Лекции. Лекции НЭЭ 27.09.2021. Конспект лекций для специальности 5В071800 Электроэнергетика Алматы 2021 алматинский университет энергетики и
 Скачать 2.37 Mb.
|
|
Лекция 7 Накопители электрической энергии, используемые в энергоустановках с ВИЭ. Суперконденсаторы. Суперконденсатор представляет собой импульсное электрохимическое устройство, предназначенное для компенсации быстрых переходных процессов в различных электрических схемах. От аккумуляторов различных типов он отличается существенно меньшей энергоемкостью (единицы Вт*ч/кг) и повышенной удельной мощностью (2-10 кВт/кг). Отсутствие фарадеевсих процессов при работе ДСК приводит к увеличению его ресурса по сравнению с аккумуляторами, а также к отсутствию ограничений по глубине его разряда. Двойнослойный суперконденсатор (ДСК) состоит из двух пористых электронпроводящих электродов, разделенных заполненным электролитом сепаратором (рис. 7.1). Рисунок 7.1 - Схема единичной ячейки ДСК. Процесс запасания энергии в ДСК осуществляется за счет разделения заряда на двух электродах с достаточно большой разностью потенциалов между ними. Разность потенциалов обычно определяется величиной напряжения разложения электролита. Эта величина лежит в районе 1,23 В для водных электролитов (щелочей и кислот) и в районе 2,5-4 В для органических Заполненный электролитом сепаратор Коллектор тока Ионы электролита Эквивалентная схема Активный слой (зона контакта электронного и ионного проводников 3 1 электролитов. Процессы, происходящие в двойном электрическом слое (ДЭС) на границе раздела двух проводников, сродни тем, которые протекают в обычном конденсаторе, однако в этом случае расстояние между несущими различный заряд обкладками составляет несколько межатомных длин, так как фактически одна обкладка представлена электронами в электронном проводнике, сгруппированным и в приповерхностном слое, а вторая – сорбированными на поверхности катода положительными ионами электролита (катионами) [31,32]. На аноде слой формируется за счет обеднения электронами электронного проводника и сорбции отрицательных ионов электролита. Таким образом, для достижения максимальной емкости необходимо обеспечить как можно большую поверхность контакта электролита с электронным проводником. Поэтому в качестве электронного проводника обычно используются нанопористые углеродные материалы. Жидкий электролит обычно заключен в пористый полимерный или асбестовый сепаратор, разделяющий электроды во избежание короткого замыкания. Для повышения запасенной суперконденсатором энергии используются органические электролиты с высоким напряжением разложения [33]. Ниже приведены достигнутые на сегодняшний день характеристики суперконденсаторов, выпускаемых ведущими производителями США, Японии, Кореи, Франции, Германии, Австралии) [34]. (Таблица 4). Учитывая особенности суперконденсаторов, упомянутые в начале раздела, целесообразно их использование в гибридных схемах с аккумуляторами. В этом случае суперконденсатор реагирует на короткие пики генерации или потребления электроэнергии, увеличивая ресурс аккумулятора и снижая время отклика всей схемы на внешние воздействия. Такие схемы могут применяться для повышения качества электроэнергии, вырабатываемой традиционными ЭУ и ЭУ на основе ВИЭ (сглаживание флуктуаций напряжения), в электротранспортных средствах и гибридных автомобилях (рекуперация энергии торможения и разгон транспортного средства), для обеспечения работы рентгеновских установок и быстрого запуска ДГУ, особенно в условиях пониженных температур [32]. В энергоустановках с ВИЭ просматривается ниша применения таких систем в гибридных ветродизельных установках для сглаживания быстрых колебаний мощности с характерным временем менее секунды, порождаемых флуктуациями, возникающими как при работе дизеля, так и ветроустановки. Также существенной экономии можно достичь, применяя суперконденсаторы в системах с ярко выраженной импульсной нагрузкой – фотоэлектрические водоподъемные системы, где кратковременный бросок мощности нужен для запуска двигателя насоса, или источники автономного питания импульсных передатчиков, описанные в [35]. 3 2 Таблица 4. Характеристики суперконденсаторов. 