Добыча из воздуха

Атмосферное электричество вполне может быть использовано. Многих привлекает возможность поставить себе на службу природную стихию во время грозы.

В атмосфере также присутствуют волны от поля планеты. Оказывается, электричество можно добыть из воздуха своими силами, не применяя сверхсложные устройства.

Некоторые способы следующие:

• грозовые батареи используют свойство электрического потенциала накапливаться;
• ветрогенератор преобразовывает в электричество силу ветра, работая долгое время;
• ионизатор (люстра Чижевского) — популярный бытовой прибор;
• генератор TPU (тороидального) электричества Стивена Марка;
• генератор Капанадзе — бестопливный энергетический источник.

Рассмотрим подробно некоторые из устройств.

Ветрогенераторы

Популярный и всеобще известный источник энергии, получаемой с помощью ветра — ветрогенератор. Подобные устройства давно применяются во многих странах.

Установка в единственном числе ограниченно обеспечивает нужды электропитания. Поэтому приходится добавлять генераторы, если нужно обеспечить энергией крупное предприятие. В Европе существуют целые поля с ветряными установками, абсолютно не наносящими вреда природе.

Стоит отметить: недостатком может считаться невозможность рассчитать заранее величины напряжения и тока. Следовательно, нельзя сказать, сколько накопится электричества, так как действие ветра не всегда предсказуемо.

Грозовые батареи

Устройство, накапливающее потенциал с использованием атмосферных разрядов, называется грозовой батареей.

Схема прибора включает лишь антенну из металла и заземление, не имея сложных преобразовывающих и накапливающих компонентов.

Между частями прибора появляется потенциал, который затем накапливается. Воздействие природной стихии не подлежит точному предварительному расчету и данная величина также непредсказуема.

Важно знать:

Тороидальный генератор С. Марка

Устройство, изобретенное С. Марком, способно вырабатывать электричество через некоторое время после его включения.

Генератор TPU (тороидальный) может питать бытовые приборы.

Конструкция состоит из трех катушек: внутренней, внешней и управляющей. Он действует из-за появляющихся резонансных частот и магнитного вихря, способствующих образованию тока. Правильно составив схему, подобный прибор можно сделать самому.

Генератор Капанадзе

Изобретатель Капанадзе (Грузия) воспроизвел генератор свободной энергии, в основе разработки которого лежал загадочный трансформатор Н. Тесла, дающий гораздо большую выходную мощность, чем в токе контура.

Генератор Капанадзе — бестопливное устройство, являющееся примером новых технологий.

Запуск осуществляется от аккумулятора, но дальнейшая работа продолжается автономно. В корпусе осуществляется концентрация энергии, добываемая из пространства, динамики эфира. Технология запатентована и не разглашается. Это практически новая теория электричества и распространения волн, когда энергия передается от одной частицы среды к другой.

Добыча из Земли

Невзирая на то, что запас энергии Земли очень большой, добыть ее весьма трудно. Нереально это сделать своими руками, если речь идет о достаточном количестве для промышленных целей.

Но электричество из планеты, ее магнитного поля возможно получить собственными силами в небольших порциях, достаточных для зажигания фонарика на светодиодах, неполной зарядки телефона. Можно надеяться, что возможность взять эти небольшие порции не нанесет вреда земному шару.

Гальванический способ (с двумя стержнями)

Между стержнями из разных металлов в электролите появляется разность потенциалов.

Такие же детали (из алюминия и меди) можно погрузить в землю на 0,5 метров, полив пространство между ними раствором соли (электролитом). Это способ получения некоторого количество бесплатного электричества.

От заземления

Другой способ позволяет собрать электроэнергию от заземления при использовании ее различными потребителями.

Например, в частном доме электроснабжение оснащено заземляющим контуром, на который при включенной нагрузке стекает какая-то часть электричества. Конкретно, переменный ток идет по проводам: «фаза» и «ноль», второй из которых заземляется и чаще всего не опасен. А удар током можно получить из фазового провода.

Примите во внимание: не стоит пробовать получить электроэнергию подобным способом в домашних условиях при недостатке знаний. Если перепутать «фазовый» провод заземления с «нулевым», с которого можно получить данную энергию, токовый удар придется по всему зданию.

Количество электричества, взятое из нулевого провода, гораздо меньше чем от солнечной батареи. (От редакции:

Другие способы

Халявное электричество требуется и на садовом участке, в связи с чем один из умельцев утверждает: его добыча возможна, если применить наполовину мистические способы. А именно: даром его могут дать самодельные пирамиды.

Начитавшись о необычных свойствах этих конструкций, он соорудил пирамиду 3 на 3 метра и начал делать реальные испытания. То есть — пробовать доказать: невозможно получить энергию из «ничего», ограниченного пространства либо из космоса.

Возможно с юмором, но, по словам частного дачника, смонтированный из алюминиевой фольги и гелевого аккумулятора (накопителя энергии) генератор питал светильники на участке. Одним словом, из пирамиды потекла дармовая (вернее — дешевая) электрическая энергия, ток.

Далее дачник уверяет, что строительством подобных конструкций из дерева или других изоляционных материалов заинтересовалась вся деревня. Якобы, есть реальная возможность взять энергию из пирамиды на халяву.

Однако, ведутся серьезные научные изыскания в области получения малого электричества из продуктов жизнедеятельности растений, переходящих в землю.

Такие источники, дающие вечное электричество, то есть — работающие с восполнением энергии, используют в системах контроля за влажность. Судя по тому, что эксперименты проводятся на горшечных растениях, подобные приборы можно делать и испытывать самостоятельно.

Из глубин Земли успешно идет добыча тепла станциями геотермальной энергии в Калифорнии, Исландии. Недра, вулканы используются для выработки сотен МВт электроэнергии также, как это делается посредством солнца и ветра.

На практике своими руками жители районов с вулканической деятельностью могут самостоятельно сделать, например, геотермальный насос для отопления. А тепло известными способами можно превратить в электричество.

Множество ученых и изобретателей ищут путь к энергетической независимости, будь то свет, тепло, атмосферные явления или холодный фотосинтез. При повышающихся ценах на электроэнергию это вполне уместно. Некоторые способы давно стали реальностью и помогают получать энергию даже в значительных масштабах.

Изобретатели и ученые разрабатывают проекты на основе токов в земной мантии, потока частиц в виде солнечного ветра. Считается, что планета представляет собой большой сферический конденсатор. Но до сих пор не удалось выяснить, как восполняется его заряд.

Во всяком случае, человек не имеет права значительно вмешиваться в природу, пытаясь разрядить этот запас энергии, не изучив процесс досконально с учетом последствий.

Смотрите видео, в котором пользователь разъясняет, как без особых затрат сделать ветрогенератор и получить желаемое бесплатное электричество:

Накопление энергии — Википедия

Накопление энергии — аккумуляция энергии для её использования в дальнейшем. Устройство, хранящее энергию, обычно называют аккумулятором или батареей. Типичным примером устройства накопления энергии (энергонакопителя) является аккумуляторная батарея, в которой хранится химическая энергия, легко преобразуемая в электричество для работы мобильного телефона. Менее очевидный пример — гидроэлектростанция: вода в резервуаре выступает в качестве источника потенциальной энергии гравитации. Ископаемые виды топлива, такие как уголь, нефть и газ, также являются накопителями энергии, полученной в свое время от солнечного света живыми организмами, которые со временем и превратились в эти виды топлива.

Новейшая история[править | править код]

В двадцатом веке электричество вырабатывалось, прежде всего, за счет сжигания ископаемого топлива. Проблемы с транспортировкой энергии, загрязнением воздуха и глобальным потеплением к росту использования возобновляемых источников энергии — таких, как солнечная энергия и энергия ветра. Энергия ветра зависит от климатических условий и погоды. Солнечная энергия зависит от географического положения, облачного покрова. Она доступна только в дневное время, в то время, как спрос зачастую достигает пика после захода солнца. Интерес к накоплению энергии из этих источников растет, поскольку именно они в последнее время генерируют всё большую часть мирового энергопроизводства.

Использование электричества вне электросетей в XX веке было нишевым рынком, но в XXI веке оно значительно расширилось. Портативные устройства используются во всем мире. Солнечные батареи получают все более широкое распространение в сельской местности. Доступ к электричеству теперь является вопросом экономики, а не местоположения. Однако в энергоснабжении транспорта сжигание топлива по-прежнему преобладает.

Схема[править | править код]

См. также: Схема аккумулирования энергии

Следующий список включает виды аккумулирования энергии:

• Хранение ископаемого топлива
• Механическое

• Электрический, электромагнитный

• Биологический

• Электрохимический (Система накопления энергии Батареи, BESS)

• Тепловой
  • Тепловой аккумулятор
  • Криогенные системы хранения, Аккумулирование энергии жидкого воздуха (LAES)
  • Криогенный двигатель Дэрмана
  • Эвтектическая система
  • Кондиционер хранения льда
  • Соль в качестве накопителя энергии
  • Фазовый переход вещества
  • Сезонное хранение тепловой энергии
  • Солнечный водоем
  • Паровой аккумулятор
  • Хранение тепловой энергии (Общее)

Механическое накопление[править | править код]

Энергия может сохраняться в воде, перекачиваемой на большую высоту с использованием накачки или путем перемещения твердого вещества в более высокие места (гравитационные батареи). Другие механические методы предполагают сжатие воздуха и маховиков, которые преобразуют электрическую энергию в кинетическую, а возвращая её, когда потребность в электричестве достигает пика.

