, Японии и России. Экспериментальный СПИН энергоемкостью 1 МДж со средней мощностью 300 кВт создан в институте высоких температур РАН. В США эксплуатируется СПИН, имеющий энергоемкость 30 МДж, в Японии сооружен демонстрационный СПИН, имеющий энергоемкость 3600 МДж. Проект СПИН большой мощности и энергоемкости показан на рис. 30.

61

Рис. 30. Лос-Аламосский проект СПИН энергоемкостью 10000 МВт·ч

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 (рис. 31).

Рис. 31.

Сечение катушки индуктивности в зоне криогенных температур

Сверхпроводящая катушка представляет собой однослойный соленоид, намотанный композитным проводом с алюминиевой стабилизацией. Охлаждение катушки осуществляется жидким гели-

62

ем при температуре 1,8 К. Провод имеет круглое сечение (рис. 32) и гофрирование с радиусом искривления около 1 м. Расчетный ток составляет 10…30 кА при индукции магнитного поля в 2…5 Тл. Катушки располагаются в подземных выработках радиусом

100…250 м и высотой 30…75 м.

Рис. 32. Разрез интерметаллического провода СПИН:

1 – алюминиевая оболочка;

2 – алюминиевая перегородка;

3 – сверхпроводящие нити;

4 – высокочистый алюминий для стабилизации

Преимущества СПИН перед другими системами накопления электрической энергии (ЭЭ) состоят в следующем:

высокий КПД; компактность, обусловленная высокой плотностью энергии; высокое быстродействие;

незначительное экологическое влияние.

СПИН оборудуется сложной системой аварийной защиты. Энергия, запасенная в СПИН емкостью 10000 МВт·ч, эквивалентна энергии взрыва 10000 т тринитротолуола. 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. Поэтому самопроизвольное высвобождение такой энергии должно предотвращаться системой защиты.

Ёмкостные накопители (ЕН)

В последние годы созданы конденсаторы с увеличенной удельной емкостью. Энергия, накапливаемая в электрическом поле конденсатора с емкостью С, определяется по формуле:

U2C , WC 2

где U – подведенное напряжение.

63

Принцип устройства простейшего (плоского) конденсатора представлен на рис. 33.

Рис. 33. Устройство плоского конденсатора: 1 – обкладки; 2 – диэлектрик

Если использовать обкладки из фольги и многослойный пленочный диэлектрик, то можно изготовить конденсаторы рулонного типа, у которых удельная аккумулирующая способность находится приблизительно в пределах 0,1…1 Дж/кг или 0,03…0,3 МВт·ч/кг. Из-за малой удельной аккумулирующей способности конденсаторы такого вида не подходят для длительного сохранения существенного количества энергии, но они широко применяются как источники реактивной мощности в цепях переменного тока и как емкостные сопротивления.

Значительно более эффективно энергия может аккумулироваться в электролитических конденсаторах, принцип устройства которых изображен на рис. 34.

Рис. 34. Устройство электролитического конденсатора:

1 – металлический лист или фольга (алюминий, тантал или др.); 2 – диэлектрик из окиси металла (А1203, Та205 или др.); 3 – бумага и т. п., пропитанная элек-

тролитом и глицерином

Так как толщина слоя диэлектрика в этом случае обычно остается в пределах 0,1 мкм, то эти конденсаторы могут изготовляться с очень большой емкостью (до 1 Ф), но на относительно малое напряжение (обычно на несколько В).

В последнее десятилетие значительное место в научных поисках новых накопителей энергии заняли так называемые электрохимические конденсаторы (ЭХК), обычно называемые суперконденсаторами (приложение Д, рис. Д 3). Эффект суперконденсатора был впервые замечен в 1957 г. инженерами американской компании General Electric во время экспериментов с использованием по-

64

ристых углеродных электродов. Было отмечено, что электрическая энергия накапливалась в угольных порах в большом количестве, хотя механизм этого процесса не был известен.

