CC BY
14
Baluk Anton Aleksandrovich, master's degree operator, nik.pozh.2016@yandex.ru, Russia, Anapa, FGAU«MIT«ERA»,
Molchanov Maksim Vladimirovich, master's degree operator, nik.pozh.2016@yandex.ru, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»
УДК 620.424.1
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-9-570-575
АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ГИБРИДНЫХ СИСТЕМ ГРАВИТАЦИОННОЙ ГЕНЕРАЦИИ И НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ МОРФОЛОГИЧЕСКОГО ПОДХОДА
Я.М. Толкачев, Д.А. Тютин, М.К. Авакян, А.В. Воробьев
Экологическое производство и хранение энергии будет ключевым компонентом в будущем для систем возобновляемой энергии. Системы хранения энергии играют важную роль в интеллектуальной сети и энергии будущего. Использование передового морфологического подхода для анализа и синтеза гибридных систем гравитационной генерации и накопления энергии. Цель состоит в том, чтобы значительно повысить эффективность систем хранения. Инженерные решения гибридных систем накопления гравитационной энергии основаны на воздушном резервуаре, на дне которого установлена турбина, приводящая в действие электрогенератор. Для этих систем выполнены расчеты энергии и массы.
Ключевые слова: системы гравитационной генерации и накопления энергии, возобновляемые источники энергии, анализ и синтез гибридных систем, морфологическая матрица, выбор рациональных вариантов.
Экологическое производство и хранение энергии станет ключевым компонентом в будущем систем возобновляемой энергии (ВИЭ). А системы хранения энергии являются основой экономичного использования ВИЭ. Многообещающим шагом вперед является использование высокоэффективных систем хранения с мощностью в мегаваттном диапазоне, которые могут быстро компенсировать колебания спроса. Исследования, разработка и использование ВИЭ стремительно развиваются за последние несколько десятилетий. Чтобы добиться в будущем все большей эффективности ВИЭ, исследователи ищут новые инженерные и инфраструктурные решения для хранения энергии. В настоящее время существуют системы накопления энергии (ESS), построенные на разных принципах. Основные группы [1-3]: механический;
электрический, электромагнитный; биологический;
электрохимический (аккумуляторная система хранения);
термический;
химический.
Целями использования возобновляемых источников энергии являются: сокращение потребления ископаемого топлива и энергоресурсов; снизить выбросы парниковых газов; снизить нагрузку на окружающую среду; обеспечение децентрализованных потребителей.
Исследуемая группа ESS выбрала механические системы хранения. Механическая ESS включает в себя:
пневматический аккумулятор; маховик;
потенциальную энергию силы тяжести; гидравлический аккумулятор; гидроэлектростанцию с гидроаккумулятором.
570
Сделан обзор гибридных систем возобновляемой энергетики. Разнообразные гибридные системы возобновляемой энергии имеют разные комбинации принципов, конфигураций и архитектур. Целью гибридизации является оптимизация производства, управления и распределения энергии. Принцип гибридизации заключается в объединении нескольких источников энергии и систем хранения в одну систему. В целом, основным преимуществом гибридизации является обеспечение устойчивого электроснабжения в районах, не обслуживаемых обычной электросетью. Они используются во многих приложениях, но из-за их нелинейности гибридным энергетическим системам рекомендуется решить эту проблему с помощью важных улучшений [4].
A. Насосно-накопительная гидроэлектроэнергия. Принцип гидроаккумулирующей энергии (PSH) использует энергию воды. Во время фазы низкого спроса PSH использует электричество для перекачки воды из нижнего резервуара в верхний резервуар. Когда потребность очень высока, вода вытекает из верхнего резервуара. Насосные гидроэлектрические системы имеют КПД преобразования с точки зрения энергосистемы около 65-80%, в зависимости от характеристик оборудования [5,6]. PSH - это основная технология хранения данных. Хотя системы PHS обычно составляют часть генерации, им уделяется все больше внимания из-за их потенциальной уравновешивающей роли в отношении более высокого проникновения переменных ВИЭ [7].