Гидроэлектричество[править | править код]

Основная статья: Гидроэлектростанция

Гидроэлектростанции с водохранилищами могут эксплуатироваться для обеспечения электроэнергией в периоды пикового спроса. Вода хранится в резервуаре в периоды низкой потребности и высвобождается при высокой потребности. Эффект аналогичен накоплению с перекачкой, но без сопутствующих потерь. Хотя гидроэлектростанция напрямую не накапливает энергию из других источников, она ведет себя эквивалентно, снижая выработку в период избытка электроэнергии, полученной из других источников. В этом режиме плотины являются одной из наиболее эффективных форм аккумулирования энергии, поскольку меняются только сроки её генерации. Гидроэлектрические турбины имеют время запуска порядка нескольких минут^[1].

Гидроаккумулирующая электростанция[править | править код]

Основная статья: Гидроаккумулирующая электростанция

Во всем мире гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) является наиболее крупной формой накопления энергии в больших масштабах. Энергетическая эффективность ГАЭС варьируется, на практике, от 70 % до 80 %^[2][3][4][5].

В периоды низкой потребности в электроэнергии, избыточная генерирующая мощность используется для перекачки воды из более низкого резервуара в более высокий. Когда спрос растет, вода поступает обратно в нижний резервуар (или водный путь/водоем) через турбину, вырабатывающую электричество. Реверсивные турбогенераторные узлы действуют как насос и турбина (обычно это турбина Фрэнсиса). Почти все подобные сооружения используют перепад высот между двумя водоемами. Насосно-накопительные установки «в чистом виде» перемещают воду между резервуарами, в то время как подход с «откачкой» представляет собой комбинацию насосных хранилищ и обычных гидроэлектростанций, использующих естественное течение воды.

Технология накопления энергии сжатого воздуха[править | править код]

Пневматический аккумулятор использует избыточную энергию для сжатия воздуха для последующего производства электроэнергии. Сжатый воздух хранится в подземном резервуаре^[6].

Пневматический аккумулятор может преодолеть разрыв между волатильностью производства и нагрузкой. Пневматический аккумулятор удовлетворяет потребности потребителей в энергии, эффективно обеспечивая доступную энергию для удовлетворения спроса. Возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра и солнца, имеют переменные ресурсы. В результате, добавление других видов энергии необходимо для удовлетворения спроса на энергию в периоды снижения доступности возобновляемых ресурсов. Установки для хранения энергии на сжатом воздухе способны аккумулировать избыточную энергию от возобновляемых источников энергии во время перепроизводства энергии. Эта накопленная энергия может быть использована, когда спрос на электроэнергию увеличивается или доступность энергетических ресурсов уменьшается.

Сжатие воздуха создает тепло: при сжатии воздух теплеет. Расширение, со своей стороны требует тепловой энергии. Если не добавлять дополнительной энергии, воздух после расширения будет намного холоднее. Если тепло, выделяемое во время сжатия, может аккумулироваться и использоваться во время расширения, эффективность значительно повышается^[7].

Технология накопления энергии маховиком[править | править код]

см. также: супермаховик, маховик

Накопитель энергии маховика (FES) работает за счет ускорения ротора (маховика) до очень высокой скорости, аккумулируя энергию вращения. Когда энергия извлекается, скорость вращения маховика уменьшается; добавление энергии соответственно приводит к увеличению скорости маховика.

Большинство систем FES используют электричество для ускорения и замедления маховика, но рассматриваются и устройства, которые непосредственно используют механическую энергию^[8].

Системы FES имеют роторы, изготовленные из высокопрочных углеродно-волокнистых композитов, подвешенных на магнитных подшипниках и вращающихся со скоростью от 20000 до более 50000 об/мин в вакуумном корпусе. Такие маховики могут достигать максимальной скорости («заряда») за считанные минуты. Система маховика соединена с комбинированным электродвигателем / генератором.

Системы FES имеют относительно долгий срок службы (длятся десятилетия, практически не требуя технического обслуживания^[9]; срок службы полного цикла, указанный для маховиков, варьируется от 10 ⁵ до 10 ⁷ циклов использования), высокая удельная энергия (100—130 Вт · ч/кг или 360—500 кДж/кг) и удельная мощность^[10].

Накопление гравитационной потенциальной энергии твердых масс[править | править код]

Изменение высоты твердых масс может накапливать или выделять энергию через подъемную систему, приводимую в движение электродвигателем / генератором.

Методы включают использование рельсов^[11][12] и кранов^[13] для перемещения бетонных грузов вверх и вниз, использование высотных плавучих платформ на солнечных батареях, поддерживающих лебедки для подъёма и опускания твердых масс.

Накопление тепловой энергии[править | править код]

Аккумулирование тепловой энергии (TES) — это временное хранение или отвод тепла.

Аккумулированная тепловая энергия[править | править код]

Аккумулирование тепла использует преимущества нагрева материала для накопления энергии.

Технологии сезонного накопления тепловой энергии (СНТЭ) позволяют использовать тепло или холод спустя месяцы после того, как оно было получено из природных источников или отходов. Аккумуляция может происходить в водоносных слоях, скоплениях скважин в геологических субстратах, таких как песок или кристаллические породы, в выстланных ямах, заполненных гравием и водой, или в заполненных водой шахтах. Технологии СНТЭ часто имеют срок окупаемости в диапазоне от четырёх до шести лет. Примером является сообщество солнечных батарей Drake Landing в Канаде, для которого 97 % круглогодичного тепла обеспечивается солнечно-тепловыми коллекторами на крышах гаражей, а скважинный накопитель тепловой энергии (СНТЭ) является поддерживающей технологией^[14]. В Браструпе (Дания) система коммунального солнечного теплоснабжения, также использует СНТЭ при температуре хранения 65° C (149° F). Тепловой насос, который работает только при наличии избыточной энергии ветра в единой энергосети, используется для повышения температуры до 80° C (176° F) для распределения. Когда избыточного электричества, генерируемого ветром, нет, используется газовый котел. 20 % процентов тепла Браструпа имеют солнечное происхождение.^[15]

Скрытое накопление тепловой энергии[править | править код]

Скрытые тепловые системы накопления тепловой энергии работают с материалами с высокой скрытой теплоемкостью, известными как материалы с фазовым переходом (PCM). Основным преимуществом этих материалов является то, что их скрытая теплоемкость гораздо больше, чем ощутимое тепло. В определённом температурном диапазоне фазовый переход от твердого к жидкому поглощает большое количество тепловой энергии для последующего использования.

Скрытое накопление тепловой энергии представляет собой процесс, посредством которого энергия в форме тепла либо поглощается, либо выделяется во время фазового перехода материала (PCM). Изменение фазы — это плавление или затвердевание материала. Во время изменения фазы PCM обладает способностью поглощать большое количество энергии из-за высокой температуры плавления.

Электрохимический[править | править код]

Аккумуляторная батарея[править | править код]

Аккумуляторная батарея содержит один или несколько электрохимических элементов. Аккумуляторы бывают разных форм и размеров, от кнопок до мегаваттных энергосистем.

Аккумуляторные батареи имеют более низкие общую стоимость использования и уровень воздействия на окружающую среду, чем неперезаряжаемые (одноразовые) батареи. Некоторые типы аккумуляторных батареек доступны в тех же форматах, что и одноразовые. Аккумуляторные имеют более высокую начальную стоимость, но их можно очень дёшево перезаряжать и использовать много раз.

Общие химические составы аккумуляторной батареи:

• Свинцово-кислотные аккумуляторы: свинцово-кислотные аккумуляторы занимают самую большую долю рынка аккумуляторов. В заряженном состоянии отрицательный электрод из металлического свинца и положительный электрод из сульфата свинца погружают в электролит с разбавленной серной кислотой (H ₂ SO ₄). В процессе разряда электроны выталкиваются из ячейки, так как на отрицательном электроде образуется сульфат свинца, а электролит восстанавливается до воды.
  • Технология свинцово-кислотных аккумуляторов получила широкое развитие. Эксплуатация требует минимального труда, его стоимость низкая. Доступная энергетическая ёмкость батареи подвержена быстрой разрядке, что приводит к малому сроку службы и низкой плотности энергии^[16].

Проточная батарея[править | править код]

Проточная батарея работает, пропуская раствор через мембрану, где происходит обмен ионов для зарядки / разрядки элемента. Напряжение тока химически определено уравнением Нернста, и на практике составляет от 1,0 до 2,2 В. Ёмкость накопителя зависит от объёма ёмкостей, в которых находится раствор.

Проточная батарея технически близка как топливному элементу, так и элементу электрохимического аккумулятора. Коммерческие приложения предназначены для длительного полупериода хранения, например, для резервного энергоснабжения.

Суперконденсатор[править | править код]

Основная статья: Суперконденсатор

Суперконденсаторы, также называемые электрическими двухслойными конденсаторами (EDLC) или ультраконденсаторами, являются общими терминами для семейства электрохимических конденсаторов, которые не имеют обычных твердых диэлектриков. Ёмкость определяется двумя параметрами аккумуляции: двухслойная емкость и псевдоёмкость^[17][18].

Суперконденсаторы ликвидируют разрыв между обычными конденсаторами и аккумуляторными батареями. Они хранят наибольшее количество энергии на единицу объёма или массы (плотности энергии) среди конденсаторов. Они поддерживают до 10 000 фарад / 1,2 В^[19], до 10 000 раз больше, чем у электролитических конденсаторов, но выдают или принимают менее половины мощности в единицу времени (плотность мощности)^[20].

В то время, как суперконденсаторы имеют удельную энергию и удельные плотности энергии примерно 10 % в сравнении с батареями, их плотность мощности обычно в 10-100 раз больше. Это приводит к гораздо более коротким циклам зарядки / разрядки. Кроме того, они будут выдерживать гораздо больше циклов зарядки и разрядки, чем батареи.

Суперконденсаторы поддерживают широкий спектр применений, включая:

• Низкий ток питания для резервного копирования памяти в статической оперативной памяти (SRAM)
• Питание для автомобилей, автобусов, поездов, кранов и лифтов, в том числе рекуперация энергии при торможении, кратковременное накопление энергии и подача питания в импульсном режиме

Другие химические вещества[править | править код]

Технология Power-to-Gas (P2G)[править | править код]

Технология Power-to-Gas — это технология, которая преобразует электричество в газообразное топливо, к примеру, водород или метан. Известны три метода использования электричества для превращения воды в водород и кислород посредством электролиза.

При первом методе водород впрыскивается в сеть природного газа. Второй метод заключается в реакции водорода с диоксидом углерода для получения метана, с использованием реакции метанирования (такой, как реакция Сабатье) или биологического метанирования, что приводит к дополнительной потере преобразования энергии на 8 %. Затем метан можно подавать в природную газовую сеть. Третий метод использует выходной газ из генератора древесного газа или биогазовой установки после того, как модификатор биогаза смешан с водородом из электролизера, чтобы улучшить качество биогаза.

Водород[править | править код]

Основная статья: Хранение водорода

Водород тоже можно рассматривать как накопитель энергии: электричество в этом случае производится посредством водородного топливного элемента.

Для синтеза килограмма водорода требуется около 50 кВт⋅ч (180 МДж) солнечной энергии, поэтому стоимость электроэнергии является критически важной.

Подземное хранение водорода производится в подземных пещерах, соляных куполах и истощенных нефтяных и газовых месторождениях.^[21]Imperial Chemical Industries в течение многих лет хранит в подземных пещерах большие количества газообразного водорода без каких-либо проблем. Европейский проект Hyunder указал в 2013 году, что для аккумуляции энергии ветра и солнца с использованием подземного водорода потребует 85 пещер.

Метан[править | править код]

Основная статья: Синтетический природный газ

Метан — простейший углеводород с молекулярной формулой СН ₄. Метан легче хранить и транспортировать, чем водород. Имеется полноценная инфраструктура его хранения и сжигания (трубопроводы, газометры, электростанции).

Синтетический природный газ (синтез-газ или SNG) может быть создан в многоступенчатом процессе, начиная с водорода и кислорода. Водород реагирует с диоксидом углерода в реакции Сабатье, производя метан и воду. Метан может храниться, а затем использоваться для производства электроэнергии. Полученная вода рециркулируется, уменьшая потребность во внешних её источниках. На стадии электролиза, кислород сохраняется для сжигания метана в чистой кислородной среде на соседней электростанции.

При сгорании метана образуются углекислый газ (CO₂) и вода. Диоксид углерода может быть переработан для ускорения процесса Сабатье, а вода может быть переработана для дальнейшего электролиза. Производство метана, хранение и сгорание перерабатывают продукты реакции.

Биотопливо[править | править код]

Основная статья: Биотопливо

Ископаемое топливо могут заменять различные виды биотоплива, такие как биодизельное топливо, растительное масло, спиртовое топливо или биомасса. Химические процессы могут превращать углерод и водород (в составе угля, природного газа, растительной и животной биомассы и органических отходов), в простые углеводороды, подходящие в качестве замены для традиционных углеводородных видов топлива. Примерами являются дизельное топливо Фишера-Тропша, метанол, диметиловый эфир и синтез-газ. Этот источник дизельного топлива широко использовался во время Второй мировой войны в Германии, которая столкнулась с ограниченным доступом к поставкам сырой нефти. По тем же причинам Южная Африка производит большую часть дизельного топлива из угля.

Алюминий[править | править код]

Рядом исследователей в качестве энергонакопителя был предложен алюминий. Электрохимический эквивалент алюминия почти в четыре раза больше, чем у лития. Энергия может извлекаться из алюминия путем его взаимодействия с водой с образованием водорода. Однако для реакции с водой алюминий должен быть отделен от его естественного оксидного слоя. Это процесс, который требует измельчения, а также химических реакций с едкими веществами или сплавами. Побочным продуктом реакции с образованием водорода является оксид алюминия, который может быть переработан обратно в алюминий в рамках процесса Холла-Херулта, делая реакцию теоретически возобновляемой. Если процесс Холла-Херулта запускается с использованием солнечной или ветровой энергии, алюминий может использоваться для хранения энергии, причем у такого процесса эффективность более высока, чем при прямом солнечном электролизе^[22].

Бор, кремний и цинк[править | править код]

В качестве альтернативных накопителей энергии рассматриваются также бор^[23], кремний и цинк^[24].

Другие химические вещества[править | править код]

Органическое соединение норборнадиен, в реакции превращения в квадрицикл, при воздействии света, сохраняет солнечную энергию, в форме энергии химических связей. Функционирующий образец был разработана в Швеции и позиционируется как молекулярная солнечная тепловая система^[25].

Электрические методы[править | править код]

Конденсатор[править | править код]

Основная статья: Электрический конденсатор

Конденсатор — это пассивный двухполюсный электрический компонент, используемый для электростатического накопления энергии. На практике конденсаторы сильно различаются, но все они содержат, по меньшей мере, два электрических проводника (пластины), разделенных диэлектриком (изолятором). Конденсатор может накапливать электрическую энергию, когда он отключен от своей зарядной цепи, поэтому его можно использовать как временную батарею или как другие виды перезаряжаемой системы накопления энергии. Конденсаторы обычно используются в электронных устройствах для поддержания питания при замене батарей (это предотвращает потерю информации в энергозависимой памяти). В среднем конденсаторы имеют плотность менее 360 джоулей на килограмм, в то время как у обычной щелочной батареи этот параметр составляет порядка 590 кДж / кг.

Конденсаторы накапливают энергию в электростатическом поле между пластинами. Благодаря разности потенциалов на проводниках (например, когда конденсатор присоединен к батарее), электрическое поле проходит через диэлектрик, заставляя положительный заряд (+Q) собираться на одной пластине и отрицательном заряде (-Q) на другой пластине. Если аккумулятор подключен к конденсатору в течение достаточного времени, через конденсатор не может протекать ток. Однако если через выводы конденсатора подается напряжение, может возникать ток смещения.

На практике диэлектрик между пластинами пропускает небольшое количество тока в виде утечки и имеет предел напряженности электрического поля, известный как напряжение пробоя. Однако эффект восстановления диэлектрика после пробоя высокого напряжения может привести к созданию нового поколения самовосстанавливающихся конденсаторов^[26][27].

Сверхпроводящие индуктивные накопители[править | править код]

Система хранения сверхпроводящей магнитной энергии — сверхпроводящий индуктивный накопитель (СПИН) хранит энергию в магнитном поле, создаваемом потоком постоянного тока в сверхпроводящей катушке, которая была охлаждена до температуры ниже её сверхпроводящей критической температуры. Типичная система СПИН включает в себя сверхпроводящую катушку, систему кондиционирования и холодильник. Как только сверхпроводящая катушка заряжена, ток не распадается, и магнитная энергия может храниться бесконечно долго.

Накопленная энергия может быть передана в сеть путем разрядки катушки. Соответствующий инвертор / выпрямитель обеспечивает примерно 2-3 % потерь энергии в каждом направлении. СПИН теряет наименьшее количество электроэнергии в процессе накопления энергии, по сравнению с другими методами хранения энергии.

Из-за энергетических требований охлаждения и стоимости сверхпроводящего провода, СПИН используется для кратковременного хранения, например, для улучшения качества электроэнергии Эта система хранения применяется так же в балансировке сетки.

Мельницы[править | править код]

Классическим применением накопления энергии до промышленной революции было управление водными путями для приведения в действие водяных мельниц для обработки зерна или приводной техники. Сложные системы водохранилищ и плотин были построены, чтобы хранить и выпускать воду (и потенциальную энергию, которую она содержит), когда требуется.

Домашнее накопление энергии[править | править код]

Ожидается, что накопление энергии в домашних условиях станет все более распространенным явлением, учитывая растущую важность распределенного производства возобновляемых источников энергии (особенно фотоэлектрических) и значительную долю потребления энергии в жилых зданиях^[28]. Чтобы повысить самообеспеченность (самостоятельность) на 40 % в доме, оборудованном фотоэлектрическими приборами, необходимо накопление энергии^[28]. некоторые производители производят аккумуляторные батареи для хранения энергии, как правило, для удержания избыточной энергии солнечной/ветровой генерации. Сегодня для хранения энергии в домашних условиях литий-ионные аккумуляторы предпочтительнее свинцово-кислотных, учитывая их аналогичную стоимость, но гораздо более высокую производительность^[29].

