Накопители энергии. Назначение. Основные типы и направления использования

Функциональное назначение - повышение качества энергии с целью рационального согласования пара­метров энергии на различных стадиях ее преобразования.

Под накопителями энергии следует понимать устройства, позволяющие накапливать в нем энер­гию какого либо вида в течение периода заряда t_зap, а затем передавать существенную часть этой энергии (или полностью) нагрузке в течение периода разряда t_paз.

В обще случае НЭ образуют обширный класс энергетических устройств с различными функциональны­ми возможностями. Основные типы НЭ:

--аккумуляторы;

--накопители индуктивного и емкостного типов;

--электрохимические генераторы (топливные элементы);

--пружинные накопители;

--газоболонные накопители;

--пороховая газовая турбина;

--электростанция гидроаккумуляторная;

--электростанция аккумуляторная.

Основные направления использования НЭ (зависит от соотношения между t_3ap и t_pa3, а также специфиче­ских особенностей накопителя):

1) аккумулирование избыточной энергии (при отключении значительной части потребителей и последую­щем использовании НЭ в период интенсивного энергопотребления, значение t_3ap ~ t_pa3).

Примером может служить гидроаккумулирующая электростанция: в ночное время гидротурбины работают в об­ращенном режиме - генератор работает в режиме двигателя, вращая турбину для подачи воды в верхний резервуар, а в дневные часы вода из верхнего резервуара обеспечивает вращение турбогенераторов в генераторном режиме для по­лучения дополнительной электроэнергии.

2) для преобразования энергии различного вида в нужную форму с последующим ее использованием.

Энергоустановка космического летательного аппарата (KJIA) с топливным элементом на стадии накопления энер­гии преобразует электрическую энергию от солнечных батарей в химическую за счет разложения рабочего вещества (например, гидролиза воды) на компоненты (кислород и водород), а на стадии вывода энергии за счет реакции взаимо­действия этих же компонентов создает электрическую энергию.

3) накопители, в соответствующих режимах, обеспечивающие необходимые показатели определенного вида энергии.

Например, в накопителе любого типа при t_3ap «t_pa3 следует, что Р_раз» Р_зар, то есть мощность при разряде во много раз превосходит мощность потребления им при заряде от первичного источника (накопитель выполняет функ­цию трансформатора мощности). Емкостные накопители позволяют при разряде выводить в нагрузку токи во много раз большие, чем при его заряде. В индуктивном накопителе за счет ЭДС самоиндукции при коммутации цепи можно получить напряжение, значительно превосходящие напряжение источника питания.

2.6 Электрохимические накопители энергии: аккумуляторные батареи; топливные элементы.

ЭХНЭ запасают или отдают энергию в результате химических реакций. К ЭХНЭ относят:

1) электрохимические генераторы (ЭХГ) -два и более топливных элемента (ТЭ) в комплекте с сис­темами, обеспечивающими их функционирование;

2) химическиеаккумуляторные батареи (АБ) -химические источники тока, состоящие из двух или более аккумуляторов, соединенных между собой электрически для совместного производства элек­троэнергии.

Топливным элементом называют химический источник тока, в котором активные вещества поступают к электродам извне; это прямой преобразователь химической энергии в электрическую, в котором реакция элек­трохимического окисления протекает без расхода вещества электродов, а также без расхода электролита.

Исходными реагентами служат компоненты химического топлива - горючее и окислитель, обладающие за­пасом энергии химических связей, которая преобразуется в энергию постоянного электрического тока. В обра­щенном (регенеративном) режиме работы ТЭ подведенная к нему электроэнергия преобразуется в химическую энергию компонентов топлива.

Аккумулятором называется химический источник постоянного тока, состоящий из одного гальванического элемента, или накопитель электрической энергии, в которой происходит ее преобразование в химическую энер­гию и осуществляется также обратное преобразование химической энергии в электрическую при изменении со­става вещества электродов и расходе электролита в процессе токообразующей реакции.

Основными режимами работы ЭХНЭ являются заряд и разряд, промежуточным служит режим хранения энергии (до часов).

Применительно к ЭХГ в качестве зарядной мощности Р_зар принимают среднюю мощность, затрачиваемую на получение горючего и окислителя. Значение Р_зар для АБ определяется средней мощностью, потребляемой от источника электропитания. Разрядной мощностью Р_раз для них является электрическая мощность, которая поступает от накопителя в цепь нагрузки. Характерным по­казателем качества ЭХН служит их удельная энергия рассчитанная на единицу массы. Все природные ор­ганические горючие (газ, нефть, уголь) по существу можно рассматривать как накопители химической энергии. Эти компоненты топлива применяются обычно при использовании в качестве окислителя атмосферного кисло­рода. Поэтому для них параметр оценивают в расчете на 1 кг массы собственного горючего.

В качестве горючего для топливных элементов наиболее широко используются водород Н₂ и гидразин N₂H₄, так как они обладают достаточно высокой удельной энергией, имеют весьма хорошую активность и легкость подвода и отвода конечных продуктов реакции. Применяются также углеводородные соединения: метан СН₄, пропан С₃Н₈, метанол СН₃ОН, аммиак NH₃.

В качестве окислителя используются кислород, перекись водорода Н₂0₂, азотная кислота HN0₃, галогены Cl₂, F₂. Для автономных объектов более предпочтительны водородно-кислородные топливные элементы. Они нетоксичны, конечным продуктом является вода, которую можно использовать в системах жизнеобеспечения.