Исследовательская работа на тему "Накопители энергии"

Министерство просвещения Приднестровской Молдавской Республики

Муниципальное учреждение «Дубоссарское УНО»

МОУ «Дубоссарская русская средняя общеобразовательная школа №5»

Исследовательская работа

Секция: ФИЗИКА

Тема: Накопители энергии

г. Дубоссары

2019г.

План :

Введение ………………………………………………………. 3

Глава I. Накопители энергии……………………………………. 5

1.1 Проблема устойчивого развития ………………………………5

1.2 Типы электростанций ………………………………………………….5

1.3 Функции накопителей энергии ………………………..……… 7

1.4 Виды накопителей энергии……………………………………. 9

1.5 Перспективы использования накопителей энергии……….….14

Глава II. Накопители энергии на примере Дубоссарской ГЭС …16

Заключение…………………………………………………….……..19

Список литературы…………………………………………………..20

Приложение…………………………………………………………..21

Введение.

Энергетика является основой существования любого государства. Основу энергетики Приднестровской Молдавской Республики в настоящее время составляют Молдавская ГРЭС, работающая на органическом топливе (газе, мазуте, угле) и Дубоссарская ГЭС, работающая на энергии реки Днестр. Поскольку Дубоссарская ГЭС не обладает достаточной мощностью для обеспечения всех потребностей региона в энергии, приходится использовать электроэнергию , вырабатываемую на Молдавской ГРЭС, которая вынуждена работать на привозном топливе, так как республика не имеет собственных месторождений газа, угля, нефти.

Цена на топливо с каждым годом растет и по прогнозам специалистов, снижаться не будет. Рост цен на топливо сопровождается повышением стоимости электроэнергии. Поэтому перед Приднестровскими энергетиками стоит сегодня важнейшая задача - снизить энергопотребление за счет применения новых энергосберегающих технологии, как при производстве электроэнергии ,так и при ее потреблении. Энергосбережение должно стать приоритетной задачей в развитии хозяйственного комплекса республики.

Одним из вариантов снижения энергопотребления может стать наряду с другими мерами развитие малой энергетики, которая вырабатывает, по западной терминологии, «зеленую» энергию – экологически чистый продукт, не загрязняющий окружающую среду выбросами (золой, шлаком окислами азота, двуокисью углерода и т.д.).Такая энергия производится с помощью возобновляемых источников энергии ветра, солнца, рек, тепла земли, геотермальных источников. По расчетам российских энергетиков, потенциал возобновляемых источников энергии РФ составляет 25% внутреннего энергопотребления. А поскольку структура потребляющих предприятий в России и ПМР одинакова, то можно предположить, что и в нашем регионе этот потенциал может составлять такую же величину.

Производство и потребление различных видов энергии определяет прогресс во всех областях жизнедеятельности человека. Наряду с ростом количественных показателей энергообеспечения потребителей все большую роль начинают играть показатели качества использования энергии, что связано с рациональным согласованием параметров энергии на различных стадиях ее преобразования. Значительное место в решении возникающих при этом проблем отводится накопителям энергии – реверсивным устройствам для частичного или полного разделения во времени выработки и потребления энергии. В накопителях энергии осуществляется аккумулирование энергии, получаемой из электроэнергетической системы, ее хранение и выдача при необходимости в энергосистему. Таким образом, накопители энергии становятся важным промежуточным звеном между системами генерирования и системами распределения и потребления энергии.

Актуальность темы. С общемировым ростом цен на энергоносители проблема снижения потерь при преобразовании, распределении и потреблении энергии становится стратегическим направлением приоритетного развития многих областей промышленности и секторов экономики. Основные задачи, решаемые с помощью накопителей энергии – выравнивание пиковых нагрузок на сети и снижение рисков аварий в энергосистеме, а также поддержание максимально долгого бесперебойного энергоснабжения при возникновении чрезвычайных ситуаций, повышение показателей качества использования выработанной энергии, что в свою очередь является одним из способов решения экологических проблем, связанных с выработкой электроэнергии.
Цель работы. Цель моей исследовательской работы заключается в раскрытии важности проблемы поиска эффективных способов накопления энергии, изучение принципов работы и эффективности известных накопителей энергии, а также возможности их использования при работе Дубоссарской ГЭС.

Задачи. 1.Систематизировать и изучить информацию о способах накопления энергии.

2.Обозначить актуальность проблемы - эффективности использования выработанной энергии в современных условиях.

3.Выяснить возможные способы использования накопителей энергии на ГЭС.

4.Обозначить тенденции в разработках эффективных накопителей энергии.

Проблема: исследование возможности и эффективности использования накопителей энергии на Дубоссарской ГЭС.

Методы исследования. В работе я использовал методы анализа, сравнения и обобщения научной литературы.

Объект исследования: накопители энергии.

Предмет исследования: принцип работы накопителей энергии, их эффективность и практическая значимость.

Высокая значимость и недостаточная практическая разработанность проблемы накопления энергии определяет несомненную НОВИЗНУ данного исследования.

На основании проведенного мною опроса учащихся нашей школы я выяснил, что проблема накопления энергии пользуется повышенным интересом. Поэтому собранный мною в процессе выполнения исследовательской работы материал может быть использован для расширения кругозора и повышения познавательного интереса учащихся при изучении физики, а также для обращения внимания на возможности энергонакопления в энергосистеме ПМР.

Глава I. Накопители энергии

1.1 Проблема устойчивого развития.

Глобальная энергетическая проблема – это прежде всего проблема постоянного и бесперебойного обеспечения человечества топливом и энергией.

Главной причиной возникновения глобальной энергетической проблемы следует считать очень быстрый рост потребления минерального топлива, особенно в 60-70 гг. ХХ в. По данным российского географа В.П.Максакого, только за период с1960 по 1980 г. из недр Земли было извлечено 40% угля, почти75% нефти и около80% природного газа, добытых с начала прошлого века.[1,с.23]

Основные пути решения глобальной энергетической проблемы включают как традиционные, имеющие преимущественно экстенсивный характер, так и более новые - интенсивные.

