На что способен маховичный накопитель
Сегодня ученые со всего мира безуспешно пытаются создать недорогой, легкий, компактный и невероятно емкий аккумулятор. А между тем такой накопитель энергии уже существует.
Мир электроники и электричества наступает! Милые поклонникам механики устройства все чаще уступают место машинам с электромоторами и электронными схемами. Однако мир будущего станет более механическим! Так считает профессор Нурбей Гулиа. За последние десятилетия механические накопители энергии заметно прибавили в энергоемкости, и именно их, по мнению ученого, будут использовать во многих устройствах вместо привычных электрохимических аккумуляторов.
Пружина, резина, конденсатор…
Во всем мире вряд ли найдется человек, который посвятил себя разработке маховичных накопителей энергии в большей мере, чем Нурбей Гулиа. Ведь делом своей жизни изобретатель начал заниматься в 15 лет. Тогда советский школьник Нурбей решил изобрести «энергетическую капсулу» — так он назвал накопитель энергии, который должен был стать столь же энергоемким, как бак с бензином, но при этом копить в себе абсолютно безвредную для человека энергию.
Первым делом любознательный школьник опробовал аккумуляторы различных типов. Одним из самых безнадежных вариантов оказался пружинный накопитель. Чтобы обычный легковой автомобиль проехал с таким аккумулятором 100 км пути, последний должен был весить 50 т.
Резиновый аккумулятор показался куда перспективней: накопитель с зарядом на 100 км мог весить «всего» 900 кг. Заинтересовавшись, Нурбей даже разработал резиноаккумулятор инновационной конструкции для привода детской коляски. Один из прохожих, очарованный самоходной коляской, посоветовал разработчику подать заявку в Комитет по изобретениям и даже помог ее составить. Так Гулиа получил первое авторское свидетельство на изобретение.
Вскоре резину сменил сжатый воздух. И опять Нурбей разработал инновационное устройство — относительно компактный гидрогазовый аккумулятор. Однако, как выяснилось в ходе работы над ним, при использовании сжатого газа энергетический «потолок» был невысок. Но изобретатель не сдался: вскоре им был построен пневмокар с подогревом воздуха горелками.
Эта машина получила высокую оценку у его друзей, но по своим возможностям была еще далека от того, чтобы конкурировать с автомобилем.
Особенно тщательно будущий профессор отнесся к проработке варианта «электрической капсулы». Нурбей оценил возможности конденсаторов, электромагнитов и, разумеется, собрал всю возможную информацию об электрохимических аккумуляторах. Был даже построен электромобиль. В качестве аккумулятора для него конструктор использовал батарею МАЗа. Однако возможности тогдашних электрохимических аккумуляторов Гулиа не впечатлили, не было и оснований ожидать, что в области энергоемкости произойдет прорыв. Поэтому из всех накопителей энергии наиболее перспективными Нурбею Владимировичу показались механические аккумуляторы в виде маховиков, несмотря на то что в то время они ощутимо проигрывали электрохимическим накопителям. Тогдашние маховики, даже сделанные из самой лучшей стали, в пределе могли накопить только 30−50 кДж на 1 кг массы. Если раскручивать их быстрее, они разрывались, приводя в негодность все вокруг.
Даже свинцово-кислотные аккумуляторы с энергоемкостью 64 кДж/кг смотрелись на их фоне крайне выигрышно, а щелочные аккумуляторы с плотностью энергии 110 кДж/кг были вне конкуренции. Кроме того, уже тогда существовали страшно дорогие серебряно-цинковые аккумуляторы: по удельной емкости (540 кДж/кг) они примерно соответствовали самым емким на сегодня литий-ионным аккумуляторам. Но Гулиа сделал ставку на столь далекий от совершенства маховик…
Маховик на миллион
Чем выше частота вращения маховика, тем сильнее его частицы «растягивают» диск, пытаясь его разорвать. Поскольку разрыв маховика дело страшное, конструкторам приходится закладывать высокий запас прочности. В результате на практике энергоемкость маховика раза в три ниже возможной, и в начале 1960-х годов самые совершенные маховики могли запасать всего 10−15 кДж энергии на 1 кг. Если же применить более устойчивые к разрыву материалы, прочность маховика станет выше, но такой скоростной маховик становится опасным.
Получается порочный круг: прочность материала возрастает, а предельная энергоемкость увеличивается незначительно. Нурбей Гулиа поставил своей задачей вырваться из этого замкнутого круга, и в один памятный день он испытал момент внезапного прояснения. На глаза изобретателю попался тросик, свитый из проволок, — такие обычно применяют в тренажерах для подъема тяжестей. Тросик был примечателен тем, что обладал высокой прочностью и никогда не рвался сразу. Именно этих качеств и не хватало тогдашним маховикам.
