Аккумулирование тепла: за этим

Пневматические системы

Принцип их работы достаточно прост. С помощью насоса сжимается воздух и закачивается в резервуар. При необходимости расходования электроэнергии воздух выпускается из резервуара, проходя через турбину, вырабатывающую электроэнергию. Идея тоже древняя, относится к XIX веку. Главный недостаток — КПД не превышает 55%. Тем не менее в XX веке аккумулирующие электростанции на основе сжатого воздуха широко использовались в США и Германии. Кстати, в Германии для закачки воздуха использовались заброшенные соляные шахты. Но потом все сошло на нет — последняя электростанция на сжатом воздухе была запущена в США в 1991 году.

В 2010-х годах идею возродили, и на деньги Европейского союза запущен исследовательский проект Ricas 2020, направленный на поиск новых способов использования сжатого воздуха для накопления энергии с более высоким КПД. Но пока ни о каких реальных результатах не известно.

Как выбрать аккумулятор для дома

Если выключение света становится постоянным явлением, следует задуматься о приобретении накопителя электроэнергии для дома. Батарея для компьютера проблемы не решит, так как имеет ограниченный ресурс. Необходимы устройства, которые могут обеспечить нормальную жизнедеятельность людей на протяжении нескольких часов, а лучше — суток. Такая техническая рука помощи пригодится при масштабных авариях на линии.

Критерии выбора следующие

• сложность монтажа и ввода в строй;
• стоимость доставки и специального обслуживания;
• устойчивость к перепадам температуры и влажности;
• КПД, у современных устройств он достигает 98%;
• ресурс эксплуатации — 5000-10000 м/ч;

Бесперебойник на весь дом

Подобный ИБП устанавливается сразу после вводного автомата и обеспечивает гарантированным электропитанием весь дом по трем фазам. В этом случае, для оповещения об отключениях устанавливается GSM модуль или выводится сигнальная лампа на видное место.

При установке ИБП для дома иногда целесообразно в обход источника подключать мощную неприоритетную нагрузку: электропечь сауны, всевозможные электрические подогревы, резервный электрокотел и т.п.

Для бесперебойного питания всего дома с точки зрения оптимального соотношения бюджет/функционал мы рекомендуем одну из трех конфигураций:

Мощный однофазный инвертор и автоматика коммутации фаз. В этом случае одна основная фаза запитывается напрямую через инвертор, две остальных фазы подключаются на инвертор через быстродействующие контакторы. Линия инвертора обеспечивает переключение на резервное электропитание от аккумуляторов за 10мс, а это время не заметно для любого типа оборудования. Остальные две фазы подключаются за 100мс.

ИБП типа он-лайн конфигурации 3в1, что означает трехфазный вход и однофазный выход. Этот источник стабилизирует напряжение, объединяет мощность всех фаз в одну. Таким образом, мы получаем равномерную нагрузку по фазам, идеальное напряжение и, конечно, бесперебойное питание. Это одно из лучших решений при стандартной выделенной мощности в 15кВт.

При большой выделенной мощности оптимально использовать промышленные трехфазные ИБП on-line типа конфигурации 3в3 номиналом от 30-40кВт и выше.

ИБП на 36кВт. Доступный диапазон от 20кВа до 120кВа.

Стоимость среднего ИБП на весь дом с автономной работой на 8-10 часов составит около 250-350т.р.

Как выбрать подходящий

Выбирать ИБП следует, исходя из ситуации, в которой он вам понадобится. Если компьютер мощный или вы используете локальную сеть, то лучше выбирать самый дорогой и мощный бесперебойник, который обеспечит стабильную работу сети. Идеальным вариантом в этом случае станет устройство с двойной схемой.

Для поддержания работоспособности небольших компьютеров, а также электрических приборов в дачах и коттеджах лучше воспользоваться обычными ИБП с небольшой мощностью на базе интерактивной или резервной схемы. Важным фактором является предпочтительная ценовая категория, в рамках которой подбирается машина.

Фокус на электрохимии

Наибольшие усилия в мире пока сконцентрированы в области электрохимических технологий хранения, построенных на взаимодействии двух электродов и специальной жидкости — электролита (в последнее время ведется много работ по использованию не только жидкого, но и твердого электролита). По этому принципу работают уже известные свинцовые, щелочные и семейство литиевых аккумуляторов.

