Можно ли хранить электричество? Проблема хранения излишек электроэнергии решена Как собирать и хранить электроэнергию

ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2294851

Имя изобретателя: ДАСГУПТА Санкар (CA); ЯКОБС Джеймс К. (CA); БХОЛА Ракиш (CA)
Имя патентообладателя: Электровайа Инк. (CA)
Адрес для переписки: 101000, Москва, Центр, а/я 732, Агентство ТРИА РОБИТ, пат.пов. Г.М.Вашиной
Дата начала действия патента: 2002.04.03

Изобретение относится к источникам электроэнергии, применяемым для питания приводных электродвигателей при разных значениях потребляемой ими мощности. Устройство для хранения электрической энергии содержит первую электрическую батарею, называемую энергетической батареей, соединенную со второй электрической батареей, называемой мощностной батареей. Энергетическая батарея обладает более высоким значением плотности энергии, чем мощностная батарея. Мощностная батарея выполнена с возможностью питания приводного электродвигателя электрической энергией на разных уровнях потребляемой мощности с гарантией получения этим электродвигателем достаточной мощности. Мощностная батарея получает практически непрерывную подзарядку электрической энергией от энергетической аккумуляторной батареи. Таким образом, в мощностной батарее осуществляется временное хранение электрической энергии, поступающей от энергетической батареи, и от этой мощностной батареи осуществляется питание приводного электродвигателя электрической энергией на разных уровнях потребляемой мощности в соответствии с его потребностями. Устройство для хранения электрической энергии выполнено с возможностью разъемного подсоединения к внешнему источнику электрической энергии для подзарядки обеих электрических батарей и их одновременной независимой подзарядки. Технический результат заключается в обеспечении оптимизации зарядных характеристик электрических батарей и сроков их службы.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предлагаемое изобретение в целом относится к способу, аппаратуре и устройству для хранения электрической энергии и снабжения электрической энергией потребителей, имеющих переменную мощность. В частности, предлагаемое изобретение относится к способу, аппаратуре и устройству, в которых используется гибридная электрическая батарея, обеспечивающая питание потребителей разной мощности, например электродвигатель или двигатель, используемый для приведения в движение сухопутного транспортного средства.

На предшествующем уровне техники предлагалось много различных технических решений для хранения электрической энергии и питания ею таких потребителей, как приводные электродвигатели. Например, для питания приводных электродвигателей сухопутных транспортных средств в прошлом использовались электрические батареи различных типов, в том числе свинцово-кислотные, никель-кадмиевые (Ni-Cd) и никель-металлогидридные (Ni-MH).

Однако электрическим батареям каждого из этих типов присущи как достоинства, так и недостатки.

Например, свинцово-кислотные электрические батареи обладают тем достоинством, что они способны, при необходимости, обеспечить большую мощность в импульсе. Кроме того, свинцово-кислотные электрические батареи могут обеспечить большие величины электрического тока, достаточные для разгона и поддержания работы приводных электродвигателей сухопутных транспортных средств. Однако свинцово-кислотным электрическим батареям присущ такой недостаток, как низкая плотность энергии - этот параметр иногда выражается или измеряется в ватт-часах на литр (Вт·час/л) - то есть величина запасенной энергии, приходящейся на единицу объема элемента такой электрической батареи, невелика. Сходным образом, у свинцово-кислотных электрических батарей сравнительно низок также и такой показатель, как удельная энергия (может быть выражена в ватт-часах на единицу массы батареи, например, в Вт·час/кг), из чего следует, что для хранения существенного количества энергии требуется относительно большая масса электрической батареи.

В противоположность этому, электрические батареи на основе лития, такие как, например, литиевые батареи, у элементов которых аноды или отрицательные электроды выполнены из металла лития или его сплава, или безводные аккумуляторные (допускающие повторную зарядку) литиевые ионные электрические батареи, описанные, например, в патенте США №6159635, выданном на имя Дас Гупта и др. (Das Gupta et al.), имеют более высокие характеристики плотности энергии и удельной энергии, чем элементы электрических батарей на основе свинца или никеля. Следует заметить, что некоторые типы безводных подзаряжаемых (допускающих повторную зарядку) литиевых ионных батарей называются также полимерными литиевыми батареями, поводом для чего послужило то, что они упакованы и герметизированы в виде слоев из полимерного материала, и в них используются полимерные электролиты, проводящие ионы лития. С другой стороны, литиевые электрические батареи могут не обеспечивать большой мощности в импульсе, в частности, они не обеспечивают высокой плотности электрического тока, причиной чего является большое внутреннее сопротивление элементов таких литиевых электрических батарей. Кроме того, во избежание быстрой деградации элементы литиевых электрических батарей нуждаются в средствах поддержания определенного температурного режима, чтобы температура не выходила за пределы диапазона от -20°С до максимум 70°С. При отдаче энергии в импульсе в элементах литиевых ионных электрических батарей имеет место выделение большого количества тепловой энергии, что без применения надлежащих мер может привести к разрушению батареи.

В сухопутном транспортном средстве с электрическим двигателем желательно иметь устройство для хранения электрической энергии, обладающее высокой характеристикой плотности сохраняемой электрической энергии, с тем чтобы такое устройство для хранения электрической энергии занимало как можно меньший объем, а также обладающее высокой характеристикой удельной энергии, с тем чтобы такое устройство для хранения электрической энергии, перемещающееся вместе с сухопутным транспортным средством, имело как можно меньший вес. Кроме того, представляется желательным также, чтобы такое устройство для хранения электрической энергии могло обеспечивать большую мощность в импульсе. Большая мощность в импульсе требуется, в частности, для преодоления сил трения покоя при трогании транспортного средства с электрическим приводом с места и его разгона, то есть преодоления инерции. Следует заметить, что делались попытки создания таких подзаряжаемых литиевых электрических батарей, которые обеспечивали бы более высокие величины электрического тока, но это приводило к снижению характеристик удельной энергии и плотности энергии таких электрических батарей.

В предшествующем уровне техники, при попытках создания устройства для хранения электрической энергии, обеспечивающего высокую мощность в импульсе при высоких характеристиках плотности энергии и удельной энергии, предлагалось несколько различных типов устройств для хранения электрической энергии. Например, в патентах США №№5780980 и 5808448, оба выданы на имя Найто (Naito), раскрывается система привода электрического автомобиля, имеющего систему электрического питания постоянного тока, включающую топливный электрический элемент в комбинации со свинцово-кислотной электрической батареей. При работе электрического автомобиля топливный электрический элемент обеспечивает постоянную мощность, когда нагрузка приводного электродвигателя невелика. При увеличении нагрузки приводного электродвигателя его питание обеспечивается от свинцово-кислотной электрической батареи при сохранении питания от топливного электрического элемента. В вышеуказанных патентах США на имя Найто сказано также, что при понижении заряда свинцово-кислотной электрической батареи ниже некоторого заданного значения происходит ее подзарядка от топливного электрического элемента. Однако вышеуказанным изобретениям Найто присущ тот недостаток, что жидкие реагенты, на которых работает топливный электрический элемент, должны перевозиться в соответствующих контейнерах на электрическом автомобиле, что ухудшает характеристику удельной энергии такого устройства для хранения электрической энергии и питания ею потребителей. Кроме того, изобретения Найто включают сложную электрическую схему, с помощью которой осуществляется питание электродвигателя от топливного электрического элемента и свинцово-кислотной электрической батареи.

Гибридные литий-тионилхлоридные - свинцово-кислотные электрические батареи предлагались для потребителей существенно меньшей мощности, например, для объектов микроэлектроники, таких как электрохромные очки. Например, в патентах США №№5900720 и 5455637, оба на имя Каллман (Kallman), раскрывается использование для питания микроэлектронных схем гибридной электрической батареи, в состав которой входит батарея из первичных, то есть не допускающих повторной зарядки литий-тионилхлоридных электрических элементов, и вторичная герметичная свинцово-кислотная батарея, допускающая повторную подзарядку. От этих первичной и вторичной электрических батарей осуществляется питание потребителей, которыми в изобретениях Каллман являются микроэлектронные схемы для электрохромных очков. От первичной электрической батареи осуществляется также питание контроллера, от которого, в свою очередь, осуществляется управление периодической подзарядкой вторичной батареи. Однако в вышеуказанных патентах на имя Каллман не говорится о возможности повторной зарядки первичной литий-тионилхлоридной электрической батареи. Кроме того, устройство по вышеуказанным патентам на имя Каллман разработано как устройство, имеющее малые размеры и относительно низкий общий выход энергии, и поэтому это устройство как таковое не может быть использовано для нагрузок большей мощности.

