Портал магистров

Содержание

Введение

Научно-технический прогресс невозможен без развития энергетики, электрификации. Для повышения производительности труда первостепенное значение имеет механизация и автоматизация производственных процессов, замена человеческого труда машинным. Но подавляющее большинство технических средств механизации и автоматизации (оборудование, приборы, ЭВМ) имеет электрическую основу. Особенно широкое применение электрическая энергия получила для привода в действие электрических моторов. Мощность электрических машин (в зависимости от их назначения) различна: от долей ватта (микродвигатели, применяемые во многих отраслях техники и в бытовых изделиях) до огромных величин, превышающих миллион киловатт (генераторы электростанций) [1].

Сейчас трудно представить повседневную жизнь без использования электричества.. Однако в последние годы проблемы энергетики все больше беспокоят прогрессивное человечество.

Беспокойство вызывает как то, что минеральные ресурсы в скором времени будут истощены, так и то, что такое интенсивное потребление энергии может привести к экологической катастрофе, которая превратит Землю в планету, совершенно неприспособленную для жизни. Поэтому разработка новых методов получения энергии и исследование уже известных представляет большой научно-исследовательский интерес [2].

Одной из основных технологических проблем промышленной энергетики является неравномерность потребления электроэнергии, что ведет к усугублению уже перечисленных выше: интенсивное потребление первичных ресурсов и экологические вопросы.

Одной из перспективных направлений энергетики на данный момент является разработка и применение устройств накопления электроэнергии.

Будут рассмотрены вопросы:

  1. Расход первичных энергоресурсов.
  2. Выбросы в атмосферу. Экологические проблемы.
  3. Неравномерность графика нагрузки.
  4. Накопление электроэнергии.

1. Актуальность темы

Производство электроэнергии на электрических станциях и ее потребление различными приемниками представляют собой процессы, взаимосвязанные таким образом, что в силу физических закономерностей мощность потребления электроэнергии в какой-либо момент времени должна быть равна генерируемой мощности [3].

При идеальном равномерном потреблении электроэнергии должна происходить равномерная работа определенного числа электростанций. В действительности работа большинства отдельных электроприемников неравномерна и суммарное потребление электроэнергии также неравномерно. Можно привести множество примеров неравномерности работы установок и приборов, потребляющих электроэнергию. Завод, работающий в одну или две смены, неравномерно потребляет электрическую энергию в течение суток. В ночное время потребляемая им мощность близка к нулю. Улицы и квартиры освещают только в определенные часы суток. Работа электробытовых приборов, вентиляторов, пылесосов, электрических печей, нагревательных приборов, телевизоров, радиоприемников, электробритв также неравномерна. В утренние и вечерние часы коммунальная нагрузка наибольшая.

График нагрузки некоторого района или города, представляющий собой изменение во времени суммарной мощности всех потребителей, имеет провалы и максимумы. Это означает, что в одни часы суток требуется большая суммарная мощность генераторов, а в другие часы часть _ генераторов или электростанций должна быть отключена или должна работать с уменьшенной нагрузкой. Число электростанций и их мощность определяются относительно непродолжительным максимумом нагрузки потребителей. Это приводит к недоиспользованию оборудования и удорожанию энергосистем. Так, снижение числа часов использования установленной мощности крупных ТЭС с 6000 до 4000 ч в год приводит к возрастанию себестоимости вырабатываемой электроэнергии на 30—35%[4].

2. Цель и задачи исследования

Сбережение энергии всех видов – эта задача становится все актуальнее в современном мире. Энергосберегающие технологии признаны приоритетной задачей на уровне государственной внутренней политики во многих государствах и в России в частности. Энергосберегающие технологии разрабатываются на основе инновационных решений. Эти технологии также должны быть экологически безопасны и не менять хода жизни общества в целом и привычного склада дел каждого человека в отдельности [5].