Интересное решение предлагают проточные батареи, которые имеют увеличенную емкость, за счет применения двух банок с электролитом — заряженным и разряженным. В них электролит «прокачивается» между электродами. Американская Primus Power, в которую два года назад Российско-Казахстанский фонд нанотехнологий (РКФН, его соучредитель — РОСНАНО) инвестировал $5 млн, внедряет проточные системы накопления на ВИЭ-объектах в Казахстане.

Главная проблема всех электрохимических технологий — ограниченный ресурс, то есть количество циклов заряда и разряда, после которых батареи начинают садиться, поскольку реакция не полностью обратима. Любые батарейки постепенно деградируют и перестают работать. Даже у лучших образцов ресурс достигает 3–10 тысяч циклов. Соответственно, если цикл заряда/разряда происходит хотя бы раз в день, то срок службы составит около 8 лет, два раза в день — аккумулятор прослужит только 4 года. Энергетика мыслит длинными циклами, а значит, решение будет относительно дорогим с учетом необходимости замены ячеек. При этом емкость хранилища может быть любой — она варьируется количеством ячеек.

Сегодня стоимость электрохимических накопителей колеблется в диапазоне от $350 до $500 за 1 кВт•ч хранения с учетом комплексного решения. Они постоянно дешевеют, но пока непонятно, за счет чего произойдет дальнейшее значительное удешевление в электрохимии. Пока основную ставку делают на технологии «литий — сера» и «литий — воздух», но они не дошли до промышленного использования.

Ключевое преимущество электрохимии перед механическими накопителями — высокая плотность хранения энергии, что сокращает вес и объем аккумулятора. Компактность решений позволяет применять их в мобильных объектах — электропоездах, погрузчиках, автомобилях, скутерах, велосипедах, а также в самолетах и дронах.

Общие сведения об энергетических накопителях

В природе немало постоянных и неисчерпаемых источников энергии, которая и применяется для обслуживания различных потребностей человечества. Но для конечного ее использования она должна пройти много этапов переработки и аккумуляции. Эту функцию выполняют энергостанции и подстанции. В список их непосредственных задач входит генерация энергии с приемлемыми для использования характеристиками, а также ее преобразование и распределение. Основная инфраструктура энергообеспечения жилых домов, объектов промышленности, инженерного оборудования и других ответственных потребителей реализуется через стационарные электросети. В них осуществляется постоянное снабжение, но сегодня стабильно растет спрос на автономное оборудование, устройства и электроприборы. Специально для таких потребителей используется емкостной накопитель энергии, который является независимым источником питания, но условно – с определенными интервалами он должен и сам заряжаться от тех же стационарных сетей. Простейшим примером такого накопителя является телефонная батарея. К примеру, элемент Li-Ion может иметь емкость порядка 2000-3000 мАч. Ее будет достаточно на несколько часов или дней автономной работы обслуживаемого устройства в зависимости от его модели. Но после исчерпания этого объема аккумулятор должен подключаться к розетке на 220 В для восстановления.

Мобильные дизельные электростанции

Иногда возникает экстренная необходимость в источнике электрической энергии, а взять его негде, в такой ситуации помогут мобильные дизельные электростанции — портативные генераторы, которые монтируются на специальном прицепе. Аппарат можно очень быстро доставить в нужное место с помощью автомобиля.

Поскольку такими ДГУ обычно используются в областях, где надежность — обязательное условие, стоит очень тщательно выбирать производителя. Сотрудники силовых ведомств и МЧС, медики и строители предпочитают аппараты для генерации электричества от известных брендов, это:

• Aksa (данная турецкая компания предлагает достаточно дешевые дизельные электростанции на шасси, качество не уступает американским и европейским аналогам);
• NeuHaus (на территории РФ оборудование от этой фирмы пользуется заслуженной популярностью, благодаря тому, что производство расположено в нашей стране, цена более чем приемлемая);
• FG Wilson (характерная черта — максимально широкий модельный ряд, вы сможете легко выбрать устройство подходящей мощности);
• Cummins (преимущество этих дизельных электростанций на шасси — хороший выбор модулей, добавляющих дополнительные функции).