Б. Хранение энергии сжатым воздухом. Накопитель энергии сжатым воздухом (CAES) основан на цикле газовой турбины. Энергия используется для сжатия воздуха с помощью роторного компрессора, а затем для его хранения [8]. Инженерные системы CAES с дополнительным теплоаккумулятором на основе сжатого воздуха с дополнительным теплоаккумулято-ром. Накопитель хранится под уровнем моря и работает как адиабатический изобарический накопитель энергии [9].
B. Энергетические мешки. Энергетический мешок - это армированное кабелем тканевое судно, которое закреплено на дне моря (или озера) на значительных глубинах для использования в качестве подводного накопителя энергии сжатого воздуха (рис. 1) [10-13]. Воздух забирается обратно из хранилища, нагревается и затем подается в модифицированную газовую турбину. Энергия этого сжатого воздуха вместе с некоторым тепловым воздействием приводит в действие ступень турбины [13].
Рис. 1. Энергетический мешок [13]
Г. Накопленная энергия в море. Функциональные возможности гидроаккумулирующей станции забортной воды основаны на обычных гидроаккумулирующих установках. На дне моря будет установлен полый бетонный шар со встроенным насосом-турбиной (рис. 2).
По сравнению с хорошо известными гидроаккумулирующими установками, море, окружающее сферу, представляет собой верхний водный бассейн. В концепции используется большая разница давления воды между полой сферой и окружающим морем, что составляет около 75 бар [14].
Для синтеза технических решений использовался морфологический подход (таблица). Инженерные решения гибридных систем накопления гравитационной энергии основаны на воздушном резервуаре, на дне которого установлена турбина, приводящая в действие электрогенератор, причем турбина установлена с электрогенератором между внутренней частью резервуара и водой (рис. 3). Внутренняя часть воздушного резервуара соединена с водой каналом с клапаном, и воздушный резервуар полностью находится в воде или частично погружен в воду,
воздушный резервуар полностью заполнен воздухом или воздухом и водой в любом соотношении. Цистерна тросом соединена с лебедкой с электроприводом. Предлагается следующий рабочий цикл:
Бак для воздуха заполнен воздухом.
Резервуар для воздуха опускается в воду и наполняется непрерывно или в любой момент во время процесса погружения, поддерживаемый механически или сетевым приводом с водой. При этом образующийся поток воды приводит в движение турбину или гидравлический двигатель с электрическим генератором и производит электричество.
Воздушный резервуар поднимается и опорожняется в результате расширения сжатого воздуха непрерывно или в любое время во время подъема. При этом вода, попадающая в окружающую среду резервуара, приводит в действие турбину или гидравлический двигатель с электрическим генератором и производит электричество.
Рис. 2. Разработка пустотелой бетонной сферы [14]
Система функционирует следующим образом:
A. Время ДО. В исходном положении резервуар находится в затопленном положении. Гидростатическое давление воды на этой глубине частично заполнило резервуар водой и таким образом сжало воздух в нем.
B. Время и. Лебедка тянет резервуар к дну озера, используя электрическую энергию. Поскольку клапаны и остаются закрытыми, давление воздуха в баллоне остается на уровне в момент времени ДО (рис.4).
С Время t2. Резервуар достиг своего нижнего положения, при котором остается лишь некоторая остаточная плавучесть. Когда клапаны и каналы открываются регулируемым или нерегулируемым образом, вода поступает в резервуар через канал в результате гидростатического давления, тем самым сжимая воздух до его минимального (нагретого) объема. В то же время энергия давления преобразуется в электрическую при прохождении через узел турбина-генератор-клапан.
D. Время t3. При дальнейшем охлаждении до температуры воды объем воздуха дополнительно уменьшается в зависимости от продолжительности пребывания, а объем хранимой воды увеличивается.
