Как хранить энергию. Расплавленная соль, сжатый воздух и супермаховик
Электроэнергетика — одна из немногих областей, в которой нет масштабного хранения произведенной «продукции». Промышленное хранение энергии и производство различного рода накопителей — следующий шаг в большой электроэнергетике. Сейчас эта задача стоит особенно остро — вместе со стремительным развитием возобновляемых источников энергии. Несмотря на бесспорные достоинства ВИЭ, остается один важный вопрос, который необходимо решить, прежде чем массово внедрять и применять альтернативные энергоносители. Хотя энергия ветра и солнца является экологически чистой, ее выработка имеет «прерывистый» характер и требуется хранение энергии для последующего использования. Для многих стран особенно актуальной задачей было бы получение технологий сезонного хранения энергии — из-за больших колебаний в ее потреблении. Издание Ars Technica подготовило список лучших технологий хранения энергии, мы расскажем о некоторых из них.
Гидроаккумуляторы
Самая старая, отлаженная и распространенная технология хранения энергии в больших объемах. Принцип работы гидроаккумулятора следующий такой: имеется два резервуара для воды — один расположен над другим. Когда спрос на электроэнергию невелик, энергия использутеся для закачки воды в верхний резервуар. В пиковые часы потребления электричества вода сливается вниз, на установленный там гидрогенератор, вода крутит турбину и вырабатывает электричество.
В будущем Германия планирует использовать старые угольные шахты для создания гидроаккумуляторов, а немецкие исследователи работают над созданием гигантских бетонных сфер для гидронегерации, размещенных на дне океана. В России есть Загорская ГАЭС, расположенная на реке Кунье у поселка Богородское в Сергиево-Посадском районе Московской области. Загорская ГАЭС — важный инфраструктурный элемент энергосистемы центра, участвует в автоматическом регулировании частоты и перетоков мощности, а также покрывая суточные пиковые нагрузки.
Как рассказал Игорь Ряпин, начальник департамента Ассоциации «Сообщества потребителей энергии» в рамках конференции «Новая энергетика»: Internet of Energy, организованной Энергетическим центром бизнес-школы «Сколково», установленная мощность всех гидроаккумуляторов в мире — порядка 140 ГВт, к преимуществам этой технологии относятся большое количество циклов и длительный срок работы, эффективность порядка 75-85%. Однако для установки гидроаккумуляторов требуются особые географические условия и она является дорогостоящей.
Накопители энергии сжатого воздуха
Этот способ хранения энергии по принципу работы похож на гидрогенерацию — однако вместо воды в резервуары нагнетается воздух. При помощи двигателя (электрического или иного) воздух закачивается в накопитель. Для получения энергии сжатый воздух выпускается и вращает турбину.
Недостаток такого рода накопителей — низкий КПД из-за того, что часть энергии при сжатии газа переходит в тепловую форму. Эффективность не более 55%, для рационального использования накопитель требует много дешевой электроэнергии, поэтому на данный момент технология используется преимущественно в экспериментальных целях, общая установленная мощность в мире не превышает 400 МВт.
Расплавленная соль для хранения солнечной энергии
Расплавленная соль удерживает тепло в течение длительного времени, поэтому ее размещают на солнечных тепловых установках, где сотни гелиостатов ( больших сконценирированных на солнце зеркал) собирают тепло солнечного света и нагревают жидкость внутри — в виде расплавленной соли. Затем она направляется в резервуар, далее посредством парогенератора приводит во вращение турбину, так вырабатывается электроэнергия. Одним из плюсов является то, что расплавленная соль функционирует при высокой температуре — более 500 градусов по Цельсию, что способствует эффективной работе паровой турбины.
Полная энергетическая автономия или как выжить с солнечными батареями в глубинке (часть 2.5. практическая)
Прожив одно лето с парой солнечных батарей и не дождавшись подключения к электросети, надо было решать проблему электрообеспечения на следующий год. Впереди была зима и было время изучить методы автономного электроснабжения, а также выбрать, что будет лучше: собственная солнечная электростанция, ветрогенератор или компактная гидроэлектростанция…
Первым вариантом было обзавестись собственной гидроэлектростанцией. Тихая работа, собственный пруд и рыбалка — все это выглядит здорово до тех пор, пока не окунаешься в теорию. Для извлечения энергии надо иметь либо приличный перепад высот, либо высокую скорость потока. Ни первого, ни второго на наших широтах нет, поэтому этот вариант был отметен сразу. Стоит отметить, что в России производят готовые комплекты минигидроэлектростанций.