Мы оказываем полный спектр услуг по разработке и реализации проектов электросетей для любых объектов — от крупных производственных комплексов до маленьких заводов, для которых большие мощности просто не нужны.

После монтажа наше сотрудничество будет продолжаться в формате сервисной поддержки, в случае возникновения необходимости мастера в кратчайшие сроки починят вашу мобильную дизельную электростанцию.

Виды

Существует три основных типа ИБП, о которых будет написано ниже.

Резервная схема

Резервная схема с внешним питанием подзаряжается непосредственно от электрической сети в стабильном режиме, когда нет перебоев и напряжение в сети находится в пределах 6 квт, а мощность не превышает 220вт. Если электропитание осуществляет скачки либо пропадает, то ИБП с аккумулятором переходят на собственные ресурсы при помощи инвертора.

Инвертор — это механизм, который преобразует постоянный ток в переменный, изменяя частоту и напряжение. Инвертор входит в состав бесперебойника.

Если напряжение возвращается к изначальным, нормальным показателям, то резервная схема задействует собственный блок питания. В целом, резервная схема идеально подходит для загородного или частного дома.

К плюсам резервной схемы питания относятся:

• Такие механизмы стоят дешевле аналогов;
• Работают беззвучно и практически не нагреваются за счет коэффициента полезного действия, составляющего 99 процентов.

Среди минусов можно перечислить:

• Долго переключается на собственное питание;
• Нельзя своими руками настраивать силу напряжения и частоту подачи энергии;
• Напряжение выходит в несинусоидальной форме, при работе от собственного аккумулятора.

Резервные бесперебойники обычно используются для поддержания работоспособности локальных сетей и компьютеров от системы электропитания. Дешевые механизмы, имеющие маломощный инвертор и стабилизатор, относятся к данной категории.

Интерактивная схема

Интерактивная схема имеет аналогичное строение с предыдущей моделью. Дополнительным компонентном является стабилизатор напряжения, который регулирует напряжение, подаваемое на выход.

Если напряжение в сети не превышает 6 квт, а мощность находится в пределах 220вт, то интерактивный бесперебойник работает в нормальном режиме. В иных случаях он подключает к работе собственный блок питания.

Данная модель быстрее переходит на питание от собственной батареи. Инвентор и стабилизатор этого механизма могут подавать, как напряжение прямоугольной или трапецеидальной формы, так и обычной синусоидальной. Это зависит от марки модели.

Недостатком является более низкое КПД, в результате чего при падении напряжения ниже 6 квт механизм начинает шуметь и нагреваться.

Еще одним недостатком является тот факт, что интерактивная схема не фильтрует пики, ее стабилизатор очень примитивен, зато инвертор мощнее устройство с резервной схемой.

Если в вашем доме электричество часто падает ниже отметки в 220вт, то лучше выбрать данный тип схемы с внешним питанием.

В режиме работы от батареи через трансформатор этой схемы приходится пропускать сотни квт, в результате чего ей придется повысить частоту. Повышение частоты приводит к сбоям в работе асинхронных двигателей, на которых работают отопительные системы.

Эту особенность интерактивных схем важно учитывать, осуществляя выбор марки и модели производителя. Устройства с такой схемой идеально подойдут для питания компьютеров и простой бытовой техники для дома и дачи, используя собственный блок питания

Аккумуляторы

Для накопителей, выравнивающих энергопотребление, обычные свинцово-кислотные аккумуляторы не подходят. Это связано с малым количеством циклов заряда-разряда, а также необходимостью обслуживания аккумуляторов (при-ходится регулярно доливать дистиллированную воду из-за испарения электролита). В солнечных электростанциях небольшой мощности применяются так называемые гелевые аккумуляторы. В них электролит находится не в форме жидкости, а в форме геля. Такие аккумуляторы не требуют обслуживания. Их недостатком является то, что при зарядке свыше номинального уровня они быстро выходят из строя, но эта проблема решается при помощи современных микропроцессорных контроллеров. Уникальным преимуществом гелевых аккумуляторов является их возможность работы при низких (до —15°С) температурах. Благодаря этому нет необходимости специально отапливать накопитель, размещенный на улице, достаточно тепла, отводимого от контроллера.

