Применение суперконденсаторов EDLC в возобновляемой энергетике. Мировая практика
Экология потребления.Наука и техника:В статье рассматривается международный опыт применения суперконденсаторов в возобновляемой энергетике. Дана оценка мирового рынка потребления данных устройств, рассмотрены конкретные примеры их эффективного применения в возобновляемой энергетике, в составе «гибридных» систем накопления энергии и автономных энергосистем.
Применение суперконденсаторов двойного слоя (Electric Double Layer Capacitor) в технологически развитых странах мира неуклонно растёт. Если в 2011 году объём рынка составлял немногим более $ 550 млн, то в текущем году объём потребления суперконденсаторов должен превысить $ 2 млрд, а к 2025 году составит $ 8 млрд (рис. 1). Это происходит потому, что использование суперконденсаторов во многих случаях позволяет реализовывать более эффективные, экологичные и экономически обоснованные решения, а в ряде случаев перейти на принципиально новый технический и технологический уровень. К отличительным особенностям суперконденсаторов относятся:
1. Высокая удельная мощность, что делает суперконденсаторы оптимальным средством для работы при резких и значительных изменениях мощности и эффективно использовать для стабилизации параметров тока.
2. Высокая скорость заряда/разряда, что позволяет эффективно применять суперконденсаторы в системах рекуперации энергии и компенсации импульсной мощности.
3. Широкий диапазон рабочих температур от -40 до 65 °C, что обеспечивает их применение в различных системах уличного исполнения без специальных климатических систем.
4. Срок службы не менее 10 лет (миллион циклов заряда/разряда), что исключает необходимость частых замен и снижает эксплуатационные издержки.
5. Герметичность и экологичность, что исключает необходимость эксплуатационных затрат и затрат на проведение экологических мероприятий.
6. Компактность, малые размеры и масса, что делает суперконденсаторы эффективными для автономных и мобильных применений.
Использование суперконденсаторов во многих случаях позволяет реализовывать более эффективные, экологичные и экономически обоснованные решения, а в ряде случаев перейти на принципиально новый технический и технологический уровень
Основными потребителями суперконденсаторов в мире являются европейские страны, США и страны Азии, такие как Китай, Япония и Южная Корея.
Основными производителями суперконденсаторов являются следующие компании: Maxwell Technologies (США), Panasonic, NEC-Tokin, Cooper Electronic Technologies, Seiko Instruments, Nippon-Chemi-Con (все Япония) и Nesscap (Южная Корея), на которые приходится 70 % рынка (рис. 2).
Суперконденсаторы в настоящее время применяются практически во всех индустриях, однако к основным потребителям можно отнести производителей электроники, транспорта, энергетики, включая возобновляемую, и силового оборудования (рис. 3).
Применение же суперконденсаторов в возобновляемой энергетике актуально в силу её изначальной нестабильности, особенно, если мы говорим о ветрогенераторах или солнечных батареях. Для того чтобы обеспечить требуемое конечными потребителями качество и стабильность объёмов генерируемой ими электроэнергии, а также интегрировать возобновляемые источники энергии в единые распределительные сети, требуется проводить дорогостоящие мероприятия, и в данном случае применение суперконденсаторов становится эффективной альтернативой традиционным решениям.
В мировой практике в возобновляемой энергетике суперконденсаторы находят применение в следующих областях (табл. 1).
Одним из наиболее распространённых применений суперконденсаторов является их использование в составе систем управления ориентацией (поворота) лопастей турбин ветрогенераторов с целью обеспечения максимальной генерации электроэнергии и предотвращения поломки лопастей при большой скорости ветра, так называемых системах Pitch control (рис. 4).
На сегодняшний день применяются гидравлические и электрические системы, при этом последние применяются всё чаще по причине их экологичности и более низких эксплуатационных затрат. В настоящее время около 30 % ветрогенераторов в мире оснащаются суперконденсаторами, которые обеспечивают требуемую при повороте лопастей импульсную мощность, стабилизацию параметров и поддержание электропитания на время кратковременных пропаданий напряжения, а также безопасную и корректную ориентацию лопастей.
Суперконденсаторы в настоящее время применяются практически во всех индустриях, однако к основным потребителям можно отнести производителей электроники, транспорта, энергетики, включая возобновляемые источники энергии, и силового оборудования
Доля применения суперконденсаторов в системах Pitch control постоянно растёт, в первую очередь за счёт отказа от аккумуляторных батарей в силу того, что использование суперконденсаторов оказывается надёжнее и экономичнее (рис. 5).