Вторым и самым привлекательным вариантом был ветряк. «Как же»,- подумал я. «Ведь ветер есть всегда. Да и красивые лопасти будут крутиться медленно и романтично». Чем глубже я проникал в теорию ветроэнергетики и читал отзывы пользователей, тем сильнее шевелились мои волосы. С течением времени я понял, что прожить на одном ветрогенераторе невозможно, хотя бы потому, что живу я не в краю степей и не на берегу моря или океана, где имеются постоянные ветра. Кроме того, если вокруг есть леса или хотя бы лесополосы, это существенно влияет на скорость и силу ветра, а значит, на выработку энергии. Изучив также рынок ветроэлектростанций, я узнал, что в России есть собственные производители ветряков, вот только с гарантией случались проблемы, поэтому я обратил свой взор в сторону Китая, где налажен массовый выпуск таких устройств. Исходя из потребностей в энергопотреблении, мне хотелось бы иметь до двух киловатт мощности в пике. Как оказалось, такой ветряк мог вырабатывать и больше, но тут я взглянул на график.
Оказывается, что 2 кВт энергии можно получить при ветре, скоростью в 9 м/с. Возник вопрос, а какие ветра дуют в моем регионе? Я начал копать и увидел, что у НАСА данных больше и достать их проще. В целом, карта ветров по РФ выглядит так:
То есть, если поставить ветряк на мачту высотой 10 метров, то можно рассчитывать на среднегодовой ветер в 4 метра в секунду. И это при том, что страгивание лопастей иногда происходит только при порывистом ветре до 5 м/с, а потом лопасти вращаются и при меньшем ветре. Но выработка начинается при 2.5-3 м/с, а приток энергии при таком ветре составит всего 200-300 Вт/ч.
Почитав еще немного опытных людей, я понял, что надо либо жить на холме, либо поднимать мачту с ветрогенератором на 15 метров, чтобы получить больше ветра. Надо помнить, что ветряк требует периодического техобслуживания (минимум, раз в два года) и в случае ремонта его надо будет как-то спускать.
А теперь давайте прикинем бухгалтерию такого ветряка. Будем учитывать только стоимость самого ветрогенератора, специального контроллера к нему и мачты. Аккумуляторы не рассматриваются, так как они нужны будут в автономке, независимо от источника энергии. Я буду приводить цены готовых устройств в России. Мне могут возразить, что точно так же можно купить трубы, сварить их и сделать мачту самому или заказать ветряк из Китая. Как показала моя практика на этапе создания солнечных батарей, экономическая целесообразность этих действий имеется лишь в том случае, если обладаешь большим опытом самостоятельной сборки.
Набор ветроэнергетики (цены на начало марта 2015):
1. Ветряк LOW·WIND·48·2.5, 2,5 кВт 48В с контроллером- 131880 р
2. Мачта 15 м для ветрогенератора SWG-E — 32500 р
Итого за комплект: 164 380 рублей.
Как-то не очень бюджетно. На эти деньги можно купить генератор примерно на 6 кВт и 7300 литров бензина АИ-92 при цене в 32 рубля за литр. При расходе 2,3 литра в час генератор без остановки проработает 3175 часов или 132 дня. Понятно, что нужно проводить ТО генератору и работать он не будет круглыми сутками, а лишь в моменты высоких нагрузок или для зарядки аккумуляторов, но я посчитал, что ветрогенератор для меня дороговат.
Плюсы ветроэнергетики: Круто, необычно, привлекает внимание. Чем хуже погода — тем сильнее ветер, а значит больше энергии. Есть исключения — при ураганном ветре, для предотвращения выхода из строя, он блокируется.
Минусы: высокий первоначальный вклад, большое пространство под растяжки для мачты (возможна установка мачты без растяжек, но требует лучшего фундамента и конструкция несколько дороже), ветрозависимость, шум
Обратимся к солнечной энергетике. Сразу заметны плюсы: отсутствие каких-либо звуковых колебаний, возможность постепенной покупки модулей и шагового увеличения мощности.
Минусы же чуть менее очевидны: необходима достаточная площадь с постоянным освещением, без тени. Погодозависимость. Сезонность, так как в зимний период выработка падает кратно, относительно лета.
Я перешел на сторону солнца и начал закупать модули. Проштудировав не один форум и изучив цены в российских интернет-магазинах, я решил сэкономить и обратиться к заграничным продавцам. Поднялся вопрос гарантии и надежности, поэтому я выбрал европейских поставщиков китайских панелей. На тот момент у них было довольно интересное предложение при покупке сразу двух батарей мощностью по 100 Вт каждая. Даже с доставкой, стоимость выходила порядка 7 тысяч рублей за штуку. Так я обзавелся 4 батареями и начал смотреть в сторону контроллеров. Стало ясно, что эффективность выработки поднять можно только при помощи MPPT-контроллера. Изучив рынок, я заказал через Ebay контроллер EPSolar Tracer 3215RN. Он относится к бюджетным моделям, но позволяет подключить ко входу до 150В и выдерживает токи до 30 А. При 12В аккумуляторах он способен переваривать до 390 Вт мощности, то есть мои батареи приходились как раз. А если поднять напряжение до 24В, то перевариваемая мощность увеличивается вдвое. То есть контроллер, что называется, «на вырост». Дополнительно к своему аккумулятору я добавил еще один на 190 Ач.