Более совершенными являются никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы. Они надежны и обеспечивают сохранение большего количества энергии в меньшем объеме. Тем не менее для накопителей энергии, сглаживающих пики потребления в сети, данные аккумуляторы непригодны из-за ярко выраженного «эффекта памяти». При неполном разряде и последующем заряде емкость аккумулятора снижается. Требуется полностью разряжать аккумулятор и потом заряжать его до 100%. Для рассматриваемого применения такие аккумуляторы непригодны. Более продвинутые никель-металлогидридные (NiMH) аккумуляторы обладают большей емкостью, «эффект памяти» в них менее выражен, но все-таки присутствует.

Аккумуляторы типоразмера 18650 используются в электромобилях, и они же являются основой накопителей энергии

Наиболее популярным сейчас являются литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы. Именно их сейчас используют в накопителях, устанавливаемых непосредственно у потребителей, а также в ключевых местах электросети. Кстати, идея создания накопителя, стоящего у потребителя дома, возникла из необходимости использования аккумуляторов типоразмера 18650, применяемых в электромобилях. По мере износа аккумуляторной батареи в электромобиле производитель забирает ее себе обратно (почему — будет сказано далее). Аккумуляторы, которые уже не могут обеспечить нужную тягу электромобилю, тем не менее подходят для использования в бытовом накопителе энергии. После всестороннего тестирования их туда и ставят. Что же касается накопителей, устанавливаемых на узлах электросети, то в них используют новые аккумуляторные батареи, но есть проекты построения таких накопителей и на основе аккумуляторов, ранее стоявших в электромобилях.

Накопитель Tesla Powerwall 2

Преимуществами Li-Ion аккумуляторов являются: высокая плотность накапливаемой энергии, пренебрежительно малый уровень «эффекта памяти», низкое выходное сопротивление, что позволяет на пиках нагрузки отдавать потребителю большую мощность. Но есть и недостатки. При неправильных зарядке и эксплуатации аккумуляторы не просто выходят из строя, они могут воспламеняться и даже взрываться. Проблема решается с помощью микропроцессорных контроллеров в зарядных устройствах, тем не менее, иногда такие устройства могут давать сбои. Литий — чрезвычайно токсичный химический элемент, вот почему производители электромобилей в обязательном порядке забирают себе обратно отработавшие свое аккумуляторы. Наконец, запасы лития в мире ограничены, уже в ближайшее время прогнозируется нехватка этого металла.

Большая домашняя батарейка

Большая домашняя батарейка российского производства Экомоторс является недорогим и эффективным аналогом накопителю Tesla PowerWall. Изделие используется для резервного питания частных домов, дач, офисов и прочих объектов, которые в любой момент могут отключить от электричества. Также его можно устанавливать в жилых фургонах, бытовках и передвижных столовых. Устройство накапливает энергию по низким тарифам в ночное время. Имеет компактные размеры, крепится на стене в вертикальном или горизонтальном положении.

• емкость — 7,8 кВт/ч;
• напряжение батареи — 24 В;
• мощность — 7,2 кВт;
• размеры — 1000×500×250 мм;
• вес — 100 кг;
• количество циклов — 7000.

Контроль работы и состояния устройства осуществляется с помощью планшета Android с возможностью вывода информации на ПК или сотовый телефон.

Выбор аккумуляторов

Аккумуляторы в ИБП используются внутренние, внешние и комбинированные.

ИБП с внутренними аккумуляторами рассчитаны на 10-20 минут непрерывной работы.

Внешние аккумуляторы дают возможность работы в течение нескольких часов. Кроме того, срок службы аккумуляторов меньше, чем срок работы самого ИБП. Внешние аккумуляторы проще заменить при необходимости.

Необходимую емкость батарей проще всего определить по таблицам или калькулятору на сайте производителя. Непосредственный расчет слишком сложный, необходимо учесть КПД, реактивную мощность и другие факторы.

Использование автомобильных аккумуляторов не рекомендуется. Они, в отличие от специальных, не герметичные, за исключением необслуживаемых. При работе в воздух выделяются пары кислоты, водород и кислород. Это недопустимо для закрытых, а тем более жилых помещений. Однако много специалистов подключают автомобильные аккумуляторы и они прекрасно работают. Это зависит от типа ИБП и встроенных аккумуляторов. Иногда автомобильные батареи заряжают отдельным зарядным устройством и необходимо следить за уровнем заряда. При хранении в отключенном состоянии происходит саморазряд аккумулятора и через некоторое время ИБП не сможет работать. Потребуется предварительная зарядка. Кроме того, хранение в разряженном состоянии вредно для аккумулятора.

