Пневматический накопитель энергии

редактировать

Резервуар сжатого воздуха, использование для запуска дизель-генераторной установки в парижском метро

Пневматический накопитель энергии (CAES) - это способ хранения энергии, генерируемой в одно время, для использования в другое время с использованием сжатого воздуха. В масштабе коммунального предприятия энергия, вырабатываемая в период низкого спроса на энергию (внепиковый период), может быть выпущена для удовлетворения периодов повышенного спроса (пиковая нагрузка ). Первый проект CAES промышленного масштаба построен в Huntorf и все еще действует. Хотя завод Huntorf CAES изначально разрабатывался как балансировщик нагрузки для электроэнергии, вырабатываемой ископаемым топливом, глобальный сдвиг в сторону возобновляемых, но очень непостоянных источников энергии (например, фотогальваника, ) привел к возобновлению интереса к системам CAES. Таким образом, системы CAES могут иметь жизненно важное значение для обеспечения того, чтобы возобновляемые источники энергии удовлетворять колеблющиеся потребности в электроэнергии. Одной из постоянных проблем в крупномасштабном проектировании CAES является сокращение эффективности работы. Основное различие между различными архитектурами CAES заключается в теплотехнике. С другой стороны, малогабаритные системы долгое время использовались в качестве двигателя шахтных локомотивов. По сравнению с традиционными батареями, системы CAES могут потреблять энергию в течение более длительных периодов времени.

Содержание

  • 1 Типы
    • 1.1 Адиабатический
    • 1.2 Диабатический
    • 1.3 Изотермический
    • 1.4 Почти изотермический
    • 1.5 Другое
  • 2 Компрессоры и расширители
  • 3 Хранение
    • 3.1 Хранение постоянного объема
    • 3.2 Хранение постоянного давления
  • 4 История
    • 4.1 Передача
    • 4.2 Хранение
  • 5 Проекты
  • 6 Термодинамика хранения
    • 6.1 Изотермическое хранение
    • 6.2 Адиабатическое (изэнтропическое) хранение
    • 6.3 Термодинамика большой системы хранения
  • 7 Применение в транспортных средствах
    • 7.1 Практические ограничения при транспортировке
      • 7.1.1 Удельная энергия, плотность энергии и КПД
      • 7.1.2 Безопасность
    • 7.2 Сравнение с аккумуляторами
    • 7.3 Двигатель
      • 7.3.1 Автомобили
      • 7.3.2 Корабли
      • 7.3.3 Гибридные автомобили
    • 7.4 История
  • 8 Типы систем
    • 8.1 Гибридные системы
      • 8.1.1 Существующие гибридные системы
      • 8.1.2 Будущие гибридные системы
    • 8.2 Водохранилище в озере или океане
    • 8.3 Почти изотермическое
  • 9 См. Также
  • 10 Ссылки
  • 11 Внешние ссылки

Типы

Сжатие воздуха создает тепло; после сжатия воздух становится теплее. Расширение отводит тепло. После расширения воздух будет намного холоднее. Во время расширения увеличивается эффективность хранения, генерируемая во время сжатия. Система CAES может справиться с высокой температурой методами. Хранение воздуха может быть адиабатическим, диабатическим, изотермическим или почти изотермическим.

Адиабатический

Адиабатический накопитель продолжает удерживать тепло, выделяется при сжатии, и возвращает его в воздух, поскольку оно расширяется для выработки энергии. В рамках немецкого проекта ADELE запускает демонстрационную станцию ​​(360 МВтч накопительной мощности) в 2016 году. Теоретические КПД адиабатического накопления приближается к 100% при идеальной изоляции, но на практике ожидается, что КПД в оба конца составит 70%. Тепло может храниться в твердом теле, таком как бетон или камень, или, что более вероятно, в жидкости, таком как горячее масло (до 300 ° C) или расплавленные солевые растворы (600 ° C).

Насадочные кровати были предложены в качестве аккумуляторов тепла для систем A-CAES. В исследовании было проведено численное моделирование адиабатической системы накопления энергии сжатым воздухом с использованием накопителя энергии с уплотненным слоем. Расчетный КПД смоделированной системы в непрерывном режиме составляет от 70,5% до 71%.

Диабатический

Диабатический накопитель рассеивает большую часть сжатия с промежуточными охладителями (таким образом приближаясь к изотермическому сжатию) в атмосфере в виде отходов; по существу тратя впустую энергию, используемую для выполнения сжатия работы. Эта энергия остается в воздухе. Следовательно, воздух должен быть повторно нагрет до расширения в турбине для питания генератора. Этот повторный нагреватель может быть выполнен с помощью горелки, работающей на природном газе, для хранения коммунального или с помощью нагретой металлической массы. Для компенсации потерянного тепло необходимо использовать топливо для восполнения запасов энергии, восполняемое водой. Это снижает эффективность цикла восстановления-хранилища; и этот подход относительно прост, сжигание топлива увеличивает стоимость рекуперированной электроэнергии и ставит под угрозу экологические преимущества, связанные с большинством возобновляемых источников энергии. Тем не, это пока единственная система, которая была реализована в коммерческих целях.