Кроме того, в предшествующем уровне техники предлагалось использовать конденсаторные батареи, что раскрыто, например, в Европейской патентной заявке №0564149 А2 на имя «Джеол Лтд.» (Jeol Ltd.). Однако, как раскрыто в настоящей заявке, конденсаторы намного более чувствительны к прилагаемому напряжению, и если прилагаемое напряжение превышает номинал, то происходит немедленное понижение емкости конденсатора, и увеличивается утечка электрического тока. По этой причине в Европейской патентной заявке №0564149 А2 раскрыты подробные схемы управления, с помощью которых осуществляется ограничение заряда конденсаторов, но ничего не сказано об использовании электрических батарей и как осуществляется управление электрическими батареями.

Таким образом, в данной отрасли имеется потребность в эффективном устройстве для хранения электрической энергии и питания ею потребителя переменной мощности, которое имело бы относительно высокую характеристику плотности энергии и относительно высокую характеристику удельной энергии для применения с потребителями большой мощности с широким диапазоном изменения потребляемой мощности. Кроме того, хотя плотность энергии сама по себе является важной характеристикой, важно также принять во внимание, каким образом электрические батареи будут размещены внутри транспортного средства. Иначе говоря, нужно учитывать действительный объем устройства, включающего электрические батареи, то есть объем, требуемый для размещения электрических батарей, а не просто суммарный объем отдельных электрических элементов. Кроме того, должен найти решение вопрос зарядки системы после падения выходной мощности ниже установленного уровня.

Краткое описание предлагаемого изобретения

В соответствии с вышеизложенным целью предлагаемого изобретения является по меньшей мере частичное преодоление недостатков предшествующего уровня техники. Кроме того, целью предлагаемого изобретения является также создание эффективного устройства для хранения электрической энергии и питания ею потребителей с относительно широким диапазоном изменения потребляемой мощности, таких как приводные электродвигатели сухопутных транспортных средств, при этом желательно, чтобы устройство имело высокие характеристики плотности энергии и удельной энергии, и при этом оно должно обеспечивать большую мощность в импульсе без выхода за пределы контролируемого температурного диапазона.

Таким образом, в одном из аспектов осуществления настоящим изобретением предлагается источник электрической энергии для питания приводного электродвигателя с переменной потребляемой мощностью, при этом этот источник электрической энергии содержит: некоторую первую подзаряжаемую электрическую батарею (энергетическая батарея), характеризуемую некоторой первой плотностью энергии и предназначенную для хранения электрической энергии; некоторую вторую подзаряжаемую электрическую батарею (мощностная батарея), характеризуемую некоторой второй плотностью энергии, которая меньше, чем первая плотность энергии, и предназначенную для хранения электрической энергии и питания ею электродвигателя с переменной потребляемой мощностью; контроллер электрических батарей, предназначенный для непрерывной подзарядки мощностной батареи электрической энергией от энергетической батареи, при этом питание приводного электродвигателя при разных значениях потребляемой им электрической мощности осуществляется электрической энергией, хранимой в энергетической батарее, через посредство мощностной батареи.

Еще в одном аспекте осуществления настоящим изобретением предлагается устройство для хранения электрической энергии, предназначенной для питания потребителя электрической энергии, при этом это устройство для хранения электрической энергии содержит: некоторую первую подзаряжаемую электрическую батарею, характеризуемую некоторой первой плотностью энергии и выполненную с возможностью электрического соединения с внешним источником электрической энергии; некоторую вторую подзаряжаемую электрическую батарею, характеризуемую некоторой второй плотностью энергии, которая меньше, чем первая плотность энергии, и имеющую электрическое соединение с потребителем; при этом во время работы вторая электрическая батарея соединена с потребителем и обеспечена возможность питания потребителя электрической энергией от второй электрической батареи и в то же время обеспечена возможность непрерывной подзарядки второй электрической батареи электрической энергией от первой электрической батареи; при этом обеспечена возможность периодического подсоединения первой электрической батареи к внешнему источнику электрической энергии для ее подзарядки по мере необходимости.

Еще в одном аспекте осуществления настоящим изобретением предлагается устройство для хранения электрической энергии, предназначенной для питания потребителя электрической энергии, при этом это устройство для хранения электрической энергии содержит:

подзаряжаемую электрическую батарею (первая электрическая батарея), характеризуемую некоторой первой плотностью энергии и выполненную с возможностью электрического соединения с внешним источником электрической энергии; подзаряжаемое электрическое устройство (вторая электрическая батарея), характеризуемое некоторой второй плотностью энергии, которая меньше, чем первая плотность энергии, при этом эта вторая электрическая батарея выполнена с возможностью электрического соединения с первой электрической батареей и с возможностью электрического соединения с потребителем; при этом во время работы подзаряжаемое электрическое устройство (вторая электрическая батарея) соединено с потребителем и обеспечена возможность питания потребителя электрической энергией от этого подзаряжаемого электрического устройства (второй электрической батареи) и в то же время обеспечена возможность непрерывной подзарядки подзаряжаемого электрического устройства (второй электрической батареи) электрической энергией от подзаряжаемой электрической батареи (первой электрической батареи); при этом обеспечена возможность периодического подсоединения подзаряжаемой электрической батареи (первой электрической батареи) к внешнему источнику электрической энергии для ее подзарядки по мере необходимости.

Еще в одном аспекте осуществления настоящим изобретением предлагается способ хранения электрической энергии, предназначенной для питания потребителя электрической энергии с переменной потребляемой мощностью, при этом этот способ включает следующие стадии: зарядка некоторой первой подзаряжаемой электрической батареи (энергетическая батарея), характеризуемой некоторой первой плотностью энергии; зарядка некоторой второй подзаряжаемой электрической батареи (мощностная батарея), характеризуемой некоторой второй плотностью энергии, которая меньше, чем первая плотность энергии; подача электрической энергии от второй электрической батареи (мощностная батарея) к потребителю электрической энергии при разных значениях потребляемой мощности; и подзарядка второй электрической батареи (мощностная батарея) электрической энергией от первой электрической батареи (энергетическая батарея).

Одним из преимуществ предлагаемого изобретения является то, что электрическая батарея, определенная выше как энергетическая батарея, может представлять собой известную свинцово-кислотную электрическую батарею, которая находит широкое использование в сухопутных транспортных средствах. При таком применении свинцово-кислотной электрической батареи обеспечивается достаточная для привода электродвигателя сухопутного транспортного средства, являющегося пользователем устройства по предлагаемому изобретению, мощность в импульсе и достаточная величина электрического тока при различной потребляемой мощности. Однако в предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения энергетическая батарея представляет собой батарею на основе литиевых электрических элементов, или же электрическую батарею с высокими показателями плотности энергии и удельной энергии. Таким образом, при непрерывной подзарядке мощностной батареи электрической энергией от энергетической батареи обеспечивается возможность поддержания заряда мощностной батареи на уровне, близком к оптимальному, что должно способствовать продлению срока службы мощностной батареи. Кроме того, при уровне заряда мощностной батареи, близком к оптимальному, обеспечивается возможность поддержания энергогенерирующей способности энергетической батареи и возможность питания потребителя электрической энергией при различных значениях выходной мощности, благодаря чему легко обеспечивается подача к потребителю требуемой мощности. При этом применение устройства хранения электрической энергии и электрического питания по предлагаемому изобретению приведет к сравнительно незначительному увеличению объема и массы сухопутного транспортного средства с электрическим приводом, так как основная хранящая электрическую энергию часть системы электрического питания по предлагаемому изобретению, то есть энергетическая батарея, обладает высокими показателями плотности энергии и удельной энергии.