Что это за устройство

ИБП — это электронное устройство, которое обеспечивает бесперебойную, но кратковременную подачу электроэнергии для компьютера.

Инвертор и стабилизатор, которые регулируют подачу питания от аккумулятора

Основное предназначение данного механизма — сохранение важной информации, которая содержится на компьютере, во время несанкционированных отключений электричества или перебоев с его подачей

Этот механизм является вторичным источником питания и оборудован аккумулятором. Он может поддерживать работу не только компьютера, но и схемы управления котельной системой.

Для начала давайте посмотрим одно видео на эту тему

ИБП не подходит для постоянного питания механизмов, работающих от внешних источников питания. Для этого лучше выбрать резервный источник или генераторы.

Механические накопители

Данная категория накопителей имеет самую долгую историю существования. Для иллюстрации таких устройств можно привести в пример гравитационные системы. Сегодня уже почти не используются, но прежде были широко распространены подъемно-поворотные ворота с противовесами. В них используется энергия груза, которая аккумулируется и в нужный момент возвращается в той или иной форме – это зависит от конструкционного исполнения накопителя. Помимо обычных грузов, в качестве активного аккумулирующего элемента выступает и жидкость. К достоинствам таких систем можно отнести конструкционную гибкость. Инженеры могли использовать разветвленные сети трубопроводов, проходя через которые вода отдавала энергию сопряженным резервуарам. В наше время подобные накопители энергии представлены в виде гидроаккумулирующих станций. Правда, жидкостные накапливающие устройства характеризуются небольшим временем хранения, так как вода испаряется и требует регулярного обновления.

Эндотермические и экзотермические химические реакции

Технология на основе гидратов солей

Примером экспериментальной технологии накопления энергии на основе энергии химических реакций является технология на основе гидратов солей. Система использует энергию реакции, создаваемой в случае гидратации или дегидратации солей. Это работает благодаря хранению тепла в резервуаре, содержащем 50 %-ный раствор гидроксида натрия. Тепло (к примеру, получаемое с солнечного коллектора) хранится за счет испарения воды в ходе эндотермической реакции. Когда воду добавляют вновь, в ходе экзотермической реакции при 50C (120F) высвобождается тепло. На данный момент системы работают с КПД в 60 %. Система особенно эффективна для сезонного накопления тепловой энергии, так как высушенная соль может храниться при комнатной температуре длительное время без потерь энергии. Контейнеры с обезвоженной солью даже могут перевозиться в различные места. Система обладает большей плотностью энергии, чем тепло, накопленное в воде, а ее мощность позволяет хранить энергию в течение нескольких месяцев или даже лет.

В 2013 году голландский разработчик технологий «TNO» представил результаты проекта «MERITS» по хранению тепла в контейнере с солью. Тепло, которое может доставляться с солнечного коллектора на плоскую крышу, выпаривает воду, содержащуюся в соли. Когда воду добавляют снова, тепло высвобождается практически без потерь энергии. Контейнер с несколькими кубометрами соли может хранить достаточно термохимической энергии, чтобы обогревать дом всю зиму. При температурном режиме, как в Нидерландах, среднее теплоустойчивое хозяйство потребует за зиму примерно 6,7 ГДж энергии. Чтобы сохранить столько энергии в воде (при разнице температур в 70C), потребовалось бы 23 м3 воды в изолированном резервуаре, что превышает возможности хранения большинства домов. С использованием технологии на основе гидрата солей с плотностью энергии около 1 ГДж/м3, достаточно было бы 4-8 м3.

По состоянию на 2016 год, исследователи из нескольких стран проводят эксперименты по определению наилучшего типа соли или смеси солей. Низкое давление внутри контейнера кажется наилучшим для передачи энергии. Особенно перспективными являются органические соли, так называемые «ионные жидкости». По сравнению с сорбентами на основе галида лития они вызывают гораздо меньше проблем в условиях ограниченных природных ресурсов, а в сравнении с большинством галидов и гидроксидом натрия – менее едки и не дают негативного воздействия через выбросы углекислого газа.

