Применение накопителей энергии в энергетических системах транспортных и технологических машин

В любой энергетической системе (ЭС) процессы генерирования и потребления энергии происходят в едином масштабе времени, что означает соответствие рабочей мощности всех источников энергии и мощности нагрузки в каждый момент времени. Требование равенства между мощностями источников и потребителей энергии является необходимым условием нормальной работы ЭС с высоким КПД. Один из способов выравнивания мощностей потребителей и приемников -включение в состав энергосистем накопителей энергии, обеспечивающих, с одной стороны, равномерную нагрузку на источник, с другой -выравнивание переменной части графика энергопотребления.

Накопители энергии - реверсивные устройства для частичного или полного разделения во времени процессов выработки и потребления энергии [1, 2]. В накопителях энергии осуществляется аккумулирование энергии, получаемой от источников энергетической системы, ее хранение и выдача при необходимости на приемники энергосистемы.

При наличии в ЭС аккумулирующих устройств достаточной мощности энергетическую систему как единое целое можно ориентировать на среднее потребление энергии, а надежность ее функционирования повысить. Требования к накопителям энергии в ЭС состоят в высоком быстродействии и возможности регулирования потребляемой и выдаваемой мощности в достаточно широких пределах.

Условно накопитель энергии разделяется на два блока: устройство управления потоком энергии, регулирующее поток энергии в соответствии с режимом работы ЭС; аккумулирующий элемент, непосредственно запасающий и хранящий энергию.

В качестве аккумулирующего элемента возможно использование устройств с различными видами преобразования энергии: маховиков, гравитационных установок, конденсаторов, химических и тепловых аккумуляторов, сверхпроводниковых соленоидов.

Гидроаккумулирующие накопители используют потенциальную энергию жидкости, обладают высокий КПД, достигающим на полном зарядно-разрядном цикле 80%, и срок службы до 50 лет. Оптимальная эффективность гидроаккумулирующего накопителя энергии достигается при давлениях свыше 10 МПа.

Инерционные накопители энергии - устройства, накапливающие ее в кинетической энергии вращающейся массы. Эффективность накопления энергии возрастает с увеличением массы маховика.

Тепловые накопители энергии — устройства, в которых энергия запасается в виде внутренней энергии рабочего тела, в том числе с изменением его фазового состояния [3, 4]. Недостатками таких накопителей являются: ограниченный КПД; небольшое время хранения, связанное с теплопередачей, лучеиспусканием и конвекцией теплоты с поверхности рабочего тела; значительное время реверса.

Электрические накопители энергии : топливные элементы (ТЭ), электрохимические аккумуляторные батареи (ЭАБ), емкостные накопители (ЕН). Накопители электрической энергии обладают самым большим диапазоном энергоемкости и высоким быстродействием.

Емкостные накопители энергии на основе конденсаторов с емкостью до 10Φ на 1 см³ имеют время хранения энергии порядка нескольких часов. Разработки конденсаторов с совмещением традиционного и электрохимического электродов позволяют заменять батареей суперконденсаторов обычную стартерную батарею автомобиля.

Электрохимические аккумуляторные батареи имеют КПД, достигающий 65-80%. Недостатки ЭАБ – ограниченное число зарядноразрядных циклов, наличие саморазряда и отрицательное экологическое воздействие.

Рассмотрим возможности использования приведенных выше разновидностей накопителей энергии в приложении к силовым агрегатам порядка десятков киловатт. Гидроаккумулирующие накопители имеют ограничение по критерию места установки. Тепловые накопители характерны большой инерционностью, не позволяющей оперативно реагировать на изменения соотношения мощностей источников и приемников. Инерционные накопители имеют технически оптимальную мощность и не могут быть использованы с достаточно высоким КПД в случаях с небольшой установленной мощности. Технологии изготовления суперконденсаторов не позволяют получать дешевые элементы с практически пригодными характеристиками и пока находят ограниченное применение. Наиболее дешевым, быстродействующим накопителем с отсутствием ограничений на технически оптимальную мощность является химический источник тока. Недостатком можно назвать ограниченное число циклов работы.

Быстродействие накопителя энергии в составе автономной энергетической сети имеет важное значение в части продолжительности реверса потока энергии. В общем случае мощность потребителей и мощность, развиваемая источником энергии, являются случайными величинами во времени. Эти процессы рассматриваются как совокупность случайных величин, зависящих от времени. Этот процесс определяется распределением системы случайных величин, соответствующих конечному множеству значений времени в исследуемом интервале.

Режим работы накопителя можно характеризовать коэффициентом аккумулирования p a – отношением текущей мощности потребителей p d к текущему значению мощности приемников p s : p a = p d /p s .

Примем, что случайный процесс, характеризующий мощность источников, протекает медленнее случайного процесса, характеризующего мощность потребителей. Тогда на некотором интервале t1 мощность источников можно считать постоянной, и коэффициент аккумулирования как случайный процесс будет характеризоваться мощностью потребителей. На следующем интервале времени t2 будет изменяться только математическое ожидание случайных величин, соответствующих этому интервалу. То есть коэффициент аккумулирования как случайный процесс будет определяться как совокупность случайных величин с математическим ожиданием, изменяющимся от интервала к интервалу:

M'( Pa )= M (pd), i = 1,2,..., n, ps где   Mi   (pa)   – математическое ожидание коэффициента аккумулирования на интервале времени;

Mⁱ (p d ) – математическое ожидание случайных величин мощности потребителей на интервале n ;

pⁱ s – величина мощности источников, постоянная на интервале.