CC BY
5УДК 621.311.28
РАЗРАБОТКА НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ В ЛОКАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
Н.И, Смоленцев, Л.М. Четошникова, Ю.Л. Бондарев
Приводятся результаты разработки эскизной конструкторской документации экспериментального образца сверхпроводящего электрокинетического накопителя энергии (СПЭНЭ-1). Накопитель энергии предназначен для работы в составе локальных электрических сетей, электротранспорта и других областях. Работа выполнена в рамках Соглашения о предоставлении субсидии № 14.577.21.0069 от 05.06.2014 г. (КРМЕР!57714X0069), заказчик - Министерство образования и науки Российской Федерации.
Ключевые слова: локальная электрическая сеть, накопитель энергии, альтернативный источник электроэнергии, интеллектуальная система управления.
В настоящее время все более широкое применение находят системы энергоснабжения с использованием солнечной энергии, энергии ветра, биогаза и других возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Использование таких источников энергии отвечает социальным и экологическим требованиям, способствует снижению ее себестоимости. Как правило, возобновляемые источники электрической энергии работают в составе автономных сетей, получивших название локальных электрических сетей (ЛЭС) [1-6].
Современная локальная электрическая сеть содержит, как правило, следующие основные элементы:
- альтернативный источник электроэнергии;
- накопитель электрической энергии;
- блок преобразования и управления режимами работы источника электроэнергии и накопителя энергии:
- систему интеллектуального управления.
Важным элементом ЛЭС является накопитель энергии [7]. Накопитель энергии выполняет следующие функции в локальной сети:
- повышает экономическую эффективность сети;
- выравнивает электрическую нагрузку при ее значительных колебаниях;
- служит резервным источником электропитания;
- служит средством коммерциализации энергетики.
Накопители энергии могут быть использованы не только в локальных электрических
сетях с альтернативными источниками энергии (ветроустановки, солнечные панели и т.д.), но также - в электротранспорте для повышения энергоэффективности силовых устройств (электропоездов, троллейбусов, гибридных силовых установок в автотранспорте и т.д.) [8].
Анализ известных технических решений накопителей энергии позволяет сделать следующие выводы [9]:
- наиболее перспективной конструкцией является накопитель энергии с применением пассивного самоцентрирующегося сверхпроводящего подвеса маховика-ротора. В качестве мотора-генератора целесообразно использовать синхронную электрическую машину с постоянными магнитами, а в качестве бесконтактной опоры ротора-маховика - магнитный подвес на основе постоянных магнитов и массивных сверхпроводников (ВТСП).
- применение подвеса данного типа исключает затраты энергии на поддержание вращающегося маховика в левитирующем положении, а использование синхронной электрической машины с постоянными магнитами и ферромагнитным статором делает конструкцию мотора - генератора компактной. Такая конструкция уменьшает потери на пе-ремагничивание в режиме хранения энергии и исключает энергозатраты на создание магнитного поля возбуждения.
- применение бесконтактных магнитных ВТСП подвесов в кинетических накопителях энергии в вакууме существенно уменьшает механические потери за счет сил трения и увеличивает время хранения запасённой кинетической энергии до нескольких лет.
Рисунок 1- Сверхпроводящий электрокинетический накопитель энергии (СПЭНЭ-1)
1- синхронная электрическая машина, 2 - статор, 3 - магнитопровод статора, 4 - ротор-маховик, 5 - магниты возбуждения, 6 - криостат, 7 - опорные магниты подвеса, 8 - сверхпроводящие пластины, 9 - подшипник, 10 - опоры, 11- штуцер системы охлаждения жидким азотом,
12 - ниппель, 13 - разъем.
Таким образом, на основании приведенного анализа, данная конструкция накопителя энергии выбрана в качестве базовой.
Принцип работы накопительного устройства на ВТСП основан на эффекте выталкивания магнитного поля из объема сверхпроводника, что эквивалентно диамагнитному «зеркальному» экрану. Это позволяет создать бесконтактный самоцентрирующийся подвес маховика - кинетического накопителя энергии, В отличие от управляемого магнитного подвеса, данный тип подвеса не содер-
жит активных систем регулирования бесконтактного подвеса, в частности, следящих систем и регуляторов величины напряженности магнитного поля, характеризуется большой подъемной силой подвеса, саморегулированием в осевом направлении подвеса и направлении, перпендикулярном оси подвеса. Кроме того, сверхпроводящий бесконтактный подвес имеет хорошие демпфирующие свойства [10]. Общий вид разработанного накопителя энергии приведен на рис.1.