E. Время t4. За счет остаточной плавучести резервуар возвращается в исходное положение ДО, при этом максимальное давление поддерживается при закрытых клапанах. В то же время электрическая энергия восстанавливается от ветрогенератора с постоянной скоростью подъема. В конце фазы резервуар снова находится в исходном положении, и сохраненная энергия давления доступна для использования до тех пор, пока она не понадобится.
F. Время t5. В исходном положении вода в баке выталкивается обратно в окружающую среду через канал турбогенераторной комбинации в результате накопленного внутреннего давления, и, таким образом, энергия, накопленная в давлении, восстанавливается в соответствии с открытием клапана и назад.
G. Время t6-t7. В соответствии с давлением воды в этом положении воздух снова расширился до состояния в момент времени ДО, и система доступна для другого цикла (рис. 5).
От
«¡псЬ (Вгасйоп тойе] 'Л пей (депега! О" тоде) епе*ду ргойисиоп
Рис. 3. Гибридная система накопления гравитационной энергии
Морфологическая матрица с возможными инженерными решениями
№, п/п Особенность Вариант 1 Вариант 2 Вариант 2
1 Материал котла Стальной Составной
2 Форма котла Сферический Цилиндр
3 Тип котла Жесткий Гибкий
4 Турбина Турбина Пелтона Поперечно-поточная Турбина Френсиса
5 Источник энергии Электроэнергия Возобновляемые источники энергии
6 Водохранилище Море Искусственно (скважина)
7 Крепление Морской берег Уровень воды Корабль
8 Положение лебедки Дно моря Встроенный резервуар
9 Средний Регулируемый (плотность энергии) Постоянная
10 Работа генератора Подъемник Максимальная точка
11 Производство энергии Генератор (спуск) Ветрогенератор (плавучесть резервуара) Генератор
И те И -13
#
И
О-
{>
Рис. 4. Работа клапанного блока турбогенератора на этапе спуска
573
time is
Рис. 5. Работа клапанного блока турбогенератора на этапе подъема
В будущем, хранение энергии станет ключевым компонентом для систем возобновляемой энергии. Использование передового морфологического подхода для анализа и синтеза гибридных систем гравитационной генерации и накопления энергии. Инженерные решения гибридных систем накопления гравитационной энергии основаны на воздушном резервуаре, на дне которого установлена турбина, приводящая в действие электрогенератор. Цель состоит в том, чтобы значительно повысить эффективность системы хранения по сравнению с известными системами. С помощью этого инженерного решения предлагается первый шаг к интегрированной морской системе, состоящей из гидроаккумулятора и возобновляемой выработки электроэнергии. С помощью этой системы хранения энергии неизбежные сезонные и суточные колебания выработки ветровой или солнечной энергии можно компенсировать с минимальными потерями. Следовательно, проектирование системы выработки энергии больше не будет необходимо для пиковых нагрузок, а будет требоваться только для средних нагрузок.
Системы обладают следующими особенностями:
Отсутствие потерь при длительном хранении
Короткое время запуска
Большая эксплуатационная гибкость (переменная мощность)
Не требуются компрессоры с низким КПД
Обеспечение базовой и пиковой нагрузки энергии с различными периодами нагрузки (день / ночь / сезон)
Гибкость местоположения (искусственный или естественный водоем)
Гибкая масштабируемость.
Список литературы
1. Akhil A.A., Huff G., Currier A.B., Hernandez J., Bender D.A., Kaun B.C. et al. DOE/EPRI Electricity storage handbook in collaboration with NRECA // Sandia National Laboratories, 2016.
2. Vermu H., Gambhir J., Goyal S. Energy storage: a review // Int. J. of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE), 2013. Vol. 1, P. 63- 69.
3. Ibrahim H., Ilinca A., Perron J. Energy storage systems—characteristics and comparisons // Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2008. Vol. 12. P. 1221-1250.