Политику сбережения энергии стали осуществлять и в промышленности, и на транспорте, и в коммунально-бытовом секторе. Основные усилия в

этой сфере направлены на совершенствование двигателей и всего процесса использования топлива. А также использование новейших способов накопления энергии с целью более эффективного использования уже выработанной энергии.

Из-за роста доли энергоемких производств, отсутствия учета возможностей окружающей среды адаптировать хозяйственную нагрузку происходит деградация окружающей среды. По мнению многих, мир должен перейти на новый тип экономического роста – устойчивое развитие. Это прежде всего такое развитие, которое удовлетворяет потребности настоящего времени, но не ставит под угрозу способность будущих поколений удовлетворять свои потребности. Центральное место в понятии устойчивого развития занимает учет экологических последствий принимаемых сегодня экономических решений [2 ,с.12].

С учетом этого в последние годы произошло «озеленение» целых отраслей мировой экономики за счет использования возобновляемых источников энергии, решается проблема качественного использования электроэнергии за счет использование накопителей энергии.

1.2 Типы электростанций.

Основные способы производства электроэнергии – это электростанции. Источники энергии делятся на возобновляемые, невозобновляемые, атомные. Приложение 1

1.Атомные электростанции. В основу работы каждой атомной электростанции лежит реакция, при которой возникает деление атома. Чаще всего для этого использую обогащенный уран или плутоний. Ядро атомов делится нейтроном пришедшим извне. Энергия, выделяемая в реакторе, преобразуется в тепло и передаётся теплоносителю. Далее тепло из теплоносителя предаётся воде, которая закипает. Водяной пар вращает турбину, которая в свою очередь подключена к генератору.

2. Тепловые электростанции. На тепловые станции приходится 76 %всей выработанной электроэнергии. Станции делятся на два вида: те которые производят только электричество (КЭС) и производят ещё и тепло (ТЭЦ). В основе работы ТЭС лежит поступление топливного материала вместе с окислителем в печь. В качестве топлива можно использовать нефть, уголь, газ, мазут, торф. Далее тепло которое выделилось при сгорании нагревает воду, находящуюся в паровом котле. В результате нагрева образуется пар, который поступает в паровую турбину. Струи пара, проходящие через сопло с огромной скоростью, которая может быть выше звуковой, вращают лопасти турбины. В генераторе идёт процесс преобразования механической энергии в электрическую.

3. Гидроэлектростанция. Принцип работы гидростанций очень прост. Сооружения станции создают напор воды, который падая вращает лопасти турбины. Генераторы вырабатывают электроэнергию, поставляемую потребителю. Приложение 2

Возобновляемые источники энергии

1.Солнечная энергия. Излучение Солнца можно использовать в отоплении дома, так и вырабатывать электроэнергию. К плюсам солнечной энергии можно отнести отсутствие вредных выбросов в атмосферу, бесшумность, а главное возобновление солнечной энергии Приложение 3

2. Ветряная энергия. Самая жизнеспособный вид альтернативной энергии. Принцип работы до банальности прост. Ветер вращает ветряное кольцо, которое в свою очередь передаёт движение ротору электрического генератора. Этот вид энергии может использоваться в ветреных районах, где он может стать незаменимым источником электричества. Также ветрогенераторы не выбрасывают в атмосферу вредных веществ. Приложение 4

3.Геотермальная энергия. Огромные запасы тепловой энергии находится в земной коре. Обусловлено это высокой температурой ядра Земли. На некоторых участках происходит прямой выход высокотемпературной магмы, вулканы, гейзеры. Энергию геотермальных источников предполагается в качестве альтернативного вида энергетики. Используют этот альтернативный вид по- разному, во-первых для отопления, во-вторых для получения электричества. Приложение 5

3. Биомассовая энергетика. При гниении навоза, умерших животных, растений образуется природный газ, в котором содержится огромная концентрация метана. Метан после переработки идёт на отопление, выработку электроэнергии. На некоторых фермах сооружены котлы, в которые сбрасывают навоз, где он гниёт, а образовавшийся газ идёт на нужды предприятия. Ещё в качестве биотоплива можно использовать некоторые виды органического топлива (стебли кукурузы, тростника), водоросли. Приложение 6

4. Волновая энергетика. Способ превращения кинетической энергии волн в электроэнергию. В плотине находятся водоупорные отверстия и установлены гидротурбины, вращающие генератор. Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровень воды в море и бассейне становится одинаковыми, водонапорные отверстия закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается, создаётся давление, турбины и присоединенный к ним электрогенератор начинают работать. Приложение 7

5. Градиент-температурная энергетика. Основана на разности температур. Широкого применения способ не получил. Большинство электростанций данного типа находятся на побережье моря. Перепад температур между холодными водами на глубине и теплыми на поверхности является запасом огромного количества энергии, из которого используют всего лишь 4 ТВт.

Регуляция нагрузки. Для любой электростанции предпочтительно работать при постоянном режиме нагрузки. Дело в том, что работа с переменой нагрузкой снижает суммарное число часов использование установленной мощности, от этого страдает экономическая выгода. Во многих странах электростанции работают в базовом режиме. Обычно при снижении потребления на ТЭС часть котлов выводят в резерв, чтобы оставшиеся несли нагрузку. Но повторный запуск котлов стоит денег. На ГЭС в качестве регулятора мощности используют сток воды. На АЭС речь не идёт о радикальной разгрузке или остановка, а изменение мощности на 20%-30% от номинальной мощности в ночное время [1,с.86] .