Tesla Motors выпускает две модели Tesla Powerwall. Одна из них представляет собой версию на 10 кВт⋅ч в неделю, а другая — версию на 7 кВт⋅ч для применения с ежедневным циклом^[30]. В 2016 году ограниченная версия, Telsa Powerpack 2, стоила 398 долларов США / кВт⋅ч для хранения электроэнергии, стоимостью 12,5 цента / кВт⋅ч (средняя цена на энергосистему США), что положительно сказывалось на рентабельности инвестиций, если цены на электроэнергию не превышали 30 центов / кВт⋅ч^[31].

Компания Enphase Energy анонсировала интегрированную систему, которая позволяет домашним пользователям хранить, контролировать и управлять электроэнергией. Система сохраняет 1,2 кВт⋅ч энергии и 275 Вт / 500 Вт выходной мощности^[32].

Аккумуляция энергии ветра или солнца с использованием накопителя тепловой энергии, хотя и менее гибкое, значительно дешевле, чем батареи. Простой 52-галлонный электрический водонагреватель может хранить примерно 12 кВт⋅ч энергии для добавления горячей воды или отопления помещения^[33].

Электросеть и электростанции[править | править код]

Накопление возобновляемой энергии[править | править код]

Самый большой запас возобновляемой энергии предоставляется сейчас гидроэлектростанциями. Большое водохранилище около гидроэлектростанции может хранить достаточно воды, чтобы усреднить годовой сток реки между сухим и влажным сезонами. Хотя гидроэлектростанция не накапливает напрямую энергию от прерывистых источников, она уравновешивает энергосистему, удерживая воду, когда энергия генерируется солнечным или ветровым излучением.

Важнейшее направление накопления энергии — гидроаккумулирующие электростанции. Такие регионы, как Норвегия, Уэльс, Япония и США эксплуатируют географические особенности, используя электрические насосы для заполнения резервуаров. При надобности вода проходит через генераторы и преобразует гравитационный потенциал падающей воды в электричество^[34].

Среди видов энергонакопителей, используемых при производстве электроэнергии, следует отметить гидроэлектростанции с насосным накопителем, аккумуляторные батареи, тепловые энергонакопители (включая расплавленные соли), которые могут эффективно хранить и высвобождать очень большое количество тепловой энергии^[35], и хранилища энергии сжатого воздуха, маховики, криогенные системы и сверхпроводящие магнитные катушки.

Избыточная мощность также может быть преобразована в метан (реакция Сабатье) с запасом в сети природного газа^[36][37].

В 2011 году Администрация энергетики Бонневилля (северо-запад США) разработала экспериментальную программу по поглощению избыточного ветра и гидроэнергии, генерируемых ночью или во время штормовых периодов, сопровождаемых сильными ветрами. При наличии центрального управления бытовые приборы поглощают избыточную энергию, нагревая керамический кирпич в специальных обогревателях до сотен градусов и повышая температуру в резервуарах с подогревом горячей воды. После зарядки приборы обеспечивают отопление дома и подачу горячей воды по мере надобности. Экспериментальная система была создана с учётом последствий сильного шторма 2010 года, который довел ситуация до перепроизводства возобновляемой энергии а такой степени, что все обычные источники энергии были закрыты, или в случае АЭС — редуцированы до минимально возможного рабочего уровня, оставляя большую область почти полностью на возобновляемых источниках энергии.

Ещё один продвинутый метод, который использовался в бывшем проекте Solar Two в Соединенных Штатах и Solar Tres Power Tower в Испании, использует расплавленную соль для хранения тепловой энергии, получаемой от солнца, а затем преобразует её и отправляет в виде электрической энергии. Система перекачивает расплавленную соль через башню или другие специальные трубопроводы, которые нагреваются солнцем. Изолированные резервуары хранят раствор. Электричество производится путем превращения воды в пар, который подается в турбины.

1. ↑ Robert A. Huggins. Energy Storage. — Springer Science & Business Media, 2010-09-01. — 424 с. — ISBN 9781441910233.
2. ↑ Packing some power // The Economist. — 2012-03-03. — ISSN 0013-0613.
3. ↑ Packing some power // The Economist. — 2012-03-03. — ISSN 0013-0613.
4. ↑ Wayback Machine (неопр.). web.archive.org (1 августа 2014). Дата обращения 16 марта 2019.
5. ↑ Wayback Machine (неопр.). web.archive.org (5 сентября 2012). Дата обращения 16 марта 2019.
6. ↑ Wald, Matthew L.. Pushed Along by Wind, Power Storage Grows (англ.), The New York Times (27 июля 2010). Дата обращения 16 марта 2019.
7. ↑ Gies, Erica. A Storage Solution Is in the Air (англ.), The New York Times (1 октября 2012). Дата обращения 16 марта 2019.
8. ↑ Wayback Machine (неопр.). web.archive.org (16 мая 2011). Дата обращения 16 марта 2019.
9. ↑ Flywheels: Spinning into Control (англ.). sciencewriter.org (22 August 2010). Дата обращения 16 марта 2019.
10. ↑ Next-gen Of Flywheel Energy Storage | Product Design and Development (неопр.). web.archive.org (10 июля 2010). Дата обращения 16 марта 2019.
11. ↑ Nathanael Massey,ClimateWire. Energy Storage Hits the Rails Out West (англ.). Scientific American. Дата обращения 16 марта 2019.
12. ↑ Energy-Storing Train Gets Nevada Approval (англ.). Fortune. Дата обращения 16 марта 2019.
13. ↑ Akshat Rathi, Akshat Rathi. Stacking concrete blocks is a surprisingly efficient way to store energy (англ.). Quartz. Дата обращения 16 марта 2019.
14. ↑ Wayback Machine (неопр.). web.archive.org (4 марта 2016). Дата обращения 16 марта 2019.
15. ↑ Braedstrup Solar Park in Denmark is now a reality! (неопр.). web.archive.org (26 января 2013). Дата обращения 16 марта 2019.
16. ↑ Liangzhong YAO, Bo YANG, Hongfen CUI, Jun ZHUANG, Jilei YE. Challenges and progresses of energy storage technology and its application in power systems (англ.) // Journal of Modern Power Systems and Clean Energy. — 2016-10-01. — Vol. 4, iss. 4. — P. 519–528. — ISSN 2196-5420. — DOI:10.1007/s40565-016-0248-x.
17. ↑ ScienceDirect (неопр.). www.sciencedirect.com. Дата обращения 16 марта 2019.
18. ↑ Сосенкин В.е, Михалин А.а, Вольфкович Ю.м, Бограчев Д.а. УГЛЕРОДНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ С БОЛЬШОЙ ПСЕВДОЕМКОСТЬЮ ДЛЯ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ // Электрохимия. — 2012. — Т. 48, вып. 4. — ISSN 0424-8570.
19. ↑ Capacitor cells — ELTON (неопр.). web.archive.org (23 июня 2013). Дата обращения 16 марта 2019.
20. ↑ B. E. Conway. Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications. — Springer US, 1999-04-30. — 734 с. — ISBN 9780306457364.
21. ↑ (PDF) Sustainable transportation based on electric vehicle concepts: A brief overview (англ.). ResearchGate. Дата обращения 16 марта 2019.
22. ↑ Current Efficiency, Specific Energy Consumption, Net Carbon Consumption — The Aluminum Smelting Process (неопр.). www.aluminum-production.com. Дата обращения 16 марта 2019.
23. ↑ Boron: A Better Energy Carrier than Hydrogen? (28 February 2009) (неопр.). www.eagle.ca. Дата обращения 16 марта 2019.
24. ↑ The Ergosphere: Zinc: Miracle metal? (неопр.). Дата обращения 16 марта 2019.
25. ↑ Liquid storage of solar energy: More effective than ever before (англ.). ScienceDaily. Дата обращения 16 марта 2019.
26. ↑ A. Belkin, A. Bezryadin, L. Hendren, A. Hubler. Recovery of Alumina Nanocapacitors after High Voltage Breakdown // Scientific Reports. — 04 20, 2017. — Т. 7, вып. 1. — С. 932. — ISSN 2045-2322. — DOI:10.1038/s41598-017-01007-9.
27. ↑ Y. Chen, H. Li, F. Lin, F. Lv, M. Zhang. Study on Self-Healing and Lifetime Characteristics of Metallized-Film Capacitor Under High Electric Field // IEEE Transactions on Plasma Science. — 2012-8. — Т. 40, вып. 8. — С. 2014–2019. — ISSN 0093-3813. — DOI:10.1109/TPS.2012.2200699.

Гравитационные накопители энергии / Habr

Технология ARES служит для аккумулирования энергии от источников периодического действия — солнечных и ветряных электростанций.

Когда выработка энергии высока (ветер дует, солнце светит), вагоны с помощью электродвигателей заезжают в гору — накапливают потенциальную энергию. Если выработка энергии падает, а потребление растет (вечер — ветер стих, солнце скрылось), вагоны скатываются, двигатели при этом работают в режиме генератора и отдают электроэнергию в сеть.