Завод CAES в Макинтоше, Алабама, требует 2,5 МДж электроэнергии и 1,2 МДж меньшей теплотворной способности (LHV) газа на каждый МДж выходящей энергии, что соответствует эффективности рекуперации энергии около 27 %. Установка General Electric 7FA 2x1 с комбинированным циклом, одна из наиболее эффективных станций, работающих на природном газе, потребляет 1,85 МДж (LHV) газа на выработку МДж, тепловая КПД 54%.

Изотермический

Изотермические подходы к сжатию и расширению поддерживают поддержку рабочую температуру за счет постоянного теплообмена с окружающей средой. В поршневом компрессоре это может быть достигнуто за счет использования поршня с оребрением и низких скоростей цикла. Текущие проблемы с эффективными теплообменниками означают, что они применимы только для низких уровней мощности. Теоретическая эффективность изотермического накопителя энергии приближается к 100% для идеальной передачи тепла в окружающей среде. Практически невозможно ни один из этих идеальных термодинамических циклов, неизбежны некоторые тепловые потери, ведущие к почти изотермическому процессу.

Почти изотермический

Почти изотермический сжатие (и расширение) - это процесс, в котором газ сжимается в непосредственной близости от большой несжимаемой тепловой массы, такая как структура, поглощающая и высвобождающая тепло (HARS) или разбрызгиванием воды. HARS обычно состоит из ряда параллельных плавников. Когда газ сжимается, теплота сжатия быстро передается тепловое массе, поэтому температура газа стабилизируется. Используется внешний охлаждающий контур для поддержания температуры Тепловая масса. Изотермический КПД (Z) - это мера того, где процесс находится между адиабатическим и изотермическим процессом. Если КПД равенство 0%, то он полностью адиабатический; с КПД 100% он полностью изотермический. Обычно при почти изотермическом процессе можно ожидать изотермической эффективности 90-95%.

Другое

В одном из вариантов изотермического CAES используются поршни высокого, и низкого давления, за каждой ступенью следует воздушный нагнетатель насос Вентури, нагнетает окружающий воздух через теплообменник Воздух-воздух (или воздух-морская вода) между каждой ступенью расширения. В ранних конструкциях торпед со сжатым воздухом использовался аналогичный подход, при котором заменялся морской водой. Трубка Вентури нагревает выхлоп предыдущей ступени и пропускает этот нагретый воздух на следующую ступень. Этот подход получил широкое распространение в различных транспортных средствах с сжатым воздухом, таких как H. К. Портер, Инк. добывает локомотивы и трамваи. Здесь теплота защиты эффективно сохраняется в атмосфере (или море) и возвращается позже.

Компрессоры и расширители

Сжатие может обрабатываться с помощью турбокомпрессоров с электрическим приводом, расширение с помощью турбодетандеров или воздушных двигателей с приводом электрические генераторы для производства электроэнергии.

Хранение

Резервуары для хранения воздуха различаются по термодинамическим условиям хранения и по используемой технологии:

  1. Хранение постоянного объема (каверны с добычей раствора, надземные резервуары, водоносные горизонты, автомобильные приложения и т.. д.)
  2. Хранение при постоянном давлении (подводные сосуды под давлением, гибридная гидроаккумулирующая гидроаккумулятор - хранение сжатого воздуха)

Хранение постоянного объема

В системе хранения используется камера с определенными границами для хранения. хранение большого количества воздуха. С термодинамической точкой является система постоянного и переменного давления. Это некоторые эксплуатационные проблемы компрессоров и турбин, работающих на них, поэтому колебания давления должны быть ниже определенного предела, как и напряжение, создаваемые в резервуарах для хранения.

Резервуар для хранения часто представляет собой каверну. созданный добычей раствора (соль растворяется в воде для добычи) или использованием заброшенной шахты ; Также изучалось использование пористых горных пород (горных пород с отверстиями, через которые проходит жидкость или воздух).

В некоторых случаях также были изучены выше Наземный трубопровод был протестирован как система хранения, что дало хорошие результаты. Очевидно, что стоимость системы выше, но ее можно связать там, где выберет проектировщик, в то время как подземная система требует определенных геологических образований (соляные купола, водоносные горизонты, истощенные газовые шахты и т. Д.).

Постоянно- Хранение под давлением

В этом случае в резервуаре-хранилище поддерживается постоянное давление, и газ содержит в резервуаре переменного объема. Было предложено много типов резервуаров для хранения, но условия эксплуатации основаны на том же принципе: резервуар для хранения на сотнях метрах под водой, гидростатическое давление водяного столба над резервуаром для поддержания давления на желаемом уровне.

