Лекции. Лекции НЭЭ 27.09.2021. Конспект лекций для специальности 5В071800 Электроэнергетика Алматы 2021 алматинский университет энергетики и
 Скачать 2.37 Mb.
|
|
1 Некоммерческое акционерное общество Электрические станции, сети и системы НАКОПИТЕЛИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Конспект лекций для специальности 5В071800 – Электроэнергетика Алматы 2021 АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ 2 CОСТАВИТЕЛИ: Е.К. Умбеткулов, И.С. Соколова. Накопители электроэнергии. Конспект лекций для специальности 5В071800 – Электроэнергетика. - Алматы: НАО АУЭС, 2021 - 52 с. Данный конспект лекций содержит краткие сведения по основным накопителям электроэнергии и включает в себя основные направления их использования в возобновляемых источниках энергии и электрических сетях и систем. Ил. 30 , табл.15, библиогр.- 44 назв. Рецензент: PhD Шыныбай Ж.С. ©НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2021 г. 3 1 Лекция № 1. Предпосылки развития накопителей энергии. Основные типы накопителей энергии Содержание лекции: Графики выработки электрической энергии на возобновляемых источниках энергии и предпосылки развития накопителей электроэнергии. Основные группы накопителей энергии. Цель лекции: ознакомление с предпосылками развития накопителей энергии. Изучение основных групп накопителей энергии Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) обычно отличаются непостоянством и непредсказуемостью временных зависимостей выдаваемой мощности. Можно выделить сезонные и суточные неравномерности генерации, в то время как график нагрузки потребителя обычно тоже не представляет собой прямую линию и имеет свойство меняться по времени суток временам года. Все это приводит к тому, что необходима система, позволяющая согласовать генерацию и потребление энергии от ВИЭ. Характерной особенностью ВИЭ является существенная сезонная разница в интенсивности солнечного излучения и ветров, приведенная на рисунке 1.1[1]. Рисунок 1.1 - Графики выработки и потребления электроэнергии от ВИЭ Поэтому помимо сглаживания суточных неравномерностей генерации и потребления необходимо рассмотреть перспективы накопителей, обеспечивающих длительное хранение энергии, с возможностью ее выдачи в течение нескольких суток или даже десятков суток после ее выработки Передача электроэнергии от генератора к потребителям происходит мгновенно и непрерывно, без возможности её накапливания в значительных (соизмеримых с выработкой) количествах. Комплектовать такие системы электроснабжения (ЭСН) тем или иным накопителем, призванным запасать излишки энергии в периоды её избытка и компенсировать нехватку тогда, когда источник электроэнергии временно иссякает или неэффективно работает (при суточном повышении или снижении электрической нагрузки). 4 Накопитель энергии (НЭ), устройство, воспринимающее, сохраняющее и выделяющее энергию для использования без преобразования её вида. НЭ разли- чаются объёмом запасаемой энергии, скоростью её накопления и отдачи («заряд- ки» и «разрядки»), удельной энергоёмкостью (плотностью накопленной энер- гии), возможными сроками её хранения и др. параметрами, включая надёжность и стоимость изготовления и обслуживания. НЭ делятся на три основные группы: - накопители электроэнергии (НЭЭ), к которым относятся электрические аккумуляторы , ёмкостные и индуктивные накопители; - накопители механич. энергии (статич. и динамич.); - накопители тепловой энергии (с фазовым переходом и без него). Накопители электроэнергии. Из множества электрич. аккумуляторов наиболее перспективными для применения как в бытовой электронной технике, так и в электромобилях являются литий-ионные аккумуляторы. Их удельная энергоёмкость (одна из самых высоких для электрич. аккумуляторов) 400– 720 кДж/кг, удельная мощность ок. 300 Вт/кг. Важное достоинство – отсутствие т. н. эффекта памяти (низкий уровень саморазряда); недостатки – относительно небольшой срок службы (св. 1000 циклов), подверженность старению (срок службы