Накопитель энергии предназначен для работы в составе локальной электрической сети, содержащей альтернативные источники энергии и служит для хранения и рекуперации электрической энергии. Накопитель энергии состоит из обращенной синхронной элек-
трической машины 1 и криостата 6, заполненного жидким азотом. Статор синхронной машины 2 содержит магнитопровод с трехфазной обмоткой 3, ротор-маховик 4 с постоянными магнитами возбуждения 5 и опорными постоянными магнитами 7. На сопряжен-
РАЗРАБОТКА НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ В ЛОКАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
ной поверхности криостата расположены сверхпроводящие пластины 8, охлаждаемые жидким азотом, заливаемым через штуцер 11.
В исходном положении ротор-маховик центрируется с помощью опорного подшипника 9. Внутренняя полость синхронного двигателя вакуумируется с помощью ниппеля 12. Герметичный разъем 13 соединяет трехфазную обмотку статора синхронной машины с блоком управления режимами ее работы. Для нивелирования накопителя энергии по горизонту служат регулируемые опоры 10.
Накопитель энергии работает следующим образом. При охлаждении сверхпроводящих пластин до температуры жидкого азо-
та, возникает эффект Мейснера, в результате которого осуществляется бесконтактный подвес ротора - маховика. При подключении накопителя энергии к источнику трехфазного питания, начинается разгон ротора-маховика до номинальной частоты вращения, после чего накопитель энергии отключается от источника питания, а ротор-маховик вращается по инерции, сохраняя накопленную энергию. Бесконтактный подвес и вакуум обеспечивают длительное сохранение энергии. При переключении обмоток статора на нагрузку, накопитель энергии работает в режиме генерации электрической энергии, обеспечивая ее питание. Накопитель энергии имеет следующие расчетные технические характеристики:
• запасенная энергия......................................................4 МДж;
зремя накопления энергии..............................................5-6 мин;
время отдачи энергии....................................................5-8 мин;
К.П.Д...........................................................................95-97%.
Управляя режимами накопления энергии и энергетическими потоками от различных источников энергии, можно существенно повысить энергоэффективность и энергосбере-
жение электрической энергии в сетях различного назначения. На рис. 2 приведена функциональная схема локальной электрической сети с накопителем энергии.
ВЭУ
±Тн
ДГ
Рисунок 2 - Функциональная схема локальной электрической сети с накопителем энергии БУ - блок интеллектуального управления режимами работы источника электроэнергии и накопителя энергии; ПЭЭ - потребители электрической энергии; ВЭУ - ветроэлектроустановка; СБ - солнечная батарея; ДГ - дизель-генератор; Ъ^.Ъг^-ъЛ-н- энергетические потоки, СПЭНЭ-1 - сверхпроводящий электромеханический накопитель энергии.
Локальная электрическая сеть с накопителем энергии работает следующим образом. Потребители электрической энергии (ПЭЭ) подключены одновременно к различным ис-ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 1 2015
точникам питания, в частности, ветроэнергетической установке (ВЭУ), солнечной батарее (СБ), дизель-генератору (ДГ). В блок управления поступают данные о текущих энерге-
тических потоках ¿н, а также о со-
стоянии накопителя энергии СПЭНЭ-1. В зависимости от выбранного закона оптимизации по тому или иному параметру, или группе параметров, микропроцессор, встроенный в блок управления, оптимизирует распределение энергии между источниками энергии, накопителем энергии, потребителями энергии таким образом, чтобы сохранялся постоянный баланс между потребленной и выработанной электрической энергией в любой момент работы локальной электрической сети. Выбор режимов работы локальной сети во многом определяется особенностями конкретных потребителей: суточными, недельными и сезонными графиками электрической нагрузки, структурой и оборудованием существующих систем энергоснабжения, технической возможностью подключения к централизованным сетям. Кроме того, при выборе схемных решений необходимо учитывать характеристики собственно энергетической установки и других элементов схемы, климатические условия региона, возможности резервирования электрической мощности и многое другое.
Поскольку накопитель энергии, как указано выше, выполняет важные функции в локальной электрической сети, то его использование в любой ЛЭС даст возможность выровнять графики нагрузок в разные периоды су-
точного и сезонного спроса на электрическую энергию.
Применение накопителей энергии позволит коммерциализировать производство электроэнергии, что повысит эффективность работы энергетических компаний и качество электроснабжения потребителей за счет компенсации недостаточной пропускной способности элементов системы, управления реактивной мощностью, регулирования напряжения, снижения стоимости электроэнергии и т.п.
Далее встает задача разработки математической модели и моделирования энергетических потоков в локальной сети, так как эти вопросы имеют очень важное значение. Их решение позволит, при наличии соответствующего программного обеспечения, реализовать интеллектуальное управление работой элементов ЛЭС с целью оптимизации по заданным параметрам. В таком режиме можно достичь высоких технико-экономических показателей работы ЛЭС в сравнении с сетью с централизованными источниками и преодолеть углеводородную зависимость энергетики.
Создание высокоэффективных накопителей энергии с высокими удельными параметрами различной мощности и габаритов позволит внедрить сетевые технологии в традиционную и малую энергетику [11,12].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кувшинов В. В. Некоторые результаты исследования комбинированной установки для фототермопреобразования солнечной энергии / В. В. Кувшинов, В.А. Сафонов // 36. наук. пр. СНУЯЕтаП. - Севастополь: СНУЯЭ-иП, 2009. - Вып. 3 (31). - С. 158 - 163.
2. Кирпичникова И.М., Соломин Е.В. Виброгасители мачт сверхмалых вертикаль-но-осевых ветроэнергетических установок // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. 2010. - № 14 (190). - С. 78-81.
3. Харченко В.В., Гусаров В.А., Майоров В.А,, Панченко В.А. Солнечная электростанция для параллельной работы/ В.В. Харченко и др. //Альтернативная энергетика и экология. -2013. - №2.-С.37-43.
4. Гашо Е.Г. Пути и проблемы модернизации распределенных энерготехнологиче-
ских систем регионов/ Е.Г. Гашо // Электрика. -2011. - №2.- С. 12-17.
5. Чиндяскин В.И., Кислова Е.Ф. Разработка компьютерной модели для расчёта эффективной локальной системы электроснабжения сельских поселений/ В. И.Чиндяскин, Е.Ф. Киселева //Известия Оренбургского государственного аграрного университета. - 2009. - Т2. - № 24-1 - С.88-92.
6. Четошникова Л.М., Смоленцев Н.И., Четошников С.А., Смоленцев А.Н. Снижение колебаний энергии в локальных сетях с распределенной энергией /Л.М. Четошникова и др. //Электрика. - 2013. - №5. - С.37-39,
7. Алексеев Б.А. Применение накопителей энергии в энергетике. - Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2005. - №2.
8. Ковалев Л.К, Конев С М.А., Полтавец В.Н., Гончаров М.В., Ильясов Р.И. Магнитные подвесы с использованием объемных ВТСП
РАЗРАБОТКА НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ В ЛОКАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
элементов для перспективных систем высокоскоростного наземного транспорта. - Труды МАИ. -2010. - №38 - С.39.
9. Смоленцев Н.И., Четошникова Л.М., Накопитель энергии на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) для альтернативной энергетики / Н.И. Смоленцев и др.// Электрика. — 2011 — №5. - С.38-41.
10. Ковалев Л.К., Конеев С М, Ларионов С.А., Полтавец В.Н. - Сверхпроводниковые магнитные опоры с объемными ВТСП элементами. Электричество. - 2003, - №6.
11. Смоленцев Н.И., Четошникова Л.М. Локальная электроэнергетическпя сеть в технологической платформе Smard Grid / Н И. Смоленцев и др. //Электрика. - 2011. -№8. -С.25-28.
12. Смоленцев Н.И. Накопители энергии в локальных электрических сетях /Н.И. Смо-
ленцев //Ползуновский Вестник. - 2013. -№4-2. - С. 176-181.
Смоленцев Н.И,- к,т.н., доцент, e-mail: smolenzev@rambler.ru, Россия, Челябинская область, г. Миасс, Филиал ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ), 8(3513)63-28-85
Четошникова Л.М - д.т.н., профессор, e-mail: chlm56@.mail.ru, Россия, Челябинская область, г. Миасс, ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ), 8(3513)63-28-85
Бондарев Ю.Л -ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ) Россия, г. Челябинск, , 8(351) 741-45-13 yu_bondarev@mail. ги