3 3 Лекция 8 Накопители электрической энергии, используемые в энергоустановках с ВИЭ. Кинетические накопители (маховики). Принцип действия кинетического накопителя (КНЭ) или маховика основан на преобразовании кинетической энергии в электрическую и обратно. При заряде кинетического накопителя идет раскрутка массивного колеса до высокой скорости. Высокая масса необходима для сохранения запасенной энергии в течение большего времени за счет инерции. При разряде маховик вращает привод генератора до тех пор, пока потери на трение и перевод кинетической энергии в электрическую полностью не погасят эту инерцию. Такие системы могут реагировать на изменение мощности в системе достаточно быстро и развивать высокую мощность, но для длительного аккумулирования большого запаса энергии требуются большие капитальные затраты (строительство группы КНЭ и обеспечение необходимых мер безопасности, обычно связанных со строительством защитного купола над маховиком на случай его разрушения центробежными силами или срыва с оси). По области применения данная система близка к суперконденсаторам, но позволяет работать в диапазоне более высоких мощностей при меньшем уровне капитальных затрат. Основные исследования, проводимые в настоящее время, связаны с поиском новых материалов, способных обеспечить снижение цены маховика при сохранении приемлемых прочностных характеристик и уменьшение уровня потерь на трение, на раскрутку массивного тела, на сопротивление воздуха. Для решения последней задачи маховики располагают в вакуумированном объеме. За рубежом наибольших успехов в области создания крупных КНЭ добилась компания Beacon Power (в настоящее время находящаяся в процессе банкротства). Рисунок 8.1 - Разрез КНЭ Beacon Power. 3 4 Рисунок 8.2 - Блок-модуль КНЭ суммарной мощностью до 2,5 МВт. Энергоемкость – 250 кВт@1 час. Количество циклов «заряд-разряд» - до 50000. Саморазряд на трение – 2%. В России с 2009 года основные усилия по разработке и выпуску опытных образцов КНЭ консолидирует компания «Русский сверхпроводник». Компания «Русский сверхпроводник» разработала экспериментальный образец кинетического накопителя энергии (КНЭ) и провела его испытания. Энергоемкость накопителя составила порядка 4 МДж, в его составе была использована в качестве мотор-генератора трехфазная асинхронная электрическая машина мощностью 22 кВт. В ходе испытаний прошла проверку способность инновационного изделия работать в различных режимах, требуемых основными потенциальными потребителями накопителей. Среди них – режим работы в качестве быстродействующего динамического источника бесперебойного питания, режим рекуперации электрической энергии, режим «подхвата» провалов энергоснабжения потребителей (в т.ч. несколько просадок мощности подряд). Сценарии поведения систем энергоснабжения и потребления энергии имитировались встроенным в испытательный стенд специально разработанным программно-аппаратным комплексом. Кроме того, были проведены исследования систем и элементов КНЭ, в т.ч. системы контроля параметров и управления, на надежность и бесперебойность работы, обеспечение заявленных проектных характеристик, система снижения собственных механических потерь. Экспериментальный образец показал высокую надежность в эксплуатации, обеспечение всех основных режимов работы в энергосистемах потребителей (регулирование частоты в сети, бесперебойное энергоснабжение 3 5 ответственных потребителей, рекуперация энергии, совместная работа с базовыми энергоисточниками, в т.ч. работающими на возобновляемых энергоресурсах). Так, например, такой важнейший показатель КНЭ, как скорость «подхвата» провалов и перерывов энергопитания (время включения в режим генерации электроэнергии и выхода на штатную мощность), составил менее 0,1 секунды, что подтвердило его высокие технические характеристики для эксплуатации в качестве высокоманевренной генерирующей мощности [36]. Приведенные данные показывают, что наилучшая ниша для применения КНЭ в системах с ВИЭ – сглаживания флуктуаций мощности при интеграции в сеть крупных ветровых систем. Возможная схема применения КНЭ в составе ветродизельной станции приведена на рис.8.3. Рисунок 8.3 - Возможная схема применения КНЭ в составе ветродизельной станции [Powercorp]. 3 6 Лекция 9 Накопители электрической энергии, используемые в энергоустановках с ВИЭ. Особенности выбора накопителя для систем с ВИЭ. Рассмотренные ранее типы накопителей и ниши их применения весьма разнообразны. Из чего следует вывод о том, что рекомендовать какую-либо аккумулирующую систему для всех типов энергоустановок на основе ВИЭ невозможно. Тем не менее, можно сформулировать некоторые требования и ограничения, облегчающие проектировщику выбор накопителя для своей системы. Так, например, если речь идет необходимости регулирования энергетических потоков в системе, где их мощность исчисляется десятками и сотнями МВт, нет смысла применять дорогие и маломощные электрохимические накопители, если только речь не идет о распределении их между конечными потребителями мощностью 10-100 кВт и последующей согласованной работе под единой системой управления. Задача управления крупными энергетическими потоками мощного ветропарка, крупной приливной