Ионисторы в энергетике - 2

22 December 2020

Ионисторы в энергетике - 2

Продолжая рассказ о применении суперконденсаторов (ионисторов), начатый в статье «Ионисторы в энергетике» в 2019 году, отметим, что эти устройства занимают узкие рыночные ниши, где приносят значительный экономический эффект и часто даже оказываются незаменимыми.

Начнём с того, что блоки суперконденсаторов успешно применяются в резервных электрогенераторах для центров обработки данных, клиник и т. п. Когда пропадает сетевое напряжение, суперконденсаторы обеспечивают выдачу мощности в течение нескольких (а иногда и десятков) секунд, пока не запустится и не наберёт номинальные обороты дизельный двигатель.

Энергоустановки морских и речных судов работают в непростых условиях: радары и сонары, которыми оборудованы корабли, создают пульсирующие электрические нагрузки. Стандартные электронные регуляторы не помогают - они вынуждают двигатель постоянно менять обороты. Ситуацию спасают системы стабилизации напряжения на основе ионисторов или гибридных накопителей, включающих ионистор и электрохимический аккумулятор.

В СТУПИЦАХ ВЕТРОВЫХ ТУРБИН

Системы управления поворотом лопастей относятся к критически важным элементам ветрогенераторов. При ураганном ветре и отключении электросетей, когда энергоустановку останавливают, плоскость лопасти ориентируют вдоль воздушного потока. А во время нормальной работы установки система управления постоянно подстраивает угол лопастей, регулируя скорость вращения ротора в зависимости от меняющейся силы ветра.

Первые мощные ветровые турбины оснащались гидравлическими системами поворота лопастей. Электроприводы с источниками бесперебойного питания на основе свинцово-кислотных аккумуляторов начали появляться в их ступицах в 1990-х. Батареи приходилось заменять раз в два-три года из-за работы в условиях резкопеременных нагрузок и постоянных колебаний температур. Каждая такая замена требовала визита сервис-персонала и остановки ветрогенератора, что выливалось в серьёзные денежные потери.

Серийные технические решения с использованием суперконденсаторов стала предлагать на рынке в 2006 году компания Enercon. С тех пор они только набирают популярность. Суперконденсаторы, работающие в широком диапазоне температур и не требующие замены в течение как минимум десятка лет, особенно большой выигрыш дают на море, где персонал для техобслуживания приходится доставлять с берега катером или вертолётом.

По данным журнала Renewable energy world в 2015 году новые турбины на 43% оснащались суперконденсаторными системами, на 20% - батарейными, а оставшиеся 37% рынка удерживала старая добрая гидравлика.

Ионисторный модуль для замены батарей в ветроустановках
Ионисторный модуль для замены батарей в ветроустановках

Сегодня многие владельцы устаревших ветроустановок с ИБП на кислотно-свинцовых аккумуляторах занимаются их переоснащением на более современные и надёжные ионисторные системы. Они устраняют необходимость периодической замены батарей и исключают ситуации, когда после остановки ветрогенератор невозможно завести из-за того, что аккумуляторы разрядились и лопасти не поворачиваются в рабочее состояние.

В НАСОСАХ

Частотно-регулируемые преобразователи (ЧРП) для электронасосов сегодня помогают электростанциям и водоканалам сберечь многие миллионы киловатт-часов электроэнергии. В таком электроприводе переменное напряжение электросети обычно сначала выпрямляется для получения постоянного напряжения, а затем подаётся на импульсный преобразователь, задающий требуемую частоту для работы электродвигателя.

Поскольку качество работы ЧРП сильно зависит от стабильности постоянного напряжения на входе импульсного преобразователя, компания Skeleton Technologies (Германия) разработала систему сглаживания этого напряжения. Аппаратура монтируется в шкафу шириной 0,6 и высотой 2,2 метра, где помещается до шести 600-вольтных ионисторных модулей. Шкаф выдаёт мощность 350 кВт в течение нескольких секунд, исключая резкие броски энергопотребления при изменении оборотов и нагрузки электродвигателя. Система также защищает производственное оборудование от кратковременных перерывов в подаче напряжения.

НА БУРОВЫХ

Когда бурильная колонна опускается в скважину, электродвигатель лебёдки работает в режиме генератора электроэнергии, которая рассеивается в виде тепла на балластном резисторе. Из-за того, что периодически приходится поднимать и опускать колонну весом в десятки и даже сотни тонн (для замены долота или обслуживания турбобура), при бурении каждой скважины впустую теряется огромное количество энергии.

Китайские учёные из Сианьского нефтяного университета предложили способ увеличить общую эффективность бурения, применив ионисторный накопитель. Идея в том, чтобы работающий буровой станок превратить в гравитационный накопитель энергии, который поможет поднимать бурильную колонну частично за счёт энергии, сгенерированной при её опускании в скважину.

Схема подключения электродвигателя буровой лебёдки, предложенная в Китае
Схема подключения электродвигателя буровой лебёдки, предложенная в Китае

Так как вес опускаемой колонны всё время увеличивается, а поднимаемой - уменьшается, нужно оптимизировать алгоритм заряда и разряда ионисторов. Учёные предложили вариант устройства системы электропривода лебёдки (см. схему) и смоделировали энергозатраты при бурении с учётом и без учёта рекуперации в операциях подъёма-опускания крюка без полезного груза. Согласно их выкладкам при проходке километровых скважин лебёдка с рекуперацией сэкономит до 40% энергии. В случае скважин глубиной 12 км можно добиться экономии до 16%, которая, однако, в абсолютном значении будет просто огромной.

В ЭЛЕКТРОБУСАХ

Для зарядки городских электробусов, курсирующих по фиксированным маршрутам, предложены три основных метода.

1. Ночная зарядка примерно за шесть часов. В этом случае электробус должен возить огромную батарею, которая для 12-метровой машины будет иметь ёмкость порядка 350 кВт·ч.

2. Зарядка на конечных остановках длится порядка 10-15 минут, а ёмкость бортовой батареи в 12-метровой машине сокращается до 40-60 кВт·ч. При этом инфраструктура распределительных сетей нагружается сильнее - электроэнергия потребляется короткими интервалами утром, днём и вечером.

3. Флэш-зарядка на каждой остановке за 20-30 секунд, пока пассажиры входят и выходят, и полная зарядка на конечной станции маршрута. Такой вариант позволяет применить бортовую батарею ёмкостью всего 1-2 кВт·ч, которая должна состоять уже не из ионолитиевых аккумуляторов, а из суперконденсаторов. В этом случае на остановках нужно применить модули суперконденсаторов, способные быстро отдавать большое количество энергии, выдерживая до миллиона циклов заряда-разряда.

Третье решение усложняет зарядную инфраструктуру, но зато позволяет резко снизить затраты на приобретение и обслуживание электробусов, исключив из них блок ионолитиевых аккумуляторных батарей, который дорого стоит, требует периодической замены и плохо поддаётся вторичной переработке.

Для систем флэш-зарядки в Италии разработана и протестирована на уменьшенной модели оригинальная зарядная станция. Она выдаёт энергию в три этапа при непосредственном соединении ионисторов без использования каких-либо преобразователей напряжения. Для ограничения тока применена индуктивность. Конструкция получилась весьма простая, недорогая и надёжная.

__________________________________

Спасибо за ваши комментарии и лайки. Нам важно, что вы нас читаете.