ДонНТУ Портал магістрів

Зміст

Вступ

Науково-технічний прогрес неможливий без розвитку енергетики, електрифікації. Для підвищення продуктивності праці велике значення має механізація і автоматизація виробничих процесів, заміна людської праці машинним. Але переважна більшість технічних засобів механізації і автоматизації (устаткування, прилади, ЕОМ) має електричну основу. Особливо широке застосування електрична енергія отримала для приводу в дію електричних моторів. Потужність електричних машин (в залежності від їх призначення) різна: від часток вата (мікродвигуни, що застосовуються в багатьох галузях техніки і в побутових виробах) до величезних величин, що перевищують мільйон кіловат (генератори електростанцій) [1].

Занепокоєння викликає те, що мінеральні ресурси незабаром будуть виснажені, так і те, що таке інтенсивне споживання енергії може призвести до екологічної катастрофи, яка перетворить Землю в планету, абсолютно непристосовану для життя. Тому розробка нових методів отримання енергії і дослідження вже відомих представляє великий науково-дослідний інтерес. [2].

Однією з основних технологічних проблем промислової енергетики є нерівномірність споживання електроенергії, що веде до поглиблення вже перерахованих вище: інтенсивне споживання первинних ресурсів і екологічні питання.. Однією з перспективних напрямків енергетики на даний момент є розробка і застосування пристроїв накопичення електроенергії.

Будуть розглянуті питання:

  1. Витрати первинних енергоресурсів.
  2. Викиди в атмосферу. Екологічні проблеми.
  3. Нерівномірність графіка навантаження.
  4. Накопичення електроенергії.

1. Актуальність теми

Виробництво електроенергії на електричних станціях і її споживання різними приймачами являють собою процеси, взаємопов'язані таким чином, що в силу фізичних закономірностей потужність споживання електроенергії в який-небудь момент часу повинна бути дорівнює генерованої потужності [3].

При ідеальному рівномірному споживанні електроенергії повинна відбуватися рівномірна робота певного числа електростанцій. Насправді робота більшості окремих електроприймачів нерівномірна і сумарне споживання електроенергії також нерівномірно. Можна привести безліч прикладів нерівномірності роботи установок і приладів, що споживають електроенергію. Завод, що працює в одну або дві зміни, нерівномірно споживає електричну енергію протягом доби. У нічний час споживана їм потужність близька до нуля. Вулиці і квартири висвітлюють тільки в певні години доби. Робота електропобутових приладів, вентиляторів, пилососів, електричних печей, нагрівальних приладів, телевізорів, радіоприймачів, електробритв також нерівномірна. У ранкові та вечірні години комунальна навантаження найбільша.

Графік навантаження певного району або міста, що представляє собою зміну у часі сумарної потужності всіх споживачів, має провали і максимуми. Це означає, що в одні години доби потрібна велика сумарна потужність генераторів, а в інші години частину _ генераторів електростанцій або повинна бути відключена або повинна працювати з зменшеним навантаженням. Число електростанцій та їх потужність визначаються відносно нетривалим максимумом навантаження споживачів. Це призводить до недовикористання устаткування і подорожчання енергосистем. Так, зниження числа годин використання встановленої потужності великих ТЕС з 6000 до 4000 год в рік призводить до зростання собівартості вироблюваної електроенергії на 30-35% [4].

2. Мета і задачі дослідження

Заощадження енергії всіх видів – це завдання стає дедалі актуальнішим в сучасному світі. Енергозберігаючі технології визнані пріоритетним завданням на рівні державної внутрішньої політики в багатьох державах і в Росії зокрема. Енергозберігаючі технології розробляються на основі інноваційних рішень. Ці технології також повинні бути екологічно безпечні і не міняти ходу життя суспільства в цілому і звичного складу справ кожної людини окремо.

Основною метою роботи є дослідження систем і пристроїв для накопичення електроенергії, що дозволить вирівняти графік навантаження. Аналіз тенденцій у споживанні електричної енергії показує, що в подальшому нерівномірність споживання буде збільшуватися по мірі зростання добробуту населення і пов'язаного з ним збільшення комунально-побутового навантаження, по мірі підвищення електроозброєності праці. Скорочення числа робочих днів у тижні також сприяє підвищенню нерівномірності споживання електроенергії. Таке становище характерне не тільки для нашого регіону. У більшості країн Західної Європи нерівномірність споживання електроенергії така, що протягом години зміна навантаження досягає 30% від максимальної потужності і в перспективі також очікується збільшення нерівномірності. Кардинально змінити характер споживання електроенергії дуже важко, так як він залежить від усталеного ритму життя людей і ряду не залежать від „ людей об'єктивних обставин. Наприклад, не можна змінити того факту, що електричне освітлення потрібно у вечірні години, а з настанням темряви [5].

Головним завданням енергетика приймати заходи по вирівнюванню графіка сумарною навантаження споживачів. Так, вводиться диференційована вартість електроенергії в залежності від того, в який період часу вона споживається. Якщо електроенергія споживається в моменти максимумів навантаження, то і вартість її встановлюється вище. Це підвищує зацікавленість споживачів в таких перебудовах роботи, які б сприяли зменшенню електричного навантаження в моменти максимумів споживання в енергосистемі. У цілому можливості вирівнювання споживання електроенергії невеликі. Отже, електроенергетичні системи повинні бути досить маневреними, здатними швидко змінювати потужність електростанцій [6].

3. Акумулятори

За допомогою сонячних панелей або вітрогенераторів можна отримати електроенергію. Але її ще треба зберегти, щоб отримати світло і тепло в темний час доби або при відсутності вітру. Тобто необхідні прилади для накопичення та збереження енергії — акумулятори.

Ефективність сонячних і вітрових установок залежить від режиму їх роботи. Бажано, щоб вони працювали в «базовому» режимі, тобто, коли є сонце і вітер. Ця вимога може не збігатися з режимом споживання електроенергії. Тому виникає необхідність її накопичення.

І сонячні батареї і вітрогенератори видають енергію нерівномірно. Акумулятор дозволяє використовувати надлишок електроенергії, що виробляється цими джерелами в період високих значень і запасати енергію на тривалий час (десятки днів), а запасена електроенергія в будь-який момент може бути передана в навантаження, при цьому розрядний струм може забезпечувати живлення навантаження, потужність якої багаторазово перевищує встановлену потужність сонячної батареї, термоелектричного генератора або вітроелектричної установки.

Акумулятор для роботи в системі енергопостачання повинен володіти наступними властивостями: тривалий термін служби, безліч циклів. [7].

Під акумулюванням (накопиченням) енергії розуміється введення якого-небудь виду енергії в пристрій, обладнання, установку або споруда – акумулятор (накопичувач) енергії – для того, щоб цю енергію звідти потім у зручний для споживання час знову в тому ж або в перетвореному вигляді отримати назад. Для зарядки акумулятора енергією іноді потрібна додаткова енергія, і в процесі зарядки можуть виникати втрати енергії. Після зарядки акумулятор може залишатися в стані готовності (у зарядженому стані), але і в цьому стані частина енергії може губитися із-за довільного розсіювання, витоку, саморозряду або інших подібних явищ. При віддачі енергії акумулятора також можуть виникати її втрати; крім того, іноді неможливо отримати назад всю акумульовану енергію. Деякі акумулятори влаштовані так, що в них і повинна залишатися деяка залишкова енергія. Стан акумулятора при споживанні енергії, під час готовності, при віддачі енергії і після віддачі схематично представлено

Акумулювання енергії зазвичай розуміється як цілеспрямоване дія. Однак енергія може акумулюватися (накопичуватися) і незалежно від волі або дій людини в результаті фізичних процесів, відбуваються в природі або в штучних пристроях. В якості приклад на рис. 2 представлені деякі процеси акумулювання енергії в природі. Крім них слід відзначити:

При штучному акумулюванні енергії можуть ставитися такі цілі:

  1. створення запасу енергії (зазвичай у вигляді запасів палива) при переривистому надходження енергоносіїв, а також на випадки тимчасового припинення постачання енергії або виникненні кризових ситуацій тощо;
  2. отримання великої короткочасної потужності від джерел харчування обмеженої потужності, наприклад, для живлення ламп- спалахів або установок точкового зварювання (рис. 1);
  3. здійснення енергопостачання, не залежної від зовнішніх джерел енергії, наприклад, в засобах пересування, при використання переносного і переміщуваного обладнання (рис.2);
  4. вирівнювання навантаження змінної, наприклад, у поршневих механізми, при використанні пневматичних інструментів, при надмірній нерівномірності добових графіків навантаження енергосистем (рис. 3) і в інших подібних випадках.

Рисунок 1 — Застосування акумулятора енергії (A) для отримання імпульсу енергії підвищеної потужності

Рисунок 2 — Приклад застосування акумулятора енергії в передвіжімом енергоспоживачів. 1 зарядка акумулятора від стаціонарного джерела електроенергії (E), 2 використання акумульованої енергії.