не более 5 лет). Из ёмкостных накопителей наиболее перспективны элек- трохимические конденсаторы (суперконденсаторы, или ионисторы), которые, по мнению отеч. и зарубежных специалистов, в будущем могут вытеснить электро- химич. аккумуляторы. Удельная энергоёмкость их в десятки раз больше, чем у обычных электролитич. конденсаторов. Любая катушка индуктивности является индуктивным накопителем электроэнергии, но срок хранения энергии ничтожен из-за активного сопротивления обмоток. В условиях сверхпроводимости индук- тивные накопители приобретают технич. реальность. Накопители механической энергии – самый древний класс таких уст- ройств, освоенный ещё доисторич. человеком. Многие виды этих конструкций отличаются предельной простотой и практически неограниченным сроком служ- бы и хранения запасённой энергии. Однако их удельная энергоёмкость, как пра- вило, очень мала. Напр., поднятый на выс. 10 м груз обеспечивает удельную энергоёмкость всего 0,1 кДж/кг, стальная пружина – ок. 0,3 кДж/кг, а растянутая резина – ок. 3 кДж/кг. В газовых механических накопителях энергия накаплива- ется за счёт упругости сжатого газа. При избытке энергии компрессор закачивает газ в баллон. Когда требуется использовать запасённую энергию, сжатый газ по- даётся в турбину, непосредственно выполняющую необходимую механическую работу или вращающую электрогенератор. Вместо турбины можно применять поршневой двигатель, который более эффективен при небольших мощностях. 5 Практически каждый совр. пром. компрессор оснащён подобным аккумулято- ром – ресивером. Сжатый при давлении 20 МПа газ в прочном резервуаре может обеспечить достаточно высокую удельную энергоёмкость (ок. 30 кДж/кг) в тече- ние практически неограниченного времени (месяцы, годы, а при высоком каче- стве металлич. баллона и запорной арматуры – десятки лет). Однако кпд такого накопителя невелик (порядка 60%) из-за охлаждения газа при расширении. Под- нятый груз, в т. ч. и вода, всевозможные пружины, резиновые элементы, сжатый газ – это статич. накопители. Совр. динамич. или маховичные Н. э. (см. Маховик ) обеспечивают недостижимые для др. накопителей удельные энергетич. и особен- но мощностные показатели. Так, супермаховик из графитового волокна массой 10 кг при 60 тыс. об/мин, накапливающий ок. 20 МДж энергии, может передать через вал диаметром 30 мм мощность св. 16 МВт. Это свойство маховиков крат- ковременно выделять огромную мощность используется, напр., в ударных гене- раторах Накопители тепловой энергии с фазовым переходом имеют наибольшее практич. значение. Они запасают и отдают большую тепловую энергию почти без изменения темп-ры рабочего тела, которое при этом переходит, напр., из жидкого состояния в твёрдое и наоборот. В частности, гидрид лития, нередко используемый в качестве рабочего тела накопителей тепловой энергии, плавя- щийся при темп-ре 650 °C, будет сохранять её вплоть до затвердевания (удельная энергоёмкость 2856 кДж/кг). Подбирая материалы, плавящиеся при разл. темп- рах, можно получать накопители теплоты с почти постоянной темп-рой рабочего тела при накоплении и выделении тепловой энергии. Напр., в диапазоне от ком- натных темп-р до 100 °C подходят парафин, озокерит и некоторые кристаллогид- раты; в диапазоне 600–800 °C – гидрид и фторид лития; при темп-рах св. 1000 °C – оксиды бериллия, магния, алюминия, кремния. С помощью накопите- лей тепловой энергии можно получать и механич., и электрич. энергию, преоб- разовывая вид энергии соответствующими преобразователями. Механич. энер- гию из тепловой можно получить, в частности, с помощью т. н. двигателей внеш- него сгорания (паровых, Стирлинга двигателя и др.). Электрич. энергию из теп- ловой получают, напр., с помощью термоэлементов или термоэмиссионных пре- образователей энергии . Однако удельная энергоёмкость всего устройства «нако- питель – двигатель» при этом падает во много раз. Накопители тепловой энергии с фазовым переходом широко используются за рубежом (напр., для нагревания воды в