В настоящее время к электрохимическим конденсаторам принято относить устройства, заряд которых происходит благодаря накоплению энергии в двойном электрическом слое (ДЭС) на границе электронного проводника и электролита. Принципиально традиционный электрохимический конденсатор представляет собой систему, состоящую из двух химически инертных электродов, помещенных в электролит (рис. 35).

Рис. 35.

Традиционный

электрохимический

конденсатор

Двойной электрический слой на поверхности каждого электрода представляет собой отдельный конденсатор. Между собой электроды соединены последовательно через электролит, являющийся проводником с ионной проводимостью. Межэлектродный потенциал при этом составляет 2,3…2,8 В.

Новейшие разработки технологического изготовления суперконденсаторов предусматривают замену традиционных углеродных пористых электродов из активированного угля на углеродные нанотрубки. Компания ЕЕS’toz разработала новый тип диэлектрика на основе барий-титанового порошка, позволяющего работать суперконденсаторам с очень высоким напряжением – порядка нескольких тыс. В. Такие суперконденсаторы будут иметь удельную энергетическую емкость до 300 Вт·час/кг, что выше, чем даже у литий-ионных аккумуляторов, обладающих плотностью энергии около 200 Вт·час/кг. Новая конструкция суперконденсатора, предложенная специалистами из Nanotek Instruments Inc (США), имеет электроды, состоящие из графена с примесями повышающего проводимость ацетилена и связующего вещества PTFE. В качестве

65

электролита использовалось вещество, известное в электрохимии как EMIMBF4. Энергетическая плотность полученного устройства по порядку сравнима с никель-металлогидридными батареями: 85,6 Вт·час/кг при комнатной температуре и 136 Вт·час/кг при 80 ºС.

Преимущества. Электрохимические конденсаторы имеют большой срок службы – порядка 20 лет, обусловленный отсутствием химических процессов, которые в обычных аккумуляторах приводят к постепенному снижению их характеристик. В процессе эксплуатации и хранения ЭХК не требуют обслуживания, сохраняют работоспособность в широком интервале температур + 50… – 50 ○С. По показателю стойкости в циклах «заряд-разряд» суперконденсаторы не имеют себе равных, поскольку они сохраняют работоспособность без потери ѐмкости при числе циклов 1·107(!), что более чем на три порядка выше, чем у аккумуляторов другого типа. При этом КПД суперконденсатора достигает 97…98 %. Наибольшая достигнутая удельная ѐмкость составляет 360 Ф/г для углеродистых материалов и 768 Ф/г для оксида рутения. Выпускаемые в России суперконденсаторы имеют удельную накопленную энергию 0,3...0,5 Вт·ч/кг, удельную мощность 10 кВт/кг, ресурс более 105 циклов. Важнейшим преимуществом суперконденсаторов является также их способность накапливать и отдавать энергию в короткие промежутки времени, измеряемыми долями секунд.

Конструкция суперконденсатора определяется его технологией изготовления. Типовая конструктивная схема суперконденсатора представлена на рис. 36 [9].

4

1

Рис. 36. Конструктивная схема суперконденсатора:

1 – пористый материал – активированный уголь толщиной 0,1–0,5 мм, размеры частиц 1–30 мкм, размер пор 0,7–10 нм;

электролит – 30%-й раствор КОН, ионная жидкость (МеBu-im)BF4; 2 – подложка – асбест, арамид толщиной 20–30 мкм; 3 – сепаратор – асбест, арамид толщиной 20–30 мкм; 4 – токосъѐмник – стальная фольга толщиной 50 мкм

66

Приняты две основные технологии изготовления: наборная и намоточная (рис. 37).

НАМОТОЧНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

3v

НАБОРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

300v

Рис. 37. Технологии изготовления суперконденсаторов

Наборная технология предусматривает создание образца суперконденсатора с необходимыми характеристиками (напряжение и мощность) в едином модуле путем набора из необходимого количества последовательно-параллельно соединенных элементарных ячеек. Эта технология разработана впервые в мире в России в 70-х гг. прошлого века. Намоточная технология разработана в 30-х гг. прошлого века фирмой Maxwell (США) для обычных конденсаторов и в 90-х гг. прошлого века была применена для создания суперконденсатора. При этом конечным изделием является элементарный суперконденсатор с напряжением порядка 3-х В, а необходимое заказчику напряжение, например 300 В, обеспечивается использованием 100-а элементарных суперконденсаторов, коммутируемых с использованием систем балансировки разброса их характеристик. Эта технология нашла широкое распространение на Западе несмотря на то, что намоточные суперконденсаторы не соответствуют экологическим нормам в связи с использованием высокотоксичного органического электролита. Кроме того суперконден-

саторы наборной и намоточной технологий в основном применяются в разных областях техники: суперконденсаторы наборной технологии используются в основном для создания мощных высо-

67

ковольтных систем, которые определяют будущее использование суперконденсаторов в электрических сетях. Поэтому в России развитием этой технологии занят один из старейших научных центров

– Объединѐнный институт высоких температур (ОИВТ).

Как и обычные конденсаторы, ЭХК можно собирать в батареи, соединяя их последовательно, параллельно или по смешанным схемам, достигая требуемого уровня напряжения и тока. Высокие потребительские свойства ЭХК позволяют рассматривать их применение в качестве накопителей энергии в различных системах. Суперконденсаторы наиболее эффективны при работе в режимах коротких импульсных разрядов.

Емкостно-аккумулирующая электростанция представляет собой батарею последовательно-параллельно соединенных конденсаторов (суперконденсаторов), присоединенную через преобразовательную подстанцию к сети переменного тока (рис. 38).

сглаживающий

реактор

трансформатор фильтрокомпенсирующее устройство

преобразователь

батарея

конденсаторов

блок управления

Рис. 38. Функциональная схема емкостного накопителя энергии

Емкостный накопитель имеет высокий КПД и не оказывает неблагоприятного воздействия на окружающую среду.

Недостатки ЕН состоят в следующем:

модульный характер конструкции требует значительного числа контактных соединений, что снижает надежность устройства;

68

необходимость изменения полярности батарей при переключениях из заряда в разряд.

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.

Электрохимические аккумуляторы

Электрохимические аккумуляторы (ЭА) в процессе заряда преобразуют электрическую энергию в химическую, а в процессе разряда – химическую энергию в электрическую. Важными параметрами ЭА являются: напряжение при разряде, мощность, запасенная энергия, КПД, число разрядно-зарядных циклов (наработка) и экономические показатели.

Количество электроэнергии, которую получают в ЭА при разряде, меньше количества электричества, которое проходит через ЭА при заряде из-за потерь на побочные реакции. По мере циклирования ЭА снижается его емкость из-за потери активной массы, изменения структуры электродов, пассивации1 отдельных компонентов и других причин. Число циклов (наработка) уменьшается с увеличением глубины разряда и плотности тока.

К настоящему времени в широких масштабах производятся свинцово-кислотные, щелочные никель-кадмиевые и никель-же- лезные аккумуляторы. За последние годы традиционные ЭА существенно усовершенствованы. Так, созданы малообслуживаемые и герметизированные свинцовые ЭА, увеличены удельные энергия и мощность щелочных ЭА за счет применения высокопористых электродов, оптимизации структуры и состава активных масс. К недостаткам традиционных ЭА относятся низкая удельная энергия, токсичность кадмия и свинца, малый КПД у никель-железных ЭА. Более высокую удельную энергию имеют недавно разработанные никель-металлогидридные ЭА, где на положительном электроде используется гидроксид никеля, а на отрицательном

1 Пассивация – переход поверхностного слоя металла из активного в химическом отношении состояния в пассивное.

69