Обычно для этих целей используют воду (см. ГАЭС), но в условиях Калифорнии это не очень удобно из-за дефицита воды.

Пишут, что эффективность системы составляет 86%. И добавляют, что у системы
— более низкая стоимость жизненного цикла, чем батарей;
— более быстрая реакция, чем у ГАЭС; да и вода не требуется, что актуально для засушливых районов.

Описанная пилотная горка построена рядом с парком ветрогенераторов.
Экспериментальная тележка (5670 кг, колея 381 мм):

В планах у компании постройка по соседству в Неваде системы с объемом запасаемой энергии 12,5 мегаватт-часов.

Планируется, что это будет однопутная дорога длиной 8 км с уклоном 6,6%. Для нее потребуется 17 сцепок, каждая из которых включает 2 локомотива массой по 220 тонн и 2 вагона с бетонными блоками массой по 150 тонн.

Индуктивные накопители энергии в сварочном производстве

Подробности

Опубликовано 26.04.2016 06:41

Просмотров: 2199

Электромагнитная теория предполагает использование накопителей энергии двух видов: емкостные и индуктивные.

Емкостными накопителями являются конденсаторные батареи, в которых между металлическими обкладками создается электрическое поле и энергия этого поля в виде мощного импульса отдается нагрузке. Индуктивные накопители энергии при протекании электрического тока по виткам проводника создают вокруг себя магнитное поле, энергия которого тоже может питать нагрузку мощным импульсом. В электрических машинах и трансформаторах магнитное поле и магнитная энергия возникают в воздушных рабочих зазорах. В сверхпроводящем короткозамкнутом витке ток и создаваемое им магнитное поле могут существовать длительное время. В обычном витке проводника из-за потерь в активном сопротивлении ток постепенно затухает, поэтому времени сохранения энергии в индуктивных накопителях значительно меньше, чем в емкостных, однако его вполне достаточно для импульсной сварки.

Длительность сохранения энергии подбором параметров индуктивного накопителя (размеров, величины воздушного зазора, числа витков обмотки) может составлять от 1СГ5 с до нескольких секунд, соответственно, длительность сварки от 10_6 с (определяется временем переключения коммутирующих элементов) до долей секунды. Максимальное значение импульса сварочного тока определяется размерами свариваемых деталей и, соответственно, размерами индуктивного накопителя и может изменяться от нескольких до тысяч ампер. Напряжение зависит от состояния зоны сварки и может изменяться от десятков вольт до нескольких киловольт.

Сварку накопленной энергией, являющуюся одним из многочисленных видов сварки, выполняют с применением, в основном, конденсаторных сварочных машин. В них энергия электрического поля через понижающий трансформатор в виде импульса преобразуется в тепловую энергию формирования сварного соединения. Емкостные накопители создают короткие мощные сварочные импульсы с одинаковой энергией, поэтому конденсаторные сварочные машины обеспечивают более стабильное качество сварного соединения по сравнению с другими типами машин для контактной сварки.

Недостатками сварочных машин с накопителями энергии (как электрической, так и магнитной) является зависимость параметров импульсов от состояния зоны сварки: наличия окисных пленок и загрязнений, степени поджатия свариваемых деталей и др., что усложняет процесс управления электрическим током и мощностью.

В свое время данный способ сварки не нашел применения. Одной из причин этого явилась сложность создания надежного и быстродействующего отключающего устройства. Трудности возникают также из-за того, что цепи с большими токами приходится разрывать, а для этого не совсем удобно использовать даже тиристоры, которые невозможно закрыть простым снятием напряжения с управляющего электрода. В настоящее время коммутирующая техника достигла высокого уровня развития, вместо тиристоров применяют мощные, быстродействующие транзисторы (транзисторы серии 1СВТ, например, могут работать при частоте 75 кГц, передавая мощность до 10 кВт, для передачи большей мощности их соединяют параллельно.

Сварочная установка с индуктивным накопителем энергии может быть построена аналогично конденсаторной машине. В исходном состоянии ключи Кг и К2 разомкнуты, а ключ С3 замкнут. Во время зарядки индуктивного накопителя замыкается ключ Кг. При достижении максимального тока, который, например, может быть определен с помощью датчика электрического тока, ключ Кг размыкается и электрический ток циркулирует по замкнутой цепи, состоящей из индуктивного накопителя, ключа и диода. Затем электрический ток подается в зону сварки через трансформатор Г вначале замыканием ключа К2 и затем — размыканием ключа К3.

Индуктивный накопитель, так же как и емкостный, можно подключать к нагрузке через трансформатор. В конденсаторной машине трансформатор служит не только для понижения напряжения до сварочного значения. В таких установках трансформаторы имеют обычно значительные потоки рассеяния или сердечник магнитопровода выполняют с зазором, поэтому он являются одновременно накопителем магнитной энергии. В зависимости от величины индуктивности получают апериодический или колебательный разряд емкостного накопителя. Кроме того, в сварочных установках с емкостными накопителями понижающий трансформатор увеличивает постоянную времени сварочной цепи и поэтому увеличивает длительность сварочного импульса. В установках с индуктивными накопителями трансформатор тоже можно применять для управления режимом сварки.

Форма импульса при разрядке на активную нагрузку как для емкостного, так и для индуктивного накопителя имеет вид спадающих экспонент, и для неизменной нагрузки импульсы можно сделать совершенно одинаковыми. Однако активное сопротивление в зоне сварки не остается постоянным в процессе действия импульса. В начале сварки оно максимальное, что связано с наличием окисных пленок и загрязнений, а также может создаваться искусственно. После расплавления металла активное сопротивление снижается почти до нуля, при этом емкостные накопители энергии увеличивают электрический ток и повышают мощность. В индуктивных накопителях электрический ток и мощность не увеличиваются. Кроме того, после образования жидкого металла между свариваемыми деталями активное сопротивление падает почти до нуля, увеличивается постоянная времени сварочной цепи и почти прекращается выделение мощности в зоне сварки.

Таким образом, выделяемая емкостными накопителями мощность возрастает с уменьшением активного сопротивления нагрузки и уменьшается с его увеличением. В индуктивных накопителях, наоборот, выделение мощности возрастает с увеличение активного сопротивления нагрузки и падает с его уменьшением. Увеличение мощности индуктивными накопителями на активном сопротивлении в начале импульса и снижение ее в конце импульса создает условия для сварки тонкостенных деталей с малой ЗТВ, что позволяет также уменьшить мощность и размеры сварочного источника.

Имеется также возможность объединения индуктивных и емкостных накопителей энергии и формирования сварочного импульса их последовательным подключением. Например, вначале можно использовать индуктивный накопитель, середину импульса формировать емкостным накопителем, а в конце подключить еще один индуктивный накопитель. Или формировать сварочный импульс последовательным подключением двух индуктивных накопителей с разным количеством энергии. Такое подключение накопителей возможно с помощью современной коммутирующей и компьютерной техники.

В работе описаны результаты сварки установкой с индуктивным накопителем энергии. Принципиальная схема установки приведена в работе. Индуктивный накопитель представляет собой ферро-магнитный сердечник с немагнитным зазором, на котором располагается силовая обмотка и небольшая обмотка датчика максимального тока. Накопитель заряжается от конденсаторной батареи. При достижении максимального тока в обмотке по сигналу датчика максимального тока к заряженному индуктивному накопителю подсоединяли свариваемые детали, при этом сразу же уже разряженная на индуктивный накопитель батарея конденсаторов отключалась. Масса индуктивного накопителя около 0,5 кг. Выполняли сварку проволок диаметром 0,8 мм из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т.

Процесс сварки проходил следующим образом

Между очищенными торцами проволок наносили слой порошка мела, проволоки соединяли с постоянным усилием около 10 Н для последующего сжатия оплавленных концов. Затем подавался импульс от индуктивного накопителя энергии, сопровождающийся вспышкой света и треском, характерным для дуги.

Слой мела использовали в качестве защитной среды, при этом он одновременно обеспечивал создание искусственного активного сопротивления, на котором концентрировалось выделение теплоты с последующим образованием дуги, что позволило уменьшить размеры и массу индуктивного накопителя.

Металлографические исследования показали, что защитные покрытия от коррозии характеризуются типичной дендритной структурой литого сплава. Металл околошовной зоны имеет мелкозернистую аустенитную структуру. Средняя ширина сварного шва 0,12 мм, ЗТВ соизмерима с шириной шва. Малая ширина шва и небольшая ЗТВ указывают на то, что нагрев металла был местный и кратковременный и теплота не успела расплавить значительный слой металла и распространиться вглубь.

На этой же установке получены осциллограммы сварочного тока и напряжения. Данные также записывались в численном виде, которые затем обрабатывались с помощью математического пакета программ. Кроме кривых тока и напряжения, таким способом получены зависимости мощности, энергии импульса и активного сопротивления зоны сварки от общего времени сварки.

Анализ полученных кривых позволяет заключить, что увеличение электрического тока и напряжения от нуля до максимального значения в начале импульса связано с закрытием коммутирующего ключа. Затем напряжение плавно уменьшается приблизительно от 30 до 20 В, что соответствует напряжению при дуговом разряде. Излом кривых электрического тока и резкое снижение напряжения, мощности и активного сопротивления в конце сварки указывает на электрическое замыкание свариваемых деталей расплавленным металлом, при этом активное сопротивление уменьшается, а выделение тепловой энергии снижается. Сварка осуществлена энергией индуктивного накопителя, и форма кривых не зависит от вида его источника питания.