Еще в одном из вариантов осуществления предлагаемого изобретения литиевая электрическая батарея является полимерной литиевой электрической батареей, которая представляет собой безводную подзаряжаемую литиевую ионную батарею, заключенную в пластмассовое покрытие и герметизированную, содержащую твердый полимерный и жидкий органический электролиты, проводящие ионы лития. Такой полимерной литиевой ионной батарее при изготовлении может быть придана любая геометрическая форма, и она может быть помещена в корпус любой формы применительно к свободному пространству в транспортном средстве. Благодаря этому можно добиться уменьшения действительного объема устройства для хранения электрической энергии и электрического питания, так как свободное пространство вокруг энергетической батареи будет небольшим.

Еще одним достоинством устройства для хранения электрической энергии по предлагаемому изобретению является то, что обе электрические батареи, входящие в его состав, являются подзаряжаемыми. Как упоминалось выше, имеет место практически постоянная подзарядка мощностной батареи электрической энергией от энергетической батареи. При этом, по мере необходимости, энергетическая батарея также подвергается подзарядке путем подсоединения ее к внешнему источнику электрической энергии. Таким образом, обеспечивается возможность легкого восстановления работоспособности устройства для хранения электрической энергии по предлагаемому изобретению для дальнейшего использования без необходимости пополнения жидкими реагентами или замены электрических батарей. Кроме того, в одном из предпочтительных вариантов осуществления устройства для хранения электрической энергии по предлагаемому изобретению в целях повышения эффективности подзарядки обеспечена возможность подзарядки от внешнего источника электрической энергии, во время подзарядки энергетической батареи, также и мощностной батареи.

Еще одно достоинство предлагаемого изобретения состоит в том, что при использовании свинцово-кислотной батареи могут быть использованы известные технологии рекуперации электрической энергии. В частности, во время торможения транспортного средства с электрическим приводом электрическая энергия может быть направлена на повышение заряда свинцово-кислотной электрической батареи. Такое торможение часто называется рекуперативным торможением.

Как некоторые потребители электрической энергии требуют эпизодических или периодических импульсов, также и некоторые зарядные устройства обеспечивают время от времени импульсные выбросы энергии. Рекуперативное торможение транспортного средства является одним из примеров такой импульсной подзарядки электрической батареи. Если устройство для хранения электрической энергии способно воспринимать большую мощность зарядки, то эти энергетические импульсы могут быть эффективно использованы. Одно из достоинств предлагаемого изобретения состоит в том, что эпизодические или периодические выбросы рекуперируемой энергии могут быть использованы для быстрой подзарядки мощностной батареи при мощностях, которые могут быть неприемлемыми для энергетической батареи или которые могут нанести вред энергетической батарее. Эта рекуперируемая энергия импульсных выбросов могла бы быть впоследствии пущена на преодоление увеличившейся нагрузки непосредственно от мощностной батареи. В альтернативном варианте эта энергия могла бы быть пущена от мощностной батареи на подзарядку энергетической батареи при меньшей мощности и в течение более длительного времени. Какой путь использования рекуперируемой энергии наиболее эффективен на практике, зависит, конечно, от конкретных сиюминутных энергетических нужд потребителя электрической энергии и конкретного применения устройства для хранения электрической энергии.

Другие аспекты предлагаемого изобретения станут понятны из дальнейшего его подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых проиллюстрированы некоторые предпочтительные варианты осуществления предлагаемого изобретения.

Краткое описание прилагаемых чертежей

На фиг.1 схематично показана электрическая система, представляющая собой устройство для хранения электрической энергии по одному из вариантов осуществления предлагаемого изобретения.

На фиг.2А показан график разряда свинцово-кислотной аккумуляторной электрической батареи во времени.

На фиг.2В показан график разряда безводной подзаряжаемой литиевой энергетической батареи по времени.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретения

Как говорилось выше, в одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретения устройство для хранения электрической энергии включает энергетическую батарею, соединенную с мощностной батареей. Энергетическая батарея обладает высокой плотностью энергии и большой величиной удельной энергии, благодаря чему с ее помощью может быть легко и эффективно обеспечено хранение большого количества электрической энергии. Кроме того, энергетическая батарея выполнена с возможностью подзарядки от внешнего источника. Энергетическая батарея способна обеспечить относительно стабильную выходную мощность, но обеспечиваемая ею величина электрического тока относительно невелика. Иными словами, принципиальной функцией энергетической батареи является эффективное хранение большого количества электрической энергии, при этом ее масса не является слишком большой, и она не занимает слишком много места, однако она не может обеспечить большие или изменяющиеся в широком диапазоне величины электрического тока или вариабельность выходной мощности.

В противоположность этому мощностная батарея выполнена с возможностью обеспечения вариабельности выходной мощности и способна обеспечивать кратковременные импульсные выбросы электрического тока большой величины. Например, мощностная батарея способна обеспечивать импульсные выбросы электрической энергии при больших значениях электрического тока, если этого требует потребитель, такой как приводной электродвигатель сухопутного транспортного средства. Однако при этом мощностная батарея может не иметь высокой плотности энергии или высокого значения удельной энергии. В частности, мощностная батарея является подзаряжаемой, и ее подзарядка электрической энергией может осуществляться от энергетической батареи, а факультативно также от внешнего источника.

Во время работы мощностная батарея удовлетворяет потребности потребителя в переменной электрической мощности и электрическом токе непостоянной величины, при этом осуществляется непрерывная подзарядка мощностной батареи электрической энергией от энергетической батареи. Таким образом, устройство для хранения электрической энергии по этому варианту осуществления предлагаемого изобретения представляет собой гибридную электрическую батарею, которая благодаря наличию энергетической батареи обладает высокими характеристиками плотности энергии и удельной энергии и в то же время благодаря наличию мощностной батареи обладает способностью обеспечивать вариабельность выходной мощности, а также импульсные выбросы электрического тока большой величины, если этого требует потребитель электрической энергии.

Устройство для хранения электрической энергии по предлагаемому изобретению содержит также контроллер, предназначенный для управления зарядкой и работой как энергетической батареи, так и мощностной батареи. С помощью этого контроллера осуществляется также управление зарядкой и работой энергетической батареи и мощностной батареи с точки зрения сохранения продолжительности их срока службы, в частности, путем недопущения избыточных зарядок мощностной батареи и перегрева энергетической батареи. Контроллер может факультативно быть снабжен приборной панелью, на которой отображаются значения тока и напряжения питания мощностной батареи от энергетической батареи и питания потребителя от мощностной батареи. Кроме того, контроллер может выдавать сигнал, например, через посредство некоторого аварийного прибора, о приближении к наинизшему допустимому уровню заряда энергетической батареи, так чтобы можно было обеспечить своевременную подзарядку энергетической батареи. Зарядка энергетической батареи, а факультативно также и мощностной батареи может осуществляться от внешнего источника. С помощью контроллера может также осуществляться управление зарядкой энергетической батареи, а также мощностной батареи от внешнего источника электрической энергии.

На фиг.1 проиллюстрирована электрическая система, обозначенная в целом позицией 1, в которой использовано устройство 2 для хранения электрической энергии по одному из вариантов осуществления предлагаемого изобретения. Как можно видеть из фиг.1, к устройству 2 для хранения электрической энергии, входящему в состав электрической системы 1, подключен потребитель, который представляет собой, как показано на фиг.1, приводной электродвигатель 3.

Кроме того, на фиг.1 показано, что в состав устройства 2 для хранения электрической энергии входят две подзаряжаемые батареи, обозначенные позициями 4 и 5. Первая электрическая батарея представляет собой энергетическую батарею 4, а вторая - мощностную батарею 5.