Ученый принялся за работу: сначала поэкспериментировал с тросом, скатав из него маховик, а потом заменил проволочки тонкой стальной лентой такой же прочности — ее намотка была плотнее, а для надежности можно было склеить витки ленты между собой. Разрыв такого маховика уже не представлял опасности: при превышении предельной скорости первой должна была оторваться наиболее нагруженная внешняя лента. Она прижимается к корпусу и автоматически затормаживает маховик — никаких несчастных случаев, а оторванную ленту можно приклеить снова.
Первое испытание, когда ленточный маховик Гулиа раскручивался от скоростного электромотора пылесоса, прошло успешно. Маховик вышел на максимальную частоту вращения без разрыва. А затем, когда ученому удалось испытать этот маховик на специальном разгонном стенде, выяснилось, что разрыв наступал только при скорости обода почти 500 м/c или плотности энергии около 100 кДж/кг. Изобретение Гулиа в несколько раз превзошло по плотности энергии самые передовые на то время маховики и оставило позади свинцово-кислотные аккумуляторы.
В мае 1964 года Гулиа первым в мире подал заявку на изобретение супермаховика, но из-за бюрократизма советской патентной системы получил необходимый документ только через 20 лет, когда срок его действия уже истек. Но приоритет изобретения за СССР сохранился. Жил бы ученый на Западе — давно бы стал мультимиллионером.
Через какое-то время после Гулиа супермаховик изобрели и на Западе, и спустя годы ему находят множество применений.
В разных странах разрабатываются проекты маховичных машин. Американские специалисты создают беспилотный вертолет, в котором вместо двигателя используют супермаховики. Отправляют супермаховики и в космос. Там для них особенно благоприятная среда: в космическом вакууме нет аэродинамического сопротивления, а невесомость устраняет нагрузки на подшипники. Поэтому на некоторых спутниках связи применяются супермаховичные накопители — они долговечнее электрохимических аккумуляторов и могут долгое время снабжать аппаратуру спутника энергией. Недавно в США стали рассматривать возможность применения супермаховиков в качестве источников бесперебойного питания для зданий. Там уже работают электростанции, которые во время пика потребления энергии увеличивают мощность за счет маховичных накопителей, а при спаде, обычно в ночное время, направляют избытки энергии на раскручивание маховиков. В итоге у электростанции значительно повышается КПД работы. Кроме того, потери энергии в супермаховиках составляют всего 2% — это меньше, чем у любых других накопителей энергии.
Профессор Гулиа тоже времени зря не терял: создал очень удобную маховичную дрель, разработал первый в мире гибридный маховичный автомобиль на базе УАЗ-450Д — он оказался вдвое экономичней обычной машины. Но главное — профессор постоянно совершенствует разные элементы своей маховичной концепции, чтобы сделать ее по-настоящему конкурентоспособной.
Чудо-махомобили
Можно ли вывести супермаховик на уровень самых емких аккумуляторов? Оказывается, это не проблема. Если вместо стали использовать более прочные материалы, то пропорционально вырастет и энергоемкость. Причем, в отличие от электрохимических аккумуляторов, здесь практически нет потолка.
Супермаховик из кевлара на испытаниях при той же массе накапливал в четыре раза больше энергии, чем стальной. Супермаховик, навитый из углеволокна, может в 20−30 раз превзойти стальной по плотности энергии, а если использовать для его изготовления, например, алмазное волокно, то накопитель приобретет фантастическую энергоемкость — 15 МДж/кг.
Но и это не предел: сегодня с помощью нанотехнологий на основе углерода создаются волокна фантастической прочности. «Если из такого материала навить супермаховик, — рассказывает профессор, — плотность энергии может достичь 2500−3500 МДж/кг. А значит, 150-килограммовый супермаховик из такого материала способен обеспечить легковому автомобилю пробег в два с лишним миллиона километров с одной прокрутки — больше, чем может выдержать шасси машины».
За счет того что супермаховик вращается в вакууме, а его ось закреплена в магнитной подвеске, сопротивление при вращении оказывается минимальным. Возможно, такой супермаховик может крутиться до остановки многие месяцы. Однако машина, способная работать в течение всего срока службы без заправок, пока еще не изобретена. Мощности современных электростанций определенно не хватит для зарядки таких серийных чудо-махомобилей.
Но именно автотранспорт, считает профессор, самая подходящая сфера применения супермаховиков.
И показатели машин проекта Гулиа, на которых он планирует использовать супермаховики, не менее удивительные. По оценке ученого, «здоровый» расход топлива у бензинового автомобиля должен составлять примерно 1,5 л на 100 км, а у дизельного — 1,2 л.
Как такое возможно? «В энергетике есть неписаный закон: при одинаковых капиталовложениях всегда более экономичен привод, в котором нет преобразований видов и форм энергии, — поясняет профессор. — Двигатель выделяет энергию в виде вращения, и ведущие колеса автомобиля потребляют эту энергию тоже в виде вращения. Значит, не надо преобразовывать энергию двигателя в электрическую и обратно, достаточно передавать ее от двигателя к колесам через механический привод».