К настоящему моменту развитие использования суперконденсаторов для ветрогенераторов достигло стадии формирования отраслевых стандартов суперконденсаторных накопителей (рис. 6).
Ещё одним распространённым применением является использование суперконденсаторов в составе «гибридных» систем накопления энергии совместно с аккумуляторными батареями. В данных системах суперконденсаторы и аккумуляторы компенсируют недостатки друг друга. Аккумуляторные батареи используются в качестве основного накопителя энергии, в то время как суперконденсаторы обеспечивают импульсные режимы работы, компенсируя нестабильную генерацию возобновляемых источников энергии и быстрые изменения нагрузки (рис. 6). Помимо этого, суперконденсаторы защищают аккумуляторы от просадок напряжения и высоких токов заряда/ разряда. При этом потребность в аккумуляторных батареях может быть снижена в пять раз, а срок службы батарей увеличен до двух раз.
Гибридные системы накопления энергии во многих случаях являются наиболее эффективным решением интеграции возобновляемых источников энергии в распределительные сети, компенсации импульсной мощности нагрузки, накопления энергии рекуперации и т.п., чему уже существует множество практических подтверждений.
Одна из крупнейших американских энергетических компаний Duke Energy столкнулась с необходимостью нести значительные затраты, связанные с модернизацией существующей инфраструктуры при подключении возобновляемых источников энергии к распределительной сети. С целью сглаживания нестабильной солнечной генерации, компенсации импульсной мощности и поддержания нагрузки в периоды низкой генерации был установлен гибридный накопитель в составе суперконденсаторов 277 кВт / 8,0 кВт-ч и аккумуляторных батарей 50 кВт / 300 кВт-ч. Суперконденсаторы быстро компенсируют как изменения мощности солнечной генерации, так и импульсные нагрузки, тем самым избавляя аккумуляторы от деградирующих их режимов заряда/разряда. Батареи же обеспечивают долговременное накопление энергии от солнечных батарей и поддержание нагрузки в наиболее оптимальные для этого периоды времени. В результате обеспечено сокращение капитальных затрат на 10-15 % и сокращение операционных затрат на 30 % в сравнении с применением только батарей.
Другим примером эффективного использования «гибридных» систем накопления энергии может служить проект Southeastern Pennsylvania Transportation Authority (SEPTA). Более 80 % из потребляемых данным проектом 500 ГВт энергии приходятся на обеспечение движения по железной дороге. Рекуперация энергии торможения могла бы привести к существенной экономии потребления электроэнергии. Соответственно, была разработана и установлена «гибридная» система накопления энергии «суперконденсатор — батарея», предназначенная для выполнения следующих основных функций:
1. Рекуперация энергии торможения. Суперконденсаторы накапливают энергию торможения, определяя повышение напряжения в контактной сети. Данный процесс происходит несколько тысяч раз в сутки и длится в среднем 15-20 секунд.
2. Модулирование нагрузки для обеспечения регулирования частоты на энергетическом рынке. В среднем 90 минут в день тратится на процесс рекуперации энергии торможения, соответственно, остальное время используется для реализации данной функции.
Как результат, было обеспечено 20 % сокращение потребления энергии из сети, а также 800 кВт модулирование мощности с возможностью быстрого подключения. Поскольку это платная услуга, предоставляемая оператору энергосистемы, данная функция приносит SEPTA более $ 200 тыс. выручки ежегодно.
Подтверждена исследованиями и практикой эффективность применения суперконденсаторов для автономных энергосистем, где основными или единственными источниками энергии являются возобновляемые источники или дизель-генераторы
В качестве примера эффективного решения компенсации импульсной мощности с помощью суперконденсаторов можно привести проект глубоководного порта Yangshan в Китае, расположенного недалеко от Шанхая. 23 портовых крана постоянно создавали значительные изменения (просадки) напряжения длительностью 10-15 секунд. Так как порт расположен в 20 милях от берега, увеличение подводимой мощности и прокладка дополнительных силовых кабелей были очень дорогим решением. В качестве альтернативного решения был разработан и установлен суперконденсаторный накопитель мощностью 3 МВт / 17,2 кВт-ч, обеспечивающий 20-секундную поддержку и компенсацию падения напряжения при работе кранов. К настоящему моменту система эксплуатируется более двух лет. В результате обеспечено 38 % сокращение потребления электроэнергии в пиковых режимах, экономия потребления электроэнергии составила $ 2,9 млн, а экономия за счёт повышения эффективности и сокращения эксплуатационных издержек составила $ 41 млн.