Стало понятно, что получаемую энергию нужно расходовать, а китайские инверторы для этого не подходили совсем. Пришла идея обзавестись инвертором с чистой синусоидой. Стоит это удовольствие дорого, но изучив несколько вариантов, включая российские, я решил взять китайское устройство под европейским именем. Этот инвертер способен долговременно выдавать 1500 Вт потребителям, в пике до 3000 Вт. То есть такой инвертер легко запустит все бытовые электроприборы с моторами, а также электроинструмент. В автономке очень важен такой параметр, как ток Холостого Хода. В данном устройстве этот параметр равнялся от 600 до 1000 мА, что не очень хорошо, но терпимо, так как работа обычно велась под нагрузкой и в светлое время суток, то потери на преобразовании компенсировались с лихвой.
Надо сказать, что перед покупкой я даже нашел ОЕМ-производителя этих инверторов в Китае и связывался с ними на предмет закупки напрямую. Выгода на тот момент (курс доллара 30-32 руб) составляла около 30-40 долларов, а вот с гарантией у китайцев сложнее, поэтому я предпочел купить в Германии, зная, как относятся немцы к гарантийным обязательствам. И я понимаю, что поступил правильно, поскольку гарантия на инвертор составляет 24 месяца и мне дважды приходилось отправлять его в ремонт. Платил я только за пересылку в одну сторону, поэтому считаю, что оно того стоило.
Ближе к лету я решил докупить солнечных батарей и тут оказалось, что в России покупать батареи выгоднее, так как европейцы подняли стоимость, а у нас выросла популярность солнечной энергетики, да и батареи я брал не из высшего ценового эшелона. Таким образом, моя солнечная электростанция стала способна выработать 800 Вт энергии. Пришлось покупать новый контролер, так как я категорически не хотел переходить на основное напряжение 24 В. Новый контроллер был вдвое мощнее и мог переварить ток до 60А. Основные потребители у меня остались прежними: бытовые приборы, электроинструмент (инвертор уже был на 12 В) и освещение. Второй инвертор я заказывал также через Ebay, долго торгуясь с различными продавцами, предлагая свою цену (есть такой пунктик) и даже сторговал порядка 30 долларов. Когда я делал такие дорогостоящие покупки, продавцы, как правило, сами высылали трекинг код, для отслеживания путешествия посылки, но незазорно и самому попросить, если они сразу не отправляли его сами. Все посылки я получил и все работало успешно.
Помня о том, что в автономке лучше дублировать важные узлы, я обзавелся бу инвертором на 12В и 2000 Вт с модифицированным синусом. Он меня выручал, когда основной инвертер уезжал в ремонт, так что такой подход себя оправдал. На самые большие и сложные нагрузки, вроде электросварки, я запускал генератор. И вот тут стало ясно, что генератор мог приносить пользу, когда работал в холостую. Я начал присматриваться к зарядным устройствам, которые могли бы заряжать такой блок аккумуляторов.
Немного теории. Свинцово-кислотные аккумуляторы принято заряжать током в 1/10 от их емкости. Так как у меня стояли два аккумулятора по 190Ач, подключенных параллельно, то расчетная суммарная емкость составляла 380 Ач и ток заряда должен был быть в районе 38А. Такие устройства были либо очень дороги, либо были стартовыми комплектами для запуска двигателя авто. Долго выбирая среди наших и заграничных производителей, я наткнулся на отзыв одного пользователя и начал копать дальше. Что любопытно, ЗУ Орион Вымпел-50 производит российская компания, базирующаяся в Санкт-Петербурге. Судя по отзывам, компания прислушивается к пожеланиям пользователей и выпускает достаточно надежные и недорогие зарядники. Выбранная модель позволяет выдавать зарядный ток до 15А и обладает пятью профилями заряда с тремя ручными установками по нижней и верхней границе напряжения. Проще говоря, можно настроить зарядку практически любого типа аккумуляторов, что мне и требовалось. Чтобы получить 10% от емкости аккумулятора, требовалось взять пару ЗУ и подключить их параллельно. К слову, солнца хватало настолько, что заряд не требовался, а сейчас это ЗУ трудится на постоянном поддержании заряда батарей.
На схеме виден переключатель, в который сходятся силовые линии от инвертора и генератора. Это ручной переключатель фаз. К нему подводятся фаза и ноль от двух источников питания, а выход подается на нагрузку. Вручную можно, через положение размыкания, выбрать только один источник питания, таким образом я обезопасил себя от возможности замыкания двух источников питания. Вариант крайне простой, но эффективный.