Таким образом, механический гибрид оказывается максимально энергосберегающим и, как уверяет ученый, в условиях города снижает расход топлива в три раза! Применение супермаховика, который запасает огромное количество энергии от двигателя, а затем практически без потерь отправляет ее на колеса через супервариатор (см.
«ПМ», № 3’2006), позволяет снизить размер и мощность двигателя. Двигатель же в проекте ученого работает только в оптимальном режиме, когда его КПД наиболее высок, поэтому-то «суперавтомобиль» Гулиа столь экономичен. Имеется у профессора и проект использования топливных элементов с супермаховиком. У топливных элементов КПД в пределе может быть почти вдвое выше, чем у ДВС, и составляет около 70%.
«Но почему же при всех достоинствах такой схемы она пока не используется на автомобилях?» — задаем мы очевидный вопрос. «Для такой машины был необходим супервариатор, а он появился сравнительно недавно и сейчас только начинает производиться, — объясняет профессор Гулиа. — Так что такой автомобиль на подходе». Нашему журналу приятно сознавать, что если такой автомобиль появится, то в этом будет и наша заслуга. После того как в «TechInsider» появилась статья о супервариаторе Гулиа, этим проектом сразу заинтересовались производители приводной техники, и сейчас профессор занимается созданием и совершенствованием своего супервариатора.
А значит, стоит надеяться, что ждать суперавтомобиля осталось недолго…
Компактный кинетический накопитель энергии | C.O.K. archive | 2019
Около 13% населения Земли, а это почти миллиард человек, не имеют доступа к электроэнергии. В основном это жители стран Африки, а также Центральной и Южной Азии. По некоторым экспертным оценкам, от 60 до 70% территории России не охвачены централизованной электросетью. Однако важно отметить, что около 85% территории России не заселено, а 60% территории покрыто вечной мерзлотой. Бóльшая часть территории Российской Федерации (¾ территории) — это Сибирь и Дальний Восток, где проживает около 13% населения России, или около 20 млн человек [1]. Предполагается, что объём децентрализованного производства электроэнергии в России может составлять около 100 ГВт·ч в год, что составляет около 9% от общего производства электроэнергии в России.
Причины отсутствия подключения в централизованной сети разные. Есть потребители, которые находятся в таких удалённых территориях, куда невозможно или экономически невыгодно вести централизованные сети.
Это и удалённые СНТ, которые по ряду причин не могут подключиться к централизованной сети, и охотничьи домики, метеостанции, различные туристические объекты, базы отдыха и так далее. Не так давно единственным решением для таких объектов было использование бензогенераторов, что является дорогим и неэкологичным решением. Современный уровень развития солнечной энергетики позволяет электрифицировать этих потребителей по новой технологии, которая на сегодня является достаточно сильным конкурентом централизованным сетям.
Если при использовании солнечных панелей совместно с централизованным электроснабжением срок окупаемости составляет на сегодня пять-семь лет, то автономные солнечные системы окупаются, как правило, в день установки. Необходимо отметить, что технологии солнечного электроснабжения прекрасно решают проблемы электроснабжения, но абсолютно не подходят для целей теплоснабжения.
Если сравнивать с атомной генерацией, то установленный 1 Вт АЭС обходится в $ 6–7, а 1 Вт солнечных панелей можно найти по цене $ 0,19 (FOB).
Атомную энергию необходимо преобразовать в ток высокого переменного напряжения, передать на дальние расстояния, затем понизить до нужного потребителю уровня. Это передача увеличивает стоимость сгенерированной энергии в два-три раза. В солнечной энергетике ситуация другая. Энергию можно производить непосредственно у потребителя. Но в автономных солнечных электростанциях необходимо использовать накопители энергии.
Как правило, накопителями энергии в солнечной энергетике являются тяговые свинцово-кислотные аккумуляторы, выполненные по технологии Absorbent Glass Mat (AGM). В процессе эксплуатации в уральском регионе эмпирически сложилось соотношение между мощностью солнечных панелей и ёмкостью аккумуляторов: на 100 Вт мощности панелей должно приходиться не менее 100 А·ч ёмкости аккумулятора. Это соотношение зависит от режима использования, условий эксплуатации и других факторов. В денежном выражении это означает, что стоимость накопителей энергии составляет 75% от общей стоимости АСЭС.
На самом деле это соотношение ещё больше, поскольку за срок службы панелей (30 лет) придётся заменить не один комплект аккумуляторов (срок службы 400–500 циклов или четыре-шесть лет). Таким образом, стоимость электроэнергии для потребителя АСЭС увеличивается в четыре-пять раз. Следовательно, снижение стоимости накопителей — самая главная и самая «дорогая» проблема солнечной энергетики.