4. Rekioua D. Hybrid renewable energy systems overview. Springer, Cham, 2020.
5. Bhatia S.C. Hydroelectric power // Advanced Renewable Energy Systems, 2014. P. 240269.
6. Yang C.J., Jackson R.B. Opportunities and barriers to pumped-hydro energy storage in the United States // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2011. Vol. 15. P. 839-844.
7. Kougias I., Szabo S. Pumped hydroelectric storage utilization assessment: forerunner of renewable energy integration or trojan horse? // Energy, 2017. Vol. 140. P. 318-329.
8. Breeze P. Compressed air energy storage // Power System Energy Storage Technologies, Academic Press, 2018. P. 23-31.
9. Dreißigacker V. Power-to-heat in adiabatic compressed air energy storage power plants for cost reduction and increased flexibility // Heat Mass Transfer, 2018. Vol. 54. P. 955-962.
10.Pimm A.J., Garvey S.D., M. de Jong, Design and testing of energy bags for underwater compressed air energy storage // Energy, 2014. Vol. 66. P. 496-508.
574
11.Pimm A.J., Garvey S.D. Underwater compressed air energy storage // Storing Energy, 2016, P.135-154.
12.Garvey S.D. The dynamics of integrated compressed air renewable energy systems // Renewable Energy, 2012. Vol. 39(1). P. 271-292.
13.Cummins K., Compressed air energy storage has bags of potential // The eingineer, 25th April 2011.
14.Puchta M., Bard J., Dick C., Hau D., Krautkremer B., Thalemann F., Hahn H. Development and testing of a novel offshore pumped storage concept for storing energy at sea - Stensea // Journal of Energy Storage, 2017. Vol. 14. P. 271-275.
Толкачев Ярослав Михайлович, магистр, оператор, yaroslav14tolkachev@gmail.com, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ«ЭРА»,
Авакян Михаил Каренович, магистр, yaroslav14tolkachev@gmail.com, Россия, Новочеркасск, Южно-Российский Государственный Политехнический Университет (Новочеркасский Политехнический Институт) им. М.И. Платова,
Тютин Дмитрий Андреевич, магистр, yaroslav14tolkachev@gmail.com, Россия, Новочеркасск, Южно-Российский Государственный Политехнический Университет (Новочеркасский Политехнический Институт) им. М.И. Платова,
Воробьев Андрей Васильевич, младший научный сотрудник, yaroslav14tolkachev@gmail.com, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ «ЭРА»
ANALYSIS AND SYNTHESIS OF HYBRID GRAVITATIONAL GENERATION AND ENERGY STORAGE SYSTEMS BASED ON THE MORPHOLOGICAL APPROACH
Ya.M. Tolkachev, M.K. Avakyan, D.A. Tyutin, A.V. Vorobyov
The ecological energy generation and storage will be a key component in the future for renewable energy systems The energy storage systems are playing an important role in the smart grid and future energy. The advanced morphological approach use for analysis and synthesis of hybrid gravitational generation and energy storage systems. The aim is to significantly improve the efficiency of a storage systems. The engineering solutions of hybrid gravitational energy storage systems are based on air tank equipped at its bottom with a turbine driving an electric generator. Energy and mass calculations are performed for these systems.
Key words: gravitational generation and energy storage systems, renewable energy sources, analysis and synthesis of hybrid systems, morphological matrix, selection of rational variants.
Tolkachev Yaroslav Mikhailovich, master, operator, yaroslav14tolkachev@gmail. com, Russia, Anapa, FGAU«MIT«ERA»,
Avakyan Mikhail Karenovich, master, yaroslav14tolkachev@gmail.com, Russia, Novocherkassk, South-Russian State Polytechnic University (Novocherkassk Polytechnic Institute) named after M.I. Platova,
Tyutin Dmitry Andreevich, master, yaroslav 14tolkachev@gmail. com, Russia, Novocherkassk, South-Russian State Polytechnic University (Novocherkassk Polytechnic Institute) named after M.I. Platova,
Vorobyov Andrey Vasilyevich, junior researcher, yaroslav 14tolkachev@,gmail. com, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»
