Накопители энергии
Energy storage.
Накопитель энергии являются одним из ключевых элементов в гибридных системах с функциями бесперебойного электроснабжения (UPS, UMD) и сглаживания пиковых нагрузок (Peak Shaving Systems).
Выбор типа и параметров накопителя является сложной инженерной задачей. Необходимо учитывать не только его мощность и емкость, но и много других факторов:
- электрические параметры: диапазон рабочих и предельно допустимых напряжений, номинальные и максимальные значения тока заряда/разряда, внутреннее сопротивление;
- зависимость электрических параметров от температуры, времени и количества зарядных циклов;
- параметры цикла заряда/разряда: продолжительность, частота повторения;
- параметры окружающей среды: диапазон температур, вибрации, наличие загрязнений и агрессивных газов в атмосфере;
- возможности по размещению: максимально допустимые габаритные размеры и вес, возможности по обеспечению принудительного охлаждения (воздушного или водяного);
- предельную стоимость накопителей;
- гарантированный срок службы, и др.
Для многих типов аккумуляторных батарей необходимо постоянно контролировать параметры их работы (напряжение, ток, температура ячеек батареи, количество циклов и время наработки), а также периодически реализовывать сервисные циклы заряда/разряда. Требуется применение системы контроля работы батарей – battery management system (BMS).
По физическим принципам накопители, применяемые в гибридных системах, могут быть разделены на три группы.
- Механические: маховики, гидроаккумуляторы, пневматические аккумуляторы.
- Электрические: конденсаторы и «суперконденсаторы» (ионисторы).
- Электрохимические: аккумуляторные батареи, водородные топливные ячейки, нано-ионные ячейки.
Новые технологии, применяемые в последние годы при разработке и изготовлении аккумуляторов и «суперконденсаторов», позволяют более широко применять их в качестве «больших» накопителей в гибридных системах в судовых электроустановках и в системах электроснабжения технологического оборудования промышленных предприятий. Батареи становятся компактнее, легче, дешевле, долговечнее, менее подвержены влиянию окружающей среды, требуют значительно меньше затрат на обслуживание.
Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи.
Старейший и наиболее распространенный тип аккумуляторных батарей в системах гарантированного электропитания промышленных предприятий.
Преимущества:
- высокая перегрузочная способность при разряде;
- позволяют работать как в режиме заряд/разряд, так и в режиме поддержания заряда;
- относительно низкая цена.
Недостатки:
- низкая удельная емкость;
- малое количество циклов заряда/разряда;
- относительно низкий зарядный ток;
- свинцово-кислотные АКБ нельзя хранить в разряженном состоянии;
- ограниченный диапазон рабочих температур.
В конце заряда из электролита выделяются взрывоопасные кислород и водород. В некоторых свинцово-кислотных АКБ, производимых по технологии AGM, применяют электролит в форме геля, который абсорбирует и регенерирует выделяющиеся газы. Такие АКБ проще в обслуживании, но существенно дороже.
Пример:
Шкаф АКБ системы бесперебойного питания (СБП) частотно-регулируемого привода (ЧРП) тягодутьевых машин энергетического котла (UMD system for boiler fans). Собран из необслуживаемых аккумуляторных батарей DELTA серии AGM. Подробнее о СБП. Рассчитан на обеспечение бесперебойной работы ЧРП при просадках или пропадании напряжения продолжительностью до 9 секунд. Мощность разряда до 400 кВт.
|
|
| Шкаф АКБ для СБП системы частотного регулирования ТДМ энергетического котла. | Экран панели оператора для отображения функций контроля работы АКБ. |
В системе управления СПБ предусмотрены функции контроля работоспособности АКБ.
- Контроль напряжения и тока заряда и разряда.
- Контроль времени наработки.
- Регулярные лечебные циклы для выравнивания напряжения элементов АКБ.
Литиево-ионные аккумуляторные батареи.
В настоящее время наиболее быстро развиваются технологии, связанные именно с этим типом батарей. Применяют три типа литиево-ионных батарей, отличающихся материалом катода:
- LiCoO2 - кобальтат лития;
- LiMn2O4 - литий-марганцевая шпинель;
- LiFePO4 – литий-феррофосфат.
В отдельную группу выделяют литиево-полимерные аккумуляторы. В таких аккумуляторах в качестве электролита используются полимерные материалы.
Комбинируя различные материалы катода, подложки и электролита производители создают литиево-ионные аккумуляторы с характеристиками, подходящими для самых различных применений и условий эксплуатации.
Возможные применения литиево-ионных аккумуляторов:
- накопители энергии;
- компенсация ударных нагрузок;
- транспорт;
- источники и системы бесперебойного питания.