Свинцово-кислотные аккумуляторы, изготовленные по технологии AGM, не самые лучшие из представленных, а наименее худшие. В опытной эксплуатации были исследованы несколько видов аккумуляторов. Щёлочные никель-кадмиевые аккумуляторы допускают «полный разряд», прекрасно ведут себя в холода, но требуют режим заряда, который солнечные панели выдать не могут, также в них присутствует «эффект памяти». Самые доступные свинцово-кислотные аккумуляторы — стартерные, но при малых токах они подвержены сульфатации. Тяговые панцирные аккумуляторы дороги, для реализации заявленных изготовителем параметров (15 лет службы, 1500 циклов) требуют применения особо чистого электролита и пробки рекомбинации водорода.
Литий-ионные аккумуляторы в испытаниях не участвовали по той причине, что несовместимы с холодами. Общими недостатками химических накопителей энергии можно считать ограниченный срок службы, узкий рабочий температурный диапазон, высокую цену (относительно стоимости панелей).
Существуют и другие технологии накопления энергии. Например, хранение энергии в виде сжатого воздуха. Несмотря на предполагаемую простоту, эта технология обладает ключевым недостатком — при сжатии воздух нагревается, при расширении охлаждается, что существенно снижает КПД накопления. Требуется компрессор, генерирующее устройство и ёмкость высокого давления. Из достоинств — всепогодность. Накопители на основе конденсаторов не могут хранить энергию долго, накопители на ионисторах не могут дать приемлемый ток.
В процессе поиска идеального накопителя энергии внимание привлекли возможности маховика. Этот накопитель обладает большим сроком службы, всепогоден, недорог в производстве. Теоретически маховик способен хранить энергию с плотностью до 4000 Вт·ч/кг, что на порядок превышает известные химические аккумуляторы.
Маховики были очень популярны несколько десятилетий назад [2]. Долгое время их пытались использовать на транспорте для экономии энергии в режиме «разгон-торможение», но из-за гироскопического эффекта технология не нашла применения. Сейчас, с развитием солнечных технологий, появился быстро растущий рынок, где для маховичного накопителя не требуется перемещение в пространстве.
Известны действующие отечественные и зарубежные маховики, но они не подходят для применения в нише мощностей до 1,5 кВт. Одни слишком велики (сотни килограмм и десятки киловатт), другие предназначены для стабилизации частоты сети в энергосистемах переменного тока.
На основании опыта эксплуатации АСЭС были выработаны технические условия для маховика, который может занять значительное место на рынке солнечной энергетики. Масса — до 25 кг, плотность накопления энергии — более 10 Вт·ч/кг, рабочий диапазон температур от −40 до +70°C, срок службы — 20 лет, ёмкость от 100 до 500 Вт·ч. Предполагается, что такой маховик может работать совместно с химическим накопителем энергии, «сглаживая» пики потребления таким образом, чтобы не использовались ограниченные циклы аккумулятора.
В зависимости от режима работы, такой маховик может экономить до половины циклов «заряд-разряд» аккумулятора, увеличивая его срок службы и, соответственно, снижая долю стоимости накопителей в АСЭС.
В работе маховика есть естественное ограничение — прочность материала тела маховика. При большой скорости вращения центробежные силы стремятся разрушить маховик, что представляет определённую проблему, для решения которой требуются современные дорогостоящие материалы. Но существует техническое решение, которое, по замыслу авторов, позволит обойти это ограничение.
В настоящее время разработана и проходит испытание конструкция со следующими параметрами: число оборотов — 26022 мин-1, плотность энергии — 1,04 Вт·ч/кг, номинальное напряжение — 12 В постоянного тока. С момента начала проектирования характеристики устройства значительно улучшились, например, достигаемая плотность энергии возросла в пять раз (от первоначальной величины 0,2 Вт·ч/кг). Видны пути, которые позволяют и далее увеличивать плотность энергии и снижать стоимость накопителя.
В конструкции применён магнитный подвес на редкоземельных магнитах.
Попробуем сравнить в первом приближении свинцово-кислотный аккумулятор и маховик.
Рассмотрим объём энергии, который может быть принят и отдан свинцово-кислотным аккумулятором с технологией AGM ёмкостью 100 А·ч на протяжении всего жизненного цикла. Срок службы такого аккумулятора составляет 400 циклов при температуре +25°C. Изменение температуры в одну или другую сторону не увеличивает срок жизни устройства. С учётом погрешностей можно считать, что за свой жизненный цикл такой аккумулятор сможет переработать 1,2 кВт·ч × 400 циклов = 480 кВт·ч при стоимости устройства порядка $ 200.
Таким образом, стоимость хранения 1 кВт·ч электроэнергии можно оценить в $ 0,42 за 1 кВт·ч. Если принять, что время зарядки составляет шесть часов, а время разрядки — два часа, то при непрерывном режиме эксплуатации аккумулятор прослужит 3200 часов.
Произведём подобный расчёт для условного маховичного накопителя. Предположим, что время заряда (и разряда) составляет 0,5 часа.
