Доклад Возможности развития систем накопления энергии. Караульных Игорь - Возможности развития систем накопления энерги. Возможности развития систем накопления энергии в России
 Скачать 0.62 Mb.
|
|
1 АННОТАЦИЯ Тема: Возможности развития систем накопления энергии в России Исполнитель: Караульных И.А., студент 2 курса 042 об 2 группы Руководитель: Артюшевская Е.Ю., старший преподаватель Электроэнергетика является типичным примером холистической системы, все составные части которой (генерация, сеть, нагрузка) структурно и функционально взаимосвязаны в одно целое. Главное значение накопителей — не просто решить задачу энергообеспечения при перерывах внешнего питания, а сформировать новую энергетическую инфраструктуру, свободную от ограничений непрерывности одного вида электрических процессов, а по сути — значительно расширить вид и форму энергетических объединений, позволяющих интегрировать автономные, распределенные и централизованные системы, включая новые центры генерации и потребления в общую энергетическую «систему систем». По оценкам экспертов в ближайшие 10 лет рынок накопителей энергии будет расти со среднегодовыми темпами, превышающими 30 % с тенденцией к снижению удельной стоимости запасенной энергии. 2 Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования АМУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (ФГБОУ ВО «АмГУ») Факультет Энергетический Кафедра Энергетики Направление подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» ДОКЛАД на тему: Возможности развития систем накопления энергии в России Исполнитель студент группы 042 об 2 ______________ (подпись, дата) И.А. Караульных Руководитель Старший преподаватель _______________ (подпись, дата) Е.Ю. Артюшевская Благовещенск 2022 3 СОДЕРЖАНИЕ Введение 4 1. Электрохимические накопители энергии 5 2. Индуктивные накопители энергии 9 Заключение12 Ошибка! Закладка не определена. Библиографический список 13 4 ВВЕДЕНИЕ Самым большим в мире государством по площади зон децентрализованного электроснабжения является Российская Федерация. К центральным электрическим сетям не подключено около 70% территории России. По различным оценкам здесь проживает от 10 до 20 млн. человек.К таким территориям относятся Дальний Восток, Сибирь, северные территории и некоторые другие регионы. Одной из основных задач страны является надежное и качественное энергоснабжение данных районов. Энергообеспечение таких потребителей возможно с помощью малой энергетики. В России ведущую часть малой энергетики составляют дизельные электростанции, их насчитывается около 47 тыс., а установленная мощность достигает 15 млн.кВт. Дизельные электростанции, обладая высокой надежностью, достаточно большим моторесурсом и долговечностью, не заменимы в качестве автономных источников основного и резервного электроснабжения.Однако топлива необходимые для работы дизельной электростанции завозиться из удаленных центров водными, автомобильными транспортом, а иногда даже вертолетом, что делает его доставку дорогим. Кроме этого доставка топлива зависит от погоды, от времени года, поэтому доставка топлива не всегда возможна. Очевидно, что при современном уровне электрификации ее стратегической задачей является повышение надежности и энергетической эффективности малой энергетики России, без успешного решения которой невозможно социально- экономическое развитие многих регионов РФ. Помочь потребителям можно совершенствуя схему электроснабжения, тем самым сокращая недоотпуск электроэнергии потребителям и соответственно уменьшая наносимый им материальный ущерб, но капитальные расходы на ее эксплуатацию увеличиваются 5 1. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ НАКОПИТЕЛИ ЭНЕРГИИ Электрохимические накопители (ЭХН) запасают и отдают энергию в результате химических реакций. К ЭХН относятся электрохимические генераторы (ЭХГ), т. е. два или более топливных элемента (ТЭ) в комплексе с системами, обеспечивающими их функционирование; химические аккумуляторные батареи (АБ), т. е. химические источники тока, состоящие из двух или более аккумуляторов, соединенных между собой электрически для совместного производства электроэнергии. Топливным элементом называется хим.