Производители предлагают различные конструктивы АКБ с пассивным и активным охлаждением (воздушным и водяным), для установки в традиционные конструктивы шкафов АКБ и для установки в 19” IT стойки.
|
|
|
| Li-ion батарея в форм-факторе свинцово-кислотной АКБ с пассивным воздушным охлаждением. | Li-ion батарея для установки в 19” IT стойку с принудительным воздушным охлаждением. | Li-ion батарея с водяным охлаждением. |
Ввиду большого разнообразия типов литиево-ионных аккумуляторов сложно выделять их преимущества и недостатки. В целом можно полагать, что современные литиево-ионные аккумуляторы лучше других подходят для большинства задач накопления электроэнергии в системах электроснабжения промышленных предприятий. Можно подобрать оптимальный тип АКБ с необходимыми токами заряда и разряда, диапазонами рабочих температур, сроком службы. При этом такой аккумулятор будет иметь наибольшую удельную плотность накопленной энергии и по стоимости владения не дороже других типов аккумуляторов.
|
|
| Нагрузочные кривые для Li-ion аккумуляторов с различным материалом анода (графит и кокс). | Кривая зависимости емкости от температуры. |
В большинстве батарей литиево-ионных аккумуляторов производители устанавливают электронные цепи контроля заряда/разряда и температуры ячеек АКБ. Сигналы этих цепей собираются и обрабатываются в системах контроля батарей (BMS). Это позволяет осуществлять непрерывный контроль за работой АКБ из внешней системы управления, что является большим преимуществом при создании и эксплуатации современных автоматизированных систем управления технологическим оборудованием.
Система контроля работоспособности литиево-ионных АКБ.
Для оптимального выбора Li-ion АКБ необходимо учитывать много параметров. Поэтому производители и поставщики этих АКБ просят заказчиков заполнять опросные листы.
Пример:
Система компенсации пиковых нагрузок привода буровой лебедки (Peak Load Shaving system for draw works).
При определении параметров литиево-ионных батарей для данного проекта учитывалось короткое время цикла ударной нагрузки и ограничения по габаритным размерам шкафа АКБ для размещения в помещении распределительного устройства.
Ионисторы (Ionistors).
Физический принцип работы электрический – перенос ионов в электролите между электродами из углерода или электрохимический. По техническим характеристикам ионисторы имеют большое сходство с конденсаторами, обладая при этом большей удельной емкостью. Поэтому, зачастую их называют «суперконденсаторами» или «ультраконденсаторами».
В настоящее время производители предлагают большой выбор ионисторов, которые могут отличаться по принципу действия и составу электролита:
- Идеальные ионисторы. Работают за счет переноса ионов без электрохимической реакции;
- Ионисторы с поляризуемым анодом или катодом. Обратимая электрохимическая реакция проиходит только на одном электроде;
- Псевдоионисторы. Обратимая электрохимическая реакция происходит на обоих электродах.
Преимущества ионисторов (суперконденсаторов) перед электрохимическими аккумуляторами:
- Больше значение токов заряда и разряда. Высокая удельная мощность;
- Более широкий диапазон рабочих температур (зависит от применяемого электролита);
- Проще контроль заряда и разряда;
- Большое количество циклов и долгий срок службы.
Недостатки:
- Удельная емкость в разы меньше чем у электрохимических аккумуляторов;
- Относительно высокая цена.
Области применения «суперконденсаторов»:
- Системы компенсации пиков нагрузок с короткими циклами;
- Системы гарантированного питания ответственных электроприемников на время переключения АВР;
- Системы гарантированного питания электроприводов аварийных механизмов;
- Системы бесперебойного питания электрооборудования наружного размещения при температуре окружающей среды от -60°С до +60°С;
- Рекуперация кинетической энергии при торможении инерционных механизмов.
Суперконденсаторный модуль для установки в электротехническом шкафу. Напряжение 64 В, емкость 250 Ф.
Пример:
Система бесперебойного питания ЧРП погружных насосов на нефтяных месторождениях (UMD system for bore-hole pumps control station).
Мощность подключенного электропривода 315 кВт. Напряжение 400 В. Допустимая температура окружающего воздуха от -40°С до +50°С
Станции управления погружными насосами на месторождении.
Компоновка СБП в шкафу наружной установки двухстороннего обслуживания. Время бесперебойной работы погружных насосов до 15 секунд.
Зачастую при построении гибридных систем одновременно применяют аккумуляторы и суперконденсаторы. Таким образом можно скомпоновать оптимальную систему с требуемой пиковой мощностью и максимальной энергетической емкостью.
Защитный блок с функцией предзаряда для подключения шкафа АКБ.
Предложения Инженерного центра «АРТ».
- Выбор оборудования аккумуляторных батарей и суперконденсаторов для решения задач бесперебойного питания и сглаживания пиковых нагрузок.
- Разработка технических решений по подключению электрических накопителей к оборудованию преобразовательного звена: защитные и коммутационные аппараты, цепи предзаряда, системы контроля батарей (BMS).
- Разработка компоновочных решений шкафов аккумуляторных батарей.
- Поставка оборудования преобразовательного звена.
- Поставка модулей литиево-ионных аккумуляторных батарей ведущих производителей: Kokam, LG Chem, Lenlanche.
- Шефмонтаж и пусконаладка оборудования.