Важным для практического применения и проведения исследований является разработка источников питания с индуктивными накопителями энергии. Такие источники энергии могут быть созданы с применением индуктивных накопителей, заряжаемых от конденсаторной батареи и трансформаторов с воздушным зазором. Недостатком источников первого типа является то, что для зарядки индуктивного накопителя необходимо подключение еще и емкостного накопителя с энергией, равной энергии индуктивного накопителя. Для источников второго типа невыгодно использовать для зарядки трансформатора с воздушным зазором синусоидальное напряжение сети с частотой 50 Гц. Индуктивный накопитель необходимо заряжать короткими импульсами, причем чем короче зарядные импульсы, тем меньше потери в проводах обмотки. Возможно применять трансформатор, в котором зарядный импульс формируется обрезанием полу-синусоиды, однако это может привести к снижению качества электрической энергии сети.

Сварочным источником может являться и электрическая машина с индуктивным накопителем энергии1. Аналогом импульсных электрических машин с индуктивными накопителями энергии являются электрические машины магнитного сопротивления, в которых при перемещении вторичной части относительно первичной изменяется магнитное сопротивление между явно выраженными полюсами. Двигателями магнитного сопротивления являются обычные электромагниты и шаговые двигатели. Генераторами — индукторные генераторы, применяемые в автономных сварочных установках и имеющие преимущества перед генераторами постоянного тока и синхронными генераторами благодаря отсутствию щеточных контактов. Однако эти индукторные генераторы более массивные.

Процесс накопления магнитной энергии в генераторе магнитного сопротивления можно осуществить следующим образом. При перемещении вторичной части в нейтральном положении, когда магнитное сопротивление воздушных зазоров становится минимальным, в обмотку подается короткий импульс возбуждения и в рабочем зазоре возникает магнитное поле. При движении вторичной части силовые линии магнитного поля «растягиваются» т. е. происходит процесс преобразования механической энергии в магнитную энергию. В крайнем положении вторичной части, когда магнитное сопротивление воздушных зазоров станет максимальным и накопится максимальная магнитная энергия, к обмотке подключается нагрузка и магнитная энергия преобразуется в виде импульса в сварочную тепловую энергию.

В настоящее время проводятся исследования таких машин на численных моделях. Происходящие процессы в электрических машинах описываются уравнениями механики и электродинамики. С помощью математического пакета программ МаИСАй система этих дифференциальных уравнений решается в численном виде, что и является основой численных моделей. Удельная мощность машин с индуктивным накопителем по сравнению с традиционными машинами магнитного сопротивления увеличилась более чем в 2 раза, а КПД — более чем на 20 %. Увеличение энергетических параметров связано с тем, что в данных машинах магнитомеханическое преобразование энергии происходит при постоянном потокосцеплении, что энергетически выгоднее. В последующих моделях учитывали также и потоки рассеяния, оказавшиеся очень большими. Однако, несмотря на значительное отрицательное действие потоков рассеяния, получено увеличение энергетических параметров.

С помощью генераторов с индуктивными накопителями энергии можно получать как единичные сварочные импульсы, так и серии импульсов. Сварка сериями импульсов индуктивными накопителями энергии пока не изучена. Можно предположить, что такое свойство индуктивных накопителей энергии, как автоматическое повышение напряжения при увеличении активного сопротивления сварочного промежутка, облегчит начальное и повторное зажигание дуги и повысит стабильность сварочного процесса при изменении длины дуги, свойств защитного газа и др.

Сварка с применением индуктивных накопителей энергии имеет много общего с конденсаторной сваркой и поэтому ее можно также использовать для получения стыковых и точечных соединений деталей толщиной 2,0—0,5 мм и менее. Кроме того, индуктивные накопители энергии могут найти применение для резки и эрозионной обработки металлов.

Выводы

1. В настоящее время коммутирующая и компьютерная техника достигла высокого уровня, что позволяет вернуться к исследованию сварки индуктивными накопителями энергии.

2. Сварка индуктивными накопителями энергии осуществима и по сравнению со сваркой конденсаторными машинами имеет ряд особенностей, связанных с повышением отдачи мощности при увеличении активного сопротивления сварочной зоны, что может быть использовано для уменьшения толщины сварного шва, ЗТВ и, соответственно, для снижения массы и габаритных размеров сварочной установки.

3. Недостатки емкостных и индуктивных накопителей энергии могут быть снижены последовательным подключением нескольких накопителей в сварочный цикл.

4. Для сварки можно применять электрические машины с индуктивными накопителями энергии, имеющие более высокие энергетические показатели по сравнению с традиционными машинами магнитного сопротивления.

Читайте также

Добавить комментарий

Сверхпроводящий накопитель электрической энергии :: ПВ.РФ Международный промышленный портал

Ольга Третьякoва

Этo нoвая разрабoтка рoccийcких атoмщикoв. Наряду co cвoими глoбальными прoектами, oни не забывают o вoпрocах пoвышения энергoэффективнocти предприятий прoмышленнocти, транcпорта, коммунальной cферы. Причем предлагают решать их в чиcто практичеcкой плоcкоcти – при помощи накопителей энергии.

Извеcтно, что технологичеcкие процеccы потребляют cвыше 30% вcей производимой в стране электроэнергии. Анализ использования электродвигателей в различных отраслях промышленности, проведенный специалистами Института электромашиностроения (Владимир), показал, что интенсивность и экстенсивность загрузки двигателей зависят не только от области применения, но и главным образом от типа механизма и их номинальной мощности.

При замене двигателей с двойным превышением номинальной мощности над рабочей (а именно такой запас имеется у 5-10% установленного оборудования) экономия электроэнергии может составить 40-50%, не говоря о снижении дополнительных затрат на завышенную мощность. Экономия электроэнергии при внедрении двигателей с повышенным КПД колеблется от 2 до 5,5% в зависимости от установленной мощности.

Годовой потенциал экономии электроэнергии по энергосберегающим мероприятиям в четырех отраслях народного хозяйства (промышленности, сельском хозяйстве, транспорте и сфере услуг) определен в размере 27,7 млрд кВт/ч на период 2010 г. и 45,7 млрд кВт/ч на уровне 2015 г. Но, пожалуй, самое существенное позитивное влияние на энергетическую сферу может оказать широкое применение накопителей энергии.

Плюс энергия перетоков

На основании модели электроэнергетической системы с учетом влияния процессов аккумулирования энергии были проведены расчеты по определению оптимальной структуры генерирующих мощностей для энергосистемы Европейской части России на период до 2020 г. Для сравнения были также проведены расчеты по варианту, предложенному в Энергетической стратегии России. Результаты показывают, что прогнозируемые объемы потребления к 2020 г., при наличии в системе накопителей электроэнергии, даже по оптимистическому сценарию, покрываются на существующих, но реконструированных мощностях за счет более полного использования базовых мощностей и применения электроэнергии перетоков.

Широкое использование системного эффекта накопителей энергии (НЭ) позволяет значительно снизить объемы вводимых мощностей и капиталовложений в электроэнергетику. Общая экономия инвестиций при альтернативном варианте, по сравнению с оптимистическим вариантом стратегии, составляет 39 млрд долл., или более 30% от общего объема запланированных инвестиций. Применение НЭ, тем более при немодернизированном оборудовании, позволяет уменьшить капиталовложения в генерирующие мощности, сэкономить топливо и снизить эксплуатационные затраты на базовых мощностях, уменьшить потери от межсистемных перетоков избыточных мощностей в периоды минимумов нагрузки.

С помощью сверхпроводникового накопителя энергии энергоемкостью от 40 до 100 МДж можно повысить динамическую устойчивость энергосистем, а работая в системе автоматического регулирования энергосистемы, он будет гасить нежелательные колебания потоков мощности. Накопители меньших энергоемкостей также могут компенсировать реактивную мощность, снижая тем самым потери при транспортировке электроэнергии. Кроме того, расчеты свидетельствуют в пользу применимости cверхпроводникового индуктивного накопителя энергии (СПИН) в качестве буферного накопителя энергии в железнодорожном транспорте на электрической тяге с рекуперацией энергии.

Принципиальное преимущество

СПИН представляет собой, по сути, магнитную катушку из сверхпроводника. Упрощая, можно сказать, что эффект сверхпроводимости заключается в полном исчезновении электрического сопротивления сверхпроводника при охлаждении его ниже некой критической температуры. Естественно, пропадают и все потери энергии, связанные с электрическим сопротивлением.

Подобное устройство может хранить энергию сколь угодно долго в виде энергии магнитного поля, создаваемого с помощью сверхпроводящего соленоида. Очевидно, что при длительном использовании такого аккумулятора понадобятся дополнительные расходы на охлаждение, однако выгода от использования в итоге существенно покрывает эти расходы.

Принципиальное преимущество индуктивных накопителей заключается в том, что энергия в них запасается в том же виде, в каком и используется, – электромагнитном. А раз нет необходимости в преобразовании из одного вида энергии в другой, то нет и связанных с преобразованием потерь энергии и затрат времени на сам процесс, чем грешат иные типы аккумуляторов, например, химические или гидравлические. Поэтому уникальным свойством сверхпроводящего индуктивного накопителя является возможность практически мгновенного перехода из режима накопления энергии в режим ее выдачи.