источник тока, в котором активные вещества поступают к электродам извне. Это прямой преобразователь хим.энергии в электрическую. Исходными реагентами служат компоненты хим.топлива – горючее и окислитель, обладающие запасом энергии хим.связей, которая преобразуется в энергию постоянного электрического тока. В обращенном режиме работы ТЭ подведенная к нему энергия преобразуется в химическую энергию компонентов топлива. АБ или аккумулятором называется хим.источник тока, состоящий из одного гальванического элемента, или накопитель энергии, в котором происходит её преобразование в хим.энергию и осуществляется также обратное преобразование хим.энергии в электрическую при изменении состава вещества электродов и расходе электролита в процессе токообразующей реакции. Для ЭХН основными режимами работы являются заряд и разряд. Промежуточным служит режим хранения энергии, продолжительность которого может быть намного больше, чем у других типов накопителей (порядка 104 ч). В качестве зарядной мощности Рз принимают среднюю мощность, затраченную на получение горючего и окислителя, например водорода и кислорода при электролизе воды. Значение Рз для АБ определяется средней мощностью, 6 потребляемой батареей от источника электропитания за время заряда. Для ЭХН, выполненных на основе ТЭ или аккумуляторныхэлементов, разрядной мощностью Рр является электрическая мощность, которая поступает от накопителя в цепь нагрузки. Характерным показателем качества ЭХН служит их удельная энергия Wуд, рассчитанная на единицу массы. Все природные органические горючие (газ, нефть, уголь) по существу можно рассматривать как накопители химической энергии. Недостатки ЭХГ состоят в сложности обеспечения сбалансированных электрохимических реакций и относительно малой удельной мощности, приходящейся на единицу массы. Без учета массы запаса хим.реагентов в ЭХГ уровень данного параметра несколько ниже, чем в АБ. Это объясняется тем, что ввиду специфики электрохимических реакций из ЭХГ нельзя достаточно быстро вывести электроэнергию. Для реализации сбалансированной реакции в ЭХГ необходимо с помощью специальных подсистем обеспечить разделение и дозированную подачу компонентов топлива, а также непрерывное удаление конечных продуктов токообразующей реакции. Показатели ЭХГ достаточно чувствительны к чистоте хим.реагентов. Применение ЭХГ нашли в основном для энергообеспечения автономных установок, в том числе передвижных и стационарных. Имеется значительный опыт, накопленный, в частности, за рубежом (США), по использованию ЭХГ в разработках космических программ “Аполлон”, “Скайлэб”, “Джемини” и др. Проводятся многочисленные разработки и исследования в направлениях применения ЭХГ для различных наземных транспортных установок, а также для морских судов и аппаратов. Диапазон мощностей для разнообразных применений ЭХГ сравнительно широк – от единиц до сотен киловатт. Другим типом ЭХН, традиционно применяемым во многих отраслях техники, служат АБ. В наибольших масштабах на современном этапе распространены относительно недорогие свинцово – кислотные АБ, которые достаточно долговечны, но имеют 7 сравнительно низкую удельнуюэнергию Wуд < 120 кДж/кг. В последние годы проведены разработки новых АБ на основе аккумуляторных элементов с использованием никеля, серы, натрия, лития. Никель – цинковые щелочные АБ обеспечивают удельную энергию Wуд > 200 кДж/кг, но их долговечность мала. Повышение долговечности достигается в газодиффузионных никель – водородных АБ. Более высокий показатель имеют серно – натриевые АБ, но их ресурс составляет 100-200 циклов. Дальнейшее повышение удельной энергии возможно в литиевых АБ, которые также имеют сравнительно небольшой ресурс из-за высокой коррозийной активности лития. В настоящее время АБ получили широкое распространение, особенно на транспорте. Они применяются в системах электростартерного запуска авиационных и автомобильных движков; для питания приводных электродвижков в судовых установках, электромобилях, внутризаводском электротранспорте и электропогрузчиках; как вспомогательные, резервные и аварийные источники питания на авиационных и космических летательных