Рисунок 3 — 1 вирівнювання добового графіка навантаження шляхом аккумуліованія енергії Win під час нічного мінімуму навантаження і використання акумульованої енергії Wex для покриття днів піків навантаження; 2 одержуваний в ідеальному випадку рівномірний графік навантаження

Будь який акумулятор можна охарактеризувати рядом параметрів:

  1. Тип хімії акумулятора.
  2. Номінальна ємність акумулятора. Вимірюється в Ампер-годинах і визначає кількість енергії, що запасається акумулятором.
  3. Внутрішній опір акумулятора. Вимірюється в мілі Омах. Цей параметр відображає здатність акумулятора віддавати струм в навантаження. Чим менший внутрішній опір, тим більший струм може забезпечити акумулятор.
  4. Саморозряд акумулятора. Виражається у відсотках від номінальної ємності. Цей параметр характеризує мимовільний розряд акумулятора, відключеного від навантаження.
  5. Щільність енергії. Вимірюється у Ват-годин на кілограм (Вт*год/кг). Чим вище цей показник, тим легше буде акумулятор заданої ємності.
  6. Ресурс (час життя). Виражається в кількості циклів заряд/розряд і показує, скільки циклів заряд/розряд зможе забезпечити акумулятор до того моменту, поки його ємність не знизиться до певного значення (як правило, 80%).

Необхідно відразу сказати, що неможливо виділити "кращий" тип акумулятора. Кожному з них властиві свої плюси і мінуси, які роблять акумулятор оптимальним для одних застосувань і абсолютно неприйнятним для інших [10].

У сучасній техніці використовуються п'ять основних типів акумуляторів, які відрізняються за своїм хімічним складом:

  1. Нікель-кадмієві (NiCd). Добре відпрацьована і вивчена технологія, але володіє низькою щільністю енергії. Використовується там, де важливі довговічність, здатність забезпечити високий струм навантаження і мала вартість.
  2. Нікель-металогідридні (NiMH). Порівняно з NiCd мають більш високу щільність енергії, але менший час життя. NiMH не містять токсичних матеріалів.
  3. Літій-іонні (Li-ion). Найбільш бурхливо розвивається технологія. Використовуються там, де потрібна висока щільність енергії і малу вагу. Li-ion дорожче всіх інших акумуляторів. При експлуатації необхідно суворо дотримуватися режими заряду і розряду, зазначені виробником з міркувань безпеки.
  4. Літій-полімерні (Li-pol). Задумані як здешевлена версія Li-ion акумуляторів. Цей тип хімії по щільності енергії аналогічний Li-ion . Це дозволяє робити Li-polymer акумулятори дуже компактними.
  5. Герметичні свинцево-кислотні (SLA). Застосовуються там, де потрібна велика потужність, а вага не має значення. Типові області застосування - стаціонарне медичне обладнання, електромобілі, системи аварійного енергопостачання, UPS.

Рисунок 2 — Переробка полімерних відходів

3.1 Нікель-кадмієві акумулятори.

Нікель-кадмієві акумулятори є найстарішими з нині використовуються. Технологія їх виробництва добре вивчена і відпрацьована. На відміну від інших типів хімії, NiCd відмінно витримує великі струми. NiCd акумулятори краще інших підходять для роботи в екстремальних температурних діапазонах. Постійна підзарядка недорозряджених NiCd акумуляторів погано позначається на їхній працездатності. Періодичний повний розряд дуже важливий, так як він перешкоджає формуванню великих кристалічних утворень на електродах осередків акумулятора. Процес формування цих утворень іменується ефектом пам'яті. В результаті, акумулятор поступово погіршує свої параметри.

Достоїнства і недоліки NiCd акумуляторів.

Достоїнства:

  1. Великий ресурс. Будучи обслуговуються належним чином, NiCd акумулятори забезпечують 1000 - 1500 циклів заряд/розряд.
  2. Дуже хороша навантажувальна здатність. NiCd акумулятори забезпечують великий струм навантаження.
  3. Довгий термін служби.
  4. Простота зберігання і транспортування. Більшість авіакомпаній дозволяють перевезення NiCd акумуляторів без спеціальних заходів.
  5. NiCd акумулятори добре підходять для роботи при низьких температурах.

Недоліки:

  1. Досить низька, в порівняння з новими типами акумуляторів, щільність енергії.
  2. Ефект пам'яті. Необхідність періодичних тренувань для його профілактики.
  3. NiCd містять токсичні матеріали.
  4. Досить великий струм саморозряду. NiCd акумулятори вимагають дозарядки після зберігання.