квартирах, имеющих двойной тариф оплаты электроэнергии). Ночью ра- бочее тело в бачке, расположенном в подсобном помещении, в ванной или на кухне, разогревается до плавления дешёвой электроэнергией, а днём пропускае- 6 мая по трубкам через расплавленное рабочее тело холодная вода нагревается де- шёвой ночной электроэнергией. Или, напр., термобигуди для завивки волос – это тоже Н. э. с фазовым переходом на основе парафина. Накопители тепловой энер- гии без фазового перехода (напр., солнечный водонагреватель) накапливают не- большие количества энергии на единицу своей массы. В данном курсе рассмотрим особенности использования основных накопителей электроэнергии: - в системах электроснабжения с возобновляемым источником энергии (ВИЭ); - в мощной электроэнергетической системе (ЭЭС) 7 Лекция 2 Накопители электрической энергии, используемые в энергоустановках с ВИЭ. Условия эксплуатации накладывают дополнительные требования по снижению или полному исключению токов саморазряда. В то же время для малой автономной энергетики становятся критичными массогабаритные характеристики аккумуляторов. Рассмотрим основные типы накопителей электрической энергии. 2.1 Свинцово-кислотные аккумуляторы. Это наиболее изученный и освоенный тип накопителей как для систем с ВИЭ, так и многих других применений. Свинцово-кислотные аккумуляторы (СКА) можно встретить и на крупных электростанциях (источники аварийного питания собственных нужд), и в легковых автомобилях (стартерная батарея, бортовое электропитание). Активные вещества аккумулятора сосредоточены в электролите и положительных и отрицательных электродах, а совокупность этих веществ называется электрохимической системой. В свинцово-кислотных аккумуляторных батареях электролитом является раствор серной кислоты, активным веществом положительных пластин — двуокись свинца РЬО 2 , отрицательных пластин — свинец РЬ. Схема аккумулятора представлена на рис. 2.1. Рис. 2.1. Составные части СКА 8 Электрохимические реакции, протекающие при работе СКА, представлены ниже: В настоящее время существует несколько разновидностей СКА [2]. Они различаются химическими добавками к материалу положительных и отрицательных пластин, состоянием электролита и областями применения. Самыми первыми по времени создания являются заливные аккумуляторы со свободным электролитом, в которых положительный и отрицательный электроды погружены в водный раствор серной кислоты. Технология достаточно простая и дешевая, такие аккумуляторы широко применяются в стартерных батареях автомобилей. Встречаются они и в стационарных системах аварийного питания. Основная проблема, известная каждому автомобилисту – такие аккумуляторы требуют обслуживания, заключающегося в периодической проверке уровня кислоты и ее концентрации. Кислота теряется при испарении электролита и при электролизе во время заряда. Последнее обстоятельство приводит к выделению водорода в процессе заряда и необходимости вентиляции помещений во время заряда. Такие аккумуляторы могут эксплуатироваться только в горизонтальном положении. В Казахстане они выпускаются на Талдыкурганском аккумуляторном заводе. Для большинства СКА допустимая глубина разряда по соображениям сохранения ресурса ограничивается 30% от номинальной энергоемкости. К недостаткам свинцово-кислотных аккумуляторов в целом следует отнести небольшую глубину разряда (до 30-50%), чувствительность к температуре окружающей среды, низкие удельные характеристики (порядка 20- 30 Втч/кг) и относительно низкий ресурс (500-800 циклов при глубине разряда 40-50% для большинства производителей). В последнее время конструкция и технология производства СКА претерпели ряд изменений, прежде всего направленных на повышение ресурса и удобства обслуживания. Достоинством свинцово-кислотных аккумуляторов является именно отработанная технология их массового производства, что существенно снижает их стоимость - данный вид накопителей в расчете на единицу оборудования является самым дешевым [3]. На рынке