Технические науки/5. Энергетика

К.т.н. Есимханов С.Б., магистрант Утебаев Д.Н.

Костанайский государственный университет имени А. Байтурсынова, Казахстан

Аккумуляторы - эффективное решение для накопления и использования возобновляемой энергии

Перспективным путем решения проблемы дефицита природных ресурсов является освоение альтернативных источников энергии. Самыми экологически дружественными на сегодняшний день являются электроустановки, использующие возобновляемую энергию воды, солнца и ветра. Энергия солнца и ветра преобразуется в традиционную для промышленных и бытовых нужд электрическую энергию посредством солнечных панелей и ветрогенераторов [1].

Непосредственное применение преобразованной возобновляемой энергии возможно только тогда, когда складываются благоприятные условия с точки зрения солнечной освещенности или силы ветра. Для того чтобы выработанная электроэнергия могла использоваться в другие периоды времени, ее необходимо накопить, что достигается включением в схему энергетической установки автономных источников тока - стационарных свинцово-кислотных аккумуляторов. При этом днем, в случае использования преобразованной солнечной энергии, аккумуляторная батарея (АБ) заряжается, а ночью, или в пасмурную погоду, она отдает накопленный электрический заряд. То есть режим эксплуатации батареи является типично циклическим, в котором наиболее сложные условия связаны с длительными разрядами батареи продолжительностью до нескольких суток малыми токами со снятием 100 - процентной емкости [2].

Для того чтобы системы преобразования возобновляемой энергии могли успешно конкурировать с такими традиционными отраслями как угольная, газовая и нефтяная, они должны быть экономически оправданы и обладать высокой степенью надежности. В настоящее время внедрение альтернативных источников энергии, автономных и децентрализованных, во многих странах уже становится более выгодным как с экологической, так и с экономической точки зрения, а такой природный элемент, как кремний, из которого изготавливаются солнечные фотоэлементы, сейчас называют «нефтью 21-го столетия». Современные фотоэлектрические установки имеют относительно невысокий КПД 8-16%, но, не смотря на это, их применение чрезвычайно оправдано, не в последнюю очередь благодаря закону о возобновляемых источниках энергии, который принят в Европе и гарантирует материальное возмещение энергии, переданной в сеть общего пользования.

Технические требования, предъявляемые к аккумуляторным батареям, работающим в составе установок преобразования возобновляемой энергии, определяются их областью применения. Это могут быть небольшие системы автономного питания для частного использования или маломощных устройств, таких как парковочные и разменные автоматы, телефоны экстренной связи. Системы электропитания в среднем диапазоне мощностей, например, небольшие промышленные установки, морские буи, метеостанции. Установки высокой мощности с большой циклической нагрузкой, к которым относятся независимые островные системы электроснабжения, обеспечивающие питание большого количества потребителей.

Работа аккумуляторной батареи в установках преобразования энергии солнца и ветра зависит от многих, зачастую накладывающихся друг на друга, факторов и условий. Все они должны быть учтены в процессе построения системы электроснабжения и выбора соответствующей аккумуляторной батареи. Вот только некоторые из них:

- среднесезонные условия эксплуатации;

- особенность типа и характеристик выбранной аккумуляторной батареи;

- управление режимом заряда, определяемое возможностями применяемого зарядного устройства;

- фактор непредсказуемости условий заряда, зависящий от погодных условий данной конкретной местности;

- наличие сетевых или резервных источников электроснабжения;

- характерный график энергопотребления.

В результате многолетних исследований и участия в научно-технических разработках в области альтернативной энергии появились автономные источники тока, сбалансированные по экономическим показателям, степени надежности, электрическим характеристикам, сроку службы и удобству в эксплуатации.

Аккумуляторные батареи, применяемые для накопления, сохранения и использования преобразованной возобновляемой энергии, прежде всего, должны быть:

- малообслуживаемыми или полностью необслуживаемыми в течение всего срока эксплуатации;

- работать в нескольких положениях;

- обладать широким рабочим температурным диапазоном;

- иметь низкий саморазряд;

- допускать эксплуатацию в плохо вентилируемой и влажной атмосфере;

- выдерживать сложные условия разряда и нестабильный заряд;

- обладать хорошими циклическими свойствами.

Системы независимого электроснабжения в настоящее время широко применяются также для городского уличного освещения, остановок общественного транспорта, торговых, парковочных и разменных автоматов.

Традиционными на сегодняшний день становятся применения возобновляемой энергии для:

- электропитающих установок индивидуального использования;

- электроснабжения отдаленных районов;

- железнодорожных светофоров;

- навигационных средств;

- систем связи: ретрансляторов, сотовой радиосвязи, систем аварийного оповещения;

- трубопроводов: насосов, помп, двигателей;

- метеорологических станций.