Кроме того, на фиг.1 можно видеть, что энергетическая батарея 4 соединена с мощностной батареей 5 через первое соединительное средство 6. А мощностная батарея 5, в свою очередь, соединена с потребителем электрической энергии, которым в рассматриваемом варианте осуществления предлагаемого изобретения является приводной электродвигатель 3, через второе соединительное средство 7. Во время работы через посредство второго соединительного средства 7 осуществляется питание приводного электродвигателя 3 электрической энергией от мощностной батареи 5, в то время как от энергетической батареи 4 через посредство первого соединительного средства 6 осуществляется практически непрерывная подзарядка электрической энергией мощностной батареи 5.

Питание приводного электродвигателя 3 электрической энергией от мощностной батареи 5 через посредство второго соединительного средства 7 осуществляется при втором напряжении V-2 и втором электрическом токе I-2. Должно быть понятно, что значения второго напряжения V-2 и второго электрического тока I-2 изменяются, с тем чтобы была обеспечена возможность выдачи мощностной батареей 5 импульсов электрического тока и мощности большой величины в зависимости от потребности приводного электродвигателя 3. Соответственно мощностная батарея 5 выбрана и выполнена таким образом, чтобы удовлетворялись требования к мощности в импульсе, а также к значениям второго напряжения V-2 и второго электрического тока I-2, предъявляемые потребителем электрической энергии.

В варианте осуществления предлагаемого изобретения, в котором потребителем электрической энергии является приводной электродвигатель 3, этот приводной электродвигатель 3 может представлять собой, например, электродвигатель с рабочим напряжением 96 В, работающий при токах в диапазоне от 75 до 500 А. В этом случае предпочтительно, чтобы мощностная батарея 5 имела емкость по меньшей мере 5 киловатт-часов или выше. В этом случае предпочтительно использование в качестве мощностной батареи 5 свинцово-кислотной электрической батареи, с тем чтобы для приводного электродвигателя 3 были обеспечены выбросы мощности в виде коротких импульсов при больших величинах электрического тока. Но вместо свинцово-кислотных электрических батарей в качестве мощностной батареи 5 могут быть использованы и высокомощные электрические батареи других типов, например, никель-металлогидридные или никель-сплавогидридные электрические батареи либо же никель-кадмиевые электрические батареи.

В некоторых вариантах осуществления предлагаемого изобретения устройство 2 для хранения электрической энергии может в дополнение к электрическим батареям содержать другие подзаряжаемые средства для хранения электрической энергии.

Что же касается энергетической батареи 4, то она, напротив, предназначена для хранения большого количества электрической энергии и выполнена с возможностью обеспечения этой функции. В предпочтительном варианте энергетическая батарея 4 как таковая имеет относительно высокую плотность энергии, предпочтительно больше, чем плотность энергии у мощностной батареи 5. Таким образом, энергетическая батарея 4 обеспечивает эффективное хранение больших количеств электрической энергии. Кроме того, поскольку мощностная батарея 5 выбрана таким образом, что она обеспечивает удовлетворение меняющейся потребности в мощности приводного электродвигателя 3, энергетическая батарея 4 может быть выбрана без учета характеристик этого приводного электродвигателя 3. Вместо этого энергетическая батарея 4 может быть выбрана из соображений обеспечения возможности эффективного хранения электрической энергии и расходования ее, с желаемым уровнем мощности и при надлежащих уровнях напряжения и электрического тока, для практически непрерывной подзарядки мощностной батареи 5, так чтобы обеспечивалась возможность поддержания работоспособности мощностной батареи 5.

В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого изобретения энергетическая батарея 4 является литиевой электрической батареей, однако в качестве энергетической батареи может быть использована и электрическая батарея другого типа, способная выполнять соответствующие функции. Более предпочтительно использование в качестве энергетической батареи 4 безводной подзаряжаемой литиевой ионной батареи.

В другом предпочтительном варианте осуществления предлагаемого изобретения используемая в качестве энергетической батареи безводная подзаряжаемая литиевая ионная батарея может представлять собой полимерную литиевую ионную батарею, которая может быть выполнена в разных геометрических формах. Это значит, что геометрическая форма такой полимерной литиевой ионной батареи может быть приспособлена к форме выделенного для нее в транспортном средстве пространства, благодаря чему обеспечивается возможность уменьшения действительного объема, необходимого для размещения устройства 2 для хранения электрической энергии. Кроме того, полимерной литиевой ионной батарее может быть придана такая геометрическая форма, чтобы было обеспечено использование пространства, которое иначе никак не может быть использовано, например, пространство между некоторыми частями транспортного средства или элементами его корпуса. Еще в одном предпочтительном варианте осуществления предлагаемого изобретения полимерной литиевой ионной батарее может быть придана такая геометрическая форма, чтобы она могла быть использована в качестве корпуса или вместилища для устройства 2 для хранения электрической энергии в целом, благодаря чему обеспечивается возможность дальнейшего уменьшения действительного объема, необходимого для размещения устройства 2 для хранения электрической энергии.

Обеспечиваемые энергетической батареей 4 значения протекающего через первое соединительное средство 6 первого электрического тока I-1 и первого напряжения V-1 на его выходе выбираются таким образом, чтобы были обеспечены оптимальные сроки службы энергетической батареи 4 и мощностной батареи 5. В частности, представляется предпочтительным, чтобы величина первого электрического тока I-1 была выбрана из соображений минимизации вредных для энергетической батареи 4 эффектов, таких как перегрев энергетической батареи 4. Кроме того, представляется предпочтительным также, чтобы величина первого электрического тока I-1 была выбрана из соображений обеспечения поддержания энергетического выхода на желаемом уровне, с тем чтобы была обеспечена возможность непрерывной подзарядки мощностной батареи 5 и поддержания тем самым работоспособности последней во всех режимах работы, для которых она предназначена, с одновременным соблюдением требований, касающихся обеспечения оптимальных сроков службы энергетической батареи 4 и мощностной батареи 5. Таким образом, с точки зрения обеспечения оптимальных сроков службы обеих батарей представляется предпочтительным, чтобы величины первого напряжения V-1 и первого электрического тока I-1 выбирались таким образом, чтобы электрическая мощность, передаваемая от энергетической батареи 4 к мощностной батарее 5, была достаточной для удовлетворения мощностной батареей 5 потребностей потребителя, которым является приводной электродвигатель 3, но чтобы в то же время эта мощность не была слишком велика, так чтобы нагревание энергетической батареи 4 было по возможности меньше.

Кроме того, в том случае, когда в качестве мощностной батареи 5 используется свинцово-кислотная батарея, максимальный срок ее службы может быть обеспечен при условии поддержания ее заряда вблизи его верхнего значения. В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретения это условие выполнено путем обеспечения непрерывного протекания через мощностную батарею 5 первого электрического тока I-1, так чтобы осуществлялась непрерывная подзарядка мощностной батареи 5 электрической энергией от энергетической батареи 4. При сравнительно низком значении первого электрического тока I-1 передаваемая электрическая мощность (энергия в единицу времени) также соответственно невелика, однако достаточное пополнение заряда мощностной батареи 5 может быть осуществлено благодаря практически непрерывной ее подзарядке электрической энергией от энергетической батареи 4.

Для управления величинами электрического тока и электрической мощности, передаваемой от энергетической батареи 4 к мощностной батарее 5, устройство 2 для хранения электрической энергии снабжено контроллером 8. Для обеспечения возможности регулирования процесса передачи электрической мощности от энергетической батареи 4 к мощностной батарее 5 контроллер 8 соединен с энергетической батареей 4 и мощностной батареей 5, а также с первым соединительным средством 6.

Как можно видеть на фиг.1, через посредство пятого соединительного средства 9 с мощностной батареей 5 соединена система рекуперативного торможения 10. В соответствии со способами, известными в данной отрасли, система рекуперативного торможения 10 выполнена с возможностью преобразования кинетической энергии движущегося электроприводного сухопутного транспортного средства при замедлении движения этого транспортного средства в энергию электрическую. В предпочтительных вариантах осуществления предлагаемого изобретения рекуперированная электрическая энергия от системы рекуперативного торможения 10 через посредство пятого соединительного средства 9 поступает к мощностной батарее 5 (величина пятого электрического тока 1-5, величина пятого напряжения V-5).