появились аккумуляторы с иммобилизованным в полимерной матрице (зарубежное обозначение AGM – Absorbed glass mate) и гелевым (зарубежное обозначение Gel) электролитом. Такие аккумуляторы уже могут эксплуатироваться в любом положении относительно поверхности Земли и не требуют обслуживания. Поэтому общий термин для данного типа систем – 9 герметизированные аккумуляторы. Они снабжены рекомбинаторами водорода, превращающими выделившийся в процессе электролиза газ в воду и, таким образом, компенсирующим потери электролита при перезаряде. Тем не менее, длительный или быстрый перезаряд способен привести к взрыву батареи из-за перегрева и повышенного газовыделения (рис.2.2) Рисунок 2.2 - Взорвавшаяся в результате перезаряда батарея СКА Помимо иммобилизации электролита, в обоих типах по-разному модифицированы электроды. В СКА типа AGM повышена устойчивость к режиму так называемого «жесткого буфера», когда батарея длительное время находится в режиме постоянного подзаряда – энергия постоянно протекает «насквозь» - от зарядного устройства к потребителю. Этот режим характерен для источников аварийного питания и допускает мгновенный подхват нагрузки при исчезновении питания от сети. С точки зрения электрохимии данный режим характеризуется пребыванием катода и анода аккумулятора при потенциале, близком к верхней границе допустимого диапазона и, следовательно, повышенной вероятностью запуска паразитных реакций, ведущих к разрушению электрода. Средний срок службы СКА, используемых в таком режиме на базовых станциях сотовой связи – от 3 до 5 лет. Гелевые аккумуляторы оптимизированы для постоянных глубоких зарядов и разрядов, поэтому они наиболее часто применяются в системах с ВИЭ. Рядом зарубежных компаний выпускаются специальные «солнечные» серии аккумуляторов номинальным напряжением 2, 6 и 12 В для использования в солнечных энергоустановках («Sonenschein», «Delta», «Hoppecke», «Fiamm», «Rittar», «Prosolar», «Haze» и др.). В Пуэрто-Рико в 1993 году построен накопитель электрической мощностью 20 МВт и энергоемкостью 14 МВт*ч на основе СКА. Система создавалась как полигон для тестирования СКА в условиях крупной установки, значительное внимание уделялось вопросам контроля температуры и разбалансировки характеристик отдельных элементов в составе батареи [4] СКА остаются наиболее распространенным решением по буферному аккумулированию электроэнергии, когда речь идет о малых ЭУ с ВИЭ 1 0 (индивидуальные жилые дома, станции сотовой связи). Также можно отметить доминирование этого типа аккумуляторов в источниках резервного и бесперебойного питания самого разного назначения – от крупных подстанций ОАО «РЖД» до источников бесперебойного питания для персональных компьютеров. Во многом такая ситуация объясняется во-первых консерватизмом отрасли, привыкшей к отработанным решениям, а во-вторых – относительно низкой стоимостью СКА. Рисунок 2.3 - Гелевые 12-В аккумуляторные батареи в составе домовой энергосистемы [5]. 2.2 Никель-кадмиевые и никель-металлогидридные аккумуляторы. В никель-кадмиевом аккумуляторе анодным электродом является гидрат дигидроксида никеля Ni(OH) 2 , смешанный для повышения проводимости с графитом (5-8% масс.%), катодным электродом - гидразакиси кадмия Cd(OH) 2 или металлический кадмий Cd (в виде порошка). Электролит - водный раствор калиевой щелочи KOH плотностью 1,2 г/см 3 . Напряжение холостого хода никель-кадмиевого аккумулятора около 1,37 В, удельная энергия около 50 Вт·ч/кг [6]. Основные реакции в никель-кадмиевом аккумуляторе. В зависимости от конструкции, режима работы (длительные или короткие разряды) и чистоты применяемых материалов, срок службы составляет от 100 до 1 1 9000 циклов заряда-разряда. Современные (ламельные) промышленные никель- кадмиевые батареи могут служить до 20-25 лет. Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd) - единственный вид аккумуляторов, которые могут храниться разряженными. Для данного типа аккумуляторов также характерна устойчивая работа при пониженных (-20°С) температурах и малый нагрев при заряде и разряде высокими токами за счет применения щелочного электролита. Основным недостатком данного типа аккумуляторов является так называемый «эффект памяти» - когда зарядке подвергается не полностью разряженный аккумулятор, его рабочее напряжение снижается из-за формирования дополнительного двойного электрического слоя на электродах, как бы «запирающего» остаточную емкость. Многократное повторение этого явление приводит к выходу аккумулятора из строя, поэтому аккумуляторы данного типа целесообразно применять в системах, для которых характерен глубокий разряд. Работа этих аккумуляторов в буферном режиме не рекомендуется. Во избежание разбаланса аккумуляторов батареи при хранении необходима система контроля и выравнивания напряжений, в противном случае аккумуляторы внутри батареи будут обмениваться между собой зарядом малыми токами, что приведет к их деградации за счет эффекта памяти. Контроллер заряда для таких аккумуляторов должен периодически осуществлять циклы полного заряда- разряда для сохранения характеристик. Другим существенным недостатком является применение в элементах токсичного кадмия, который требует специальных технологий утилизации аккумуляторов и отходов их производства. Данный тип аккумуляторов нашел широкое применение в бортовых источниках питания различных транспортных средств, от электромобилей и радиоуправляемых моделей до авиации, главным образом за счет повышенных относительно СКА удельных характеристик, устойчивости к низким температурам и высоким допустимым токам заряда и разряда. В системах с ВИЭ широкого применения не нашли, хотя отмечено применение в составе ветродизельных энергоустановок для сглаживания неравномерностей генерации и потребления. 1 2 Лекция 3 Накопители электрической энергии, используемые в энергоустановках с ВИЭ. 3.1 Литий-ионные аккумуляторы. Литий-ионные аккумуляторы развиваются наиболее интенсивно в последнее время, находя все большее применение в электротранспорте, портативных источниках питания, космической и авиационной технике. Принцип действия аккумулятора показан на рис. 3.1. [6]. Рисунок 3.1 - Принцип действия литий-ионного аккумулятора. Применение органических электролитов позволяет повысить напряжение на единичном элементе до 3-5 В по сравнению с 1-1,5 для кислотных и щелочных систем. При заряде аккумулятора происходит интеркаляция ионов лития в анодный материал (обычно используется углеродный анод). При разряде ионы лития деинтеркалируются и переносятся на катод, а высвободившиеся электроны формируют электрический ток во внешней цепи. Для данного типа аккумуляторов характерны высокая энергоемкость (см. табл. 1), глубокие циклы заряда-разряда (70-80%), отсутствие эффекта памяти. В то же время ресурс и стоимость таких аккумуляторов зависят от типа электрохимических систем, применяемых на катоде и аноде, а также от температуры и режимов эксплуатации. Повышение температуры при эксплуатации или даже хранении существенно снижает ресурс и увеличивает скорость саморазряда [8] Примеры катодных систем приведены в таблице 3.1 [9, 10]. Видно, что системы с высокой энергоемкостью имеют меньший ресурс и допускают разряд меньшими токами. Применение в качестве анодного материала наноструктурированного титаната лития (Li 4 Ti 5 O 12 ) позволяет, согласно [11] увеличить ресурс до 9000 циклов, но со снижением энергоемкости до 90 Вт*ч/кг. 1 3 Таблица 3.1 - Некоторые свойства литий-ионных аккумуляторов Катодная система Удельная энергия, Вт*ч/кг Удельная мощность, кВт/кг Удельная стоимость, $/Вт*ч Ресурс, циклов* Применение Li(1-x)Mn2O4 150 0,8-1 1-3 1500 Источники бесперебойного питания, электротранспорт LiCoO 2 180 0,3 – 0,4 2,8-5 1200 Потребительская электроника, электротранспорт LiFePO 4 110 2-3 0,4-2 Более 2000 Электротранспорт, стационарные системы *-существенно зависит от типа применяемой анодной электрохимической системы Для нормальной и безопасной работы литий-ионной аккумуляторной батареи (ЛИАБ) необходима система управления и контроля, регулирующая токи заряда и разряда, контролирующая температуру на отдельных аккумуляторах и, главное, выравнивающая их напряжение в процессе заряда и разряда. Без такой системы может возникнуть ситуация, когда вся батарея начинает работать на заряд единственного аккумулятора с минимальным напряжением, что может привести к его заряду, пожару и взрыву. Системы контроля и управления обычно классифицируются как активные и пассивные. Активные осуществляют отключение и дозарядку каждого аккумулятора индивидуально, в то время как пассивные снижают напряжение на наиболее заряженных аккумуляторах за счет пропускания тока через балансировочный резистор, включенный параллельно каждому аккумулятору. Примеры схемотехнических решений приведены на рис.3.2. a б Рисунок 3.2 - Примеры схемотехнических решений активной (а) и пассивной (б) систем балансировки ЛИАБ [12]. Пассивные системы более просты и дешевы, но суммарный кпд батареи в этом случае будет ниже за счет рассеяния части энергии в тепло. Это рассеяние 1 4 будет тем выше, чем больше изначальный «разбег» напряжений индивидуальных аккумуляторов, собранных в батарею, поэтому предварительно аккумуляторы подвергают входному контролю с целью их сортировки по партиям с близкими зарядно-разрядными характеристиками и энергоемкостью в Ач (рис.3.3) Рисунок 3.3 - Семейство разрядных кривых, полученных в ходе испытаний партии ЛИА (ЗАО «Энергетические проекты» - ООО «Альфа- Плюс»). Несмотря на высокие удельные характеристики, до середины 2000-ых годов литий- ионные аккумуляторы применялись в основном в портативных электронных устройствах. Использование в качестве основного катодного материала дорогого и взрывоопасного кобальтита лития являлось главным ограничением на число элементов в батарее. К тому же такие батареи требовали сложной системы контроля и управления, не допускавшей: А) чрезмерного разогрева элементов; Б) высоких значений токов заряда и разряда; В) существенной разницы напряжений между отдельными элементами батареи. Нарушение любого из этих требований обычно ведет к взрыву элемента. Понятно, что в таких условиях о крупных накопителях на основе ЛИА не могло быть и речи. Ситуация начала кардинально меняться с появлением и отработки новых катодных материалов – оливиноподобных структур и шпинелей, что позволило повысить безопасность, ресурсные характеристики и понизить стоимость батарей без существенного снижения энергоемкости. Применение титаната лития на аноде аккумулятора позволило расширить температурный диапазон и достичь ресурса более 6000 циклов при существенной глубине разряда высоких значениях токов. 1 5 В настоящее время целый ряд компаний, ориентированных на производство ЛИА для электромобилей, начинает выпуск систем ЛИА для бесперебойных, резервных и аварийных нужд, а также буферного аккумулирования электроэнергии. Высокие удельные характеристики ЛИА позволяют разместить такие системы в стандартных морских или автомобильных контейнерах. На рис. 3.4 приведены фотография и схема системы компании Altair Nano, одной из первых применившей титановые наноструктуры на аноде ЛИА. Рисунок 3.4 - Буферный/резервный литий-ионный накопитель энергии компании Altair- nano емкостью 250 кВтч и мощностью 1 МВт. Говоря о применении ЛИА в системах с ВИЭ, следует отметить, что упомянутая система компании Altair-Nano тестировалась на Гавайских островах в качестве буферного накопителя для ветровой энергоустановки мощностью 1 МВт. В настоящее время Российская корпорация нанотехнологий и Thunder Sky создали производство аккумуляторов с катодом на основе литированного фосфата железа в г. Новосибирске. ОАО «ФСК ЕЭС» в рамках Петербургского международного экономического форума подписало соглашение о намерениях с компанией Ener1 [13], разрабатывающей ЛИА для транспортных и стационарных применений. Выпуск ЛИА начат российской группой ССК, основными элементами продуктового ряда которой являются заливные СКА и СКА типа AGM. 1 6 |