CC BY
0УДК 621.319.53
АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ ЕМКОСТНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ЦИФРОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Кулуев Жалил Осмонахунович
доцент ОшТУ, г. Ош, Кыргызская Республика https://doi.org/10.5281/zenodo.10721456
Аннотация. В статье рассмотрена актуальность проблемы энергообеспечения объектов цифровых технологий. Приведена классификация накопителей электрической энергии, произведен анализ достоинств и недостатков емкостных накопителей энергии, рассмотрена область их применения.
Ключевые слова: энергия, накопитель, аккумулирование, напряжение, емкость, конденсатор, проводимость.
Abstract. The article discusses the relevance of the problem of energy supply to digital technology objects. A classification of electrical energy storage devices is given, an analysis of the advantages and disadvantages of capacitive energy storage devices is made, and the scope of their application is considered.
Keywords: energy, storage, accumulation, voltage, capacitance, capacitor, conductivity.
Annotatsiya. Maqolada raqamli texnologiyalar ob'ektlarini energiya bilan ta'minlash muammosining dolzarbligi muhokama qilinadi. Elektr energiyasini saqlash qurilmalarining tasnifi berilgan, sig'imli energiya saqlash qurilmalarining afzalliklari va kamchiliklari tahlil qilinadi va ularni qo'llash doirasi ko'rib chiqiladi.
Kalit so'zlar: energiya, saqlash, to'plash, kuchlanish, sig'im, kondansator, o'tkazuvchanlik.
Цифровые технологии, вошедшие во все сферы человеческой жизни, и формирующие его сознание, характер поведения и действия, включают в себя технологии сбора, хранения, обработки, представления и передачи информации, а также обмена и управления ею. Важность информации подразумевает необходимость исключения возможностей ее потери вследствие перебоев в энергообеспечении объектов цифровых технологий. В связи с этим, проблема обеспечения бесперебойного электроснабжения, таких объектов, остается актуальной в настоящее время.
Существует множество схем автоматического ввода резервного питания на различных ступенях питающего напряжения. Однако для системной и режимной автоматики присуща низкая скорость ее включения (доли секунд и даже секунды), что может привести к потере ценной информации, нарушению сложного технологического процесса и потере или неправильной работе управления. Поэтому, до восстановления электроснабжения с помощью автоматического ввода резервного питания необходимо в течение небольшого времени поддержать питающее напряжение на достаточном уровне с целью недопущения вышеуказанных негативных последствий. Для этих целей применяется аккумулирование - накопление электроэнергии с ее последующим расходованием в аварийных режимах.
Накопители электрической энергии (НЭЭ) - класс накопителей, аккумулирующих непосредственно электрическую энергию, обладающих самым высоким быстродействием и наиболее широким диапазоном энергоёмкости. Благодаря этим свойствам они пригодны, как для повышения устойчивости и надёжности работы ЭЭС, так и для выравнивания графиков нагрузки; их можно подключать к ЭЭС и по шунтовой, и по линейной схеме. Они
надёжны в работе, т.к. не имеют движущихся частей, не чувствительны к месту подключения - в центре нагрузки или непосредственно у потребителя [1, с. 10]. К НЭЭ относятся: сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии (СПИНЭ); электрохимические накопители - аккумуляторные батареи (АБ); топливные элементы (ТЭ); емкостные накопители (ЕН) [4, с. 160].
В этой статье рассматривается применение емкостных накопителей энергии для энергообеспечения различных потребителей напряжением до и выше 1 кВ.
Классификационными признаками емкостных накопителей энергии являются следующие:
1) напряжение - могут быть накопителями с низким напряжением (менее 10 кВ), накопителями со средним напряжением (10 - 100 кВ), накопителям с высоким напряжением (104 - 107 В);
2) запасаемая энергия - могут быть накопителями с малой энергией (до 102 кДж), со средней энергией (до 1 МДж), с большой энергией (выше 1 МДж);
3) длительность импульсов тока - могут быть накопителями с миллисекундным диапазоном, микросекундным диапазоном, наносекундным диапазоном;
4) тип конструкции и схема соединений элементов:
- могут быть накопителями ГИТ - генераторами импульсного тока, при параллельном соединении блоков конденсаторов;
- могут быть накопителями ГИН - генераторами импульсного напряжения при последовательном соединении блоков;
- могут быть накопителями ФЛ - формирующих линий.