Во всех перечисленных случаях требуются надежные и долговечные аккумуляторы для сохранения, накопления и использования преобразованной энергии солнца и ветра. Типовая схема энергетической установки с использованием энергии солнца и ветра состоит из фотоэлектрической панели, вырабатывающей электричество постоянного тока при освещении солнечным светом, блока управления напряжением и током панели, аккумуляторной батареи, системы управления режимом заряда батареи, DC-AC инвертора, преобразующего постоянное напряжение в переменное для питания потребителей переменного тока.

Система может быть дополнена ветрогенератором с его системой управления, дизель-генератором, который будет запускаться в периоды пикового потребления и обеспечивать дополнительное резервирование питания при длительных неблагоприятных условиях по солнечной освещенности и ветровой энергии.

При проектировании электроустановки с использованием возобновляемой энергии, следует провести анализ распределения освещенности по сезонам с учетом продолжительности светлого времени, географического положения объекта, а также статистики силы ветра. Для снижения энергопотребления следует по возможности применить энергосберегающие технологии - источники света и другое электронное и электротехническое оборудование.

Опыт эксплуатации такого рода объектов показывает, что при выполнении указанных требований может быть обеспечена его полная автономия. Система электроснабжения может быть как полностью независима от магистральных энергетических сетей, так и встроена в сеть общего пользования.

В последнем случае устройства преобразования возобновляемой энергии выполняют функцию резервирования питания потребителей, а избыточная выработанная энергия может направляться обратно в сеть с соответствующим возмещением ее стоимости. При оценке энергопотребления в режиме разряда аккумуляторов и определении типа и емкости батареи желательно обратиться к специалистам для того, чтобы выбранная аккумуляторная батарея обеспечила в ходе дальнейшей эксплуатации максимальный срок службы [3].

Установлено, что наиболее важными показателями качества АБ являются: емкость, напряжение, габариты, вес, стоимость, допустимая глубина разряда, срок службы, КПД, диапазон рабочих температур, допустимый ток заряда и разряда [4].

Аккумуляторы общего назначения обычно дешевле остальных. Они наиболее распространены на рынке. Примерно 60 % всех продаваемых в мире аккумуляторов относятся к свинцово-кислотным [3]. Более того, практически все аккумуляторы, которые завозятся в Казахстан, являются аккумуляторами общего назначения. Это объясняется тем, что основной потребитель герметичных, необслуживаемых аккумуляторов - системы телекоммуникаций. Они используются для обеспечения резервного электроснабжения в случае аварий в сетях централизованного электроснабжения. Батареи общего назначения прекрасно работают в буферном режиме, т.е. в режиме подзарядки. В таком режиме служат до 10-12 лет. Если же их использовать в циклическом режиме (т.е. постоянно заряжать-разряжать на хотя бы 30%-40% от емкости), то их срок службы существенно сокращается.

В связи с этим, в системах на базе возобновляемых источников энергии, а также в системах бесперебойного питания, целесообразно использовать, хотя и более дорогие, герметичные, необслуживаемые АБ глубокого разряда.

Такие АБ имеют большую, по сравнению батареями общего назначения (и тем более, стартерными батареями), толщину пластин электродов; также, в них применены специальные технологии, поэтому срок их службы в режиме длительного разряда намного превышает срок работы стартерных батарей и герметичных батарей общего назначения. Тем не менее, не стоит совсем отказываться от применения АБ общего назначения. При условии максимального разряда не более 30% от емкости, AGM и гелевые аккумуляторы общего назначения обеспечат надежную и долгую работу оборудования в вашей резервной и даже автономной энергосистеме. При этом нужно правильно выбирать тип АБ (гелевую или AGM) в зависимости от режимов работы вашего оборудования [5].

Следовательно, аккумуляторная батарея в системах на возобновляемых источниках энергии, в силу непостоянства возобновляемого ресурса, это необходимый элемент.

В настоящее время, нами ведутся исследования по повышению эффективности систем накопления возобновляемой электрической энергии. Целью наших исследований является повышение эксплуатационных свойств АБ. Объектом исследований являются стандартные свинцово-кислотные батареи, потому, что литий-ионные являются в настоящее время достаточно редко применяемой технологией, а другие типы батарей являются дорогостоящими и применяются тоже сравнительно нечасто для использования в энергетических целях.

Литература:

1. Баранов Н.Н. Нетрадиционные возобновляемые источники и методы преобразования их энергии. - М.: Издательский дом МЭИ, 2011. —- 216 с.

2. http://www.batterycouncil.org

3. Первая международная научно-практическая конференция. «Новые решения по построению высоконадежных систем постоянного тока для объектов энергетики. Мировые тенденции». 17-18 февраля 2005 г. Москва, стр. 12—16.

4. Дасоян М.А., Агуф И.А. Современная теория свинцового аккумулятора. Л., «Энергия», 1975, —312 с.

5. Хрусталев Д. А. Аккумуляторы. —М.: Изумруд, 2003. — 224 с.