Также следует отметить подтверждённую исследованиями и практикой эффективность применения суперконденсаторов для автономных энергосистем, где основными или единственными источниками энергии являются возобновляемые источники или дизель-генераторы. В первую очередь речь идёт об отдельных домохозяйствах и посёлках, где отсутствует электроснабжение, однако это не только они. Как пример можно привести дорожную инфраструктуру, что особенно актуально для России, где протяжённость дорог большая, а электроснабжение отсутствует.
Автономные системы имеет смысл использовать в случаях, когда основные источники электрической энергии настолько удалены от дороги и оборудования дорожной инфраструктуры, что прокладка кабельных сетей для питания нагрузки выходит сравнительно дороже, когда существует необходимость временного обеспечения электроснабжения, например, в случаях строительства и ремонта автодорог и когда необходимо обеспечить длительный срок эксплуатации (10 лет) в автономном режиме в широком температурном диапазоне (от -40 до +65 °C) без необходимости частого обслуживания и замен.
Суперконденсаторы, применяемые независимо или в составе «гибридных» систем накопления энергии, являются эффективным решением при построении автономных систем электроснабжения заправочных станций, пунктов сбора тарифов за проезд по платным дорогам, дорожных телефонов экстренной связи, парконов, камер видеонаблюдения, систем связи и передачи данных. Применение солнечных батарей совместно с суперконденсаторами в качестве накопителей энергии позволяет эффективно организовать дорожное освещение и разметку, освещение дорожных знаков и указателей и т.п.
Выводы
Суперконденсаторы являются одним из трёх базовых элементов — накопителей/ источников энергии и занимают по своим характеристикам промежуточное положение между конденсаторами и батареями. Благодаря уникальным свойствам объёмы потребления суперконденсаторов в мире постоянно увеличиваются. В настоящее время суперконденсаторы применяются практически во всех отраслях мировой индустрии, и возобновляемая энергетика здесь не является исключением (табл. 2).
Проведённые исследования и практический мировой опыт показывают, что в большинстве случаев применение суперконденсаторов на всех этапах, от генерации электроэнергии возобновляемыми источниками энергии до конечных потребителей, является наиболее эффективным решением с технической точки зрения и по совокупной стоимости владения и экологичности.
Российской государственной программой энергосбережения и повышения энергетической эффективности на период до 2020 года предусмотрено обеспечение производства электроэнергии за счёт использования возобновляемых источников энергии к 2020 году на уровне 4,5 % (от общего объёма производства электроэнергии в 2020 году), что предполагает создание генерирующих мощностей на основе возобновляемых источников энергии, инфраструктуры для их подключения к распределительным сетям, систем накопления, хранения и передачи электроэнергии и т.п.
Было бы целесообразно, чтобы разработчики и создатели данных решений принимали во внимание уже имеющийся накопленный мировой опыт и рассматривали применение суперконденсаторов как одну из альтернатив, которая во многих случаях может быть наиболее эффективным решением.
Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:
Источник
Free energy или как сделать ночник на ионисторах и солнечной батарее
Привет geektimes! В предыдущей части было рассказано про тестирование батареи ионисторов, наконец настало время использовать их куда-нибудь. По результатам предыдущего теста выяснилось, что от батареи 6х500F на полной яркости светодиодная лента горит примерно 10 минут. Этого разумеется мало, поэтому решено было сделать ночник — на малой яркости света вполне надолго хватит. Что из этого получилось, подробности под катом.
Для начала под спойлером небольшое дополнение о самой батарее ионисторов.
В моем случае батарея из 6 ионисторов и платы защиты была заказана на eBay и выглядела примерно так:
Увы, продавец не озаботился хорошей упаковкой посылки, 2 транзистора на плате от удара при пересылке вообще лопнули, и защита разумеется, не работала. Напряжение на ионисторе не должно превышать 2.7В, в реале замеры показали разброс значений на заряженной плате от 0.8 до 3.5В, что разумеется никуда не годится. Я получил частичный refund от продавца и заказал новую protection board отдельно, плата выглядит примерно так:
Новая плата оказалась даже удобнее в использовании, например на ней есть светодиоды, показывающие что конкретный ионистор уже заряжен (на предыдущих версиях платы многие допаивали их самостоятельно).
Тестирование батареи ионисторов зарядным током всего лишь в 2.5А показало 2 важных момента:
— Принцип работы платы защиты состоит в «сбрасывании» излишков напряжения на резисторах при напряжении ионистора выше 2.7В. Излишки очевидно, вырабатываются в тепло. Так вот, уже при 2.5А и резисторы и транзисторы на плате были такие горячие, что держать палец было реально горячо.