3.2 Нікель-металогідридні акумулятори.

Розроблені в якості заміни NiCd акумуляторів, нікель-металогідридні (NiMH) мають дві істотних переваги: висока щільність енергії і екологічна безпека. Сучасні NiMH акумулятори мають на 40% більшу щільність енергії, порівняно з NiCd. Це дозволяє робити акумулятори більш високої ємності в тих же габаритах. Однак, за ці достоїнства довелося заплатити підвищеним струмом саморозряду: у NiMH акумуляторів він в 1.5 рази вище, ніж у NiCd.

Достоїнства і недоліки NiMH акумуляторів.

Достоїнства

  1. Ємність, на 30-40% більша, ніж у NiCd акумуляторів, причому потенціал створення NiMH акумуляторів ще більшою ємності не вичерпаний.
  2. Ефект пам'яті в NiMH акумулятор виражений набагато слабкіше, ніж в NiCd.
  3. Простота зберігання і транспортування - ніяких спеціальних вимог.
  4. Екологічна безпека.

Недоліки:

  1. Відносно невеликий ресурс. Якщо протягом кожного робочого циклу акумулятор розряджається повністю, то помітне погіршення параметрів починається вже після 200-300 циклів заряд/розряд. Для NiMH акумулятора частковий розряд більш кращий, ніж повний.
  2. Обмежений струм розряду. Оптимальним навантажувальних струмом є величина 0.2-0.5 С.
  3. Більш складний алгоритм заряду. Внаслідок того, що NiMH акумулятор в процесі заряду гріється набагато сильніше, чим NiCd, час заряду збільшується.
  4. Великий саморозряд.

3.3 Літій-іонні акумулятори.

Зараз акумулятори на основі літію є найбільш інтенсивно розвивається технологією. Щільність енергії Li-ion акумулятора вдвічі більше, ніж у NiCd і потенціал технології дозволять в майбутньому значно підвищити цей параметр. Крім високої ємності, Li-ion акумулятори мають дуже хороші навантажувальні характеристики, схожі з характеристиками NiCd. При розряді акумулятора від його напруга змінюється в дуже невеликих межах, що спрощує проектування апаратури. Малий внутрішній опір літієвих акумуляторів дозволяє забезпечувати передачу в навантаження значної потужності. Поряд з незаперечними перевагами, літій-іонні акумулятори мають свої недоліки. У зв'язку зі вибухонебезпечністю, Li-ion акумулятори вимагають обов'язкової наявності електронних схем захисту. Такі схеми вбудовані в кожен акумулятор і обмежують пікова напруга на комірці в процесі заряду, не дають клітинці розряджатися нижче допустимого рівня, обмежують струм і контролюють температуру. Використання схем захисту практично усуває небезпека вибуху акумулятора. Ефект старіння також є слабким місцем літій-іонних акумуляторів. Через два, максимум - три роки зберігання, акумулятор стає непридатним до експлуатації. Необхідно згадати, що акумулятори інших типів хімії також схильні до старіння. Особливо NiMH, при зберіганні в умовах підвищеної температури. Зберігання акумуляторів в прохолодному місці уповільнює процес старіння Li-ion акумуляторів (це також справедливо і для інших типів хімії). Виробники рекомендують зберігати акумулятор при температурі від 15°С. Крім того, Li-ion акумулятори не повинні бути повністю розряджені. Li-ion акумуляторів тривале зберігання не рекомендується [13].

Достоїнства і недоліки Li-ion акумуляторів.

Достоїнства

  1. Висока щільність енергії, причому потенціал для її збільшення ще не вичерпаний.
  2. Низький струм саморозряду. Менше половини від величини саморозряду NiCd акумуляторів.
  3. Не потрібно періодичного обслуговування.

Недоліки:

  1. Необхідність спеціальних схем захисту для обмеження струму і напруги.
  2. Схильна до старіння незалежно від режиму експлуатації. Зберігання в прохолодному місці здатне знизити інтенсивність старіння на 40%.
  3. Обмежений струм навантаження.
  4. Висока вартість виробництва. На 40% вище, ніж виробництво NiCd.

3.4 Літій-полімерні акумулятори.