Цикл составляет один час. Условная цена — те же $ 200. Оценим запасаемую энергию в 0,1 кВт·ч. Срок службы — 20 лет, что соответствует 175,2 тыс. циклов или 17,52 МВт·ч. Итого стоимость хранения — $ 0,011 за 1 кВт·ч. Даже с учётом всех допущений получается, что кинетической накопитель позволяет хранить энергию на порядок выгоднее, чем свинцово-кислотный аккумулятор. Совместная работа маховика и аккумулятора позволит получить синергетический эффект и снизить стоимость накопления энергии в АСЭС — главной проблеме солнечной энергетики.
Выводы
Накопитель энергии — самая дорогая часть автономных солнечных электростанций. Снизить долю стоимости накопителей в общей стоимости позволяет накопитель на основе маховика. При совместной работе свинцово-кислотного аккумулятора и маховика возможно объединить преимущества каждого устройства и снизить стоимость накопления энергии. На основе опыта эксплуатации АСЭС можно считать перспективной конструкцию маховика массой до 25 кг, ёмкостью 0,1–0,5 кВт·ч и плотностью энергии выше 10 Вт·ч/кг.
При этом ожидается увеличение срока службы свинцово-кислотного аккумулятора в два раза.
Ещё в 2015 году американская компания Stornetic объявила о запуске в коммерческую эксплуатацию устройства DuraStor — своего первого накопителя кинетической энергии. Платформой для «обкатки» новики были выбраны муниципальные жилищно-коммунальные предприятия города Мюнхена (Stadtwerke Mu?nchen), где DuraStor используется как «виртуальная» электростанция. Ввиду быстро меняющихся условий на европейском рынке электроэнергии разнообразные её накопители, включая кинетические, считаются ключевым инструментом обеспечения устойчивости и стабилизации электрических сетей. Блок накопления энергии Stornetic DuraStor вырабатывает до 600 кВ·А при мощности около 100 кВт·ч. Устройство состоит из 28 маховиков, которые могут быть ускорены до скоростей в 45 тыс. мин-1. Аккумулятор является полностью кинетическим, то есть функционирует без использования химикатов — электроэнергия сохраняется в виде механической энергии с помощью ускоряющего ротора.
Во время рециркуляции вращающийся ротор замедляется и действует как генератор, вырабатывая электрическую энергию.
Механическая технология хранения электроэнергии | Ассоциация накопителей энергии
ПОЖАЛУЙСТА, ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ: ESA теперь является частью Американской ассоциации чистой энергии (ACP). Этот материал веб-сайта не обновляется регулярно и предназначен только для архивных и справочных целей. Пожалуйста, посетите сайт cleanpower.org для получения дополнительной информации.
Механические системы хранения энергии используют кинетические или гравитационные силы для хранения введенной энергии. В то время как физика механических систем часто довольно проста (например, вращение маховика или подъем веса в гору), технологии, которые позволяют эффективно и действенно использовать эти силы, особенно продвинуты. Высокотехнологичные материалы, передовые компьютерные системы управления и инновационный дизайн делают эти системы применимыми в реальных приложениях.
Маховик — это вращающееся механическое устройство, используемое для накопления вращательной энергии, которую можно использовать мгновенно. На самом базовом уровне маховик содержит вращающуюся массу в центре, которая приводится в движение двигателем, а когда требуется энергия, сила вращения приводит в действие устройство, похожее на турбину, для производства электроэнергии, замедляя скорость вращения. Маховик перезаряжается с помощью двигателя, чтобы еще раз увеличить скорость его вращения.
Технология маховика обладает многими полезными свойствами, которые позволяют нам улучшать нашу текущую электрическую сеть. Маховик способен захватывать энергию от прерывистых источников энергии с течением времени и обеспечивать непрерывную бесперебойную подачу электроэнергии в сеть. Маховики также способны мгновенно реагировать на сигналы сети, обеспечивая регулирование частоты и улучшение качества электроэнергии.
Маховики традиционно изготавливаются из стали и вращаются на
обычные подшипники; они, как правило, ограничены скоростью вращения
несколько тысяч об/мин.
Ниже вы можете узнать больше о технологиях маховиков.
Системы накопления энергии с маховиком (FESS)
Системы накопления энергии маховика (FESS) используют входную электрическую энергию, которая сохраняется в виде кинетической энергии. Кинетическая энергия может быть описана как «энергия движения», в данном случае движение вращающейся массы, называемой ротором. Ротор вращается в корпусе почти без трения. Когда требуется кратковременное резервное питание из-за колебаний или потери электроэнергии в сети, инерция позволяет ротору продолжать вращаться, а полученная кинетическая энергия преобразуется в электричество. Большинство современных высокоскоростных маховиковых накопителей энергии состоят из массивного вращающегося цилиндра (обод, прикрепленный к валу), который поддерживается на статоре — неподвижной части электрогенератора — подшипниками на магнитной подушке.
