Введение
В сегодняшнем мире потребность в большем количестве энергии, по-видимому, постоянно возрастает. Как домашним хозяйствам, так и промышленным предприятиям требуется большое количество электроэнергии.
В то же время, существующие средства производства энергии сталкиваются с новыми проблемами. Международные договоры направлены на ограничение уровня загрязнения, глобальное потепление стимулирует принятие мер по сокращению выбросов углекислого газа, а некоторые страны приняли решение не строить новые, а вывести из эксплуатации старые АЭС.
Кроме того, беспрецедентный глобальный рост спроса на энергию привел к резкому росту цен на традиционные источники энергии и к тому, что зависимость национальной экономики от непрерывного и бесперебойного снабжения такими источниками приобретает решающее значение.
В связи с этим возникает необходимость замены старых методов производства энергии новыми. Разрабатываются несколько, в том числе перспективные технологии ядерного деления, однако другие методы производства уже находятся в коммерческом использовании.
Распространение возобновляемых источников энергии и других потенциальных источников распределенной генерации растет во всем мире.
Эти виды источников энергии часто зависят от погоды или климата для эффективной работы и включают такие методы, как ветровая, солнечная и гидроэнергетика во многих ее формах.
Эти новые источники энергии имеют неоспоримые преимущества по сравнению со старыми методами. Вместе с тем они порождают новые проблемы.
Выводные данные традиционных методов легко регулируются в соответствии с потребляемой мощностью. Новые источники энергии основаны непосредственно на использовании энергии природы и поэтому их пиковая выходная мощность может не соответствовать требованиям к электропитанию.
Мощность может сильно колебаться в месячном или даже годовом цикле. Аналогичным образом, спрос может изменяться ежемесячно или ежегодно. Поэтому для того, чтобы эти новые источники стали полностью надежными в качестве первичных источников энергии, хранение энергии является решающим фактором.
По существу, энергия из этих источников должна накапливаться, когда вырабатывается избыток, а затем высвобождаться, когда уровень производства ниже требуемого уровня. Поэтому технологии хранения энергии составляют неотъемлемую и незаменимую часть надежной и эффективной установки возобновляемой и распределенной генерации.
Технологии хранения аккумуляторов
Аккумуляторные батареи представляют собой перезаряжаемые электрохимические системы, используемые для хранения энергии. Электроэнергия, вырабатываемая в результате электрохимических реакций, является источником химической энергии.
Эти реакции происходят в поезде внутри основной ячейки, между двумя электродами, погруженными в электролит, когда нагрузка подключена к клеммам ячейки. Реакция включает передачу электронов от одного электрода к другому через внешнюю электрическую цепь/нагрузку.
Батарея состоит из одного или нескольких элементов, соединенных последовательно или параллельно, или обоих, в зависимости от требуемого выходного напряжения и мощности. Состоит батарея из:
- Электрод или отрицательный электрод, который обеспечивает нагрузку электронами и окисляется во время электрохимической реакции.
- Катод или положительный электрод, который принимает электроны и восстанавливается во время реакции.
- Электролит, который обеспечивает среду для передачи электронов между анодом и катодом.
- Разделители между положительным и отрицательным электродами для электроизоляции.
В настоящее время широко используются три основных типа обычных аккумуляторных батарей: свинцово-кислотные, никелевые и литиевые.
Свинцово-кислотные батареи являются старейшим типом аккумуляторов и основаны на химических реакциях, включающих диоксид свинца (который образует катодный электрод), свинец (который образует анодный электрод) и серную кислоту, которая выступает в качестве электролита.
Номинальное напряжение свинцово-кислотных элементов составляет 2 В, а типичная плотность энергии составляет около 30 Вт/кг, а плотность мощности - около 180 Вт/кг.
Свинцово-кислотные батареи отличаются высокой электро эффективностью (от 85 до 90%), просты в установке, требуют относительно низкого уровня технического обслуживания и низких инвестиционных затрат.
Кроме того, скорость саморазряда батарей этого типа очень низкая, около 2% от номинальной емкости в месяц (при 25 8C), что делает их идеальными для длительного хранения.
Однако, ограничивающими факторами для этих батарей являются относительно низкий срок службы батарей.
Обычно срок службы свинцово-кислотных батарей составляет от 1200 до 1800 циклов зарядки/разрядки или 5-15 лет работы.
На срок службы отрицательно влияют глубина наполнения и температура. Попытки полностью разрядить батарею могут привести к особому повреждению электродов и тем самым сократить срок их службы.
Что касается уровней температуры, то, хотя высокие температуры (до 45 8°C, что является верхним пределом для работы батареи) могут улучшить характеристики батареи с точки зрения большей емкости, они также могут сократить общий срок службы батареи, а также ее эффективность.
Никелевые батареи в основном состоят из никель-кадмиевых (NiCd), никель-металлогидридных (NiMH) и никель-цинковых (NiZn) батарей. Все три типа используют один и тот же материал для положительного электрода и электролита, которым является гидроксид никеля и водный раствор гидроксида калия с некоторым количеством гидроксида лития, соответственно. Что касается отрицательного электрода, то в типе NiCd используется гидроксид кадмия, в NiMH - сплав металла, а в NiZn - гидроксид цинка.
Номинальное напряжение для щелочных батарей составляет 1,2 В (1,65 В для NiZn-типа), а типичная максимальная плотность энергии выше, чем для свинцово-кислотных батарей. Обычно значения составляют 50 Вт/кг для NiCd, 80 Вт/кг для NiMH и 60 Вт/кг для NiZn.
Типичный срок службы и срок службы никель-кадмиевых батарей также выше, чем у свинцово-кислотных. При глубоком разряде срок службы никель-кадмиевых батарей обычно составляет от 1500 циклов для карманных пластин с вентиляцией до 3000 циклов для агломерационной батареи с вентиляцией. Значения NiMH и NiZn аналогичны или ниже значений свинцово-кислотных батарей.
