Глава шестая
АККУМУЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГИИ И ЕЕ ТРАНСПОРТ
Аккумулирование энергии необходимо людям по разным причинам. Прежде всего аккумуляторы энергии необходимы для автономных транспортных установок. Достаточно сказать, что топлива, используемые сегодня на транспорте, по существу являются аккумуляторами химической энергий, Приготовленными природой. Далее, аккумуляторы необходимы нам в сочетании с непостоянными во времени природными источниками энергии, такими, как ветер, солнце, приливы и т. п. Наконец, сегодня большое значение имеет аккумулирование энергии в связи с неравномерностью графика потребления прежде всего электроэнергии. Поскольку большинство типов электростанций, и особенно атомных, нежелательно заставлять работать в переменном режиме, возникает необходимость аккумулировать энергию в то время, когда ее потребляется меньше, чем производится.
При рассмотрении различных типов аккумуляторов энергии должны приниматься во внимание многие их характеристики. Для транспортных установок первостепенное значение имеет удельная энергия аккумуляторов, т. е. энергия, запасаемая 1 кг активного вещества аккумулятора или точнее 1 кг всего аккумулятора включая его конструктивные элементы. В ряде случаев, когда ограничены габариты, существенной может оказаться плотность запасаемой энергии на единицу объема. Важным показателем любого аккумулятора являются потери энергии в процессе хранения и вообще возможная длительность хранения энергии. Иногда собственно аккумулированию энергии предшествует более или менее длинная цепочка преобразований энергии. В этом случае очень важным оказывается суммарный к. п. д. процесса аккумулирования, а затем выдачи энергии в той или иной удобной форме. Наконец, особенно для крупных аккумуляторов, существенное значение имеет удельная стоимость, включающая как стоимость активного вещества, так и конструктивных элементов, вспомогательных механизмов и т. п. Разумеется, важны и эксплуатационные характеристики—температуры, давления, магнитные и электрические поля, безопасность, простота обслуживания и многое другое. Некоторые из этих характеристик будут рассмотрены ниже в связи с наиболее употребительными типами аккумуляторов.
6.1. МЕХАНИЧЕСКИЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Механическую энергию можно запасать в виде потенциальной или кинетической энергии.
Потенциальная энергия в свою очередь может быть связана с перемещением массы в поле тяготения Земли или с упругой деформацией газа, или твердого тела. Кинетическая энергия чаще всего рассматривается в виде энергии вращения маховика.
Подъем некоторой массы как средство запасания энергии использовался людьми очень давно. Всевозможные копры и бабы и по сей день применяются для забивания свай, дробления пород и грунта. Энергия, запасенная таким способом каждым килограммом вещества, кДж/кг, существенно зависит от высоты поднятия и составляет:
(6.1)
где g=9,81 м/с2 — ускорение силы тяжести у поверхности Земли; h— высота подъема в метрах.
В последнее время интерес к такому способу аккумулирования энергии оживился в связи с созданием так называемых гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС). Как уже отмечалось, график потребления электроэнергии по времени суток очень неравномерен. Он характеризуется двумя максимумами — в утренние и вечерние часы и глубокими ночными провалами. Сейчас принято считать, что для так называемой маневренной электростанции нагрузка в ночные часы должна составлять 50% номинальной. Большие провалы потребления электроэнергии характерны для субботы и воскресенья. Маневренная электростанция по сравнению с базовой, работающей всегда в расчетном номинальном режиме, имеет более низкий к. п. д. Поэтому может рассматриваться такая альтернатива использовать только базовые электростанции, избыток электроэнергии во время провалов потребления аккумулировать, с тем чтобы отдать ее в часы пик.
Схема ГАЭС изображена на рис. 6.1. Базовая электростанция 1 в период провала потребления отдает часть электроэнергии на привод насоса 2, который перекачивает воду из нижнего резервуара 3 в верхний 4. Во время пиков нагрузки вода перетекает обратно из резервуара 4 в 3, приводя во вращение машину 2, которая теперь работает как гидравлическая турбина. Соединенный с ней электрический генератор вырабатывает электроэнергию, отдаваемую пиковым потребителям.
Определим в качестве примера размеры резервуаров, необходимых для аккумулирования ночной провальной электроэнергии на электростанции мощностью 1 млн. кВт. Примем, что в течение шести ночных часов половина мощности электростанции является избыточной. Это значит, что общая энергия Eподв, подводимая к аккумулирующей установке, составляет Еподв=0,5-1 000 000-6 X 3600=10 800 млн. кДж.
Предположим, что разность высот резервуаров h составляет 200 м. Это означает, что на подъем 1 кг воды с нижнего уровня на верхний необходима энергия 9,81X200=1960 кДж/кг, а с учетом к. п. д. насоса 1960/ηнкДж/кг. Следовательно, аккумулирование всей провальной электроэнергии потребует перекачки за ночь
или 5500 ηн т воды.
Если принять ηн=0,9, то получится, что за ночь надо будет переместить около 5000 т воды. Следовательно, вместимость каждого из резервуаров должна превышать 5000 м3.
Во время пика нагрузки от такой гидроаккумулирующей установки можно будет получить энергию
У гидравлических турбин к. п. д. сегодня превышает 90%, но, к сожалению, если на ГАЭС используется обратимая машина, т. е. такая, которая должна работать и в режиме насоса и в режиме турбины, и тот и другой к. п. д. ухудшаются. Использование же отдельных машин для обоих режимов удорожает и усложняет установку.