С помощью контроллера 8 осуществляется управление процессом передачи электрической энергии через первое соединительное средство 6 путем регулирования величин первого электрического тока I-1 и первого напряжения V-1, например, через посредство переключательного устройства 11. Например, регулирование передачи электрической энергии между этими двумя батареями может осуществляться путем отпирания и запирания переключательного устройства 11 по управляющей команде контроллера 8. Как известно в данной отрасли, переключательные устройства 11 такого типа могут быть быстродействующими, они могут содержать такие схемные элементы, как конденсаторы, катушки индуктивности и другие, с тем чтобы управление процессом передачи электрической энергии осуществлялось с относительно высокой эффективностью. Например, когда имеет место передача электрической энергии от источника с более высоким напряжением к источнику с более низким напряжением, то переключательное устройство 11 работает в режиме понижающего регулятора. А когда имеет место передача электрической энергии от источника с более низким напряжением к источнику с более высоким напряжением, то переключательное устройство 11 работает в режиме повышающего регулятора. Переключательные устройства, работающие в том или в другом из этих режимов (или в обоих), хорошо известны в данной отрасли и поэтому не будут здесь обсуждаться подробно.

В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого изобретения энергетическая батарея 4 выполнена таким образом, что ее напряжение в общем является несколько более высоким, чем напряжение мощностной батареи 5, даже тогда, когда уровень полезного заряда энергетической батареи 4 близок к минимуму. Таким образом, переключательное устройство 11 может быть выполнено с возможностью работы только в режиме понижающего регулятора, что представляется предпочтительным из соображений стоимости и эффективности, но при этом передача электрической энергии ограничивается одним направлением, а именно - только от энергетической батареи 4 к мощностной батарее 5. При этом ограничении представляется предпочтительным, чтобы в любое время, когда ожидается поступление к мощностной батарее 5 рекуперированной электрической энергии от системы рекуперативного торможения 10, уровень заряда мощностной батареи 5 был достаточно низким для того, чтобы мощностная батарея 5 могла принять эту энергию без риска избыточной зарядки, и представляется предпочтительным, чтобы нагрузочные характеристики мощностной батареи 5 были выбраны таким образом, чтобы они позволяли выдерживать такие ситуации без того, чтобы имела место передача электрической энергии от мощностной батареи 5 к энергетической батарее 4. Когда устройство 2 для хранения электрической энергии используется на сухопутном транспортном средстве с электрическим приводом, электрическая энергия, возвращаемая системой рекуперативного торможения 10 при торможении транспортного средства, практически всегда меньше, чем электрическая энергия, потраченная на его разгон. Поэтому в целом обеспечивается возможность поддержания необходимого уровня заряда мощностной батареи 5 в большинстве случаев поступления к этой батарее импульсов электрической энергии от системы рекуперативного торможения 10.

В другом варианте осуществления предлагаемого изобретения переключательное устройство 11 может работать как в режиме понижающего регулятора, так и в режиме повышающего регулятора, когда обеспечивается возможность передачи электрической энергии от мощностной батареи 5 к энергетической батарее 4, например, в случае избыточной зарядки мощностной батареи 5 по причине поступления на нее электрической энергии от системы рекуперативного торможения 10.

На фиг.1 показано также зарядное устройство 12, которое используется для подзарядки устройства 2 для хранения электрической энергии от внешнего источника 13 электрической энергии. Зарядное устройство 12 соединено с устройством 2 для хранения электрической энергии с помощью соединителей 14, 15 и 16.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретения устройство 2 для хранения электрической энергии используется для питания приводного электродвигателя 3 сухопутного транспортного средства (не показано). Устройство 2 для хранения электрической энергии находится как бы внутри этого транспортного средства. При этом от энергетической батареи 4 может осуществляться практически непрерывная подзарядка мощностной батареи 5 даже во время движения транспортного средства.

Поскольку внешние источники 13 электрической энергии в общем случае стационарны, пополнение заряда устройства 2 для хранения электрической энергии осуществляется, когда транспортное средство неподвижно. В этом случае зарядное устройство 12 может размещаться стационарно с возможностью снабжения устройства 2 для хранения электрической энергии электрической энергией от внешних источников 13 электрической энергии в таких местах, как, например, электрические сети.

Через соединители 14 и 16 осуществляется независимая подзарядка энергетической батареи 4 и мощностной батареи 5 соответственно. Как можно видеть на фиг.1, передача электрической энергии от зарядного устройства 12 к энергетической батарее 4, в качестве которой в рассматриваемом варианте осуществления предлагаемого изобретения используется безводная литиевая ионная батарея, осуществляется через посредство третьего соединительного средства 17, образованного соединителем 14. Величина третьего напряжения V-3 на выходе этого третьего соединительного средства 17 и величина третьего электрического тока I-3 выбраны таким образом, чтобы это соответствовало зарядным характеристиками энергетической батареи 4. Аналогично передача электрической энергии от зарядного устройства 12 к мощностной батарее 5 осуществляется через посредство четвертого соединительного средства 18, образованного соединителем 16. Величина четвертого напряжения V-4 на выходе этого четвертого соединительного средства 18 и величина четвертого электрического тока I-4 выбраны таким образом, чтобы это соответствовало зарядным характеристиками мощностной батареи 5. Таким образом, зарядное устройство 12 выполнено с возможностью осуществления одновременной подзарядки как энергетической батареи 4, так и мощностной батареи 5.

Для обеспечения возможности управления напряжениями V-3 и V-4 и электрическими токами I-3 и I-4 с помощью контроллера 8 контроллер 8 может быть соединен с зарядным устройством 12 через соединитель 15. Управление напряжениями V-3 и V-4 и электрическими токами I-3 и I-4 с помощью контроллера 8 осуществляется в целях обеспечения эффективности процесса подзарядки энергетической батареи 4 и мощностной батареи 5 и недопущения их повреждения.

Логично предположить, что для подзарядки энергетической батареи 4, которая при работе расходует больше энергии и имеет большую емкость, потребуется больше времени, чем для подзарядки мощностной батареи 5, поэтому контроллер 8 должен прекратить подзарядку мощностной батареи 5 раньше. Ясно также, что нет необходимости использовать зарядное устройство 12 для подзарядки мощностной батареи 5, поскольку подзарядка мощностной батареи 5 может быть осуществлена электрической энергией от энергетической батареи 4. Иными словами, в одном из вариантов осуществления предлагаемого изобретения от внешнего источника 13 электрической энергии через посредство зарядного устройства 12 осуществляется подзарядка только энергетической батареи 4, после чего уже от энергетической батареи 4 осуществляется подзарядка мощностной батареи 5. В этом варианте осуществления предлагаемого изобретения не нужны соединитель 16 и четвертое соединительное средство 18, а также управляющие схемы для регулирования четвертого V-4 и четвертого электрического тока I-4, благодаря чему обеспечивается уменьшение общих расходов на осуществление устройства по предлагаемому изобретению. Тем не менее наличие соединителя 16 и четвертого соединительного средства 18, с помощью которых обеспечивается возможность подзарядки мощностной батареи 5 непосредственно от зарядного устройства 12, представляется в целом предпочтительным, так как при таком техническом решении обеспечивается возможность одновременной подзарядки энергетической батареи 4 и мощностной батареи 5, благодаря чему уменьшается общее время, затрачиваемое на подзарядку устройства 2 для хранения электрической энергии.