Накопители ГИН и ГИТ имеют характеристику времени импульса, многократно меньшего, чем время пробега электромагнитной волны по размеру установки. Это характерно для случая с контурами, имеющими сосредоточенные параметры. В случае формирующей линии (ФЛ) энергия для нагрузки передается, используя волновой режим, т.е. в течение времени, которое определяет время пробега электромагнитной волны по линии [2, с. 48].
Величину энергии, которая накапливается в электрическом поле конденсатора, который имеет емкость С, определяют по выражению:
Е = 0,5 • С • И2,
где И - величина питающего напряжения [1, с. 12].
Самыми массовыми емкостными накопителями электроэнергии считают всем известные радиотехнические конденсаторы. Применительно к энергетике, они обладают принципиальными недостатками: довольно малой удельной плотностью запасенной энергии, а, следовательно, и небольшой (по сравнению с иными накопителями) ёмкостью, низким рабочим напряжением и малым временем, в течение которого энергия хранится, лишь иногда больше нескольких часов, а отдельные модели имеют время в течение только долей секунды. В последних разработках удалось повысить удельную ёмкость конденсаторов в 108 раз (десятки фарад в 1 см3), а время хранения энергии - на порядок (около 100 ч). Модульная конструкция позволяет создавать мощные конденсаторные батареи на напряжение в десятки киловольт, токи - несколько килоампер, энергоёмкость -1011—1012 Дж. Как результат, областью электроэнергетики, где применяются конденсаторы, является, в основном, кратковременное накопление электрической энергии, выпрямление, коррекция и фильтрация тока для схем, имеющих силовую электротехнику.
В качестве суперконденсаторов (СК) можно представить конструкцию конденсаторов, имеющих двойной электрический слой с использованием микроскопического поляризованного слоя на границе поверхности раздела двух сред, чтобы выполнить разделить в пространстве разноименные заряды в целях создания рабочего электрического поля, и максимальной плотности энергии достигают, используя контакт с полупроводником или металлом диэлектрической (электронно-изолирующей) молекулярной жидкости с парными подвижными ионами.
Граница, где фазы разделяются (проводника, имеющего первый род, и электролита), характеризуется созданием двойного электрохимического слоя с электролитом одного знака заряда и твердого тела с противоположным знаком. Величина емкости, которую имеет двойной слой, находится в диапазоне 0,1 1 мФ/м2. Поверхность, где фазы разделяются, может иметь очень большую площадь, в связи с этим удельная емкость границы, где фазы разделяются, может также иметь высокие значения. Электроды изготавливаются из углеродистых материалов, полимеров, проводящих электроны, (полипиррола, политиофена и оксидов), а электролиты - из кислотных или неводных растворов. Величина удельной емкости, считающейся максимально достигнутой, равна 360 Ф/г применительно к углеродистым материалам и 768 Ф/г - к оксиду рутения.
До этого момента выполнены исследования систем суперконденсаторов, имеющих удельную энергию до 10-25 кДж/кг, имеющее стократное превышение удельной энергии, которую имеют известные конденсаторы. Допустимое число циклов «разряд-заряд», который присущ различным типам суперконденсаторов, находится в диапазоне от 104 до 105. Удельная энергия выпускаемых суперконденсаторов составляет 1,5...5 Вт-ч/кг, удельная мощность - до 10 кВт/кг, ресурс - более 105 циклов. В перспективе ожидается увеличение удельной энергии до 12 Вт-ч/кг, удельная мощность - до 100 кВт/кг [3, с. 240].
В виде основных положительных сторон нужно указать высокую скорость зарядки и разрядки, слабую деградацию после того, как будут пройдены сотни тысяч циклов, малый вес, низкую токсичность, которую имеют материалы, высокую эффективность (выше 95 %) [4, с. 164].
Данным накопителям свойственно большое ограничение возможностей использования вследствие того, что минимальную продолжительность, которую имеет разряд, характеризует миллисекундное время, а генерируемый ток - единицы килоампер. Конструкция обладает модульным характером, для чего потребуется большое число контактных соединений, что приводит к снижению надежности установки. Кроме этого, требуется изменять полярность батареи во время переключений из зарядного режима в разрядный режим, имеется и зависимость напряжения от степени, показывающей ее заряжённость.
Имеется возможность рассмотрения накопителей из конденсаторов, имеющих высокую удельную емкость, как перспективных устройств, позволяющих комплексно решить проблемы по накоплению электрической энергии в электроэнергетических системах. Для их установки возможно применение любой точки сети, чтобы выравнивать графики нагрузок, однако в данное время вследствие того, что они имеют высокую стоимость, суперконденсаторы широко не используются, лишь ограниченно применяются как мобильные источники энергии, которыми насыщена бытовая и автомобильная промышленность.
В качестве линейных НЭЭ используют криогенный или криопроводящий кабель с высокими значениями погонной индуктивности и емкости, где токоведущий слой выполняется из материала с повышенной диэлектрической проницаемостью в виде спирали, превращая его в длинный соленоид с повышенной (в 102— 104 раз) удельной погонной индуктивностью. При изменении протекающего тока соленоид играет роль демпфера, препятствующего этим изменениям. Линейные НЭЭ, как и шунтовые НЭЭ, является многофункциональным устройством с улучшенными технико-экономическими показателями, дополнительно позволяющим передавать энергию.
Емкостные накопители энергии (ЕНЭ) широко используются, так как обладают рядом достоинств, если сравнить их и другие источники энергии:
1) малым внутренним сопротивлением (< 10-3 Ом) и малой индуктивностью (~ 109 Гн), дающими возможность обеспечения малым временем разряда (10-8 ^ 10-1 с), большой эффективностью, которой обладает электропередача к нагрузке, вероятностью получить максимальные величины мощности (до 1013 Вт) и скорости увеличения тока (> 1013 А/с);
2) удобством эксплуатации, так отсутствуют движущиеся элементы, просты в обслуживании, имеют модульный принцип исполнения.
Ограничение масштабов применения в энергетике применительно к емкостным накопителям энергии обусловлено тем, что имеются пока ещё не устранённые их недостатки:
1) высокая стоимость;
2) необходимость изменения полярности во время перехода режимов «заряд-разряд»;
3) устройства управления ЕН на основе тиристорных преобразователей генерируют высшие гармонические составляющие, которые искажают синусоидальность переменного тока;
4) обладание более низкой плотностью запасенной энергии (0,1 ^ 0,5 МДж/м3), если сравнить их и другие виды накопителей. В связи с этим для накопителей энергии около 106 - 107 Дж характерно представление в виде крупных и дорогих сооружений, занимающих площадь в специальных экспериментальных залах или отдельных зданиях.
Выводы:
Из-за значительных капиталовложений в ЕНЭ в данное время экономически выгодным является применение лишь маломощных систем (100 ^ 1000 кВт), которые характеризуются высокой стабильностью и качеством электроэнергии для ответственных потребителей (к примеру, завода по производству микропроцессоров). Продолжительность циклов накопления в таких системах равна лишь нескольким секундам.
Для объектов цифровых технологий, имеющих небольшую нагрузку, питающихся от источников напряжения 220 Вольт, при применении автоматического ввода резервного питания на ступенях до и выше 1 кВ, не требующих длительного времени работы накопителей (т.е. их значительной емкости) наиболее целесообразно применение емкостных накопителей энергии.
REFERENCES
1. Накопители энергии в электрических системах: Учеб, пособие для электроэнергетических спец. вузов/ Ю. Н. Астахов, В. А. Веников, А. Г. Тер-Газарян.— Москва: Высш. шк., 1989. - 260 с.
2. Системы электропитания волоконно-оптических систем передачи / Сажнев А.М. -Новосибирск: СибГУТИ, 2016. — 69 с.
3. Электроэнергетические системы и сети / Ушаков В.Я. - Москва: Издательство Юрайт, 2018. — 360 с.
4. Возобновление и ресурсосберегающие источники энергии: Физические основы, практические задачи; применение для электропитания устройств автоматики, телемеханики и связи на железнодорожном транспорте: Учеб. пособие. - Изд. 4-е, перераб. и доп. -Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2003. -175 с.