аппаратах, а также в ряде других устройств. Основные требования, предъявляемые к ЭХН, определяются назначением ЭХГ или АБ в электроэнергетической установке. Например, по уровню напряжения различают ЭХН низкого (12-30 В) и повышенного напряжения (110- 220 В и более). При системном подходе к применению ЭХН целесообразно использовать совместно ЭХГ и АБ. В таком комбинированном ЭХН сочетаются положительные качества ЭХГ и АБ. Данный тип ЭХН особенно рационален, когда график нагрузки электроэнергетической установки имеет кратковременные пики. В перспективе рассматриваются крупномасштабное применение ЭХГ в промышленных энергетических системах, нагрузка которых распределяется, как известно, неравномерно в течение суток. Для аккумулирования энергии возможно использование установки, содержащей обратимый блок 8 “электролизер-ЭХГ” и газгольдеры для запасания водорода и кислорода. В период недогрузки установка работает в режиме электролизера воды. Припиковых нагрузках установка переводится в режим ЭХГ и потребляет накопленные газы Н2 и О2. Эффективность установки увеличивается, если она работает при высоком давлении. В этом случае КПД электролизера достигает 0,85, а КПД ЭХГ составляет 0,65. Результирующий КПД цикла равен 0,55 экономически целесообразен. При равной запасенной энергии для установки с ЭХГ необходимый объем воды примерно в 2000 раз меньше, чем для гидроаккумулирующей установки. Поэтому энергетические крупномасштабные установки с ЭХГ имеют преимущество в районах, где мало воды или сложно сооружать большие водохранилища. 9 2. ИНДУКТИВНЫЕ НАКОПИТЕЛИ ЭНЕРГИИ В индуктивных накопителях (ИН) энергия аккумулируется в виде энергии магнитного поля. ИН представляет собой катушку с индуктивностью L, по которой течет ток i, благодаря чему создается магнитное поле с энергией W =0,5Li2. Помимо индуктивной катушки энергоустановка с ИН содержит источник питания ИП (зарядное устройство). Особенность ИН заключается также в том, что в момент замыкания К2 и размыкания К1 он может рассматриваться как источник тока, поскольку при переключении ИН на активную нагрузку ток в нем должен сохранятся непрерывным независимо от структуры внешней цепи. Еслисопротивление цепи нагрузки велико, то благодаря постоянству тока в момент переключения напряжение на зажимах ИН достигает больших значений, многократно превосходящих напряжение источника питания, заряжающего накопитель. Таким образом, с помощью ИН можно обеспечить преобразование энергии с существенным повышением мощности и напряжения. Характер изменения токов и напряжений ИН во время при заряде и разряде показан на рис 2.1, б. Электрическая схема ИН упрощается, если ветвь с коммутатором К2 отсутствует, а нагрузка Н с параллельным коммутатором К3 включается последовательно с ИН, как показано пунктиром на рис. 2.1, а. В такой схеме К1 служит лишь для начального подключения ИП и остается включенным на весь рабочий период с заданным числом циклов, а питание нагрузки осуществляется периодическим замыканием и размыканием К3. При замкнутом К3 ток в индуктивности L нарастает до Imax, при размыкании К3 ток течет через нагрузку и падает до Imin. Разность 0,5L(I2max - I2min ) за вычетом потерь определяет энергию, передаваемую нагрузке за один цикл. Такая схема рациональна при циклическом питании нагрузки с частотами примерно от одного Герца и более. Ее 10 достоинством является использование при заряде и разряде только одного коммутатора. Недостаток схемы – замыкание разрядного тока при повышенном напряжении через ИП. Помимо процессов, связанных с накоплением и выводом энергии, в ИН большую роль играют электромагнитные силы и создаваемые ими механические напряжения, поскольку в ИН протекают значительные токи при сильных магнитных полях. Также из-за больших токов первостепенное значение имеет правильная организация процессов охлаждения катушек. Таким образом, анализ ИН должен охватывать совместное рассмотрение электромагнитных и тепловых процессов с учетом прочностных характеристик катушек и конструктивных элементов ИН. Достоинствами ИН являются: простота и статичность конструкции, хорошие энергетические имассогабаритные показатели (при уровне