На фиг.2А проиллюстрирован процесс разряда мощностной батареи 5 во времени. Как можно видеть на фиг.2А, заряд мощностной батареи 5, в качестве которой в рассматриваемом предпочтительном варианте осуществления предлагаемого изобретения используется свинцово-кислотная электрическая батарея, уменьшается ступенчато в соответствии с резкими бросками мощности, потребляемой приводным электродвигателем 3, что отражается на графике разряда мощностной батареи 5 в виде резких впадин 19. Эти резкие броски мощности потребителя, соответствующие резким впадинам 19, могут быть вызваны, например, преодолением инерции транспортного средства (разгоном), или преодолением сил трения покоя при трогании транспортного средства. Однако каждый такой бросок мощности потребителя, соответствующий резкой впадине 19, приводит к снижению заряда мощностной батареи 5, даже если она продолжает питать электрической энергией приводной электродвигатель 3 благодаря тому, что она подзаряжается электрической энергией от энергетической батареи 4, в качестве которой в рассматриваемом предпочтительном варианте осуществления предлагаемого изобретения используется литиевая электрическая батарея. Иными словами, после первого броска мощности потребителя (после первой резкой впадины 19 на графике разряда мощностной батареи 5), если этот потребитель, которым является приводной электродвигатель 3, далее работает в стабильном режиме, приводя транспортное средство в движение с почти постоянной скоростью, то от энергетической батареи 4, в качестве которой используется безводная литиевая электрическая батарея, осуществляется подзарядка мощностной батареи 5 с мощностью большей, чем мощность, которая отбирается от мощностной батареи 5 приводным электродвигателем 3. Таким образом, заряд мощностной батареи 5 может увеличиваться даже в том случае, когда от нее осуществляется питание приводного электродвигателя 3, если последний работает в стабильном режиме.

В точке, обозначенной на горизонтальной оси (ось времени) графика на фиг.2А буквой «R», устройство 2 для хранения электрической энергии, в состав которого входит мощностная батарея 5, в качестве которой используется свинцово-кислотная электрическая батарея, подключается для подзарядки к внешнему источнику 13 электрической энергии через посредство зарядного устройства 12. Во время подзарядки, процесс которой иллюстрируется на графике фиг.2А, начиная с точки 20, мощностная батарея 5, в качестве которой используется свинцово-кислотная электрическая батарея, получает через посредство зарядного устройства 50 электрическую энергию от внешнего источника 13 электрической энергии, в результате чего ее заряд увеличивается.

Между подзарядками от внешнего источника 13 электрической энергии мощностная батарея 5 может практически постоянно подзаряжаться от энергетической батареи 4, в качестве которой в рассматриваемом варианте осуществления предлагаемого изобретения используется безводная литиевая ионная электрическая батарея. Благодаря такой практически постоянной подзарядке уровень заряда мощностной батареи 5, в качестве которой в рассматриваемом варианте осуществления предлагаемого изобретения используется свинцово-кислотная электрическая батарея, временно достигает некоторых «площадок», обозначенных на фиг.2А позицией 21. В течение промежутков времени, соответствующих этим «площадкам» 21, питание приводного электродвигателя 3 от мощностной батареи 5 (свинцово-кислотной) осуществляется на низких уровнях мощности при постоянной подзарядке от энергетической батареи 4 (литиевой ионной). Иными словами, эти «площадки» 21 соответствуют устойчивому режиму работы, при котором электрическая энергия поступает от энергетической батареи 4 через мощностную батарею 5 к приводному электродвигателю 3. Эти «площадки» могут быть и не горизонтальными, а наклоненными вперед и вверх (на чертеже не показано) с достижением уровня полного 3%-ного заряда мощностной батареи 5 (свинцово-кислотной). Это было бы иллюстрацией того, что энергетическая батарея 4 поставляет электрической энергии больше, чем требуется в данный период времени приводному электродвигателю 3, и часть электрической энергии идет на подзарядку мощностной батареи 5.

На фиг.2В проиллюстрирован процесс разряда энергетической батареи 4, в качестве которой в рассматриваемом варианте осуществления предлагаемого изобретения используется безводная подзаряжаемая литиевая ионная электрическая батарея, по времени. Как можно видеть на графике фиг.2В, заряд энергетической батареи 4 уменьшается с течением времени довольно равномерно. Хотя на графике разряда энергетической батареи 4 и наблюдаются впадины 22, соответствующие броскам мощности потребителя, отражающиеся в виде резких впадин 19 на графике разряда мощностной батареи 5, они не настолько резко выражены, как впадины 19 на графике разряда мощностной батареи 5, хотя бы потому, что энергетическая батарея 4 не рассчитана на большие мощности. Как можно видеть на фиг.2В, на графике разряда энергетической батареи 4 менее крутые участки соответствуют «площадкам» 21 на графике разряда мощностной батареи 5. Эти участки соответствуют подзарядке мощностной батареи 5 при низких уровнях потребления электрической мощности приводным электродвигателем 3.

Ясно, что с течением времени заряд мощностной батареи 5, в качестве которой используется свинцово-кислотная электрическая батарея, понижается, как это можно видеть на фиг.2А. В момент времени, обозначенный на фиг.2А буквой «R», устройство 2 для хранения электрической энергии, в состав которого входит также энергетическая батарея 4, оказывается разряженным. Подзарядка энергетической батареи 4 также показана на графике фиг.2В (участок 23). При этом, как можно видеть на фиг.2А, по мере подзарядки энергетической батареи 4 уровень заряда мощностной батареи 5 также постепенно увеличивается почти до полного или даже до полного ее заряда.

Устройство 2 для хранения электрической энергии обычно подлежит подзарядке при падении заряда энергетической батареи 4 ниже некоторого порогового уровня, показанного на фиг.2В пунктиром (этот пороговый уровень обозначен буквой «L»). Хотя уровень заряда мощностной батареи 5 может отображаться на приборной панели, и/или при его падении ниже допустимого может включаться сигнал тревоги, принципиальным фактором, определяющим необходимость подзарядки устройства 2 для хранения электрической энергии, является уровень заряда энергетической батареи 4. В состав устройства 2 для хранения электрической энергии может входить сигнальная или приборная панель (на чертежах не показана), на которой отображается информация о приближении уровня заряда энергетической батареи к некоторому нижнему пороговому значению или о достижении этого нижнего порогового значения. Например, такая индикация происходит в момент времени, обозначенный на фиг.2В буквой «R». Как можно видеть из фиг.2А и фиг.2В, уровни заряда мощностной батареи 5 и энергетической батареи 4 достигают нижних пороговых значений примерно в одно и то же время. Следует заметить, что такая одновременность не является обязательной, и принципиальным фактором, определяющим необходимость подзарядки устройства 2 для хранения электрической энергии, является уровень заряда энергетической батареи 4. Должно быть понятно также, что нижние пороговые значения уровней заряда энергетической батареи 4 и мощностной батареи 5 выбираются таким образом, чтобы была предотвращена возможность повреждения энергетической батареи 4 и/или мощностной батареи 5.

Таким образом, при использовании описанного выше устройства 2 для хранения электрической энергии обеспечивается передача электрической энергии от энергетической батареи 4, обладающей высокой плотностью энергии, к мощностной батарее 5, обладающей меньшей плотностью энергии, а затем к потребителю электрической энергии, которым является приводной электродвигатель 3. Таким образом, по существу, в мощностной батарее 5, обладающей меньшей плотностью энергии, обеспечивается временное хранение электрической энергии, поступающей от энергетической батареи 4, для передачи этой электрической энергии потребителю, в качестве которого выступает приводной электродвигатель 3 с мощностью, соответствующей потребностям этого потребителя. Энергетическая батарея 4 обеспечивает эффективное хранение электрической энергии для электроприводного транспортного средства.

Дальнейшее описание и иллюстрирование предлагаемого изобретения будет осуществляться путем сравнения сухопутного транспортного средства, оснащенного известным устройством для хранения электрической энергии, основывающимся на свинцово-кислотной электрической батарее, и аналогичного транспортного средства, оснащенного устройством 2 для хранения электрической энергии по предлагаемому изобретению.