электростанции или территориального комплекса на основе ВИЭ в масштабах региона может быть решена за счет применения ГАЭС или НЭСВ, а в ряде случаев – водородного цикла с тепловым двигателем. Применение водородного цикла целесообразно в системах, для которых характерна большая энергоемкость при малой мощности и есть ограничения по объему и массе накопителя. В отсутствие последних имеет смысл применение проточных редокс- накопителей с целью повышения кпд системы и отказа от работы с взрывоопасными газами в сосудах под давлением. В нише малых энергоустановок с ВИЭ пока доминируют СКА, однако постоянное развитие ЛИА в направлении повышения безопасности и снижения цены, как за счет применения новых материалов, так и наращивания объемов производства вкупе с такими «врожденными» недостатками СКА как малая энергоемкость, низкая допустимая глубина разряда и малый ресурс в конечном итоге может привести к частичному вытеснению их ЛИА. Применение суперконденсаторов, маховиков и адиабатических НЭСВ целесообразно в системах с быстропротекающими процессами, причем ранжирование этих трех технологий в порядке убывания мощности следующее: НЭСВ, маховики, суперконденсаторы. Наконец, в сложных системах с различными требованиями могут быть применены гибридные накопители электрической энергии, включающие в себя комбинации различных технологий, объединенные единой системой преобразования и управления. 3 7 Лекция 10 Накопители энергии в электрических системах. Основные направления развития генерирующих мощностей Режимы электропотребления ЭЭС в течение суток меняются в широких пределах. Они формируются под влиянием структуры электропотребления по основным отраслям народного хозяйства, соотношения между промышленной и коммунально-бытовой нагрузкой, организации смен и уровня их загрузки и т. д. [37]. Создание объединенных энергосистем (ОЭС) обеспечивает ряд технико- экономических преимуществ. Так, объединение различных потребителей, нагрузка которых в общем случае имеет вероятностный характер, должно привести к уплотнению графика нагрузки. Объединение тепловых и гидравлических станций позволит выровнять график загрузки паротурбинных энергоблоков. Укрупнение ЭЭС способствует повышению надежности энергоснабжения, снижению затрат на резервирование и увеличению единичных мощностей энергоблоков. Эти же задачи решаются с помощью сверхдальних ЛЭП, проходящих через несколько часовых поясов. Включение подобных линий в состав системы приводит к сглаживанию графиков нагрузки объединенной системы. Однако статистический анализ показывает, что, несмотря на объединение потребителей, уплотнения суточных графиков нагрузки не происходит. Более того, максимумы нагрузки систематически растут, а относительные минимумы падают. Объясняется это в основном ростом потребления электроэнергии в быту и уменьшением числа предприятий, работающих в ночное время*. Это связано с ростом благосостояния и улучшением уровня жизни трудящихся. Современные ЭЭС включают в себя различные типы генерирующего оборудования: атомные конденсационные и тепловые конденсационные электростанции (АКЭС и КЭС), теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), атомные теплоэлектроцентрали (АТЭЦ) и гидравлические электростанции (ГЭС). Имеется несколько газотурбинных и гидроаккумулирующих электростанций (ГТС и ГАЭС). Каждому из указанных типов станций в силу их маневренных характеристик отводится определенное место в покрытии графика нагрузок ЭЭС. В соответствии с зонами графика нагрузки классифицируют и генерирующие установки: базисные, полубазовые, полупиковые, пиковые. Базисные установки — это агрегаты и станции, несущие постоянную (в рабочие дни — номинальную) нагрузку в суточном и недельном разрезах. К ним относятся АКЭС и мощные КЭС из-за практической невозможности и экономической нецелесообразности снижения их нагрузки. Роль базисных станций в зимнее время выполняют ТЭЦ и АТЭЦ, что вызвано необходимостью соблюдения заданного графика отпуска теплоты. При этом чем больше отпуск теплоты из регулируемых отборов ТЭЦ, тем меньше их регулировочный 3 8 диапазон по выработке электроэнергии. В качестве базисной мощности используется также мощность, получаемая при работе станции на имеющемся стоке воды (среднесуточная обеспеченная мощность ГЭС). [38,39]. Полубазовые установки — КЭС с агрегатами мощностью 200—300 МВт, предназначенные для работы с разгрузкой мощности в период прохождения ночного провала нагрузки. Полупиковые установки — КЭС с агрегатами мощностью 100—200 МВт, значительно меняющие отдаваемую мощность не только во время ночного минимума, по п дневных максимумов нагрузки. Пиковые установки — ГЭС, а также ТЭС с блоками мощностью 25—200 