Сбережение энергии всех видов – эта задача становится все актуальнее в современном мире. Энергосберегающие технологии признаны приоритетной задачей на уровне государственной внутренней политики во многих государствах и в России в частности. Энергосберегающие технологии разрабатываются на основе инновационных решений. Эти технологии также должны быть экологически безопасны и не менять хода жизни общества в целом и привычного склада дел каждого человека в отдельности

Анализ тенденций в потреблении электрической энергии показывает, что в дальнейшем неравномерность потребления будет увеличиваться по мере роста благосостояния населения и связанного с ним увеличения коммунально-бытовой нагрузки, по мере повышения электровооруженности труда. Сокращение числа рабочих дней в неделе также способствует повышению неравномерности потребления электроэнергии. Такое положение характерно не только для нашего региона. В большинстве стран Западной Европы неравномерность в потреблении электроэнергии такова, что в течение часа изменение нагрузки достигает 30% от максимальной мощности и в перспективе также ожидается увеличение неравномерности. Кардинально изменить характер потребления электроэнергии очень трудно, так как он зависит от установившегося ритма жизни людей и ряда не зависящих от „ людей объективных обстоятельств. Например, нельзя изменить того факта,- что электрическое освещение нужно в вечерние часы с наступлением темноты [5].

Главной задачей энергетика принимать меры по выравниванию графика суммарной нагрузки потребителей. Так, вводится дифференцированная стоимость электроэнергии в зависимости от того, в какой период времени она потребляется. Если электроэнергия потребляется в моменты максимумов нагрузки, то и стоимость ее устанавливается выше. Это повышает заинтересованность потребителей в таких перестройках работы, которые бы способствовали уменьшению электрической нагрузки в моменты максимумов потребления в энергосистеме. В целом возможности выравнивания потребления электроэнергии невелики. Следовательно, электроэнергетические системы должны быть достаточно маневренными, способными быстро изменять мощность электростанций [6].

3. Аккумуляторы

Посредством солнечных панелей или ветрогенераторов можно получить электроэнергию. Но ее еще надо сохранить, чтобы получить свет и тепло в темное время суток или при отсутствии ветра. То есть необходимы приборы для накопления и сохранения энергии — аккумуляторы.

Эффективность солнечных и ветровых установок зависит от режима их работы. Предпочтительно, чтобы они работали в «базисном» режиме то есть, когда есть солнце и ветер. Это требование может не совпадать с режимом потребления электроэнергии. Поэтому возникает необходимость ее накопления.

И солнечные батареи и ветроустановки выдают энергию неравномерно. Аккумулятор позволяет использовать избыток электроэнергии, вырабатываемой этими источниками в период высоких значений и запасать энергию на длительное время (десятки дней), а запасенная электроэнергия в любой момент может быть передана в нагрузку, при этом разрядный ток может обеспечивать питание нагрузки, мощность которой многократно превышает установленную мощность солнечной батареи, термоэлектрического генератора или ветроэлектрической установки.

Аккумулятор для работы в системе энергоснабжения должен обладать следующими свойствами: длительный срок службы, множество циклов [7].

Под аккумулированием (накоплением) энергии понимается ввод какого-либо вида энергии в устройство, оборудование, установку или сооружение – в аккумулятор (накопитель) энергии – для того, чтобы эту энергию оттуда затем в удобное для потребления время снова в том же или в преобразованном виде получить обратно. Для зарядки аккумулятора энергией иногда нужна дополнительная энергия, и в процессе зарядки могут возникать потери энергии. После зарядки аккумулятор может оставаться в состоянии готовности (в заряженном состоянии), но и в этом состоянии часть энергии может теряться из-за произвольного рассеяния, утечки, саморазряда или других подобных явлений. При отдаче энергии из аккумулятора также могут возникать ее потери; кроме того, иногда невозможно получить обратно всю аккумулированную энергию. Некоторые аккумуляторы устроены так, что в них и должна оставаться некоторая остаточная энергия. Состояние аккумулятора при потреблении энергии, во время готовности, при отдаче энергии и после отдачи схематично представлено на рис. 1

Рисунок 1 — Состояние аккумулятора энергии (A) (упрощенно). 1 прием энергии, 2 состояние готовности, 3 отдача энергии, 4 разряженное состояние. Pin потребляемая мощность, Pex отдаваемая мощность, tin длительность зарядки, tex длительность отдачи энергии, W аккумулированная энергия, Wres остаточная энергия, _Win потери при зарядке, _Wex потери при отдаче энергии, _Wd потери энергии из-за произвольного рассеяния [8].
Анимация: 4 кадра; 6 циклов повторения; 81 Кбайт размер анимации