Первоначально известное электроприводное сухопутное транспортное средство марки «РЭВ Консалтинг» производства «Судзуки Моторс» (Suzuki Motors/REV Consulting) с 96-вольтовым приводным двигателем постоянного тока было оснащено унитарным батарейным пакетом из 16 высококачественных 6-вольтовых свинцовых электрических батарейных единиц марки «Троян» (Trojan-Trade Mark), соединенных последовательно, при этом общая масса полученной электрической батареи составляла 523 кг, общий занимаемый им объем - 225 л, а его номинальная емкость составляла 23,4 киловатт-часа при работе в течение 20 часов. Это масса и объем собственно электрической батареи, в этих величинах не учтены массы и объемы опорных конструкций и корпусов, используемых для монтажа, удерживания и охлаждения электрической батареи. Производительность была приемлемой, но пробег транспортного средства от одной подзарядки был ограничен расстоянием 70 км. Среднее значение электрического тока приводного электродвигателя при постоянной скорости транспортного средства 60 км/час составляло приблизительно 40 А. Таким образом, эта электрическая батарея могла быть использована значительно меньше, чем наполовину ее номинальной емкости. Пиковое значение электрического тока приводного электродвигателя при разгоне составляло 440 А.

После этого вышеуказанное транспортное средство было подвергнуто переоборудованию, а именно оно было снабжено мощностной батареей 5 и энергетической батареей 4 по одному из вариантов осуществления предлагаемого изобретения, проиллюстрированного в целом на фиг.1. Мощностная батарея 5 состояла из восьми 12-вольтовых автомобильных свинцовых батарейных единиц марки «Интерстейт» (Interstate-Trade Mark), соединенных последовательно, так что номинальное напряжение этой электрической батареи составляло 96 В. Эти батареи не оцениваются по емкости, но известно, что обеспечиваемый ими пусковой ток составляет 525 А, при этом пусковой ток холодного запуска составляет 420 А. Максимальное напряжение такой электрической батареи при полном заряде составляет приблизительно 110 В. Энергетическая батарея 4 состояла из набора из 480 соединенных параллельно-последовательно литиевых полимерных электрических элементов, при этом емкость каждого такого электрического элемента составляла 11,4 ампер-часа, максимальный электрический ток - 4 А, а номинальное напряжение - 3,65 В (производства компании «Электровайа» (Electrovaya), Торонто, Канада). При этом указанные электрические элементы соединены в группы по 12 элементов, соединенных параллельно, и полученные таким образом 40 групп соединены последовательно. Максимальное напряжение такой батареи при полном заряде составляет 160 В, а ее минимальное напряжение в случае разряда - 120 В.

Мощностная батарея 5 (свинцовая) и энергетическая батарея 4 (литиевая) были соединены посредством переключательного устройства, которое работало в режиме понижающего регулятора с частотой 115 кГц с обеспечением кпд около 90%. Был использован переключательный контроллер 8, по управляющему сигналу которого для подзарядки мощностной батареи 5 электрической энергией от энергетической батареи 4 обеспечивалась подача электрического тока величиной 40 А, как только заряд мощностной батареи 5 понижался до 75% от уровня полного заряда, при этом подача тока прекращалась, когда уровень заряда мощностной батареи 5 достигал 80% от полного. Для энергетической батареи 4 была создана возможность подзарядки от внешнего источника 13 электрической энергии с напряжением 220 В, частотой 60 Гц и максимальным значением тока 20 А, а для получения постоянного напряжения нужной величины использовалось такое известное в данной отрасли оборудование, как автотрансформатор, выпрямитель и фильтр. В процессе подзарядки энергетической батареи 4 осуществлялось регулирование зарядного напряжения таким образом, чтобы ток зарядки не превышал 18 А, а напряжение групп электрических элементов перед окончанием подзарядки контролировалось таким образом, чтобы ни в одной группе электрических элементов напряжение не превышало 4,20 В.

Во время работы величина электрического тока приводного электродвигателя достигала максимум 385 А - при быстром ускорении. Во время рекуперативного торможения величина обратного тока, работающего на подзарядку мощностной батареи 5, достигала максимум 112 А - но всего лишь в течение нескольких секунд до остановки транспортного средства. Средняя величина электрического тока приводного электродвигателя при обычной работе транспортного средства была меньше 40 А. Мощностная батарея 5 легко справлялась с бросками тока, а импульсы обратного тока при рекуперативном торможении воспринимала лишь с очень небольшим избыточным напряжением. При полном заряде устройства для хранения электрической энергии по предлагаемому изобретению транспортное средство было способно проехать приблизительно 180 км, после чего энергетическая батарея 4 требовала подзарядки. Пробег транспортного средства не уменьшался заметным образом и после повторных подзарядок.

Масса энергетической батареи 4 составляла 103 кг, а масса мощностной батареи 5-105 кг, то есть общая масса электрических батарей составляла приблизительно 210 кг. Объем, занимаемый энергетической батареей 4, составлял 50 л, а объем, занимаемый мощностной батареей 4-60 л, то есть общий объем электрических батарей, составлял 110 л. Эти массы и объемы указаны без учета масс и объемов опорных конструкций и корпусов, используемых для монтажа, удерживания и охлаждения электрических батарей, однако ясно, что массы и объемы этих дополнительных деталей сами по себе меньше, чем в случае использования устройства по предшествующему уровню техники, потому что легче и меньше используемые электрические батареи.

Таким образом, комбинированное или гибридное батарейное устройство 2 для хранения электрической энергии по предлагаемому изобретению намного легче, намного меньше и намного эффективнее, чем унитарные батарейные пакеты по предшествующему уровню техники, которые оно призвано заменить. В рассмотренном выше примере у энергетической батареи 4 номинальный ток составляет 48 А (в группе 12 соединенных параллельно электрических элементов, у каждого из которых номинальный ток составляет 4 А), и она, вероятно, не может обеспечить электрический ток величиной 385 А, который обеспечивает для приводного электродвигателя мощностная батарея 5 в течение короткого времени при разгоне транспортного средства. Но выполнявший функции мощностной батареи 5 унитарный батарейный пакет по предшествующему уровню техники намного тяжелее и объемнее. Таким образом, устройство 2 для хранения электрической энергии по предлагаемому изобретению обладает несколькими преимуществами перед унитарным батарейным пакетом по предшествующему уровню техники.

Еще одно из преимуществ устройства 2 для хранения электрической энергии по предлагаемому изобретению состоит в гибком решении проблемы размещения энергетической батареи 4 и мощностной батареи 5 на электроприводном сухопутном транспортном средстве. Для мощностной батареи 5, которая обеспечивает кратковременные импульсы электрического тока большой величины, представляется предпочтительным размещение поблизости от приводного электродвигателя 3, благодаря чему была бы обеспечена минимизация расходов на дорогую и тяжелую, обеспечивающую возможность проведения высоких значений электрического тока проводку. Первоначальное электробатарейное оборудование транспортного средства не позволяло разместить всю электрическую батарею поблизости от приводного электродвигателя 3 из-за больших размеров и массы электрической батареи, в результате чего требовалось дополнительная проводка, а это связано с увеличенными расходами и дополнительным увеличением общей массы системы электрического питания. В переоборудованном же транспортном средстве мощностная батарея 5 была размещена поблизости от приводного электродвигателя 3, благодаря чему удалось уменьшить дополнительную массу и снизить расходы на дорогую проводку во втором соединительном средстве 7. При этом для энергетической батареи 4, которая работает с более низкими значениями электрического тока, в первом соединительном средстве 6 между этой электрической батареей и мощностной батареей 5 может быть использована менее тяжелая и менее дорогая проводка, благодаря чему обеспечивается возможность размещения энергетической батареи 4 на большем удалении как от приводного электродвигателя 3, так и от мощностной батареи 5 без необходимости использования дорогой и тяжелой проводки.

Хотя предлагаемое изобретение описано выше на примере его предпочтительного осуществления, в котором энергетическая батарея 4 является безводной литиевой ионной электрической батареей, среднему специалисту соответствующего профиля должно быть понятно, что в качестве энергетической батареи 4 могут использоваться электрические батареи не только этого типа. В качестве энергетической батареи 4 в предлагаемом изобретении может быть использована электрическая батарея любого типа, если у нее плотность энергии превышает плотность энергии мощностной батареи 5. Это может быть, например, натриево-серная электрическая батарея, литиево-воздушная электрическая батарея или ее химический эквивалент. В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретения энергетическая батарея 4 представляет собой полимерную литиевую ионную батарею, которой может быть придана разная геометрическая форма, благодаря чему обеспечивается возможность уменьшения действительного общего объема устройства 2 для хранения электрической энергии.