МВт, работающие только в часы покрытия максимума нагрузки. Считается экономичным использование специальных источников пиковой мощности — газотурбинных установок (ГТУ), работающих до 6 ч в сутки, а также ГАЭС. Особые трудности в эксплуатации вызывает снижение относительного минимума нагрузки, в основном в ночное время, при этом вся тяжесть регулирования приходится на оборудование высокого давления (агрегаты мощностью 100, 150, 200 МВт). При регулировании ночных провалов агрегаты мощностью 150, 200 МВт разгружаются до 60%, а мощностью 100 МВт — до 5—10 МВт. Работа турбогенераторов при таких нагрузках обходится дороже, чем при работе постоянно на полную мощность, что объясняется двумя причинами. Во-первых, электростанция, работающая не на полную мощность, имеет более низкий КПД, следовательно, требуются добавочные расходы на топливо; во-вторых, приходится тратить деньги на эксплуатацию других станций, берущих на себя оставшуюся нагрузку. При этом возникает еще один негативный момент, объясняющийся зависимостью интенсивности эксплуатации электростанции от стоимости вырабатываемой ею энергии. Нагрузка дается в первую очередь на станцию, вырабатывающую более дешевую энергию, поэтому увеличение общего числа работающих электростанций ведет к повышению удельной стоимости энергии всей системы. Выравнивание суточной нагрузки приводит к уменьшению износа и поломок оборудования на ТЭС и сокращению расходов на техническое обслуживание. Точная величина экономии зависит от ряда факторов, однако ее необходимо учитывать.С развитием электроэнергетических систем, ростом мощностей агрегатов, генерирующих энергию, становится все более острой проблема накопления и хранения энергии. Исправить этот недостаток возможно путем создания накопителей энергии (НЭ) - реверсивных устройств для частичного или полного разделения во времени выработки и потребления энергии. В накопителях энергии осуществляется аккумулирование энергии, получаемой из электроэнергетической системы (ЭЭС), ее хранение и выдача при необходимости обратно в энергосистему [39]. Электроэнергетическую систему как единое целое при наличии достаточного числа тех или иных аккумулирующих устройств можно ориентировать на среднее потребление энергии, а надежность ее функционирования повысить. Это даст значительный экономический эффект, 3 9 зависящий от типа аккумулирующих энергию устройств — накопителей и их характеристик. Существенное значение для получения экономического эффекта и повышения управляемости ЭЭС имеет также правильная расстановка аккумулирующих устройств. В ряде отечественных и зарубежных работ, получивших отражение в настоящей книге, рассмотрены основные характеристики накопителей различных типов и в первую очередь гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС). Однако можно применять в ЭЭС и другие типы накопителей - химические, электромагнитные, тепловые, механические. Большое внимание уделяется аккумулированию тепловой энергии, когда в соответствующих устройствах в качестве теплоносителя используются вода, масло, расплавленные соли и такие твердые тела, как, например, керамика. Появляется значительный интерес к использованию скрытой теплоты фазовых переходов. Существенный интерес представляет накапливание механической энергии в различного рода маховиках. В будущем получат распространение устройства, использующие химическую электроэнергию, аккумулируемую в установках, содержащих водород, метанол и различные топливные элементы. Для создания экономичных и эффективных способов преобразования электроэнергии в другие виды энергии, удобные для хранения, проводятся работы, которые, несомненно, дадут существенный эффект. Однако уже сейчас инженер может и должен ориентироваться в проектной работе на использование НЭ. Их создание идет быстрыми темпами. Так, совершенствуются ГАЭС, появляется реальная возможность использования емкостных накопителей. Открытие высокотемпературной сверхпроводимости позволяет надеяться на создание наиболее перспективного типа накопителя — сверхпроводникового накопителя (СПИН). Книга, насколько известно авторам, является первой, посвященной данной проблеме, и не претендует на ее исчерпывающее изложение. Она предназначается в первую очередь студентам электротехнических и электроэнергетических вузов и факультетов в качестве учебного пособия. Вопросы, рассмотренные здесь, еще не установившиеся и не апробированные, поэтому приведенные рекомендации и количественные характеристики в дальнейшем следует уточнять и конкретизировать для тех или иных условий. Однако будущий инженер в своих решениях должен искать и открывать новые пути, которые могут вывести отечественную энергетику на передовые рубежи. |