В итоге получилась система, которая включает в себя (цены 2014 года):
1. 8х100 Вт солнечных батарей (~6500 р/шт)
2. Контроллер заряда EPSolar Tracer 3215RN (~13000 р)
3. Контроллер заряда mppsolar pcm60x (~16500р)
4. Инвертор Solartronics 1500Вт (~16000 р)
5. Инвертор Mystery MAC-2000 (бу за 1000р)
6. 2х Аккумулятор 190Ач (~8500 р/шт)
7. ЗУ Орион Вымпел-50 (~3000р)
Итого: 118500 р
Что же может такая система? Все лето я обходился без генератора, даже в не очень ясную погоду. В пасмурное время потребление просто снижалось, а в ясную погоду можно было успешно пользоваться мощным электроинструментом. Генератор запускался только для пользования электросваркой. Чтобы эффективнее задействовать получаемую энергию, было использовано несколько хитростей. Термореле холодильника было выкручено на максимум, чтобы во время включения холодильник работал без остановки. В морозильник были уложены бутылки с сильно соленой водой, которые служили аккумуляторами холода и морозились весь день, отдавая ночью холод в основную камеру. Сам холодильник на ночь отключался. К электроприборам добавилась электрическая хлебопечь, которая за цикл работы потребляла 650 Вт*ч с пиковым потреблением 600 Вт. Хлеб пекли почти каждый день. Таким образом, выработка энергии превышала потребление, но для мощных работ вроде сварочного аппарата или утюга приходилось включать генератор.
По итогам создания второй версии автономки можно заключить, что:
а) покупать на Ebay сложную электронику можно
б) торговаться перед покупкой на Ebay можно и нужно
в) следует соотносить гарантийные обязательства и разницу в цене между устройством из Китая, купленное у китайцев и у европейцев
г) стоимость солнечных батарей неизбежно снижается и закупать их на данный момент выгоднее в России (применительно к россиянам)
д) ключевые устройства должны дублироваться, чтобы в случае поломки не остаться без энергии на время ремонта
е) обязательно разделить цепи питания от разных источников энергии, чтобы не допустить замыкания
ж) существуют российские аналоги всех этих устройств, которые зачастую превосходят по своим характеристикам западные или китайские аналоги
з) при покупке в наших магазинах можно договориться о гарантийной подмене ключевых устройств на время ремонта, в случае выхода их из строя
В конце статьи хотелось бы подвести некоторые итоги. Построенная солнечная электростанция обошлась вдвое дешевле ветрогенератора, но она эффективна с марта по октябрь. Зимой ее выработки хватает только на обеспечение освещения дома, поэтому на довольно популярный вопрос в автономной энергетике «можно ли отопить дом с помощью солнечных батарей» можно ответить отрицательно. Если же требуется полная автономка круглый год, то только сочетание двух источников энергии позволит жить в светлом доме. Один из источников — это солнечные батареи, а второй — генератор или ветряк. В слуачае, если рядом есть гидроэлектростанция, то выработка энергии постоянна, за некоторыми исключениями.
Солнечные панели теряют много энергии. Ученые придумали, как сохранить ее
Ученые из Университета Гронингена и Технологического университета Наньяна разработали способ использования электронов для сбора энергии солнечными батареями с нулевым уровнем выбросов. Результаты работы группы были опубликованы в журнале Science Advances.
Читайте «Хайтек» в
«Количество сохраненной энергии зависит от того, как исследователи подсчитывают ее, но теоретически оно может достигать 25–30%», — отмечает Максим Пшеничников, профессор ультрабыстрой спектроскопии Университета Гронингена.
Этот прорыв может стать еще одним шагом на пути к максимальной эффективности солнечных батарей. В докладе Международного агентства США по возобновляемым источникам энергии, опубликованном на этой неделе, утверждается, что к 2050 году солнечная энергия может стать вторым по величине источником энергии после ветра. В сочетании с экономией средств за счет повышения эффективности и достижениями в других областях технологий человечество может сократить выбросы парниковых газов до 70%.
В обычных солнечных батареях, подобных тем, которые обычно можно увидеть на крышах или в полях, полупроводники принимают фотоны от света и преобразуют их в электрический ток.
Иногда фотоны не обладают достаточной энергией и проходят сквозь материал. Чтобы избежать этого, ученые создали более широкий зазор в диапазоне частот. Эти панели достигли максимального показателя эффективности в лабораториях — 26,7%. Другие идеи ученых включают в себя использование воды для охлаждения панелей и размещение камер с обеих сторон для сбора света, который будет отражаться от земли.
Источник https://www.forbes.ru/biznes/353097-kak-hranit-energiyu-rasplavlennaya-sol-szhatyy-vozduh-i-supermahovik
Источник https://habr.com/ru/post/252223/
Источник https://hightech.fm/2019/11/16/solar-panel-energy