Аккумулирование энергии обычно понимается как целенаправленное действие. Однако энергия может аккумулироваться (накапливаться) и независимо от воли или действий человека – в результате физических процессов, происходящих в природе или в искусственных устройствах. В качестве примера на рис. 2 представлены некоторые процессы аккумулирования энергии в природе. Кроме них следует отметить:

Рисунок 2 — Примеры аккумулирования энергии в природе

При искусственном аккумулировании энергии могут ставиться следующие цели:

Рисунок 3 — Применение аккумулятора энергии (A) для получения импульса энергии повышенной мощности

Рисунок 4 — Пример применения аккумулятора энергии в передвижимом энергопотребителе. 1 зарядка аккумулятора от стационарного источника электроэнергии (E), 2 использование аккумулированной энергии.

Рисунок 5 — 1 выравнивание суточного графика нагрузки путем аккумулиования энергии Win во время ночного минимума нагрузки и использования аккумулированной энергии Wex для покрытия дневых пиков нагрузки; 2 получаемый в идеальном случае равномерный график нагрузки

Любой аккумулятор можно охарактеризовать рядом параметров:

  1. Тип химии аккумулятора.
  2. Номинальная емкость аккумулятора. Измеряется в Ампер-часах и определяет количество энергии, запасаемой аккумулятором.
  3. Внутреннее сопротивление аккумулятора. Измеряется в милли Омах. Этот параметр отражает способность аккумулятора отдавать ток в нагрузку. Чем меньше внутреннее сопротивление, тем больший ток может обеспечить аккумулятор.
  4. Саморазряд аккумулятора. Выражается в процентах от номинальной емкости. Этот параметр характеризует самопроизвольный разряд аккумулятора, отключенного от нагрузки.
  5. Плотность энергии. Измеряется в Ватт-часах на килограмм (Вт*ч/кг). Чем выше этот показатель, тем легче будет аккумулятор заданной емкости.
  6. Ресурс (время жизни). Выражается в количестве циклов заряд/разряд и показывает, сколько циклов заряд/разряд сможет обеспечить аккумулятор до того момента, пока его емкость не снизится до определенного значения (как правило, 80%).

Необходимо сразу сказать, что невозможно выделить "лучший" тип аккумулятора. Каждому из них свойственны свои плюсы и минусы, которые делают аккумулятор оптимальным для одних применений и совершенно неприемлемым для других [10].

В современной технике используются пять основных типов аккумуляторов, отличающихся по своему химическому составу:

  1. Никель-кадмиевые (NiCd). Хорошо отработанная и изученная технология, но обладает низкой плотностью энергии. Используется там, где важны долговечность, способность обеспечить высокий ток нагрузки и малая стоимость.
  2. Никель-металлогидридные (NiMH). По сравнению с NiCd имеют более высокую плотность энергии, но меньшее время жизни. NiMH не содержат токсичных материалов.
  3. Литий-ионные (Li-ion). Наиболее бурно развивающаяся технология. Используются там, где нужна высокая плотность энергии и малый вес. Li-ion дороже всех других аккумуляторов. При эксплуатации необходимо строго соблюдать режимы заряда и разряда, указанные производителем из соображений безопасности.
  4. Литий-полимерные (Li-polymer). Задуманы как удешевленная версия Li-ion аккумуляторов. Этот тип химии по плотности энергии аналогичен Li-ion . Это позволяет делать Li-polymer аккумуляторы очень компактными.
  5. Герметичные свинцово-кислотные (SLA). Применяются там, где требуется большая мощность, а вес не имеет значения. Типовые области применения - стационарное медицинское оборудование, электромобили, системы аварийного энергоснабжения, UPS [11].

Рисунок 6 — Сводная таблица параметров наиболее популярных аккумуляторов.

3.1 Никель-кадмиевые аккумуляторы.