Эта конфигурация позволяет:

  • Улучшить плотность энергии системы накопления, потому что можно использовать весь действся воздух (давление постоянное при всех условиях заряда, полное или пустое давление одинаковое, поэтому у турбины нет проблем с ее эксплуатацией, в системе с постоянным объемом через некоторое время давление ниже нормы.
  • Повысьте эффективность турбомашин, который будет работать при постоянных условиях входа.
  • Открывает возможность использования географических мест размещения завода CAES (береговые линии, плавучие платформы и т. Д.).

С другой стороны, стоимость этого хранилища системы из-за необходимости размещения резервуара-хранилища на выбранном водоема (часто моря или океана) и из-за стоимости самого судна.

Другой подход состоит из закопать большой мешок, закопанный под метрами песка вместо воды.

Растения используйте ежедневный цикл, заряжая ночью и разряжая днем. Нагрев энергетической энергии с использованием природного газа или геотермального тепла для увеличения количества извлекаемой энергии был изучен Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией.

Хранение сжатым воздухом также можно использовать в меньших масштабах, например, в эксплуатации. с помощью авиационных автомобилей и пневмоприводов локомотивов, а также использовать высокопрочные углеродные волокна резервуары для хранения воздуха. Чтобы сохранить энергию, запасную в сжатом воздухе, этот резервуар должен быть термически изолирован от окружающей среды; иначе накопленная энергия уйдет в виде тепла, так как сжатие воздуха повышает его температуру.

История

Передача

Общегородские энергосистемы с сжатым воздухом строятся с 1870 года. Такие города, как Париж, Франция ; Бирмингем, Англия ; Дрезден, Риксдорф и Оффенбах, Германия и Буэнос-Айрес, Аргентина, установили такие системы. построили системы для питания часов, каждую минуту посылая импульс воздуха для смены стрелок. Они быстро эволюционировали и стали обеспечивать электроэнергией дома и промышленность. По состоянию на 1896 год в парижской системе было 2,2 МВт генерации, распределенной при 550 кПа по 50 км воздуховодов для двигателей в легкой и тяжелой промышленности. Использование измерялось кубическими метрами. В те системы были получены материалы, а также питали машины стоматологов, швеей, типографии и пекарен.

Склад

  • 1978 - Первым проектом по хранению энергии на сжатом воздухе для коммунальных предприятий была установка на 290 мегаватт Huntorf в Германии с использованием соляного купола.
  • 1991 - Установка на 110 мегаватт мощностью 26 часов построен в Макинтоше, Алабама (1991 г.). Стоимость объекта в Алабаме составляет 65 миллионов долларов, что составляет 590 долларов за киловатт генерирующей мощности и около 23 за киловатт-час накопительной мощности при использовании раствора, добытого в соляной пещере на 19 миллионов кубических футов, для хранения воздуха под давлением до 1100 фунтов на квадратный дюйм.. Хотя на этапе сжатия составляет 82%, пример изображения включает в себя скорость сжатия газа, равную одной трети скорости газовой турбины, производящей такое же количество электроэнергии.
  • Декабрь 2012 г. - General Compression завершает строительство газовой турбины. Проект CAES мощностью 2 МВт в Гейнсе, штат Техас; третий в мире проект CAES. В проекте не используется топливо.

Проекты

  • Завод Huntorf в Германии (290 МВт) диабатик. Энергия 580 МВтч, КПД 42%.
  • Завод МакИнтош в Алабаме, США (110 МВт) диабат. Энергия 2860 МВтч, КПД 54%.
  • Ноябрь 2009 г. - Министерство энергетики США выделяет 24,9 млн долларов в качестве сопутствующих средств для первого этапа установки 300 МВт, 356 млн долларов Pacific Gas and Electric Company с использованием соленых пористых горных пород, разрабатываемых недалеко от Бейкерсфилда в округе Керн, Калифорния. Целью проекта является создание и проверка усовершенствованного проекта.
  • Декабрь 2010 г. - Министерство энергетики США составляет 29,4 млн долларов на проведение предварительных работ по проекту CAES мощностью 150 МВт, разработанному Iberdrola USA в Уоткинс-Глен, Нью-Йорк. Цель состоит в том, чтобы включить интеллектуальных сетей для сбалансляемых прерывистых источников энергии.
  • 2013 - Первый проект адиабатического CAES, объект на 200 мегаватт под названием ADELE, планировалось построить в Германии. Этот проект был отложен по нераскрытым причинам как минимум до 2016 года.
  • 2017 (прогноз) - Storelectric Ltd планирует построить пилотную установку 100% возобновой энергии мощностью 40 МВт в Чешире, Великобритания, с накопительной емкостью 800 МВтч. «Это будет в 20 раз больше, чем любое построенное до сих пор CAES на 100% возобновляемых источников энергии, что представляет собой скачок в индустрии хранения». согласно их веб-сайту.
  • 2020 (прогноз) - Apex реализует в эксплуатации завод CAES в округе Андерсон, штат Техас в 2016 году. Этот проект был отложен и не будет запущен до лета 2020 года.
  • Ларн, Северная Ирландия - проект CAES мощностью 330 МВт по разработке двух каверн в соляном месторождении при поддержке ЕС в размере 90 миллионов евро.
  • Финансируемый Европейским союзом проекта RICAS 2020 (адиабатический) в Австрии щебень используется для хранения тепла от процесса сжатия и повышения эффективности. Ожидалось, что эффективность системы составит 70-80%.
  • Канадская компания Hydrostor планирует построить различные четыре завода Advance CAES в Торонто, Годерих, Ангасе и Розамонд.

Термодинамика хранения

Для достижения почти термодинамического обратимого процесса, чтобы большая часть энергии сохранялась в системе и могла быть извлечена, а потери оставались незначительными, следует использовать почти обратимый изотермический процесс или изоэнтропический процесс желателен.

Изотермическое хранение

В процессе изотермического сжатия газ в системе все время поддерживается при постоянной температуре. Это обязательно требует теплообмена с газом, в противном случае температура будет расти во время зарядки и падать во время разряда. Этот теплообмен может быть достигнут с помощью теплообменников (промежуточного охлаждения) между последующими ступенями компрессора, регулятора и резервуара. Чтобы избежать потерь энергии, промежуточные охладители должны быть оптимизированы для обеспечения высокой теплопередачи и низкого падения давления. Компрессоры меньшего размера могут приблизиться к изотермическому сжатию даже без промежуточного охлаждения из-за относительно высокого отношения площади поверхности к объему камеры сжатия и, как следствие, улучшения теплоотвода от самого корпуса компрессора.

Когда достигается идеальное изотермическое хранение (и разряд), процесс называется «обратимым». Это требует, чтобы передача тепла между окружающей средой и газом происходила при бесконечно малой разнице температур. В этом случае нет потерь эксергии в процессе теплопередачи, и поэтому работа сжатия может быть полностью восстановлена ​​как работа расширения: 100% эффективность хранения. Однако на практике всегда существует разница температур в любом процессе теплопередачи, и поэтому практически все накопители энергии имеют КПД ниже 100%.

Для оценки работы сжатия / расширения в изотермическом процессе можно предположить, что сжатый воздух подчиняется закону идеального газа :

p V = n R T = constant. {\ displaystyle pV = nRT = {\ text {constant}}.}{\ displaystyle pV = nRT = {\ text {constant}}.}

От процесса от начального состояния A до конечного состояния B, с абсолютной температурой T = TA = TB {\ displaystyle T = T_ {A} = T_ {B}}T = T_ {A} = T_ {B} константа, считается, что работа, необходимая для сжатия (отрицательная) или выполняемая расширением (положительная), равна

WA → B = ∫ VAVB pd V = ∫ VAVB n RTV d V = n RT ∫ VAVB 1 V d V = n RT (ln ⁡ VB - ln ⁡ VA) = n RT ln ⁡ VBVA = p AVA ln ⁡ p A p B = p BVB ln ⁡ п A п В, {\ Displaystyle {\ begin {выровнено} W_ {A \ to B} = \ int _ {V_ {A}} ^ {V_ {B}} p \, dV = \ int _ {V_ {A}} ^ {V_ {B}} {\ frac {nRT} {V}} dV = nRT \ int _ {V_ {A}} ^ {V_ {B}} {\ frac {1} {V }} dV \\ = nRT (\ ln {V_ {B}} - \ ln {V_ {A}}) = nRT \ ln {\ frac {V_ {B}} {V_ {A}}} = p_ { A} V_ {A} \ ln {\ frac {p_ {A}} {p_ {B}}} = p_ {B} V_ {B} \ ln {\ frac {p_ {A}} {p_ {B}} }, \\\ конец {выровнен}}}{\ displaystyle {\ begin {align} W_ {A \ to B} = \ int _ {V_ {A}} ^ {V_ {B}} p \, dV = \ int _ {V_ {A}} ^ {V_ {B}} {\ frac {nRT} {V}} dV = nRT \ int _ {V_ {A}} ^ {V_ {B}} {\ frac {1} {V}} dV \\ = nRT (\ ln {V_ {B}} - \ ln {V_ {A }}) = nRT \ ln {\ frac {V_ {B}} {V_ {A}}} = p_ {A} V_ {A} \ ln {\ frac {p_ {A}} {p_ {B}}} = p_ {B} V_ {B} \ ln {\ frac {p_ {A}} {p_ {B}}}, \\\ конец {выровнено}}}

где p V = p AVA = p BVB {\ displaystyle pV = p_ {A} V_ {A} = p_ {B} V_ {B}}pV = p_ {A} V_ {A} = p_ {B} V_ {B} , и поэ тому VBVA = p A p B {\ displaystyle {\ frac {V_ {B}} {V_ {A}}} = {\ frac {p_ {A}} {p_ {B }}}}{\ displaystyle {\ frac {V_ {B}} {V_ {A}}} = {\ frac {p_ {A}} {p_ {B}}}} .