На ГЭС в течение года можно осуществляется годичное регулирование. Его можно разделить на 4 периода. В начале периода, он совпадает с началом года, происходит опорожнение водохранилища. Именно в этот период существует возможность регулирования расхода воды и мощности ГЭС. Во время наполнения водохранилища, вода делится на две части - одна идёт на выработку электроэнергии, а другая остаётся в водохранилище. Мощность с которой может работать ГЭС увеличивается. На атомных электростанциях реактор должен работать на постоянном режиме, а турбогенераторы должны нести постоянную нагрузку. С учетом особенностей режимов работы ГЭС и ТЭС эти электростанции предпочтительно размещать в графике суточной регулировки нагрузки энергосистемы в определенных зонах: высокоманевренные ГЭС и ГАЭС-в пиковой и полупиковой частях графика, а ТЭС и АЭС — в базисной части графика.

1.3 Функции накопителей энергии.

Для современной энергетики, как стационарной, так и автономной, важное значение приобретают интенсивные формы развития, выдвигающие повышенные требования к качественным показателям энергетических установок. В этом плане возрастает роль накопителей энергии, обеспечивающих решение целого ряда проблем накопления, хранения, преобразования энергии, реализации оптимальных режимов работы оборудования, питания потребителей с нестандартными параметрами и т. п.

Есть много причин, которые способствуют внедрению технологию накопителей. Во-первых, это неравномерность производства электроэнергии и его потребление, это выражено ярким энергодефицитом. Во-вторых, удаление населенных пунктов от электростанций. Вести ЛЭП в отдалённые участки очень проблематично и дорогостояще. Также слаборазвиты возобновляемые источники энергии. Подавляющее большинство предприятий и объектов  инфраструктуры не имеют резервного источника питания. Качество электроэнергии в некоторых регионах не соответствует нормам.

Накопители энергии находят все более широкое применение в электроэнергетических системах, автономных энергетических установках, транспортных системах, бортовом оборудовании, технологической аппаратуре, электрофизических стендах и т. д.

Под накопителями энергии будем понимать устройства, позволяющие накапливать в них энергию какого-либо вида в течение периода заряда , а затем передавать существенную часть этой энергии нагрузке в течение периода разряда . Взаимосвязь параметров накопителей энергии при заряде и разряде определяется законом сохранения энергии: , где и − средние значения мощностей зарядного и разрядного процессов, – КПД накопителя энергии. Накопитель энергии должен состоять из двух блоков:

1. Устройство управления УУ потоком энергии, регулирующее и преобразующее энергию одного рода в другой в соответствии с законом изменения мощности ( электрическое, электромеханическое)

2. Аккумулирующий элемент АЭ, непосредственно запасающий и хранящий энергию ( маховики, гравитационных, криопроводящих и сверхпроводниковых соленоидов)[3,с. 48].

Характеристики накопителей энергии:

1) осуществимость − существуют ли экспериментальные или промышленные образцы данного типа АЭ; 2) удельные капиталовложения на единицу энергоемкости АЭ; 3) технически оптимальная энергоемкость АЭ (предполагаемая или выявленная на основе опыта эксплуатации); 4) удельная энергоемкость − отношение энергоемкости НЭ к его объему (энергоемкость накопителя энергии − это максимальная энергия, которую он может аккумулировать за один цикл заряда наибольшей длительности); 5) требования к месту установки; 6) коэффициент полезного действия; 7) технически оптимальная мощность УУ; 8) номинальное напряжение или ток АЭ; 9) время работы − максимально возможное время заряда или разряда с заданной мощностью; 10) время реверса мощности − время, в течение которого накопитель энергии может быть переведен из режима выдачи в режим накопления, и наоборот; 11) время хранения энергии − время, в течение которого сохраняется энергия, накопленная в АЭ;

12) число циклов работы; 13) количество запасенной энергии; 14) удельные питательные затраты (затраты на единицу запасенной энергии или на единицу мощности); 15) удельные текущие затраты на эксплуатацию; 16) маневренность (время, затрачиваемое на включение накопителей энергии в работу); 17) скорость набора и сброса энергии; 18) диапазон рабочей мощности; 19)возможная частота пусков; 20) потери энергии при хранении[3,с.67]. Приложение 8

К основным принципам использования накопителей энергии является сохранение энергии полученной дешёво и потом при необходимости продать её по более высокой цене. На практике накопители можно использовать в некоторых случаях: 1 . Управление потоками мощности, с которыми не справляется сеть, и питание мелких нагрузок.2. В качестве резерва, на случай если выйдет из строя генератор и быстрого его замещения. 3. Использования их вместе с альтернативными источниками для выравнивания мощности. 4. Управление режимом нагрузки - разряд накопителя во время нагрузки и зарядка накопителя ночью. 5. Поддержка потребителей с частыми режимами пуска и торможения.

1.4 Виды накопителей энергии по способу накопления и отдачи энергии.

Механические НЭ

Гравитационные механические НЭ
Гравитационные твердотельные механические НЭ
Гравитационные жидкостные механические НЭ
Кинетические механические НЭ
Колебательные (резонансные) НЭ
Гироскопические НЭ
Гирорезонансные НЭ
Механические накопители с использованием сил упругости
Пружинные механические НЭ
Газовые механические НЭ
Тепловые НЭ
НЭ за счёт теплоёмкости [4,с.35]
НЭ при смене фазового состояния вещества
 Плавление и кристаллизация
Испарение и конденсация
Фазовые переходы второго рода
НЭ с помощью термохимических реакций
Электрические НЭ

Конденсаторы
Ионисторы
Электрохимические аккумуляторы
Химические НЭ

НЭ наработкой топлива
Безтопливное химическое НЭ

Другие типы НЭ

Кинетические накопители.