Никель-кадмиевые аккумуляторы являются старейшими из ныне используемых. Технология их производства хорошо изучена и отработана. В отличие от других типов химии, NiCd отлично выдерживает большие токи. NiCd аккумуляторы лучше других подходят для работы в экстремальных температурных диапазонах. Постоянная подзарядка недоразряженных NiCd аккумуляторов плохо сказывается на их работоспособности. Периодический полный разряд очень важен, так как он препятствует формированию крупных кристаллических образований на электродах ячеек аккумулятора. Процесс формирования этих образований именуется эффектом памяти. В результате, аккумулятор постепенно ухудшает свои параметры.

Достоинства и недостатки NiCd аккумуляторов.

Достоинства:

  1. Большой ресурс. Будучи обслуживаемыми должным образом, NiCd аккумуляторы обеспечивают 1000 - 1500 циклов заряд/разряд.
  2. Очень хорошая нагрузочная способность. NiCd аккумуляторы обеспечивают большой ток нагрузки.
  3. Долгий срок службы.
  4. . Простота хранения и транспортировки. Большинство авиакомпаний разрешают перевозку NiCd аккумуляторов без специальных мер предосторожности.
  5. NiCd аккумуляторы хорошо подходят для работы при низких температурах.

Недостатки:

  1. Достаточно низкая, в сравнение с новыми типами аккумуляторов, плотность энергии.
  2. Эффект памяти. Необходимость периодических тренировок для его профилактики.
  3. NiCd содержат токсичные материалы.
  4. Достаточно большой ток саморазряда. NiCd аккумуляторы требуют дозарядки после хранения.

3.2 Никель-металлогидридные аккумуляторы.

Разработанные в качестве замены NiCd аккумуляторам, никель-металлогидридные (NiMH) имеют два существенных плюса: высокая плотность энергии и экологическая безопасность. Современные NiMH аккумуляторы имеют на 40% большую плотность энергии, по сравнению с NiCd. Это позволяет делать аккумуляторы более высокой емкости в тех же габаритах. Однако, за эти достоинства пришлось заплатить повышенным током саморазряда: у NiMH аккумуляторов он в 1.5 раза выше, чем у NiCd.

Достоинства и недостатки NiMH аккумуляторов.

Достоинства:

  1. Емкость, на 30-40% большая, чем у NiCd аккумуляторов, причем потенциал создания NiMH аккумуляторов еще большей емкости не исчерпан.
  2. Эффект памяти в NiMH аккумуляторах выражен гораздо слабее, чем в NiCd.
  3. Простота хранения и транспортировки - никаких специальных требований.
  4. Экологическая безопасность.

Недостатки:

  1. Относительно небольшой ресурс. Если в течение каждого рабочего цикла аккумулятор разряжается полностью, то заметное ухудшение параметров начинается уже после 200-300 циклов заряд/разряд. Для NiMH аккумулятора частичный разряд более предпочтителен, чем полный.
  2. Ограниченный ток разряда. Оптимальным нагрузочным током является величина 0.2С-0.5С.
  3. Более сложный алгоритм заряда. Вследствие того, что NiMH аккумулятор в процессе заряда греется гораздо сильнее, чем NiCd, время заряда увеличивается.
  4. Большой саморазряд.

3.3 Литий-ионные аккумуляторы.