Здесь p {\ di splaystyle p}p - абсолютное давление, VA {\ displaystyle V_ {A}}V_ {A} - (неизвестный) объем сжатого газа, VB {\ displaystyle V_ {B}}{\ displaystyle V_ {B}} - объем сосуда, n {\ displaystyle n}n - количество вещества газа (моль) и R {\ displaystyle R}R - это постоянная идеального газа.

Если есть постоянное давление вне емкости, которое равное начальному давлению p A {\ displaystyle p_ {A}}p_ {A} , положительная работа внешнего давления уменьшает используемую энергию (отрицательное значение). Это добавляет член к приведенному выше уравнению:

WA → B = p AVA ln ⁡ p A p B + (VA - VB) p A = p BVB ln ⁡ p A p B + (p B - p A) VB. {\ displaystyle W_ {A \ to B} = p_ {A} V_ {A} \ ln {\ frac {p_ {A}} {p_ {B}}} + (V_ {A} -V_ {B}) p_ {A} = p_ {B} V_ {B} \ ln {\ frac {p_ {A}} {p_ {B}}} + (p_ {B} -p_ {A}) V_ {B}.}{\ displaystyle W_ {A \ to B} = p_ {A} V_ {A} \ ln {\ frac {p_ {A}} {p_ {B}}} + (V_ {A} -V_ {B}) p_ {A} = p_ {B} V_ {B} \ ln {\ frac {p_ {A }} {p_ {B}}} + (p_ {B} -p_ {A}) V_ {B}.}
Пример

Сколько энергии может храниться в емкости для хранения длиной 1 м при давлении 70 бар (7,0 МПа), если давление окружающей среды составляет 1 бар (0,10 МПа). В этом случае процесс работы равен

W = p BVB ln ⁡ p A p B + (p B - p A) VB {\ displaystyle W = p_ {B} V_ {B} \ ln {\ frac {p_ {A}} {p_ {B}}} + (p_ {B} -p_ {A}) V_ {B}}{\ displaystyle W = p_ {B} V_ {B} \ ln {\ frac {p_ {A}} {p_ {B}}} + (p_ {B} -p_ {A}) V_ {B}} =
= 7,0 МПа × 1 м × ln (0,1 МПа / 7,0 МПа) + (7,0 МПа - 0,1 МПа) × 1 м = -22,8 МДж (эквивалентно 6,33 кВт · ч).

Отрицательный знак означает, что работа с газом выполняется окружающей средой. Необратимость процесса (например, при передаче тепла) приведет к тому, что в процессе расширения будет рекуперировано меньше энергии, чем требуется для процесса сжатия. Если окружающая среда имеет постоянную температуру, например, тепловое сопротивление в промежуточных охладителях будет означать, что сжатие происходит при температуре несколько выше, чем температура окружающей среды, а расширение будет происходить при температуре несколько ниже, чем температура окружающей среды. Таким образом, невозможно создать идеальную изотермическую систему хранения.

Адиабатическое (изоэнтропическое) накопление

адиабатический процесс - это процесс, при котором отсутствует теплопередача между жидкостью и окружающей средой: система изолирована от теплопередачи. Если процесс, кроме того, является внутренне обратимым (плавным, медленным и без трения, до идеального предела), то он дополнительно будет изоэнтропическим.

. Адиабатическая система хранения устраняет промежуточное охлаждение во время процесса сжатия и просто позволяет газу нагреваться при сжатии, а также охлаждаться при расширении. Это привлекательно, поскольку исключаются потери энергии, связанные с передачей тепла, но недостатком является то, что емкость для хранения должна быть изолирована от потерь тепла. Следует также отметить, что настоящие компрессоры и турбины не являются изоэнтропическими, а вместо этого имеют изоэнтропический КПД около 85%, в результате чего эффективность хранения в оба конца для адиабатических систем также значительно ниже, чем идеальная.

Термодинамика больших систем хранения

В системах хранения энергии часто используются большие каверны. Это предпочтительная конструкция системы из-за очень большого объема и, следовательно, большого количества энергии, которое может быть сохранено только при небольшом изменении давления. Пространство каверны можно легко изолировать, адиабатически сжать с небольшим изменением температуры (приближение к обратимой изотермической системе) и потерями тепла (приближение к изэнтропической системе). Это преимущество является дополнением к низкой стоимости строительства системы хранения газа с использованием подземных стен для сдерживания давления.

Недавно были разработаны подводные изолированные надувные подушки безопасности с термодинамическими свойствами, аналогичными характеристикам хранилищ в больших пещерах.

Применение в транспортных средствах

Практические ограничения при транспортировке

В Чтобы использовать аккумуляторы воздуха в транспортных средствах или самолетах для практических наземных или воздушных перевозок, система аккумулирования энергии должна быть компактной и легкой. Плотность энергии и удельная энергия - технические термины, которые определяют эти желаемые качества.

Удельная энергия, плотность энергии и КПД

Как объяснено в разделе термодинамики хранения газа выше, сжатие воздуха нагревает его, а расширение охлаждает. Поэтому практические воздушные двигатели требуют теплообменников, чтобы избежать чрезмерно высоких или низких температур и даже в этом случае не достичь идеальных постоянных температурных условий или идеальной теплоизоляции.

Тем не менее, как указано выше, полезно описать максимальную сохраняемую энергию, используя изотермический случай, который составляет примерно 100 кДж / м [ln (P A/PB)].

Таким образом, если 1,0 м воздуха из атмосферы очень медленно сжимается в 5-литровую бутылку при 20 МПа (200 бар), запасенная потенциальная энергия составляет 530 кДж. Высокоэффективный пневмодвигатель может преобразовать это в кинетическую энергию, если он работает очень медленно и способен расширять воздух от начального давления 20 МПа до 100 кПа (баллон полностью «пустой» при атмосферном давлении). Достижение высокого КПД является технической проблемой как из-за потерь тепла в окружающую среду, так и из-за неизвлекаемого внутреннего тепла газа. Если опорожнить вышеуказанный баллон до 1 МПа, извлекаемая энергия на валу двигателя составит около 300 кДж.

Стандартная стальная бутыль на 20 МПа, 5 л имеет массу 7,5 кг, улучшенная - 5 кг. Волокна с высокой прочностью на разрыв, такие как углеродное волокно или кевлар, могут весить менее 2 кг в этом размере, в соответствии с законами о безопасности. Один кубический метр воздуха при 20 ° C имеет массу 1,204 кг при стандартной температуре и давлении. Таким образом, теоретическая удельная энергия составляет примерно от 70 кДж / кг на валу двигателя для простой стальной бутылки до 180 кДж / кг для усовершенствованной бутылки с волоконной намоткой, тогда как на практике достижимая удельная энергия для тех же контейнеров будет от 40 до 100 кДж / кг.

Безопасность

Как и в случае с большинством технологий, сжатый воздух имеет проблемы безопасности, в основном это катастрофический разрыв резервуара. Правила техники безопасности делают это редким явлением за счет большего веса и дополнительных функций безопасности, таких как предохранительные клапаны. Правила могут ограничивать допустимое рабочее давление до менее 40% от давления разрыва для стальных бутылок (коэффициент безопасности 2,5) и менее 20% для бутылок с волоконной намоткой (коэффициент безопасности из 5). Коммерческие образцы соответствуют стандарту ISO 11439. Баллоны высокого давления достаточно прочные, поэтому они, как правило, не разрываются при авариях.

Сравнение с батареями

Усовершенствованные армированные волокном баллоны сравнимы с перезаряжаемыми свинцово-кислотными батареями по плотности энергии. Батареи обеспечивают почти постоянное напряжение на всем уровне заряда, тогда как давление сильно меняется при использовании сосуда высокого давления от полного до пустого. Технически сложно спроектировать воздушные двигатели, чтобы поддерживать высокий КПД и достаточную мощность в широком диапазоне давлений. Сжатый воздух может передавать мощность с очень высокой скоростью потока, что соответствует основным требованиям по ускорению и замедлению транспортных систем, особенно для гибридных транспортных средств.

Системы сжатого воздуха имеют преимущества по сравнению с обычными батареями, включая более длительный срок службы сосудов высокого давления. и более низкая токсичность материала. Более новые конструкции батарей, например, на основе химического состава литий-железо-фосфат, не имеют ни одной из этих проблем. Затраты на сжатый воздух потенциально ниже; однако усовершенствованные сосуды под давлением требуют больших затрат на разработку и испытания на безопасность, и в настоящее время они более дороги, чем батареи, производимые серийно.

Как и в случае с технологией аккумулирования электроэнергии, сжатый воздух настолько "чист", насколько это источник энергии, который он хранит. Оценка жизненного цикла касается вопроса об общих выбросах от данной технологии хранения энергии в сочетании с заданным сочетанием генерации в энергосистеме.

Двигатель

Пневматический двигатель или двигатель сжатого воздуха использует расширение сжатого воздуха для приведения в действие поршней двигателя, поворота оси или для привода турбина.