Молекулярные химические связи

На данный момент исследуется возможность хранения энергии в молекулярных химических связях. Уже достигнута плотность энергии, эквивалентная ионно-литиевым батареям.

Системы накопления (хранения) энергии и Электромобили

• Электромобили
• Электромобили (мировой рынок)
• Электромобили (рынок России)
• Электромобили (рынок Украины)
• Электромобили (рынок Белоруссии)
• Электромобили (рынок Германии)
• Электроавтобусы
• Электрозаправки (электрозарядные станции, ЭЗС)
• Водородные автомобили
• Электросамокаты

В России:

• Система оперативно-технологического управления распределительными электрическими сетями
• Автопилот (беспилотный автомобиль)
• Беспилотный автомобиль КамАЗ, КамАЗ Drive Electro Электробус, КамАЗ-Чистогор
• C-Pilot
• MatrЁshka
• Traft: Беспилотный грузовик
• Revolta Engineering
• Drive Electro
• Тролза
• Polytech Solar Электромобиль
• Modulo Электробус
• Zetta
• ПК Транспортные системы
• Муравей (первый российский электромобиль)

В мире:

• Tesla Model, Tesla Semi Truck- Tesla Motors
• Polestar, Volvo 7900 (беспилотный электроавтобус), Volvo XC40 — Volvo Cars Group
• Toyota Электромобили, Toyota e-Palette, Toyota ProAce Electric
• Audi e-tron (электромобиль)
• BMW i3 Электромобиль, BMW iX3, BMW i4, BMW eDrive Zones
• Freightliner eCascadia (электрический грузовик)
• Honda Электрокары, Honda e (электромобиль), Honda Everus VE-1, Cruise Origin
• Hyundai Kona Electric (электромобиль), Ioniq (электромобили)
• Ford Электромобили Ford Transit Custom PHEV Ford Transit Smart Energy Ford Mustang
• Volkswagen Электромобили, Volkswagen Moia, Volkswagen ID3, Volkswagen ID4, JAC Volkswagen
• JAC Motors JAC iEV7S
• Continental
• Bosch e-axle
• EVlink Wallbox Электрозаправки
• Nissan Leaf Nissan Яндекс.Авто Концепт, e-4ORCE, Ariya (электрокроссовер)
• Siemens eHighway Электромобили
• Catalyst E2 (электроавтобус)
• Roborace Robocar
• Mercedes-Benz Concept IAA, Mercedes-Benz EQC, Vision Mercedes-Maybach Ultimate Luxury
• Enevate
• Aston Martin RapidE Электромобиль
• Jaguar I-Pace (электромобиль), ElectriCity (сервис электротакси)
• Porsche Taycan электромобиль
• Mazda MX-30 (электромобиль)
• Bentley Motors Octopus (проект разработки технологий для электромобилей)
• Enverge (электрокроссовер)
• R1T (электромобиль)
• Manta5 Hydrofoiler XE-1 (водный электровелосипед)
• Panasonic eCUV Компактный электротранспорт для бизнеса
• Arrival (ранее Charge R&D), Arrival Bus Пассажирский электробус
• MW Motors, MWM Spartan
• Lordstown Motors, Endurance (электрический пикап)
• Farasis Energy
• Rivian
• Cross Dirt (электрический мотоцикл)

Технологии накопления (хранения) энергии:

• Prime Planet Energy & Solutions
• Системы накопления (хранения) энергии (СНЭ)
• Аккумуляторы для электромобилей (мировой рынок)
• Аккумуляторные батареи (мировой рынок)
• Литий-титанатные аккумуляторы
• Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion)
• Литий-ионные аккумуляторы (мировой рынок)
• Литий-ионные аккумуляторы, ЛИА (рынок России)
• Литий-воздушный аккумулятор (lithium-air, Li-air)
• Литий-полимерные аккумуляторы
• Литиевая батарея Kyocera
• Электрический аккумулятор
• Стартерные аккумуляторы (рынок России)
• Аккумуляторы с твердым электролитом
• Твердотельные аккумуляторы
• Стартерные аккумуляторы (рынок России)
• Портативные аккумуляторы (мировой рынок)