Сейчас аккумуляторы на основе лития являются наиболее интенсивно развивающейся технологией. Плотность энергии Li-ion аккумулятора вдвое больше, чем у NiCd и потенциал технологии позволят в будущем значительно повысить этот параметр. Помимо высокой емкости, Li-ion аккумуляторы имеют очень хорошие нагрузочные характеристики, сходные с характеристиками NiCd. При разряде аккумулятора от его напряжение изменяется в очень небольших пределах, что упрощает проектирование аппаратуры. Малое внутреннее сопротивление литиевых аккумуляторов позволяет обеспечивать передачу в нагрузку значительной мощности. Наряду с неоспоримыми достоинствами, литий-ионные аккумуляторы имеют свои недостатки. В связи со взрывоопасностью, Li-ion аккумуляторы требуют обязательного наличия электронных схем защиты. Такие схемы встроены в каждый аккумулятор и ограничивают пиковое напряжение на ячейке в процессе заряда, не дают ячейке разряжаться ниже допустимого уровня, ограничивают ток и контролируют температуру. Использование схем защиты практически устраняет опасность взрыва аккумулятора. Эффект старения также является слабым местом литий-ионных аккумуляторов. Через два, максимум - три, года хранения, аккумулятор становится непригодным к эксплуатации. Необходимо упомянуть, что аккумуляторы других типов химии также подвержены старению. Особенно NiMH, при хранении в условиях повышенной температуры. Хранение аккумуляторов в прохладном месте замедляет процесс старения Li-ion аккумуляторов (также, это справедливо и для других типов химии). Производители рекомендуют хранить аккумуляторы при температуре 15°С. Кроме того, Li-ion аккумуляторы не должны быть полностью разряжены. Li-ion аккумуляторов длительное хранение не рекомендуется [13].

Достоинства и недостатки Li-ion аккумуляторов.

Достоинства:

  1. Высокая плотность энергии, причем потенциал для ее увеличения еще не исчерпан.
  2. Низкий ток саморазряда. Менее половины от величины саморазряда NiCd аккумуляторов.
  3. Не требуется периодического обслуживания.

Недостатки:

  1. Необходимость специальных схем защиты для ограничения тока и напряжения.
  2. Подвержена старению вне зависимости от режима эксплуатации. Хранение в прохладном месте способно снизить интенсивность старения на 40%.
  3. Ограниченный ток нагрузки.
  4. Высокая стоимость производства. На 40% выше, чем производство NiCd.

3.4 Литий-полимерные аккумуляторы.

Принципиальное отличие полимерных аккумуляторов от всех других типов химии заключается в отсутствии какого-либо жидкого или гелеобразного электролита. В этих аккумуляторах используется сухой полимерный электролит, который заменяет пористый сепаратор, пропитанный жидкостью или гелем. Полимерный электролит не обладает электрической проводимостью, но допускает ионный обмен. Плюс этого типа химии заключается в том, что аккумуляторная ячейка может быть сделана абсолютно произвольной формы, что оставляет полную свободу действий разработчикам корпуса аккумулятора. Минимальная толщина ячейки может быть менее миллиметра. К минусам данной технологии относится то, что полимерные аккумуляторы имеют очень высокое внутреннее сопротивление и не способны обеспечить большие импульсные токи. Приемлемые параметры аккумулятор приобретает при нагреве до температуры 60°С. Потенциал технологии велик. Ресурс полимерных аккумуляторов обещает быть не менее 1000 циклов, а плотность энергии выше, чем у Li-ion. Полимерные аккумуляторы – это гибриды полимерного и литий-ионного аккумуляторов, использующие гелеобразный электролит для увеличения проводимости [14].

Достоинства и недостатки полимерных аккумуляторов.

Достоинства:

  1. Очень тонкие ячейки. Толщина аккумулятора может быть менее 1мм.
  2. Пластичность. Ячейке можно придать любую форму, удобную производителю.
  3. Малый вес.
  4. Безопасность. Полимерные аккумуляторы устойчивы к перезаряду. Исключена утечка электролита.

Недостатки:

  1. На данный момент, более низкая плотность энергии и ресурс, по сравнению с Li-ion. Однако потенциал для развития существует.
  2. Дорогое производство.

3.5 Свинцово-кислотные аккумуляторы.

Исторически, свинцово-кислотные аккумуляторы были первыми перезаряжаемыми источниками энергии, запущенными в коммерческое использование. С тех пор они претерпели значительные изменения. Жидкий электролит был заменен пропитанным электролитом сепаратором или гелеобразным электролитом, сами аккумуляторы сделаны герметичными и не нуждающимися в периодическом добавлении электролита. Рекомбинация газов происходит в порах сепаратора или гелеобразного электролита. В качестве меры предосторожности в герметичных аккумуляторах используются предохранительные клапаны, через которые стравливаются излишки давления, если в процессе заряда, газы в аккумуляторе не успевают рекомбинировать.

По сравнению с другими типами химии, свинцово-кислотные аккумуляторы, SLA, имеют самую низкую плотность энергии, но самую высокую емкость. Поэтому они применяются там, где требуется большая мощность, но не играют решающей роли вес и габариты. В основном, это источники бесперебойного питания, биомедицинское оборудование. Большим плюсом этого типа химии является очень маленький саморазряд. Если NiCd аккумулятор теряет до 40% запасенной энергии за три месяца, то SLA аккумулятору на это потребуется год. Слабыми местами этого типа химии являются нагрузочные характеристики. SLA аккумуляторы не любят больших токов нагрузки и глубокого разряда. При эксплуатации в напряженных режимах, быстро наступает старение, выражающееся в потере емкости. Также, на срок службы SLA аккумуляторов сильно влияет рабочая температура. В зависимости от режима эксплуатации, ресурс SLA аккумуляторов составляет 200-300 циклов заряд/разряд.

Достоинства и недостатки SLA аккумуляторов.

Достоинства:

  1. Эти аккумуляторы дешевы и просты в производстве.
  2. Хорошо отработанная технология. При соблюдении правил эксплуатации, SLA аккумуляторы очень надежны.
  3. Саморазряд - самый маленький среди всех типов аккумуляторов.
  4. Аккумуляторы нетребовательны к обслуживанию. Эффект памяти и необходимость доливать электролит отсутствуют.

Недостатки:

  1. Невозможность хранить в разряженном состоянии - быстро выходят из строя.
  2. Низкая плотность энергии, что ограничивает области применения.
  3. Более сложный алгоритм заряда. Вследствие того, что NiMH аккумулятор в процессе заряда греется гораздо сильнее, чем NiCd, время заряда увеличивается.
  4. Допускают очень ограниченное количество полных циклов разряда.
  5. Содержат экологически вредные материалы.
  6. Сильная температурная зависимость.

Выводы:

Таким образом, проанализировав 5видов аккумуляторов, можно сделать вывод, что самый оптимальный вариант по всем характеристикам - аккумулятор свинцово-кислотный SLA, так как он имеют самую низкую плотность энергии, но самую высокую емкость. Поэтому они применяются там, где требуется большая мощность, но не играют решающей роли вес и габариты. Все выше перечисленные характеристики в целом подходят и удовлетворяют поставленным целями задачам в данной магистерской диссертации..

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: май 2018 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Кириллин В. А. Энергетика. Главные проблемы: В вопросах и ответах. – М.: Знание, 1997. – 128 с.
  2. Кларка Р. Оптимистический взгляд на будущее энергетики мира: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1994. – 215 с.
  3. Юдасин Л. С. Энергетика: проблемы и надежды. – М.: Просвещение, 1990. – 207с.
  4. Старшикова Ю. Н. Мировая энергетика: прогноз развития до 2020 г. – М.: Энергия, 1990. – 256 с.
  5. Непорожнего П. С. Попкова В. И. Энергетические ресурсы мира – М.: Энергоатомиздат, 1995. – 232 с.
  6. Ивашутин А. Г. Нетрадиционные источники энергии. – М.: Знание, 1982. – 120 с.
  7. Хрусталев Д. А. «Аккумуляторы» Изумруд, 2003 год, 224 стр.
  8. Курзуков Н. И. Ягнятинский В.М., Аккумуляторные батареи. Краткий справочник. - М.: ЗАО «КЖИ «За рулем»», 2008. - 88 с.
  9. Боровский Ю. И. Старостин А.К., Чиксков Ю.П. Стартерные аккумуляторные батареи. - М.: Фонд: За экономическую грамотность, 1997
  10. Владимир Васильев. «Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы»
  11. Лаврус В. С. «Источники энергии» Изд. «Наука и техника», 1997 г.
  12. Коровин Н. В. «Электрохимическая энергетика» М.:Энергоатомиздат, 1991.
  13. Вайнел Д. В. «Аккумуляторные батареи» пер. с англ., 4 изд., М. — Л., 1960.
  14. Дьякова А. Ф. Энергетика сегодня и завтра. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 344 с.