Следующие методы могут повысить эффективность:

  • Турбина с непрерывным расширением с высоким КПД
  • Многоступенчатое расширение
  • Использование отходящего тепла, особенно в гибридном тепловой двигатель конструкция
  • Использование тепла окружающей среды

В высокоэффективной конструкции последовательно используются поршни высокого, среднего и низкого давления, за каждой ступенью следует трубка Вентури с воздушным дутьем, которая втягивает окружающий воздух по воздуховоду. воздухообменник теплообменник. Это нагревает выхлоп на предыдущей ступени и пропускает предварительно нагретый воздух на следующую ступень. Единственный выхлопной газ каждой ступени - это холодный воздух, который может иметь температуру до –15 ° C (5 ° F); холодный воздух можно использовать для кондиционирования воздуха в автомобиле.

Дополнительное тепло может быть получено путем сжигания топлива, как в 1904 году для торпед Уайтхеда. Это увеличивает диапазон и скорость, доступные для данного объема бака, за счет дополнительного топлива.

Автомобили

Примерно с 1990 года несколько компаний заявляли, что разрабатывают автомобили, работающие на сжатом воздухе, но ни одна из них недоступна. Обычно основными заявленными преимуществами являются: отсутствие загрязнения дороги, низкая стоимость, использование кулинарного масла для смазки и интегрированное кондиционирование воздуха.

Время, необходимое для наполнения пустого бака, важно для транспортных средств. «Объемный перенос» почти мгновенно перемещает предварительно сжатый воздух из стационарного бака в бак транспортного средства. В качестве альтернативы, стационарный или встроенный компрессор может сжимать воздух по запросу, на что может потребоваться несколько часов.

Корабли

Большие судовые дизельные двигатели запускаются с использованием сжатого воздуха, обычно от 20 до 30 бар, и хранятся в двух или более больших баллонах, воздействуя непосредственно на поршни через специальные пусковые клапаны для поворота коленчатого вала перед началом впрыска топлива. Эта конструкция более компактна и дешевле, чем электрический стартер в таких масштабах, и способна обеспечить необходимый импульс чрезвычайно высокой мощности без чрезмерной нагрузки на электрические генераторы и распределительную систему корабля. Сжатый воздух при более низких давлениях также обычно используется для управления двигателем и действует как сила пружины, действующая на выпускные клапаны цилиндров, а также для управления другими вспомогательными системами и электроинструментами на борту, иногда включая пневматические ПИД-регуляторы. Одним из преимуществ этого подхода является то, что в случае отключения электроэнергии судовые системы, работающие на накопленном сжатом воздухе, могут продолжать работать без перебоев, а генераторы могут быть перезапущены без подачи электроэнергии. Во-вторых, пневматические инструменты можно использовать во влажных средах без риска поражения электрическим током.

Гибридные транспортные средства

Хотя система хранения воздуха предлагает относительно низкую удельную мощность и дальность действия транспортного средства, ее высокая эффективность является привлекательной для гибридных транспортных средств, в которых в качестве основного источника энергии используется обычный двигатель внутреннего сгорания. Накопитель воздуха может использоваться для рекуперативного торможения и для оптимизации цикла поршневого двигателя, который не является одинаково эффективным на всех уровнях мощности / оборотов.

Bosch и PSA Peugeot Citroën разработали гибридную систему, которая использует гидравлику как способ передачи энергии в резервуар со сжатым азотом и из него. Заявлено снижение расхода топлива до 45%, что соответствует 2,9 л / 100 км (81 миль на галлон, 69 г CO2 / км) на новом европейском ездовом цикле (NEDC) для компактной рамы, такой как Пежо 208. Эта система считается гораздо более доступной, чем конкурирующие системы с электроприводом и маховиком KERS, и ожидается, что она появится на дорожных автомобилях к 2016 году.

История

С тех пор используются воздушные двигатели. 19 век для питания шахты локомотивов, насосов, буровых станков и трамваев через централизованное распределение на уровне города. Гоночные автомобили используют сжатый воздух для запуска своих двигателей внутреннего сгорания (ICE), а большие дизельные двигатели могут иметь пусковые пневматические двигатели.

A сжатый воздух локомотив Х. K. Porter, Inc., использовавшаяся на шахте Хоумстейк с 1928 по 1961 год.

Типы систем

Гибридные системы

Цикл Брайтона двигатели сжимать и нагревать воздух с помощью топлива, подходящего для двигателя внутреннего сгорания. Например, природный газ или биогаз нагревают сжатый воздух, а затем обычный газотурбинный двигатель или задняя часть реактивного двигателя расширяет его, чтобы произвести работу.

Пневматические двигатели могут заряжать электрическую батарею. The apparently defunct Energine promoted its Pne-PHEV or Pneumatic Plug-in Hybrid Electric Vehicle-system.