Эту группу в основном представляют колебательные механизмы , в котором процесс накопления происходит с помощью через вращения, линейные движения груза. Особенность таких накопителей является, что при необходимости энергии возвращается не беспрерывно, а порциями тактами. Самым простым примером кинетического накопителя являются механические часы. В данном случае накопление энергии происходит за счёт завода механизма ,после чего идёт постепенная отдача энергии от пружинного механизма.

Электрические накопители.

Так как электричество являются распространённым видом , поэтому вид накопителей развивается достаточно быстро. На данный момент самым распространенным электрическим накопителем являются радиотехнический конденсатор. Он характеризуется высокой скоростью накопления и отдачи энергии, несмотря на условия окружающей среды. Напротив большинство моделей может использоваться при очень низких или наоборот при очень высоких температурах.

Химические накопители.

В процессе накопления энергии используют энергию химических реакции. Источником энергии является сам накопитель и для условий протекания реакций и обеспечения активности задействованных элементов, при чём после реакции может получиться энергия разных видов. Например, из воды с помощью электролиза можно получить водород. Такие накопители в большинстве случаев используется для выделения топлива. Оно может преобразоваться как в накопителе с помощью химических реакций или передавать энергию без изменения. Поэтому это вид накопителей может преобразовывать энергию, но для этого требуется усложнять конструкцию.

Электрохимические накопители.

Этот вид накопителей является комбинированным. Поскольку химические реакции отличаются эффективность и дешевизной, именно для этого их используют для выработки электроэнергии. Активным элементом в таких накопителей является электролит. Для бытовых приборов чаще всего используют литий-ионные или литий-полимерные элементов. По характеристикам они являются достойными накопителями, имеющими высокую производительность, малые размеры, высокую ёмкостью. Но электрохимические батареи имеют ограниченное число циклов заряда-разряда , в чём и заключается их главный минус. Приложение 9

Накопители тепловой энергии

В северных районах Земли большая часть энергии расходуется на обогрев жилища. В связи с этим приходиться решать проблему сохранения тепла в накопители, а потом извлечение её при необходимости. В большинстве не удаётся достичь высокой плотности запасаемой тепловой энергии и долгого срока хранения. Существует ряд моделей, но из-за своих индивидуальных особенностей и высокой цены не пригодны для широкого применения.

Конденсаторы

Конденсаторы способны работать при температуре от -50 до +150градусов. Соединяя несколько конденсаторов параллельно можно получить емкость необходимой величины. Также существуют переменные конденсатор. Изменение емкости такого вида конденсатора возможно электрическим или механическим способом либо при воздействии температур. Конденсаторы делятся на два класса полярные и неполярные. Срок службы полярных конденсаторов меньше, чем у неполярных, они больше зависят от внешних условий, но зато обладают большей удельной емкостью. Как накопители конденсаторы не лучший вариант. Они имеют маленькую емкость, незначительную удельную плотность, а время её хранения исчисляется секундами, минутами в очень редких случаях часами. Конденсаторы обычно используют в электротехнике и в электронике.

Сверхпроводниковые накопители.

Они накапливают энергию в магнитном поле индуктивной катушки из сверхпроводника, созданного при протекании постоянного тока. Их главным плюсом является высокий КПД около 95 % и возможность выдавать энергию практически мгновенно.

Гидроаккумулирующие установки.

Наиболее коммерчески освоенные накопители в виде гидроаккумулирующих электростанций с генератором и насосотурбинами. Закачиваемая в верхний бьеф вода по низкой цене выдаёт энергию в пик потребления. Цикл накопления энергии - суточно-сезонный. Высокая маневренность оборудования ГАЭС позволяет за короткое время использовать их для регуляции и резерва, быстрого ввода в энергосистему. Приложение10

Воздушно-аккумулирующие установки.

Используют тот же принцип работы что гидроаккумулирующие установки, но носителем энергии в данном случае является воздух. В период минимальной нагрузки воздух закачивается в подземные резервуары. В период максимальной нагрузки сжатый воздух приводит в действие турбоагрегат. В дополнение к воздушным турбинам может также находиться и газовая турбина. Примеры ВАЭС -Huntorf в Германии и McIntosh в США. В Огайо строится ВАЭС Norton мощностью 2700МВт. В США могут быть созданы воздушноаккумулирующие станции от 12 до 40 ГВт в ближайшее 5-10 лет.

Аккумуляторные батареи.

Широко используемые накопители, рынок промышленных аккумуляторов оценивается 5 млрд. долларов в год. Кроме, традиционных кислотных, популярностью пользуются усовершенствованные аккумуляторы на основе сульфида натрия и никель-кадмиевые с большим сроком работы и улучшенными характеристиками. Цикл накопления - суточный.

Накопления энергии при смене агрегатного состояния вещества.

Если посмотреть на тепловые параметры разных веществ, то при смене агрегатного состояния выделяется или поглощается огромная энергия. Для большинства веществ тепловой энергии таких примеров достаточно, чтобы изменить температуру такого же количества этого же вещества на многие десятки градусов, а то сотни градусов в тех диапазонах, где агрегатное состояние не меняется. А ведь пока весь объём тела не изменит агрегатное состояние, оно будет иметь одинаковую температуру. Поэтому было бы заманчиво накапливать энергию с помощью смены агрегатного состояния. Энергии накапливается много, а температура изменяется мало.

Ионисторы.

Ионисторы также называемые как суперконденсаторы являются промежуточным звеном между конденсаторами и электрохимическими аккумуляторами. От конденсаторов они унаследовали неограниченность циклов заряда-разряда, а во вторых невысокие токи зарядки и разрядки. Энергоемкость их находиться между самыми энергоёмкими конденсаторами и не большими аккумуляторами -обычно составляет от нескольких единиц до несколько сотен джоулей.

Накопление энергии с помощью термохимических реакций.

Давно и широко известна большая группа химических реакций, в которых в закрытом сосуде при нагревание поглощается энергия, а при охлаждении выделяется. Такие реакции называют термохимическими. Энергетическая эффективность таких реакций, меньше, чем при смене агрегатного состояния, но они тоже весьма заметны. Подобные термохимические реакции объясняется сменой фазовая состояния вещества, но главная проблема состоит в нахождение дешёвой и безопасной смеси веществ, успешно действующих в диапазоне от +20 до + 70 градусов.

Механические накопители энергии

Механические накопители кинетической энергии.

В этих устройствах энергия храниться в движении какого-либо тела. Обычно это колебательные или поступательные движения. Кинетическая энергия в колебательных системах заключена в возвратно-поступательном движении. Энергия подаётся и расходуется порциями, в такт с движением тела. Количество энергии не велико и хватает на работу только самому механизму.

Накопители на основе гироскопа.

Запас кинетической энергии сосредоточен во вращающемся маховике. Удельная энергия маховика превосходит энергию аналогичному статическому груза. Маховик имеет возможность запасать и отдавать огромное количество энергии в короткие сроки. Время хранения энергии маховика незначительно, для большинства конструкция составляет около нескольких часов. Современные разработки позволяют сохранять энергию до нескольких месяцев. Энергия устройства зависит на прямую от скорости вращения маховика. Более перспективными механизмами являются супермаховики. Они изготавливаются из проволоки, стальной ленты или синтетического волокна. Конструкция может быть плотной ли иметь пустое пространство. При наличие свободного места витки ленты перемещается к периферии вращения, момент инерции маховика изменяется, часть энергии запасается в деформированной пружине. В таких устройствах скорость вращения стабильней, а энергоёмкость выше. Кроме того они безопасны.

Механические накопители, основанные на силе упругости.

Этот тип накопителей способен запасать огромное количество энергии для устройства размерами всего лишь несколько сантиметров. Большие маховики с высокой скоростью вращения имеют большую энергоёмкостью, но они больше уязвимы для внешних факторов и имеют меньшее время хранения энергии.

Механические накопители, использующие энергию пружины.

Способны накопить самую большую механическую энергию из всех накопителей. Она ограничена лишь прочностью пружину. Энергия в сжатой пружине. Однако из-за постоянной деформации в металле накапливается усталость, и энергоёмкость пружины снижается. В то же время качественные стальные пружины при соблюдении правила эксплуатации могут прослужить сотни лет без существенных потерь ёмкости. Роль пружины могут выполнять все упругие предметы. Резиновые жгуты, например, в десятки раз превосходят по запасу энергии некоторые стальные изделия. Но срок эксплуатации резиновых изделий из-за химического старения составляет всего несколько лет. Механические накопители использующие энергию сжатого газа.

В этом типе устройств накопление энергии происходит с помощью сжатия газа. При наличии избытка газа при помощи компресса его закачивают в баллон. По мере необходимости сжатый газ используют для вращения турбин и электрогенератора. При небольших мощностях вместо турбины можно использовать поршневой мотор. Газ под давлением в сотни атмосфер обладает высокой удельной плотностью энергии в течение нескольких лет.

Гирорезонансные накопители.

Эти накопители представляют собой маховик, но уже сделанный из эластичного материала. В результате у него проявляются новые свойства. По мере вращения образуются «выросты-лепестки» -сначала он превращается в эллипс , а затем в «цветок» с тремя, четырьмя и более «лепестками» . При этом скорость вращения практически не меняется, а энергия запасается в резонансной волне упругой деформации материала маховика. В 70-80х годах прошло века в Донецке такими конструкциями занимался Н.З. Гармаш. Полученные им результата поражают, при рабочей скорости маховика, составляющие 7-8 тысяч оборотов в секунду, запасённой энергии было достаточно автомобилю, чтобы проехать 1500 км.

Гравитационные накопители энергии.

Суть гравитационных накопителей очень проста. На этапе накопления энергии тело поднимается вверх, накапливая потенциальную энергию, а в нужное время опускается обратно, возвращая энергию с пользой. Применение в качества груза твёрдого тела ли жидкости вносит коррективы в устройство. Промежуточное положение между ними занимают сыпучие предметы (песок, свинцовые дроби). Практически все накопители данного типа очень просты в конструкции, обладают высокой надёжностью и долгим сроком эксплуатации. Время хранения такой энергии может исчисляться тысячелетиями. Выделяют:

1.Гавитационные твердотельные механические накопители.

2.Гравитационные жидкостные механические накопители.

Режимы работы накопителей энергии.

Так как накопители энергии входят в единую энергосистему, то предусмотрено, что они должны работать и в штатных, и в аварийных режимах. Поэтому выделяют режимы: накопления энергии (заряд), хранения, выдачи (разряд), аварийные.

Режим накопления энергии (заряд). В этом режиме генераторные станции вырабатывают энергии больше, чем требуется потребителю. Этот режим в основном ис­пользуется в ночные часы во время прохождения «про­вала» нагрузки. Накопитель заряжается избыточной энергией, вырабатываемой на станциях, что позволяет исключить остановки генерирующего оборудования.

Режим хранения энергии. В данном случае существует соответствие между энергиями: вырабатываемой на станциях и потребляемой нагрузкой. Накопитель переводится в режим хранения энергии, но на случай возникновения аварийных режимов от системы не отключается. Режим выдачи энергии (разряд). В данном режиме потребитель требует энергии больше, чем вырабатывается генераторами ЭС. Накопитель энергии разряжается и отдает накопленную энергию потребителю.

Аварийные режимы. Накопитель энергии обязан работать и в аварийных режимах: резких уменьшением и увеличением нагрузки, качаниях, отключениях генерирующего оборудования и т. д. При возникновении аварийных ситуаций необходимо, чтобы накопители энергии, во-первых, с достаточной скоростью выдавал или потреблял требуемое количество энергии, и, во-вторых, обладал достаточной маневренностью. Маневренность накопителей энергии характеризуется: временем необходимым для перевода его из режима выдачи энергии в режим потребления, и наоборот.[5,с. 65]

1.5 Перспективы использования накопителей энергии.

Сегодня больше 98% мировых мощностей накопителей приходится на ГАЭС, а из оставшегося количества около трети используется в химических аккумуляторах. (Приложение 11.Приложение 12.) Прежде всего, это обычные литий-ионные батареи: крошечные размеры ионов лития делают их отличными носителями заряда, позволяя добиться высокой плотности энергии. Литий-ионным аккумуляторам для широкого применения необходимо стать как минимум впятеро более емкими и на столько же более дешевыми. Но даже в этом случае они останутся токсичными и взрывоопасны. Использование накопителей энергии с дизельными генераторами поможет сэкономить топливо в среднем на 15%-20% процентов, тем самым поможет улучшению экологической обстановки, улучшить характеристики дизельных установок, обеспечить бесперебойную подачу при запуске и отключении генераторных установок, стабилизирует напряжение при скачках нагрузки. Также накопители можно использовать на железной дороге, что позволит снизить потери электроэнергии в тяговой сети, улучшить напряжение на токоприемниках, увеличить срок эксплуатации проводов сети и вентилей полупроводниковых агрегатов, выравнить график нагрузки, улучшить использование напряжения и проводов при увеличении веса и размера состава. Способ работы накопителей на поезде основан на сохранении кинетической энергии. Накопитель сохраняет энергии при торможении поезда и отдаёт при разгоне поезда до 60 км/ч, тем самым сохраняя до 30 % энергии.[6,с.34]

Рынок накопителей энергии, которые применялись в электрических сетях на 2011 год оценивался меньше 1 млрд. $. Через 10 лет капитал составит около 30 млрд. $ . Годовой темп роста рынка накопителей для возобновляемых источников энергии выше в 3 раза, по сравнению для накопителей предназначенных для традиционной энергетики. Особо важная роль у накопителей, которые используется на территориях с неблагоприятным климатом. В Российской Федерации одной из таких территорий является арктическая зона.

Говорить о революции в исследованиях накопителей пока трудно. Как правило, в исследованиях идёт работа по улучшению одного параметра, вследствие чего другие показатели могут ухудшиться, например: улучшения мощности накопителя из-за чего батарея может не безопасной.

От развития накопителей зависит не только электронная индустрия, но энергетическая сфера. Согласно опросу участников саммита Energy Storage Summit 2017, ожидается что 60 % электростанций к 2022 году будут иметь системы долгосрочного хранения энергии. Это может поколебать, установившиеся цены на традиционные энергоносители (нефть, газ, уголь ), дав дополнительный толчок возобновляемой энергетике.[7,с.49] Приложение 13.

Глава II. Накопители энергии на примере Дубоссарской ГЭС

В Приднестровье гидроэлектростанция на реке Днестр – Дубоссарская ГЭС. Дубоссарская ГЭС – плотинно -руслового типа . Мощностью 48МВт. Количество гидрогенераторов-4 по 12МВт. Плотина намывная, каменно - земляная, железобетонная водосливная. Длина бетонной плотины ГЭС 133м. Дубоссарское водохранилище, образованное в период возведения ГЭС имеет протяженность 128 км и шириной 528 м., полезный объем водохранилища — 166 млн. м³. Совокупность электростанций, связанных между собой воздушными линиями электропередачи распределительных подстанций, образует энергосистему. Приложение 14. Вырабатываемая на электростанциях электроэнергия по линиям высокого напряжения (110, 750 кВ и более) направляется к потребителям, которые получают ее от понижающих подстанций при более низком напряжении.
Энергосистемы в целях повышения надежности энергоснабжения и улучшения их технико-экономических показателей объединяют в более крупные — объединенные энергосистемы (ОЭС). Дубоссарская ГЭС входит в состав ОАО «ИнтерРАОЕЭС».
Основной режимной характеристикой, определяющей работу энергосистемы, является суточный график нагрузки энергосистемы (Приложение 15), включающий всех потребителей электроэнергии в районе энергоснабжения. 
  Суточный график нагрузки характеризуется тремя значениями мощности: максимальной, минимальной  и среднесуточной.

В пиковой и полупиковой зонах графика суточной нагрузки мощности резко изменяются во времени. Быстрота изменения мощности в 1 мин может достигать150-200МВт. Суточная выработка электроэнергии всеми электростанциями энергосистемы определяется: Э=24Nср. Годовой график нагрузки энергосистемы можно построить по значению одного из характерных параметров суточных графиков нагрузки за каждый месяц. Приложение 17.Требуемая по графику нагрузки мощность изменяется по сезонам и месяцам, что связано с влиянием климатических факторов (температуры, продолжительности светового дня и др.). Принципиальный характер нагрузки в течение года показан в Приложение 16. Годовое регулирование вырабатываемой электроэнергии на Дубоссарской ГЭС осуществляется Днестровской ГАЭС, расположенной выше по Днестру. Приложение 18

Работа гидроэлектростанции в энергосистеме. Способность электростанций быстро реагировать на изменение нагрузки является важным условием нормальной работы энергосистемы. Пуск гидроагрегата ГЭС из остановленного положения с синхронизацией и набором мощности до полной занимает 1-2 мин. Если гидроагрегат вращается на холостом ходу или работает с малой нагрузкой, то время набора полной мощности сокращается до 10-15 с. Остановка гидроагрегата или изменение его мощности требует также нескольких секунд. Такими высокими маневренными возможностями обладают и ГАЭС. Быстрое изменение мощности на ГЭС и ГАЭС осуществляется путем открытия или закрытия направляющего аппарата гидравлической машины и изменения пропускаемого ею расхода.
Суточное и недельное регулирование ГЭС. Работа ГЭС в пиковой части суточного графика нагрузки энергосистемы сопряжена с изменением ее мощности в течение суток. Это изменение ведется в основном за счет пропуска через ГЭС переменного расхода воды. Приток же в течение суток практически постоянен. Перераспределение расхода в течение суток носит название суточного регулирования. Среднесуточный расход воды (бытовой или зарегулированный в годовом или многолетнем разрезе) принято считать постоянным ввиду малого отрезка времени (сутки). Для перераспределения расхода в течение суток необходимо иметь некоторый объем, который размещается либо в водохранилище, либо в отдельном бассейне суточного регулирования (БСР). На рис. 6.5 Приложение 19 показана зона работы ГЭС в пиковой и частично в базисной частях графика нагрузки энергосистем. Максимальный объем БСР ориентировочно может быть принят равным половине суточного стока.
Недельное регулирование связано со снижением электрических нагрузок в энергосистеме в свободные от работы дни на ряде производств (суббота и воскресенье). Выдача мощности и электроэнергии на ГЭС в эти дни уменьшается, и освободившийся сток можно аккумулировать в водохранилище, а затем использовать его в рабочие дни недели, повысив мощность и энергоотдачу ГЭС. Специального водохранилища для недельного и суточного регулирования не делают, а совмещают его с БСР, объем которого для этого должен быть несколько увеличен (Приложение 20) дополнительным изменением уровня верхнего бьефа ГЭС (обычно в пределах нескольких сантиметров).
Берега Дубоссарского водохранилища высокие, крутые, на ряде участков обрывистые. Уровень водохранилища колеблется в пределах 3,8 м, оно осуществляет суточное и недельное регулирование стока. При повышении уровня воды в водоеме выше нормального подпорного горизонта обязателен холостой сброс воды (Х.с.в.), а также он возможен в период предполоводного опорожнения полезного объема для аккумуляции в нем воды ожидаемого высокого пика половодья. Чем меньше доля объема воды Х.с.в. в годовом притоке воды к водохранилищу, тем больше степень использования регулируемого им речного стока, это – один из главных показателей эффективности работы водоподпорного гидроузла. При неизбежно больших расходах Х.с.в. не исключены наводнения с кратковременным затоплением поймы.

Годовая выработка электроэнергии на Дубоссарской ГЭС составляет 206 млн кВт ч , холостой сброс воды составляет около 15% от общего объема воды проходящего через плотину, что составляет :

206 млн кВт ч * 15% =36352940 кВт* ч

85%

Недополученная энергии в денежном эквиваленте около 2млн долларов в год. Для решения данной проблемы мы предлагаем рассмотреть использования накопителя энергии в виде твердотельной аккумулирующей электростанции.

Принцип работы. Гравистатическая энергия притяжения Земли (на уровне моря) оценивается достаточно высоким показателем Wуд = 61,6 МДж/кг, который характеризует работу, необходимую для равномерного перемещения тела массой M1 = 1 кг с земной поверхности в космическое пространство (для сравнения укажем, что это значение Wyд приблизительно в 1,4 раза больше химической энергии 1 кг керосина). При подъеме груза массой М на высоту Н = x2 − x1 запасенная потенциальная энергия W=M*H*g

где М = const, g = 9,81 м/с2. Согласно этой формуле, удельная энергия Wyд = W/M = gh зависит только от высоты h. Запасенная энергия высвобождается при падении груза и совершении соответствующей полезной работы в результате перехода потенциальной энергии в кинетическую энергию.

ТАЭС использует в своей работе комплекс лифтов, приводы которых могут работать как в режиме электрических генераторов, так и в режиме электрических двигателей. Во время ночного провала энергопотребления ТАЭС получает из энергосети дешёвую электроэнергию и расходует её на подъём грузов лифтами вверх. Во время утреннего и вечернего пиков энергопотребления ТАЭС грузы в лифтах перемещаются вниз под действием силы тяжести и приводы лифтов в режиме электрических генераторов передают электроэнергию в сеть. Приложение 21.ТАЭС такого типа может быть построена практически в любом месте, без особого ущерба для окружающей среды.

Преимуществом ТАЭС перед ГАЭС является то, что они занимают в пять раз меньшую площадь при равной мощности, безопасность конструкции. ТАЭС, позволит значительно снизить тарифы на электроэнергию. Оптимальная мощность ТАЭС при высоте 300 м будет порядка 1 ГВт, а емкость определяется площадью накопителя и при застройке 1 км² составит 10 ГВт·ч. Тысячи специальных многошахтных лифтов, снабженных системой рекуперации, будут перемещать за сутки около 15млн т груза. ТАЭС позволит уменьшить капиталоемкость энергетики с одновременным повышением качества энергоснабжения. Себестоимость возведения ТАЭС в 1,2раза дешевле чем ГАЭС. Приложение 23.  В настоящее время прототип твердотельной аккумулирующей электростанции малой мощности высотой 20 метров работает в Новосибирске. В дальнейшем ученые планируют усовершенствовать данную технологию. Приложение 23.

По предварительным расчетам строительство 20метровой ТАЭС мощностью 10кВт окупится за 10 лет эксплуатации при установленной долговечности в 60 лет.

Заключение.

Для решения глобальных проблем, связанных с энергетической, сырьевой и экологической проблемами необходимо воспитание новой парадигмы отношения к энергии, ее сбережению и эффективному использованию. Одним из приоритетных направлений повышения надежности и  эффективности электроснабжения является интеграция систем накопления энергии в общую энергетическую инфраструктуру. Накопители энергии играют все большую роль не только в сегменте потребительской электроники, но и в транспорте, в системах энергообеспечения зданий, целых городов, а также районов, не имеющих централизованной системы электроснабжения.

Эффекты при использовании накопителей энергии - для генерации: использование накопителей позволит улучшить процесс производства электроэнергии за счёт выравнивания графика нагрузки, а также позволит избавить тепловую генерацию от роли регулятора. В свою очередь это позволит снизить расходов на углеводородное топливо, повышения коэффициента использования установленный мощности электростанций, снизить потребность в строительстве новых электростанций и повысить надёжность снабжения электричеством потребителя.

Эффект для государственного регулирования : накопители позволят создать государственный резерв без создания дополнительный генераторов, оптимизировать распорядок работы станций, обеспечить спокойное преодоления дневного и максимума и ночного минимума.

Эффект для потребителя: повышается надёжность электроснабжения, электроэнергия становиться дешевле, можно обеспечить аварийное электроснабжение при критических ситуациях и создать резерв на случай аварии.

Эффект для  электросетевого комплекса: повышает надёжность и качество энергоснабжения потребителей, накопители снижают нагрузку на станции и затраты на модернизацию сетевой инфраструктуры.

Эффект для возобновляемой энергетики: так как энергия получаемая из возобновляемых источников не постоянна, то накопители энергии позволят сгладить колебания и выравнить графики нагрузки.

На основании изученной литературы и проведенных расчетов можно предложить использование накопителей энергии для более эффективного использования электроэнергии полученной на Дубоссарской ГЭС в виде твердотельной аккумулирующей электростанции. Для удобства возведения, которой можно использовать рельеф местности - перепад высот в Рыбницком районе ПМР.

Собранный материал при использовании его на уроках физики в школе позволит подчеркнуть практическую значимость применения полученных знаний.

Список литературы

1.Стырикович М. А., Шпильрайн Э. Э. Энергетика. Проблемы и перспективы. – М.: Энергия, 1981. − 192 с.

2.Козлов В. Б. Энергетика и природа. – М.: Мысль, 1982. − 92 с.

3. Бут Д.А. Алиевский Б.Л., Мизюрин С.Р., Васюкевич П.В. Накопители энергии– М.: Энергоатомиздат, 1991. − 400 с.

4.Сошинов А. Г., Угаров Г. Г. Накопители энергии в электроэнергетических системах: Учеб. пособие / ВолгГТУ, Волгоград, 2007. – 106 с.

5.Гулиа Н. В. Накопители энергии. – М.: Наука, 1980. − 150 с.

6.Веников В. А. и др. Накопители энергии в электрических системах / Веников В. А., Астахов Ю. Н., Газарян А. Г. – М.: Энергия, 1989. − 159 с.

7.Веников В. А. и др. Энергетика в современном мире / Веников В. А,, Журавлев В. Г., Филиппова Т. А.– М.: Знание, 1986. − 191 с.

8.Гулиа Н. А. Инерция. – М.: Наука, 1982. − 152 с.

9.Еременко В. Г., Соломин А. Н. Принципы построения преобразователей энергии. – М.: Издательство МЭИ, 2002. − 56 с.

10.Михайлов В. В., Поляков М. А. Потребление электрической энергии – надежность и режимы. – М.: Высшая школа, 1989. − 144 с.

11.Сипайлов Г. А., Хорьков К. А. Генераторы ударной мощности. – М.: Энергия, 1979. − 127 с.

12.Сенилов Г. Н. и др. Расчет и эксплуатация светотехнических импульсных установок и источников питания / Сенилов Г. Н., Родионов Л. В., Ширшов Л. Г. – М.: Энергоатомиздательство, 1989. − 194 с.

13.Веников В. А. и др. Сверхпроводники в энергетике / Веников В. А., Зуев Э. Н., Околотин В. С. – М.: Энергия, 1972. − 119 с.

Приложение

Приложение 1

Рис.1 Схема источников электрической энергии

Приложение 2

Рис.2 Схема работы ГЭС

Приложение 3

Рис. 3. Схема работы фотоэлементов для получения электричества постоянного (DC) и переменного (AC) токов

Приложение 4

Рис. 4. Принцип работы ветрогенератора

Приложение 5

Приложение 6

Рис. 6. Схема получения биотоплива, биополимеров и других органических соединений из растительного сырья

Приложение 7

Приложение 8

Характеристики накопителей энергии

Приложение 9

Рис. 7. Принципиальная схема электрохимического конденсатора.

Приложение 10

Приложение 11

Приложение 12

Приложение 13

Приложение 14

Рис.8 Принципиальная схема энергосистемы:
1 — граница энергосистемы; 2 — понижающая подстанция; 3 — ВЛ связи с соседними энергосистемами; 4 — линии к потребителям

Приложение 15

Рис. 9. Графики суточной, нагрузки энергосистемы: а — суточный график нагрузки; б — суточные графики нагрузки на различных этапах развития энергосистемы; 1 — зона работы электростанций пиковая; 2 — полупиковая; 3 — базисная; 1 — энергоемкий потребитель; II — промышленность; III — сельское хозяйство; IV — коммунальный потребитель

Приложение 16

Рис. 10. Годовой график изменения максимальных суточных мощностей энергосистемы

Приложение 17

Рис. 11. Работа электростанции в суточном графике нагрузки энергосистемы

Приложение 18

Приложение 19

Рис.12.Суточное регулирование ГЭС:
а — изменение мощности ГЭС; б — изменение расходов ГЭС; в — определение объема бассейна суточного регулирования.

Приложение 20

Рис. 13. Размещение объема бассейна суточного регулирования в системе сооружений ГЭС:
а — в водохранилище ГЭС с приплотинным зданием; б — в деривационной ГЭС с безнапорной деривацией; в — в канале безнапорной деривации ГЭС; 1 — плотица; 2 — здание ГЭС; 3 — головной узел; 4 — деривационный, канал; 5 — бассейн суточного регулирования; 6 — напорный бассейн; 7 — холостой водосброс; 8 — турбинные водоводы; 9 — здание ГЭС; 10 — отводящий канал водохранилища

Приложение 21

Приложение 22

Приложение 23

39