— Резисторы на плате не успевают «сбрасывать» напряжение даже при таком небольшом токе — напряжение на заряженном ионисторе доходило до 3.3В, и лишь через 1-2 минуты начинало снижаться. Возможно имеет место некий гистерезис, сказать сложно, но факт есть факт, защита этой платы далеко не 100%.
Из этого следует важный вывод: хотя сами ионисторы теоретически могут держать очень большие зарядные токи, данная плата защиты (ее полное название Super Capacitor Balance Protection Board) в лучшем случае рассчитана на зарядные токи 1-2А. Поэтому слова в описании платы «Maximum charge current (A): unrestricted» скорее всего, «небольшое» китайское преувеличение — если подать на плату например, 20А, то балансировочные резисторы на плате скорее всего просто испарятся. Однако, при зарядке малыми токами, проблем с балансировкой скорее всего не будет.
Мне было интересно подключить их к солнечной батарее, из чего получился описанный ниже прототип ночника. Ночью в квартире темно, а слабое фоновое освещение как раз будет кстати.
«Профи» из нижеописанного вряд ли узнают что-то новое, ну а начинающим возможно будет интересно.
Заряд
Для заряда использовались 3 купленные на ебее китайские солнечные панели можностью 1.5Вт и напряжением 9В каждая (цена вопроса $3.99/шт). На холостом ходу они действительно выдавали около 10В, ток КЗ при освещении через оконное стекло около 100мА. На самом деле 3 штуки оказалось ни то ни се, т.к. 30В для зарядки 16-вольтовой батареи много, надо брать либо 2 либо 4. Панели подключены к ионисторам последовательно через мощный диод (нужен для того, чтобы ионисторы не разряжались через панели ночью). Конечно подключение через диод — не самый эффективный способ снятия энергии с батарей, это не MPPT и даже не PWM, зато дешево и надежно.
В тестовом варианте вся конструкция из 3х батарей, приклеенных скотчем к коробке от печенья, и диода, выглядит так:
Как показала практика, даже в солнечный день диод не греется (разряженная батарея ионисторов фактически эквивалентна короткому замыканию для солнечных панелей). В ясную погоду уже к середине дня батарея ионисторов заряжается до 15В, затем это напряжение примерно так и держится до вечера. Окна выходят на восток и солнце светит только утром, так что во второй половине дня панели служат скорее для компенсации саморазряда.
Разряд
Для ночника были задействованы следующие компоненты:
1) Три 1-Вт светодиода теплого свечения (цена вопроса 1$ за 10шт)
2) Драйвер светодиодов с поддержкой CC-CV (цена вопроса 2$)
В отличии от обычных батареек, ионисторы разряжаются линейно, так что напряжение на них меняется в широких пределах, поэтому необходим led-драйвер. Драйвер должен иметь регулируемый ток, это важно, в противном случае светодиоды будут гореть только на полную мощность, и получится фонарик а не ночник. В моем случае вращением потенциометра я выставил комфортный уровень яркости, который получился примерно на уровне обычной свечи.
На столе это выглядит примерно так:
3) Наконец, чтобы «это» стало ночником, было куплено фотореле, с длинным названием DC 5-18V Solar Light Control Switch Module Controller Night Work/ day Off (цена вопроса $4.59).
Есть 2 варианта реле, Night Work/day Off и наоборот, важно не перепутать. В общем-то и вся конструкция, вход фотореле подключаем к ионисторам, выход фотореле подключается к драйверу светодиодов. Уровень освещенности для срабатывания реле можно отрегулировать находящимся внутри подстроечным резистором.
Результаты
Система оказалась работоспособной и вполне удобной. Вечером, примерно в 22 часа, светодиоды загораются, накопленного за день заряда хватает на 4-6 часов, утром заряд начинается снова. Тут важно напомнить, что в отличии от литиевых или свинцовых аккумуляторов, число циклов ионисторов в идеале практически неограниченно, так что о количестве циклов или «эффекте памяти» можно не думать (на практике, как и электролитический конденсатор, ионистор с годами конечно может потерять емкость). В общем, получился вполне компактный для домашнего использования ночник на бесплатной солнечной энергии.
Об экономической эффективности разумеется, речи не идет — на данный момент ионисторы примерно в 10 раз дороже обычных аккумуляторов и имеют в 10 раз меньшую плотность энергии (вт*ч/кг). Однако за счет возможности отдачи больших токов, возможности заряда и разряда при минусовых температурах и практически неограниченного числа циклов, они весьма интересны и перспективны. Ну и разумеется, всегда интересно протестировать что-то новое.
В дальнейшем планируется протестировать заряд и разряд ионисторов на разных нагрузках. Stay tuned.
Источник