Генеральный директор компании «Русский Сверхпроводник» А. В. КАЦАЙ

Опробовано на реакторе

Техническое предложение о разработке источника бесперебойного питания на основе СПИН было выдвинуто еще в 2005 г. рядом предприятий Росатома. Опыт создания самих сверхпроводниковых накопителей имеет еще более давнюю историю. Такие мощные сильноточные устройства уже создавались на предприятиях Росатома, построивших в стране десятки крупных сверхпроводящих соленоидов и в настоящее время участвующих в международном проекте экспериментального термоядерного реактора ITER. К примеру, обмотка тороидального магнитного поля этого реактора типа «Токамак» намотана из российского сверхпроводника, и энергия, запасаемая в ее магнитном поле, может составлять 600 МДж или 166 кВт/ч. Это устройство с полным правом можно назвать аналогом СПИН.

Специалистам проект может показаться чересчур амбициозным. Ведь для участия в суточном регулировании энергопотока необходимо аккумулировать энергию порядка 10¹²Дж и выдавать мощность в сотни мегаватт, а находящиеся в разработке СПИН имеют сейчас проектную энергоемкость от единиц до сотен мегаджоулей. Тем не менее, за последние годы источники бесперебойного питания на основе СПИН были проработаны в некоторых развитых странах – США, Японии, Италии, Германии – и показали себя как надежные и эффективные устройства для стабилизации провалов напряжения.

В серийное производство

По словам генерального директора компании «Русский Сверхпроводник» Александра Владимировича Кацая, вРоссии уже был создан ряд СПИН для фундаментальных научных исследований, проведены успешные испытания прототипов в действующей энергосистеме Москвы. Налаживание серийного производства индуктивных накопителей позволит повысить надежность энергосистем и сделать серьезные шаги по широкому внедрению сверхпроводниковых технологий в энергетику.

В настоящее время отраслевая компания «Русский Сверхпроводник» совместно с разработчиками технологии ведет активную работу над созданием компактного сверхпроводящего индуктивного накопителя энергоемкостью 24 МДж, состоящего из четырех модулей по 6 МДж. Впоследствии из таких модулей возможно будет собирать накопители большей емкости.

Накопители энергии

В настоящее время разрабатываются накопители энергии, которые в будущем сыграют важнейшую роль в активно-адаптивных электрических сетях. Их разработка предполагает выполнение этими устройствами целого ряда функций:

• выравнивание нагрузок в сетях, когда происходит накопление электроэнергии при ее избытке и отдача во время ее дефицита;
• повышение пределов устойчивости электрических сетей;
• бесперебойное питание отдельных объектов особой важности.

Существует несколько основных видов накопителей энергии, из которых отдельные устройства уже успешно выпускаются и применяются.

Виды накопителей

В первую очередь, это электростатические накопители в виде аккумуляторных батарей большой энергоемкости, которые связаны с сетями с помощью специальных устройств – преобразователей напряжения или тока.

Созданы и успешно испытываются опытные образцы накопителей энергии, в основе которых лежат молекулярные конденсаторы. На их базе разрабатываются сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии, обладающие сверхпроводимостью. В настоящее время применяются передвижные системы с небольшой энергоемкостью. Более широкое применение планируется после создания сверхпроводников, работающих в высокотемпературном режиме.

Данный вид планируется использовать в энергетических системах для повышения их устойчивости и надежности, благодаря высокому коэффициенту полезного действия, возможности ввода и вывода электроэнергии в автоматическом режиме. Кроме того, они отличаются быстродействием, большой удельной энергоемкостью и способностью регулировать реактивную и активную мощность. В перспективе, это должны быть недорогие устройства с достаточной энергоемкостью.

Особенности электромагнитных накопителей

Электромагнитные накопители энергии в настоящее время разрабатываются в двух вариантах.

1. В виде синхронных машин, оборудованных маховиками, а также преобразователями частоты.
2. Являются машины асинхронного типа с маховиками, установленными на валу.

В первом случае агрегаты обладают большим диапазоном изменений скоростей и повышенной способностью к применению кинетической энергии, получаемой при вращении машин. Второй вид позволяет регулировать частоту в количестве 50% от первоначальной синхронной частоты.

Ведется работа над накопителями энергии, основой которых являются супер маховики, изготовленные из сверхпрочных углеродных волокон, на основе нанотехнологий. Это возможно, поскольку данное устройство может разгоняться до очень высоких скоростей.

Накопитель солнечной энергии

Тяжелая энергетика | Журнал Популярная Механика

Штангисты знают, что поднять вес мало — важно его удержать. Сколько бы мы ни произвели чистой — или любой другой — энергии, от нее будет мало толка, если мы не умеем ее хранить. Но что способно накапливать гигаватт- и тераватт-часы, а в нужный момент за секунды отдать их в сеть? Только что-нибудь по‑настоящему серьезное. Водохранилища и поезда, бетонные поплавки и даже лифты-многотонники, разработанные в Новосибирске. О них мы и поговорим, вспомнив по пути школьную физику.

Профессор из Беркли Дэвид Каммен считает электросети самой сложной машиной, которую когда-либо создавало человечество: «Она самая большая, самая дорогая, включает больше всего компонентов и при этом элегантно проста. В ее основе лежит единственный принцип — приток энергии должен постоянно равняться оттоку». Система работает как ресторан быстрого питания: сколько заказано блюд, столько и приготовлено, лишнее приходится выбрасывать. Между тем потребление электроэнергии меняется постоянно и довольно ощутимо.

Взглянув на графики, легко заметить, что нагрузка на сеть следует суточным и недельным циклам и повышена во время зимних холодов. Работа солнечных электростанций с этими периодами согласуется плохо: излучение есть именно тогда, когда его энергия меньше всего нужна, — днем. А ярче всего солнце светит летом. Производство электроэнергии ветряными станциями тоже подчиняется погодным условиям. Реакторы АЭС нельзя подстраивать под нужды потребителей: они выдают постоянное количество энергии, так как должны функционировать в стабильном режиме. Регулировать подачу тока в сеть приходится, меняя объемы сжигаемого топлива на газовых и угольных ТЭС. Энергосеть постоянно балансирует между выработкой электростанций и нуждами потребителей.

Cравнение потребления и генерации электроэнергии различными источниками на примере декабря 2012 года (по данным BM Reports).

Если бы тепловые электростанции не приходилось регулировать и они могли работать всегда в оптимальном режиме, их ресурс был бы выше, а стоимость и потребление топлива — ниже. Но для этого сеть должна иметь запас энергии, который накапливался бы в периоды избыточного производства и отдавался на пиках потребления. Ну а если уж мы хотим вовсе отказаться от углеводородов и использовать только чистое электричество возобновляемых источников, то без средств для накопления энергии и стабилизации ее подачи в сеть никак не обойтись… Есть идеи?

Варианты очевидные

Электросети начали проектировать больше века назад с учетом технологий того времени, и сегодня даже в самых развитых странах они нуждаются в модернизации, в том числе во введении «амортизирующего» компонента, накопителей соответствующей мощности. Пока что такими проектами не могут похвастаться даже США: по данным за 2017 год, все имевшиеся в стране промышленные накопители имели мощность лишь около 24,2 ГВт, тогда как генерирующие мощности составили 1081 ГВт. Текущие возможности России в области накопления — чуть больше 2 ГВт, а всего мира — 175,8 ГВт.

Почасовое потребление в Великобритании в течение одного зимнего и одного летнего месяцев 2009 года. Максимум потребления пришелся на шесть часов январского утра (58,9 ГВт), минимум — на теплый субботний вечер в июле (22,3 ГВт), разница более чем вдвое.

Почти весь этот объем приходится на гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). Самая большая в России Загорская ГАЭС имеет мощность 1,2 ГВт, а самая мощная в мире работает в Вирджинии. Станция Bath County мощностью 3 ГВт и высотой 380 м способна накачивать воду в верхний резервуар и спускать в нижний со скоростью около 50 тыс. т в минуту. Такие накопители превращают электричество в потенциальную энергию воды и вырабатывают его обратно с потерями лишь 30%. Однако их недостатки вполне очевидны: водохранилища требуют сложного рельефа, обширной и часто нужной площади и связаны с неизбежными потерями на испарение.

Сегодня больше 98% мировых мощностей накопителей приходится на ГАЭС, а из оставшегося количества около трети используется в химических аккумуляторах. Прежде всего, это обычные литий-ионные батареи: крошечные размеры ионов лития делают их отличными носителями заряда, позволяя добиться высокой плотности энергии. По оценке Джорджа Крабтри из Аргоннской национальной лаборатории министерства энергетики США, литий-ионным аккумуляторам для широкого применения необходимо стать как минимум впятеро более емкими и на столько же более дешевыми. Но даже в этом случае они останутся токсичными и взрывоопасными.

Некоторых их недостатков лишены альтернативные проекты: сегодня создан целый «зоопарк» электрохимических элементов. Например, аккумуляторы профессора Дональда Садоуэя на основе жидких металлических электродов и расплава соли требуют для работы высоких температур, зато они безопасны и намного дешевле литий-ионных. Однако любые батареи со временем неизбежно деградируют и уже лет через десять потребуют серьезных и регулярных вложений в обновление… Что нам остается, помимо этого?