Existing hybrid systems

Huntorf, Germany in 1978, and McIntosh, Alabama, U.S. in 1991 commissioned hybrid power plants. Both systems use off-peak energy for air compression and burn natural gas in the compressed air during the power generating phase.

Future hybrid systems

The Iowa Stored Energy Парк (ISEP) будет использовать хранилище водоносный горизонт, а не хранилище в пещере. Вытеснение воды в водоносном горизонте приводит к регулированию давления воздуха за счет постоянного гидростатического давления воды. Представитель ISEP утверждает: «Вы можете оптимизировать свое оборудование для повышения эффективности, если на вас постоянно действует давление». Выходная мощность систем McIntosh и Iowa находится в диапазоне 2–300 МВт.

В Нортоне, Огайо разрабатываются дополнительные объекты. FirstEnergy, электроэнергетическая компания в Акроне, штат Огайо, получила права на разработку проекта Norton мощностью 2700 МВт в ноябре 2009 года.

В рамках проекта RICAS2020 предпринимается попытка использовать заброшенную шахту для адиабатических CAES с рекуперацией тепла. Теплота сжатия сохраняется в секции туннеля, заполненной рыхлыми камнями, поэтому сжатый воздух почти холодный на входе в основную камеру хранения давления. Холодный сжатый воздух восстанавливает тепло, накопленное в камнях, при выходе обратно через поверхностную турбину, что приводит к повышению общей эффективности. Двухступенчатый процесс имеет теоретическую более высокую эффективность около 70%.

Озеро или океанское хранилище

Глубокая вода в озерах и океане может обеспечивать давление без необходимости использования сосудов высокого давления или бурения в соляных пещерах или водоносные горизонты. Воздух поступает в недорогие гибкие контейнеры, такие как полиэтиленовые пакеты, под глубокими озерами или у берегов моря с крутыми обрывами. Препятствия включают ограниченное количество подходящих мест и необходимость трубопроводов высокого давления между поверхностью и контейнерами. Поскольку контейнеры будут очень недорогими, необходимость в большом давлении (и большой глубине) может быть не столь важной. Ключевым преимуществом систем, построенных на этой концепции, является то, что давления заряда и разряда являются постоянной функцией глубины. Карно неэффективность электростанции может быть уменьшена. Эффективность Карно может быть увеличена за счет использования нескольких этапов зарядки и разрядки и использования недорогих источников тепла и стоков, таких как холодная вода из рек или горячая вода из солнечных бассейнов. В идеале система должна быть очень умной - например, охлаждать воздух перед откачкой в ​​летние дни. Он должен быть спроектирован таким образом, чтобы избежать неэффективности, такой как бесполезные перепады давления, вызванные несоответствующим диаметром трубопровода.

Почти изобарическое решение возможно, если сжатый газ используется для привода гидроэлектрической системы. Однако это решение требует больших резервуаров высокого давления, расположенных на суше (а также подводных подушек безопасности). Кроме того, предпочтительным флюидом является газообразный водород, поскольку другие газы испытывают значительное гидростатическое давление даже на относительно небольших глубинах (например, 500 метров).

E.ON, одна из ведущих энергетических и газовых компаний Европы, предоставила 1,4 миллиона евро (1,1 миллиона фунтов стерлингов) на разработку подводных мешков для хранения воздуха. Hydrostor в Канаде разрабатывает коммерческую систему подводных «аккумуляторов» для хранения энергии сжатого воздуха, начиная с шкалы от 1 до 4 МВт.

Существует план для некоторого типа хранения энергии сжатого воздуха в подводных пещерах. от Северной Ирландии.

Почти изотермический

Схематические изображения почти изотермического компрессора и детандера. Вид слева с полностью втянутым поршнем, вид справа с полностью вставленным поршнем.

Разрабатывается ряд методов почти изотермического сжатия. В Fluid Mechanics есть система с теплоотводящей структурой (HARS), прикрепленной к возвратно-поступательному поршню. Light Sail впрыскивает струю воды в возвратно-поступательный цилиндр. SustainX использует смесь воздушно-водяной пены внутри полуавтоматического компрессора / детандера со скоростью 120 об / мин. Все эти системы обеспечивают сжатие воздуха с высокой температуропроводностью по сравнению со скоростью сжатия. Обычно эти компрессоры могут работать со скоростью до 1000 об / мин. Для обеспечения высокой температуропроводности среднее расстояние между молекулами газа и теплопоглощающей поверхности составляет около 0,5 мм. Эти почти изотермические компрессоры тоже награждаются как почти изотермические расширители и разрабатываются для повышения эффективности CAES оба в конца.

См.

  • значок Энергетический портал

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с накопителем энергии на сжатом воздуха.
Последняя правка сделана 2021-05-15 08:23:23
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте