Алексей Иванов (sivnvv) wrote in engineering_ru,
Алексей Иванов
sivnvv
engineering_ru

Храните электричество в бочках

Электрохимические аккумуляторы постоянно совершенствуются, растет емкость по отношению к весу, уменьшается цена, но, для более-менее ощутимых запасов электроэнергии они все же еще достаточно дорогие. Да и длительное хранение энергии в них затруднительно. Поэтому все еще не сбрасываются со счетов «механические» способы хранения энергии. Это супермаховики, теплоаккумуляторы, гидроаккумуляторы, гравитационные аккумуляторы и пневмоаккумуляторы.



Все эти способы имеют свои недостатки, перечисление которых сильно увеличит эту статью, поэтому я на этом задерживаться не буду. Отмечу только, что в большинстве случаев это высокая стоимость хранения энергии, по сравнению со стоимостью ее генерации с использованием природного газа или мазута. К слову сказать, это еще один повод отметить, что «экологичные» электростанции, по факту не так уж и экологичны. В большинстве случаев для покрытия «провалов» в снабжении солнечными и ветряными «фермами» используются старые добрые генераторы, работающие на ископаемом топливе. И провалы эти часто составляют более 40% от общей генерации.

Но я хочу взглянуть на вопрос хранения электроэнергии не с точки зрения промышленных масштабов, а для индивидуальных нужд.
Понятно, что химические аккумуляторы наиболее простое решение, но их использование целесообразно только для хранения небольших объемов и недолго. Цена растет прямо пропорционально емкости и при определенном значении этой емкости стоимость становится сравнимой или большей чем стоимость нехимических аккумуляторов. То есть, для компенсации нескольких десятков киловатт все эти решения будут проигрывать в стоимости электрохимическим аккумуляторам, а для сотен или тысяч (если мы будем запасать на зиму для отопления) они также фантастически дороги, как и электрохимические.

Если уж использовать бытовые системы длительного хранения электроэнергии и в больших объемах (несколько сотен или тысяч кВт*ч), то перспективнее будут пневмоаккумуляторы. Основная причина это их относительно небольшие размеры и несложное наращивание емкости. И срок хранения сжатого воздуха очень большой, и к большому диапазону температур устойчивы. К тому же в пневмодвигателях может очень быстро регулироваться мощность и поддерживаться постоянные обороты, что позволяет использовать генератор переменного тока без преобразователя и дополнительных схем стабилизации. В теории, можно питать компрессор напрямую от источника (СБ, ветряк) «грязным током», а емкость, вместе с пневмодвигателем, возьмут на себя подачу необходимой мощности, напряжения и частоты. Более того, в случае с ветряками, можно крутить компрессор напрямую от вала ветряка, без использования лишнего генератора.

Но, с другой стороны, есть ряд проблем. Первая – довольно низкий КПД, в промышленных системах 40-50%, в бытовых вряд ли и 30% удастся достичь. Вторая – сжатие в одну ступень выше 15 атмосфер проблематично из-за нагрева воздуха (возгорание масла), а значит компрессор будет далеко не простой и дешевый. Это целый комплекс из 3-4 компрессоров с промежуточными теплообменниками. Третья – сильное охлаждение воздуха при расширении, что приведет к обледенению деталей, в том числе камеры двигателя, при использовании атмосферного воздуха, увеличению вязкости масла и, в итоге, очень низкому ресурсу. В существующих промышленных системах воздух либо предварительно нагревают, либо используют сжатый воздух в газовых турбинах. Получается, система хранения дополняет систему генерации, а эта не та цель, которая преследуется для автономии своего дома.

Тут я хочу рассмотреть новый способ увеличения КПД компрессоров и пневмодвигателей. Собственно именно он и заставил заинтересоваться таким типом хранения энергии. И для начала хотелось бы напомнить о причинах низкого КПД компрессоров и пневмодвигателей. А она довольно проста - в них сжатие происходит близко к адиабате, почти без теплообмена с внешней средой, а потому существенная часть затраченной энергии переходит в тепло сжимаемого воздуха. Затем сжатый воздух охлаждают и его давление падает процентов на 30%. А вот если сжимать воздух/газ при постоянной температуре, своевременно охлаждая его в процессе сжатия, то процесс будет близок к изотермическому. В итоге, для достижения одного и того же давления, при адиабатном сжатии требуется затратить в 1,5 раза больше энергии, чем при изотермическом. При расширении похожая ситуация – при своевременном подводе тепла для поддержания постоянной температуры выход энергии примерно на 30 % больше чем в теплоизолированной среде. Эти цифры приведены для сжатия со степенью около 10, для больших значений разница между изотермой и адиабатой еще больше.

То есть, возьмем для примера систему хранения энергии на основе сжатого воздуха. При сжатии около 30% механической энергии компрессора будет затрачено на нагрев воздуха. Затем, при расширении также на 30% меньше будет получено механической энергии. Условно, пренебрегая потерями в электродвигателе/генераторе и трением в цилиндрах, из 1000 кВт*ч электроэнергии при сжатии, воздуху передано 700 кВт*ч, а при расширении получено 490 кВт*ч, то есть 49%. На практике, сжатие происходит не полностью по адиабате и потери на трение и преобразование электроэнергии не нулевые, поэтому такие системы хранения энергии имеют КПД 42-54%.

И вот возвращаясь к способу повышения КПД таких систем. Идея довольно простоя – создать потоки в сжимаемом/расширяемом воздухе, то есть принудительную конвекцию. Проще говоря, разместить внутри цилиндра крыльчатку вентилятора. Теплопроводность воздуха довольно низкая и теплопередача в нем происходит преимущественно за счет конвекции. В цилиндре компрессора она близка к естественной, и теплообмен между стенками цилиндра возникает преимущественно в слое воздуха, расположенного непосредственно у этих стенок. Основная же часть воздуха в теплообмене не участвует и нагревается до высокой температуры.

В результате создания принудительной конвекции, воздух постоянно перемешивается и весь объем контактирует со стенками. Для увеличения скорости теплообмена, можно расположить внутри цилиндра теплообменник. При отсутствии потоков в цилиндре такой теплообменник бесполезен, так как повториться ситуация со стенками цилиндра – в теплообмене будет участвовать только воздух, находящийся в самом теплообменнике. Но использование теплообменника вместе с вентилятором кардинально меняет ситуацию. Ведь теперь теплообменник будет постоянно обдуваться воздухом.

Примерная схема реализации такого устройства в компрессоре или пневмодвигателе (взята с сайта https://z2017128006.blogspot.ru/ , там же подробное описание изобретения от автора):



По сути, компрессор комплектуется дополнительным блоком, размещенным между цилиндром и крышкой с клапанами. Через каналы в теплообменнике циркулирует теплоноситель (например, тосол) направляемый далее в радиатор или они продуваются атмосферным воздухом, при использовании более простого воздушного охлаждения. А сквозь щели теплообменника, расположенные внутри цилиндра продувается сжимаемый/расширяемый воздух. В центре всасывается, а по краям выдувается внутрь цилиндра, постоянно перемешивая весь объем. КПД пары компрессор/пневмодвигатель при использовании такого способа 100% минус трение поршня (1-3%) и минус затраты энергии на внутренний вентилятор и систему охлаждения. Последние зависят от скорости работы компрессора – чем она ниже, тем меньше мощность вентилятора и проще система охлаждения (например, воздушная – просто еще один вентилятор). То есть, вполне достижимы значения КПД 80-85% в не слишком сложных и дорогих конструкциях.

Но, понятное дело, такие устройства еще не выпускаются. Хочется надеяться что именно «еще». Тем более, что могут быть и кустарные варианты. Впрочем, я не претендую на звание «крупного специалиста» и, возможно, я ошибаюсь в оценке эффективности данного изобретения и может быть среди прочитавших эту статью найдутся люди лучше меня разбирающиеся в вопросе – прошу высказаться в комментариях.
Tags: пневматика и гидравлика, энергетика, энергоэффективность
Subscribe
promo engineering_ru march 2, 2015 08:17 174
Buy for 200 tokens
Помните байку о разработке космической ручки? Да, она не основана на реальных событиях, но очень наглядно иллюстрирует идею, что простое решение может оказаться лучше сложного. Ракета, построенная по принципу "большого глупого носителя" ("Big Dumb Booster") находится не в диапазоне…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 218 comments
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →