Индуктивные и кинетические накопители энергии

Как известно, графики нагрузки энергосистем в течение суток, дней недели, времен года являются переменными. Производство электроэнер­гии на электростанциях всегда за вычетом потерь равно ее потреблению. Переменный график нагрузки требует и переменного графика производ­ства электроэнергии. Не все электростанции способны работать в таком графике, как, например, атомные электростанции. Тепловые электростан­ции могут работать в этих режимах, но это сопряжено со снижением их КПД и с ускоренным износом. Для выравнивания графиков нагрузки в настоящее время используются гидроаккумулирующие электростанции, способные в часы провалов нагрузки закачивать воду в водохранилища (насосный режим), в часы максимума — забирать воду из водохранилища (генераторный режим). При всех очевидных преимуществах ГАЭС тре­буют довольно больших капитальных затрат, наличия водных артерий, плотин, их КПД не превышает 85 %.

Сверхпроводимость как явление позволяет в индуктивных катушках создавать магнитный поток, который сохраняется бесконечно долго благо­даря отсутствию потерь или достаточно долго при практически ничтож­ных потерях. Иначе говоря, сверхпроводимость позволяет аккумулиро­вать (хранить) электроэнергию и с помощью соответствующих устройств забирать ее из сети или отдавать в сеть. При этом этот процесс происхо­дит с высоким значением КПД. Это означает, что такие устройства могут применяться для сглаживания графиков нагрузки в энергосистемах.

Есть еще одна область применения данного устройства — обеспечение бесперебойного энергоснабжения потребителей при перерывах питания.

Сверхпроводниковые индуктивные накопители (СПИН) представляют собой устройства, работающие на постоянном токе. Энергия магнитного поля этих устройств может храниться сколько угодно долго, если обмотки находятся при температуре ниже критической.

Поскольку источником тока обычно являются сети переменного тока, необходимо в процессе заряда СПИН произвести выпрямление тока, а в процессе разряда — его инвертирование. Это достигается с помощью преобразователей, основанных на базе силовой современной электро­ники, которые имеют достаточно высокое значение КПД (97—98 % и выше). Схема связи СПИН с электрической сетью показана на рис. 16.7.

Удельная энергия, запасаемая в СПИН, тем выше, чем выше индукция магнитного поля. СПИН состоит из трех основанных элементов: соб­ственно сверхпроводниковой магнитной системы (CMC), устройства связи CMC с электрической сетью и устройства криостатирования.

Магнитное поле в СПИН достаточно велико, вследствие этого в насто­ящее время СПИН выполняются на базе НТСП-технологий, что не позво­ляет говорить об их экономической эффективности по отношению к ГАЭС.

Рис. 16.7. Схема включения СПИН в электрическую сеть

Вместе с тем на практике нашли примене­ние СПИН небольшой энергоемкости для обеспечения бесперебойного снабжения пот­ребителей, поддержания напряжения в так называемых «слабых» электрических сетях (с малым током КЗ).

Можно надеяться, что с созданием ВТСП-материалов второго поколе­ния, способных работать в сильных магнитных полях, характерных для СПИН, удастся создать мощные и экономически выгодные накопители электроэнергии большой энергоемкости.

Другим типом накопителя сравнительно небольших объемов энергии (не более 10⁶ Дж) является использование электродвигателя с маховиком. При работе такого кинетического накопителя энергии имеются потери на трение маховика о воздух, потери на трение в подшипниках.

Если маховик вращается в вакууме и для снижения потерь в опорах применена система магнитного подвеса, потери резко снижаются. При этом наиболее удачным решением является применение магнитного под­веса из ВТСП-материалов. Для полноценного использования кинетиче­ской энергии вращающихся масс используется в качестве электрической машины либо асинхронная с фазным ротором и преобразователем в роторной цепи (асинхронизированная машина), либо асинхронная или синхронная машина с преобразователем в статоре.

Обе схемы находят практическое применение. Первая схема имеет меньшую стоимость благодаря тому, что в ней применяется преобразова­тель частоты в роторе мощностью не более 50 % от мощности агрегата. Во втором случае используется преобразователь на 100 % мощности агре­гата, диапазон изменения (накопления-—выдачи) энергии здесь выше, чем в первом случае, однако эта система существенно дороже. В настоящее время в ряде стран создаются кинетические накопители энергии с ВТСП-магнитным подвесом.

Кинетические накопители энергии с ВТСП-магнитным подвесом одной и той же энергоемкости существенно дешевле СПИН. Однако, как уже отмечалось, кинетические накопители энергии имеют значительно меньшую энергоемкость и для силовой энергетики малопригодны.