Принципова відмінність полімерних акумуляторів від всіх інших типів хімії полягає у відсутності будь-яких рідкого або гелеподібному електроліту. У цих акумуляторах використовується сухий полімерний електроліт, який замінює пористий сепаратор, просочений рідиною або гелем. Полімерний електроліт не має електричну провідність, але допускає іонний обмін.. Плюс цього типу хімії полягає в тому, що акумуляторна комірка може бути зроблена абсолютно довільної форми, що залишає повну свободу дій розробникам корпусу акумулятора. Мінімальна товщина осередку може бути менш міліметра. До мінусів даної технології відноситься те, що полімерні акумулятори мають дуже високий внутрішній опір і не здатні забезпечити великі імпульсні струми. Прийнятні параметри акумулятор набуває при нагріванні до температури 60°С. Потенціал технології великий. Ресурс полімерних акумуляторів обіцяє бути не менше 1000 циклів, а щільність енергії вище, ніж у Li-ion. Полімерні акумулятори – це гібриди полімерного і літій-іонного акумулятора, що використовують гелеподібный електроліт для збільшення провідності [14].

Достоїнства і недоліки полімерних акумуляторів.

Достоїнства

  1. Дуже тонкі клітинки. Товщина акумулятора може бути менш 1мм.
  2. Пластичність. Клітинки можна надати будь-яку форму, зручну виробнику.
  3. Мала вага.
  4. Безпека. Полімерні акумулятори стійкі до перезаряду. Виключений витік електроліту.

Недоліки:

  1. На даний момент, більш низька щільність енергії і ресурс, порівняно з Li-ion. Однак потенціал для розвитку існує.
  2. Дороге виробництво.

3.5 Свинцево-кислотні акумулятори.

Історично, свинцево-кислотні акумулятори були першими елементами, що перезаряджаються джерелами енергії, запущеними в комерційне використання. З тих пір вони зазнали значні зміни. Рідкий електроліт був замінений просоченим електролітом сепаратором або гелеподібні електролітом, самі акумулятори зроблені герметичними і не потребують періодичному додаванні електроліту. Рекомбінація газів відбувається в порах сепаратора або гелеподібні електроліту. В якості запобіжного заходу В герметичних акумуляторах використовуються запобіжні клапани, через які підбурює надлишки тиску, якщо в процесі заряду, гази в акумуляторі не встигають рекомбінувати. Порівняно з іншими типами хімії, свинцево-кислотні акумулятори, SLA, мають саму низьку щільність енергії, але саму високу ємність. Тому вони застосовуються там, де потрібна велика потужність, але не відіграють вирішальної ролі вага і габарити. В основному, це джерела безперебійного живлення, біомедичне обладнання. Великим плюсом цього типу хімії є дуже малий саморозряд. Якщо NiCd акумулятор втрачає до 40% накопиченої енергії за три місяці, то SLA акумулятора на це знадобиться рік. Слабкими місцями цього типу хімії є навантажувальні характеристики. SLA акумулятори не люблять великих струмів навантаження і глибокого розряду. При експлуатації в напружених режимах, швидко настає старіння, що виражається у втраті місткості. Також, на термін служби SLA акумуляторів сильно впливає робоча температура. В залежності від режиму експлуатації, ресурс SLA акумуляторів становить 200-300 циклів заряд/розряд.

Достоїнства і недоліки SLA акумуляторів.

Достоїнства

  1. Ці акумулятори дешеві і прості у виробництві.
  2. Добре відпрацьована технологія. При дотриманні правил експлуатації, SLA акумулятори дуже надійні.
  3. Саморозряд - найменший серед усіх типів акумуляторів.
  4. Акумулятори невибагливі до обслуговування. Ефект пам'яті і необхідність доливати електроліт відсутні.

Недоліки:

  1. Неможливість зберігати в розрядженому стані - швидко виходять з ладу.
  2. Низька щільність енергії, що обмежує область застосування.
  3. Більш складний алгоритм заряду. Внаслідок того, що NiMH акумулятор в процесі заряду гріється набагато сильніше, чим NiCd, час заряду збільшується.
  4. Допускають дуже обмежена кількість повних циклів розряду.
  5. Містять екологічно шкідливі матеріали.
  6. Сильна температурна залежність.

Висновки

Таким чином, проаналізувавши 5видів акумуляторів, можна зробити висновок, що найбільш оптимальний варіант за всіма характеристиками - акумулятор свинцево-кислотний SLA, так як вони мають саму низьку щільність енергії, але саму високу ємність. Тому вони застосовуються там, де потрібна велика потужність, але не відіграють вирішальної ролі вага і габарити. Всі вище перераховані характеристики в цілому підходять і задовольняють поставленим цілями завдань даної магістерської дисертації.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: травень 2018 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

  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.