Школьная физика

Инженеры любят простые и остроумные решения, и многие проекты накопителей основаны на довольно простой физике. Базовые формулы, позволяющие оценить энергию таких систем, проходят еще в средней школе. Скажем, вращательная кинетическая энергия пропорциональна массе и квадрату скорости, что позволяет сохранять электрическую энергию во вращении тяжелого маховика. Такие накопители отличаются великолепной управляемостью и надежностью, они используются на транспорте и даже в космосе. Однако самые мощные из них способны обеспечить разве что небольшую электростанцию, стабилизируя выдачу тока, и эффективны лишь на небольших промежутках времени — не больше четверти часа.

Из той же школьной физики мы помним, что энергия идеального газа пропорциональна его давлению, что дает возможность накопить ее в виде сжатого воздуха. Емкостью для него могут служить герметичные цистерны, как у 9-мегаваттного накопителя Next Gen CAES на одной из электростанций в Нью-Йорке, штольни заброшенных шахт или естественные пещеры-каверны. На том же принципе разницы давлений работает предложенный немецкими инженерами концепт ORES. Полые бетонные емкости погружаются на дно и подключаются к офшорной электростанции: избыток энергии они накапливают, закачивая внутрь воду, а при необходимости она под давлением сжатого внутри воздуха выбрасывается наружу, запуская генератор.

Баланс на масштабах от секунд до недель Накопители энергии, работающие на разных принципах, имеют свои преимущества и недостатки, и могут подходить для различных задач. Одни оптимальны в поддержке электростанций, другие — на этапе передачи и распределения энергии, третьи — для крупных потребителей, четвертые — для конечных пользователей, в их домах и мобильных гаджетах.

Пригодится нам и энергия тепловая: например, концерн Siemens уже сооружает для одной из ветряных электростанций под Гамбургом накопитель, запасающий энергию в тепле 100 тонн камня. Избыток выработки будет направляться на их нагрев, чтобы затем груз, остывая, превращал воду в пар, вращающий турбину генератора. Впрочем, чаще энергию градиента температуры используют для накопителей энергии на солнечных электростанциях. Зеркала концентраторов фокусируют свет, раскаляя теплоноситель (обычно расплавленный солевой раствор), который продолжает отдавать тепло и днем, и ночью, когда солнце уже не светит, — в полном согласии с изученными в школе началами термодинамики.

Еще ближе нам элементарная формула потенциальной энергии тела в поле тяжести Земли: E = mgh (где m — масса груза, h — высота его подъема, g — ускорение свободного падения). Именно в таком виде запасают ее мощные и надежные ГАЭС или проект немецкой компании Heindl Energy, поднимающий водным столбом внутри цилиндра цельный гранитный поршень диаметром до 250 м. Потенциальную энергию накапливают и тяжелые железнодорожные составы проекта ARES, которые буксируют бетонные грузы вверх и вырабатывают ток, когда спускаются с ними. Но для всего этого нужно иметь наготове холм высотой в несколько сотен метров и — как в случае с ГАЭС — большую площадь под строительство… Есть ли другие возможности?

Гравитационный накопитель Проект профессора Эдварда Хейндля обещает мощность до 8 ГВт — этого достаточно для того, чтобы обеспечивать энергией 2 млн потребителей в течение суток.

Вариант почти невероятный

Накопитель в новосибирском Академгородке много места не занимает. За самым обыкновенным забором стоит новенькое здание размером с пятиэтажку — шоу-рум, в котором размещен действующий прототип твердотельной аккумулирующей электростанции (ТАЭС) высотой 20 м и мощностью 10 кВт. Внутри здания вдоль стен расположены две узкие ячейки ТАЭС шириной около 2 м и длиной около 12.

Принцип работы их основан на накоплении потенциальной энергии: двигатель потребляет электроэнергию из сети и с помощью каната поднимает наполненные грунтом полимерные мешки. Они крепятся наверху и в любой момент готовы начать спуск, вращая вал генератора. По словам основателя проекта «Энергозапас» Андрея Брызгалова, инженеры изучили почти сотню идей для промышленных накопителей энергии, но не нашли подходящего варианта и создали собственный.

Твердотельный накопитель Полномасштабная ТАЭС будет достигать 300 м в высоту и сможет накапливать до 10 ГВт·ч. При грузообороте до 14 млн т в сутки она будет производить на грунт давление до 4 кг/см2 — меньше, чем обычная пятиэтажка. Расчетный срок службы: 50 лет.

В самом деле, Россия — страна богатая, но не рельефом. «Это практически ровный стол, — рассказывает Андрей Брызгалов, — возводить ГАЭС можно лишь в отдельных районах, остальное — равнинная плоскость». В отличие от водохранилища, ТАЭС можно установить где угодно: для строительства не требуется водохранилищ и естественного перепада высот. Мешки заполняются местным грунтом, который добывают при строительстве фундамента, а строить можно в чистом поле, которого в России достаточно.

Оптимальная мощность ТАЭС при высоте 300 м будет порядка 1 ГВт, а емкость определяется площадью накопителя и при застройке 1 км² составит 10 ГВт·ч, то есть станция займет примерно в пять раз меньше места, чем аналогичная ГАЭС. Тысячи специальных многошахтных лифтов, снабженных системой рекуперации, будут перемещать за сутки около 15 млн т груза. «Ежедневный грузооборот одной такой ТАЭС будет всемеро больше, чем у крупнейшего мирового порта, Шанхайского, — объясняет Андрей Брызгалов. — Вы представляете себе уровень задачи?» Неудивительно, что дальше начинается физика уже отнюдь не школьного уровня.

«Мы не можем позволить себе строить сразу 300-метровую башню, — говорит Андрей Брызгалов, — это по меньшей мере легкомысленно. Поэтому мы делаем конструкцию минимальных размеров, при которых она обладает свойствами полноразмерной ТАЭС». Как только проект получит господдержку в рамках Национальной технологической инициативы, в «Энергозапасе» приступят к работе. Возведение 80-метровой башни мощностью более 3 МВт позволит испытать строительные решения, которые на данный момент прошли только модельные испытания на многоядерных компьютерных кластерах.

Сложная наука

В самом деле, какой бы простой ни была высотная конструкция, ей предстоит столкнуться с опасностью землетрясений и нагрузкой ветра. Но вместо обычных решений с применением все более мощных и тяжелых несущих элементов из стали и бетона ТАЭС использует массу инженерных находок. Для борьбы с ветром ее окружат защитной «юбкой», которая раскинется на ширину примерно в четверть радиуса самой станции. Она будет превращать горизонтальное давление ветра в вертикальную нагрузку, на которую рассчитана конструкция. «Это позволяет значительно сократить расходы на металл, который применяют для компенсации изгибных нагрузок, снизить себестоимость ТАЭС и тем самым поднять ее конкурентоспособность», — объясняют разработчики.

Сейсмические колебания демпфирует сама конструкция — матрица вертикальных колонн, к каждой четверке которых подвешено до девяти 40-тонных грузов. «В любой конкретный момент перемещается лишь небольшое количество груза, остальное действует как отвес, подавляя раскачивание. Несмотря на огромную массу, даже благодаря ей мы получили самое сейсмостойкое здание в мире, — уверяет Андрей Брызгалов, — причем практически без дополнительных расходов». Легкая, простая, лишенная перекрытий, такая башня будет в несколько раз дешевле обычного здания тех же размеров.

Несмотря на внешнюю простоту, разработка накопителя потребовала не только знаний сложной физики и материаловедения, но даже аэродинамики и программирования. «Возьмите, например, провод, — объясняет Андрей Брызгалов. — Ни один не выдержит десятки миллионов циклов сгибания-разгибания, а мы рассчитываем на полвека бесперебойной работы. Поэтому передача энергии между подвижными частями ТАЭС будет реализована без проводов». Накопитель ТАЭС буквально нашпигован новыми технологиями, и десятки инженерных находок уже запатентованы.

Матричные преобразователи частоты тока позволяют мягко и точно управлять работой моторов и сглаживать выдачу энергии. Сложный алгоритм автоматически координирует параллельную работу нескольких тележек-подъемников и требует лишь удаленного присмотра со стороны оператора. «У нас есть специалисты десятков направлений, — говорит Андрей Брызгалов, — и все они работают, не ожидая моментального результата и окупаемости проекта в ближайшие 2−3 года. При этом создано решение, равного которому нет нигде в мире. Теперь его можно лишь повторить, но сделать такое с нуля было возможно только в России, только в Сибири, где есть такие люди».

Впрочем, без уверенности в том, что проект рано или поздно станет прибыльным, ничего бы не состоялось. «Проблема российской энергосистемы — избыток мощностей, — продолжает Андрей Брызгалов. — Исторически сложилось так, что мы генерируем больше, чем надо, и это позволяет немало экспортировать, но и создает серьезный запрос на аккумулирующие мощности». По оценкам Navigant Research, к 2025 году этот рынок будет расти средними темпами в 60% ежегодно и достигнет 80 млрд долларов. Возможно, эти деньги преобразуют типичный российский пейзаж, и где-то у горизонта обычной бесконечной плоскости появятся и станут привычными гигантские гравитационные накопители.