Для поддержания эффективности система маховика работает в вакууме, чтобы уменьшить сопротивление. Маховик соединен с мотором-генератором, который взаимодействует с коммунальной сетью через передовую силовую электронику.
Некоторыми из ключевых преимуществ маховикового накопителя энергии являются низкие эксплуатационные расходы, длительный срок службы (некоторые маховики способны выдерживать более 100 000 циклов полной глубины разряда, а новейшие конфигурации способны даже больше, более 175 000 полных циклов разрядки циклы) и незначительное воздействие на окружающую среду. Маховики могут преодолеть разрыв между краткосрочной пропускной способностью и долговременным накоплением энергии с отличными циклическими характеристиками и характеристиками отслеживания нагрузки.
Как правило, пользователи высокоскоростных маховиков должны выбирать между двумя типами ободов: сплошной сталью или углеродистым композитом. Выбор материала обода будет определять стоимость, вес, размер и производительность системы.
Композитные диски легче и прочнее стали, а это значит, что они могут достигать гораздо более высоких скоростей вращения. Количество энергии, которое может храниться в маховике, зависит от квадрата числа оборотов в минуту, что делает желательными более высокие скорости вращения. В настоящее время мощные маховики используются во многих аэрокосмических и ИБП-приложениях. Сегодня системы 2 кВт/6 кВтч используются в телекоммуникационных приложениях. Для хранения коммунального масштаба можно использовать подход «маховик фермы» для хранения мегаватт электроэнергии для приложений, требующих нескольких минут продолжительности разряда.
Системы накопления энергии с маховиком (FESS) используют кинетическую энергию, хранящуюся во вращающейся массе, с очень низкими потерями на трение. Потребляемая электрическая энергия разгоняет массу до скорости с помощью встроенного мотор-генератора. Энергия высвобождается за счет вытягивания кинетической энергии с помощью того же двигателя-генератора.
Более продвинутые FESS обеспечивают привлекательную плотность энергии, высокую эффективность и низкие потери в режиме ожидания (в течение периодов от многих минут до нескольких часов) за счет использования четырех ключевых особенностей: 1) вращающаяся масса из смол стекловолокна или полимерных материалов с высокой прочностью.
Кроме того, они имеют ряд преимуществ перед химическими накопителями энергии. Они обладают высокой плотностью энергии и существенной долговечностью, что позволяет часто использовать их без ущерба для производительности. Они также имеют очень быстрый отклик и скорость линейного изменения. Фактически, они могут перейти от полного разряда к полному заряду в течение нескольких секунд или меньше. Системы накопления энергии с маховиком (FESS) становятся все более важными для приложений с высокой мощностью и относительно низким энергопотреблением.
FESS особенно хорошо подходят для нескольких приложений, включая качество и надежность электроснабжения, пропускную способность при запуске генераторных установок для более длительного резервирования, регулирование площади, быстрое регулирование области и частотную характеристику. FESS также может быть полезен в качестве подсистемы в гибридных транспортных средствах, которые часто останавливаются и трогаются с места, как компонент гусеничных или бортовых систем рекуперативного торможения.0002 Хранилище энергии на сжатом воздухе (CAES) — это способ хранения энергии, произведенной в один момент времени, для использования в другое время. В коммунальном масштабе энергия, вырабатываемая в периоды низкого спроса на энергию (непиковые периоды), может быть высвобождена для удовлетворения периодов более высокого спроса (пиковой нагрузки).
С 1870-х годов системы CAES были развернуты для обеспечения эффективной энергии по требованию для городов и промышленных предприятий. Несмотря на то, что существует множество небольших приложений, первая система CAES промышленного масштаба была введена в действие в 1970-х годах с более чем 29Паспортная мощность 0 МВт. CAES предлагает потенциал для небольших локальных решений по хранению энергии, а также для более крупных установок, которые могут обеспечить огромные резервы энергии для сети.
Как работает система хранения энергии на сжатом воздухе
Установки для хранения энергии на сжатом воздухе (CAES) в значительной степени эквивалентны гидроаккумулирующим электростанциям с точки зрения их применения. Но вместо того, чтобы перекачивать воду из нижнего пруда в верхний в периоды избыточной мощности, на установке CAES окружающий воздух или другой газ сжимается и хранится под давлением в подземной полости или контейнере. Когда требуется электричество, сжатый воздух нагревается и расширяется в турбодетандере, приводящем в действие генератор для производства электроэнергии.