запасаемой энергии более 105 – 156 Дж характерные значения удельной энергии ИН могут достигать 5-10 Дж/г и более), возможность запитки от низковольтных нерегулируемых источников, высокая надежность. К недостаткам ИН можно отнести необходимость использования быстродействующих силовых коммутаторов, большие электродинамические усилия в активной зоне и соответственно наличие прочность элементов, усложненные системы охлаждения. Область применения ИН достаточно широкая. Они используются для кратковременного питания мощных потребителей энергии на электрофизических установках, технологическом оборудовании, автономных электроэнергетических системах и т. п. Обсуждаются проекты создания мощных ИН в промышленной энергетике. Новые виды применения ИН связаны с работами по управляемому термоядерному синтезу, а также с созданием электродинамических ускорителей масс, позволяющих разгонять объекты до скоростей порядка десятков километров в секунду. Накопитель подключается непосредственно к рельсотрону 11 ускорителя и обеспечивает его питание большими токами при высоких напряжениях. Установки такого типа могут служить для вывода в космос необходимой аппаратуры, удаления с Земли экологически вредных отходов, создания реактивной тяги и т. п. Существует большое многообразие конструктивных исполнений ИН. Располагая заданным объемом (или массой) активного токопровода, можно изготовить из него множество накопителей различной формы, каждый из которых характеризуется своими массогабаритными, энергетическими, прочностными и экономическими показателями. При расчете и конструировании ИН необходимо учитывать условия его работы, ограничения на массу и размеры, эффективность использования активного материала, распространение магнитного поля в окружающем пространстве, электродинамические и механические и механические напряжения в активной зоне и конструктивных элементах, тепловые режимы, определяемые системой охлаждения ИН,особенности переходных процессов, зависящие от электрической схемы ИН и используемой в ней аппаратуры (например, коммутаторов) и т. п. Поэтому оптимальное проектирование установок с ИН – сложная комплексная проблема, требующая детального учета многих разнородных факторов. 12 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Электроэнергетика является типичным примером холистической системы, все составные части которой (генерация, сеть, нагрузка) структурно и функционально взаимосвязаны в одно целое. Главное значение накопителей — не просто решить задачу энергообеспечения при перерывах внешнего питания, а сформировать новую энергетическую инфраструктуру, свободную от ограничений непрерывности одного вида электрических процессов, а по сути — значительно расширить вид и форму энергетических объединений, позволяющих интегрировать автономные, распределенные и централизованные системы, включая новые центры генерации и потребления в общую энергетическую «систему систем». По оценкам экспертов в ближайшие 10 лет рынок накопителей энергии будет расти со среднегодовыми темпами, превышающими 30 % с тенденцией к снижению удельной стоимости запасенной энергии. 13 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Бут Д.А., Алиевский Б.Л., Мизюрин С.Р., Васюкевич П.В. Накопители энергии. М.: Энергоатомиздат, 1991. 400 с. 2. Экспериментальное определение режимных характеристик энергообъединений и межсистемных электропередач при параллельной работе ОЭС Сибири и Казахстана в составе ЕЭС CCCP/В.Ф. Тимченко, A.A. Хачатуров, Н.Л. Новиков, В.А. Киладзе, Ю.И. Парамонов, В.И. Решетов, В.В. Бушуев, М.И. Кобытев, Ю.П. Щеглов // Повышение надежности объединений энергосистемы Северного Казахстана. Алма-Ата, 1977. С. 94-107. 3. Автоматическое регулирование частоты и активной мощности в энергосистемах//Энергетика за рубежом, 1967. 70 с. 4. Бушуев В.В., Лизалек H.H., Новиков Н.Л. Динамические свойства энергообъединений. М.: Энергоатомиздат, 1995. 320 с. N. G. Hingorani and L. Gyugyi. Understanding FACTS concepts and technology of flexible AC transmission systems. IEEE Press, New York, 2000. 5. Попель О.С., Тарасенко А.Б. Накопители электрической энергии//Энергоэксперт. 2011. №3. С. 28-37. 14 |