Вообще ГАЭС, построенная по схеме с подземным резервуаром, изображенной на рис. 6.1, оказывается достаточно дорогой — 1 кВт установленной мощности ГАЭС стоит в несколько раз больше, чем на ТЭС. Более хорошие показатели получаются, если рельеф местности позволяет создать необходимую разность уровней в резервуарах естественным путем. В нашей стране в ближайшие годы планируется построить ряд таких ГАЭС.
Для транспортных установок в ряде случаев может оказаться привлекательным аккумулирование энергии в виде сжатого газа. Максимальная энергия, которую можно получить от 1 кг сжатого газа, определяется формулой
(6-2)
где R — универсальная газовая постоянная, одинаковая для всех газов и равная 8,314 кДж/(кмоль · К); М — относительная молекулярная масса газа, кг/кмоль; Т — температура газа, К.
Из этой формулы следует, что чем легче газ (чем меньше М), тем большую удельную энергию можно получить от него. Существенна также и температура газа. На первый взгляд странно, что в эту формулу не входит давление газа. Это связано с тем, что максимальная работа, которую можно получить от 1 кг газа при его расширении до нулевого давления, пропорциональна отношению давления к плотности. Но при постоянной температуре рост давления вызывает пропорциональный рост плотности, так что их отношение остается неизменным. Приведенная формула дает для самого легкого газа — водорода (М=2) при комнатной температуре (Т=300 К) е=1247 кДж/кг.
Иногда бывает более удобно оценивать энергию, которую можно запасти в данном объеме сжатого газа. При этом оказывается, что энергия, запасенная в единице объема, не зависит от рода газа и численно равна давлению газа р:
Если р выражено в Па (Н/м2), то это эквивалентно Дж/м3 (Н-м/м3), например, любой газ, занимающий при давлении р=25 МПа объем 1 м3, может совершить максимальную работу, равную е'=25-106 Дж=25 000 кДж.
Эта величина сравнительно невелика. Для сравнения укажем, что 1 м3 бензина при сгорании выделит теплоту в количестве 37 000 000 кДж, т. е. почти в 1500 раз большую энергию. Кроме того, необходимо учесть, что сосуд для газа с давлением 25 МПа окажется весьма тяжелым, так что удельная энергия в расчете на единицу массы всего аккумулятора окажется еще в 8—10 раз меньшей.
Аккумуляторами энергии, основанными на использовании потенциальной энергии, являются металлические пружины и скрученные жгуты. Однако удельные энергии, запасенные в них, относительно невелики и для энергетики в обычном понимании этого слова не представляют интереса.
Известный интерес для транспортных энергетических установок представляют аккумуляторы, основанные на использовании кинетической энергии вращающихся маховиков. Кинетическая энергия вращающегося тела пропорциональна квадрату его частоты вращения, и с этой точки зрения увеличение частоты вращения является желательным. Но с ее ростом растут центробежные силы, действующие на тело. Поэтому всякий материал в соответствии со своим пределом прочности характеризуется максимальными частотами вращения, а значит, и запасаемой удельной, энергией. Наибольшую удельную энергию имеют стальные маховики и маховики из стеклопластика. Удельная энергия, запасенная в них, может составлять до 104 кДж/кг, что одного порядка с энергией, запасенной в химическом топливе. Если же еще учесть, что энергия маховиков может быть превращена в электроэнергию со значительно большим (до 90%) к. п. д., чем химическая энергия топлива, то их удельные характеристики можно считать эквивалентными.
Для аккумуляторов, использующих кинетическую энергию, существенным является вопрос о потерях энергии во время хранения и возможной длительности хранения. Основные источники потерь для маховиков — потери на трение в подшипниках и об окружающий воздух. Для уменьшения этих потерь маховик помещают в вакуумную оболочку, а вместо обычных подшипников применяют электромагнитную подвеску вращающегося ротора. В литературе имеются сообщения о роторах, раскрученных до сверхвысоких скоростей (более 200 тыс. об/мин), при годовой потере менее 20% располагаемой кинетической энергии. Но такие установки очень сложны и дороги, и вряд ли интересны для энергетических приложений.
Предложены проекты и выполнены экспериментальные образцы городских автобусов, использующих энергию, запасенную маховиком. Маховик такого автобуса раскручивается до необходимой частоты вращения на конечной станции маршрута от стационарного электродвигателя. Движение автобуса происходит за счет отбора запасенной маховиком энергии. Если принять, что автобус, снабженный двигателем внутреннего сгорания, тратит на 100 км пробега 20 л бензина с теплотой сгорания 4-104 кДж/л, то это означает, с учетом среднего к. п. д. двигателя около 30%, что на 100 км он расходует: 20·4·10·0,3=24·104 кДж механической энергии.
Примем, что маховик характеризуется удельной энергией 104 кДж/кг и что с учетом допустимого уменьшения его частоты вращения на 20% от него можно отобрать 36% запасенной энергии и преобразовать ее в механическую энергию, затрачиваемую на вращение колес, с к. п. д. 95%. Тогда необходимая для 100 км пробега масса маховика составит:
Такая масса представляется достаточно разумной, даже если учесть, что реальная масса всей аккумулирующей· установки (с учетом конструкции и элементов передачи) может оказаться в несколько раз больше.
Этот простой расчет показывает, что для внутригородского общественного транспорта аккумулирование энергии с помощью маховиков имеет известную перспективу.