Особенностью хранения сжатого воздуха является то, что воздух сильно нагревается при сжатии от атмосферного давления до давления хранения прибл. 1015 фунтов на квадратный дюйм (70 бар). В стандартных многоступенчатых воздушных компрессорах используются промежуточные и доохладители для снижения температуры нагнетания до 300/350°F (149/177°C), а температуры воздуха нагнетания в каверне до 110/120°F (43/49°C). Таким образом, теплота сжатия извлекается в процессе сжатия или отводится промежуточным охладителем. Потери этой тепловой энергии затем компенсируются на этапе выработки электроэнергии турбодетандером путем нагревания воздуха высокого давления в камерах сгорания с использованием природного газа или, в качестве альтернативы, с использованием тепла выхлопных газов газовой турбины в рекуператоре для нагрева поступающего воздуха. перед циклом расширения. В качестве альтернативы теплота сжатия может быть термически сохранена перед входом в пещеру и использована для адиабатического расширения, извлекая тепло из системы накопления тепла.
Диабатический метод CAES
Две существующие промышленные установки CAES в Хунторфе, Германия, и в Макинтоше, Алабама, США, а также все предполагаемые проекты в обозримом будущем Будущие основаны на диабатическом методе. В принципе, эти растения по сути просто обычные газовые турбины, но где сжатие воздух для горения отделен от газовой турбины и независим от нее процесс. Это приводит к двум основным преимуществам этого метода.
Поскольку ступень сжатия обычно использует около 2/3 мощности турбины, турбина CAES, не сдерживаемая работой сжатия, может генерировать в 3 раза больше мощности при том же расходе природного газа. Это снижает удельный расход газа и сокращает сопутствующие выбросы углекислого газа на от 40 до 60%, в зависимости от того, используется ли отработанное тепло для нагрева воздуха в рекуператоре. Коэффициент полезного действия мощности составляет ок. 42% без и 55% с утилизацией сбросного тепла.
Вместо того, чтобы сжимать воздух ценным газом, можно использовать более дешевую избыточную энергию в непиковые периоды или избыточную возобновляемую энергию сверх местного спроса на энергию.
Оба вышеупомянутых завода используют одновальные машины, где двигатель-компрессор/генератор-газовая турбина расположены на одном валу и соединены через редуктор. В других концептуальных проектах установок CAES моторно-компрессорная установка и турбогенераторная установка будут механически развязанный. Это позволяет модульно расширять установку по отношению к допустимая входная мощность и выходная мощность. Использование обычного газа тепловая энергия выхлопных газов турбины для нагрева воздуха высокого давления перед расширением в цикле с воздушным дном позволяет использовать установки CAES с переменным размеры основаны на объеме хранилища каверны и давлении.
Адиабатический метод
Значительно более высокая эффективность до 70% может быть достигнута, если
теплота сжатия рекуперируется и используется для повторного нагрева сжатого воздуха во время
работы турбины, потому что больше нет необходимости сжигать лишние природные
газ для подогрева декомпрессированного воздуха.
Варианты хранения
Независимо от выбранного метода, из-за низкой плотности хранения требуются места хранения очень большого объема. Предпочтительными местами являются искусственно сооруженные соляные пещеры в глубоких соляных пластах. Соляные каверны характеризуются рядом положительных свойств: высокой гибкостью, отсутствием потерь давления внутри хранилища и отсутствием реакции с кислородом воздуха и соляной вмещающей породой. Если нет подходящих солевых образований, также можно использовать естественные водоносные горизонты, однако сначала необходимо провести испытания, чтобы определить, реагирует ли кислород с горной породой и с какими-либо микроорганизмами в водоносном пласте, что может привести к кислороду. истощение или закупорка поровых пространств в коллекторе. Истощенные месторождения природного газа также изучаются для хранения сжатого воздуха; в дополнение к проблемам истощения и блокировки, упомянутым выше, необходимо учитывать смешивание остаточных углеводородов со сжатым воздухом.
Электростанции CAES являются реальной альтернативой гидроэлектростанциям. Капитальные и операционные затраты на уже действующие диабатические установки конкурентоспособны.
Expand
Изотермический CAES
Изотермический аккумулирование энергии на сжатом воздухе (CAES) — это новая технология, которая пытается преодолеть некоторые ограничения традиционных (диабатических или адиабатических) CAES. Традиционная CAES использует турбомашины для сжатия воздуха примерно до 70 бар перед хранением. При отсутствии промежуточного охлаждения воздух нагревался бы примерно до 900K, что делает невозможным (или непомерно дорогим) переработку и хранение газа. Вместо этого воздух проходит последовательные стадии сжатия и теплообмена для достижения более низкой конечной температуры, близкой к температуре окружающей среды. В Advanced-Adiabatic CAES теплота сжатия сохраняется отдельно и возвращается обратно в сжатый газ при расширении, что устраняет необходимость в повторном нагреве с помощью природного газа.
Принцип работы изотермического накопителя энергии на сжатом воздухе
Управление кривой давление-объем (P-V) во время сжатия а расширение является ключом к эффективной CAES.
Вместо использования многочисленных ступеней для сжатия, охлаждения, нагрева и расширить воздух, изотермические технологии CAES пытаются достичь истинного изотермическое сжатие и расширение на месте, обеспечивающее улучшенный проход туда и обратно эффективность и низкие капитальные затраты. В принципе, это также отменяет необходимость аккумулировать теплоту сжатия какими-либо вторичными средствами (например, маслом).
Проблемы
Изотермический CAES технологически сложен, поскольку требует непрерывного отвода тепла от воздуха во время цикла сжатия и непрерывного добавления тепла во время расширения для поддержания изотермического процесса. Теплопередача происходит со скоростью, пропорциональной градиенту температуры, умноженному на площадь поверхности контакта; следовательно, для передачи тепла с высокой скоростью при минимальной разнице температур требуется очень большая площадь поверхности контакта.
Хотя в настоящее время нет коммерческих изотермических реализаций CAES, было предложено несколько возможных решений, основанных на поршневых машинах. Один из методов заключается в распылении мелких капель воды внутри поршня во время сжатия. Большая площадь поверхности капель воды в сочетании с высокой теплоемкостью воды по сравнению с воздухом означает, что температура внутри поршня остается примерно постоянной — вода удаляется и либо выбрасывается, либо сохраняется, и цикл повторяется. Аналогичный процесс происходит при расширении.
Компании, разрабатывающие изотермические КАЭС, указывают потенциал КПД туда-обратно 70-80%.
Технология позволяет сжимать и расширять газ почти изотермически в широком диапазоне давлений, а именно от атмосферного давления (0 фунтов на кв. дюйм) до максимального примерно 2500 фунтов на кв. дюйм. Этот большой диапазон рабочего давления, наряду с изотермическим расширением газа (позволяющим утилизировать тепло, не достигаемое при адиабатическом расширении), обеспечивает примерно 7-кратное снижение затрат на хранение по сравнению с классическим CAES в сосудах.
Расширить
Нажмите на логотип любого из наших спонсоров, чтобы посетить их страницу в электронном магазине.
Этот веб-сайт использует файлы cookie для улучшения вашего опыта. Мы предполагаем, что вы согласны с этим, но вы можете отказаться, если хотите. Настройки файлов cookieПРИНЯТЬ
Revterra — Система накопления энергии на маховике
Revterra позволяет быстро, экономично и просто установить мощные зарядные устройства постоянного тока для электромобилей
Запланировать звонокСистема накопления энергии на маховике (FESS)
Revterra Kinetic Battery
Пассивная магнитная левитация
Наши магнитные подшипники представляют собой более безопасную и стабильную систему бесконтактных подшипников, что означает практически полное отсутствие износа системы при длительном использовании.
Недорогой стальной маховик накапливает кинетическую энергию
Электрическая энергия преобразуется в кинетическую путем вращения ротора, который можно использовать при необходимости.
Высокоэффективный двигатель-генератор с малыми потерями ускоряет и замедляет маховик
Наше базовое зарядное устройство для электромобилей обеспечивает 100 кВтч энергии и номинальную мощность 400 кВт.
Доказательство находится в силе
90% КПД туда-обратно
90% энергии сохраняется при полном обходе системы. Сравните это с химическими батареями:
85% литий-ион
70% окислительно-восстановительного потока
60% CAE
Revterra
10% Потеря энергии
Lithium-Ion
15% Потеря энергии
ОКОРНАЯ ОКОРТА
30% энергии. потеря
CAES
Потеря энергии 40 %
4+ Отношение мощности к энергии (C-Rate)
В 4 раза больше типичного максимального C-Rate батареи с полной разрядкой всего за 15 минут для сверхбыстрой зарядки
40 000+ Циклы жизни
Срок службы более 20 лет. Сравните с типичными батареями с ресурсом от 3000 до 7500 циклов, которые необходимо заменять каждые 2-4 года в приложениях с высокой цикличностью
20-летний график
График замены маховика Revterra:
Типовой график замены батареи:
Revterra меняет системы хранения энергии навсегда
Интересы Revterra намного шире, чем просто создание решений для хранения энергии.
Мы — устойчивая энергетическая компания, помогающая провидцам в сфере электромобилей продвигать мир вперед. Наша запатентованная система накопления энергии с маховиком (FESS) представляет собой энергоемкое и недорогое решение для хранения энергии, предназначенное для глобального роста использования возобновляемых источников энергии и электрификации энергетических секторов.
Усовершенствованная технология маховика
Revterra накапливает энергию в движении маховика. Электрическая энергия преобразуется в кинетическую с помощью вращающегося ротора. При необходимости эта кинетическая энергия преобразуется обратно в электричество. Инновационный подход Revterra использует пассивно стабильные магнитные подшипники и недорогие стальные сплавы для повышения эффективности и снижения затрат.
Пассивные магнитные подшипники
FESS компании Revterra левитирует в среде с низким коэффициентом трения благодаря запатентованным высокоэффективным пассивным магнитным подшипникам, в которых для стабилизации используются высокотемпературные сверхпроводники, снижающие потери энергии до 20 раз по сравнению с обычными маховиками.