Аналогично, хотя предлагаемое изобретение описывалось выше на примере его предпочтительного осуществления, в котором мощностная батарея 5 является свинцово-кислотной электрической батареей, среднему специалисту соответствующего профиля должно быть понятно, что в качестве мощностной батареи 5 могут использоваться электрические батареи не только этого типа. В качестве мощностной батареи 5, подзаряжаемой от энергетической батареи 4, в предлагаемом изобретении может быть использована электрическая батарея любого типа, если обеспечивается возможность ее подзарядки от энергетической батареи 4, в качестве мощностной батареи 5 может использоваться, например, литиевая электрическая батарея, а в тех случаях, когда мощностная батарея 5 должна также обеспечивать большие значения электрической мощности, например, для такого потребителя электрической энергии, как приводной электродвигатель 3, в качестве мощностной батареи 5 может быть использована, например, высокомощная литиевая или литиевая ионная электрическая батарея или же высокомощная никелевая водная батарея.

Среднему специалисту соответствующего профиля должно быть понятно, что в вышеприведенном описании термины «электрический элемент» и «электрическая батарея» использованы как взаимозаменяемые, хотя термин «электрическая батарея» имеет более широкий смысл, так как электрическая батарея может содержать более одного электрического элемента. С учетом данной оговорки можно сказать, что энергетическая батарея 4 и мощностная батарея 5 могут быть как электрическими батареями, так и электрическими элементами.

Должно быть понятно также, что устройство по предлагаемому изобретению помимо компонентов, изображенных на фиг.1, может включать и другие компоненты и устройства, такие как фильтры, конденсаторы, катушки индуктивности, чувствительные элементы и другие известные в данной отрасли элементы, необходимые для работы устройства 2 для хранения электрической энергии по предлагаемому изобретению, которые на фиг.1 не показаны во избежание загромождения чертежа.

Кроме того, должно быть понятно, что, хотя в вышеприведенном описании различные признаки предлагаемого изобретения раскрыты применительно к тому или иному варианту его осуществления, различные признаки предлагаемого изобретения и варианты его осуществления могут быть скомбинированы или же использованы в сочетании с другими признаками и вариантами осуществления предлагаемого изобретения, описанными и проиллюстрированными в данном описании.

Хотя в данном описании описаны и проиллюстрированы только определенные предпочтительные варианты осуществления предлагаемого изобретения, должно быть понятно, что объем предлагаемого изобретения не ограничивается этими частными вариантами. Предлагаемое изобретение включает все варианты его осуществления, являющиеся функциональными, электрическими или механическими эквивалентами рассмотренных выше конкретных вариантов осуществления и признаков предлагаемого изобретения, описанных и проиллюстрированных выше.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Источник электропитания для обеспечения электрического питания приводного электрического двигателя, выполненного с возможностью потребления электрической энергии с различными уровнями мощности, содержащий первую подзаряжаемую электрическую батарею, называемую энергетической батареей, имеющую первую характеристику в ватт-часах на литр, называемую первой плотностью энергии, и обеспечивающую хранение первого количества электрической энергии, и вторую подзаряжаемую электрическую батарею, называемую мощностной батареей, имеющую при хранении электрической энергии вторую характеристику в ватт-часах на литр, называемую второй плотностью энергии, которая меньше чем первая плотность энергии, обеспечивающую хранение второго количества электрической энергии, которое меньше чем первое количество электрической энергии, и обеспечивающую питание электрической энергией приводного электродвигателя при разных уровнях потребляемой мощности, контроллер, выполненный с возможностью регулирования процесса практически непрерывной подзарядки мощностной батареи электрической энергией от энергетической батареи, при этом обеспечено питание электрической энергией, хранимой в энергетической батарее, приводного электродвигателя при различных уровнях потребляемой мощности посредством мощностной батареи.

2. Источник электропитания по п.1, в котором регулирование процесса практически непрерывной подзарядки мощностной батареи электрической энергией осуществлено путем регулирования прохождения электрической энергии от энергетической батареи к мощностной батарее посредством первого соединительного средства.

3. Источник электропитания по п.2, дополнительно включающий включенное в схему первого соединительного средства переключающее устройство, при этом регулирование процесса практически непрерывной подзарядки мощностной батареи электрической энергией осуществлено путем регулирования переключающего устройства, включенного в схему первого соединительного средства.

4. Источник электропитания по п.1, в котором энергетическая батарея представляет собой электрическую батарею на основе лития, выбранную из следующего перечня: безводная литиевая ионная батарея, литиевая воздушная батарея, полимерная литиевая ионная батарея, а мощностная батарея представляет собой свинцово-кислотную батарею.

5. Источник электрической энергии по п.1, в котором в качестве энергетической батареи использован пакет безводных полимерных литиевых батарей.

6. Источник электрической энергии по п.5, снабженный корпусом, при этом пакет безводных полимерных литиевых батарей размещен в части пространства этого корпуса.

7. Устройство для хранения электрической энергии для питания потребителя электрической энергии, содержащее подзаряжаемую электрическую батарею, имеющую первую характеристику в ватт-часах на литр, называемую также первой плотностью энергии, и выполненную с возможностью электрического подсоединения к внешнему источнику электрической энергии, подзаряжаемое электрическое устройство, имеющее вторую характеристику в ватт-часах на литр, называемую также второй плотностью энергии, которая меньше чем первая плотность энергии, при этом эта вторая электрическая батарея выполнена с возможностью электрического соединения с первой электрической батареей и с возможностью электрического соединения с потребителем электрической энергии, при этом в процессе работы подзаряжаемое электрическое устройство соединено с потребителем электрической энергии и обеспечена возможность питания потребителя электрической энергии при обеспечении практически постоянной подзарядки подзаряжаемого электрического устройства электрической энергией от электрической батареи, при этом обеспечена возможность периодического подсоединения электрической батареи к внешнему источнику электрической энергии для ее подзарядки по мере необходимости.

8. Устройство для хранения электрической энергии по п.7, в котором в качестве подзаряжаемой электрической батареи использована электрическая батарея, выбранная из следующего перечня: безводная литиевая ионная батарея, полимерная литиевая ионная батарея, натриево-серная батарея.

9. Устройство для хранения электрической энергии по п.7, в котором в качестве подзаряжаемого электрического устройства использована электрическая батарея, выбранная из следующего перечня: высокомощная литиевая батарея, литиевая ионная батарея, высокомощная никелевая водная батарея, свинцово-кислотная батарея, никелево-сплавная гибридная батарея, никелево-металлическая батарея, никелево-кадмиевая батарея.

10. Устройство для хранения электрической энергии по п.7, в котором подзаряжаемая электрическая батарея представляет собой подзаряжаемую энергетическую батарею, а подзаряжаемое электрическое устройство представляет собой подзаряжаемую мощностную батарею для практически непрерывной подзарядки от подзаряжаемой энергетической батареи.

11. Устройство для хранения электрической энергии по п.10, дополнительно содержащее контроллер для регулирования процесса практически непрерывной подзарядки мощностной батареи электрической энергией от энергетической батареи.

12. Устройство для хранения электрической энергии по п.11, дополнительно содержащее переключающее устройство, через которое обеспечена передача по меньшей мере части электрической энергии от энергетической батареи к мощностной батарее, при этом с помощью контроллера обеспечено регулирование процесса практически непрерывной подзарядки мощностной батареи электрической энергией от энергетической батареи.

13. Устройство для хранения электрической энергии по п.10, в котором в качестве энергетической батареи использована электрическая батарея на основе лития, а в качестве мощностной батареи использована свинцово-кислотная электрическая батарея.

14. Устройство для хранения электрической энергии по п.13, в котором в качестве энергетической батареи использован пакет безводных полимерных литиевых батарей, при этом устройство имеет корпус и указанный пакет безводных полимерных литиевых батарей размещен в части пространства этого корпуса.

15. Устройство для хранения электрической энергии по п.10, в котором обеспечено использование электрической энергии, хранимой в энергетической батарее, для питания потребителя электрической энергии через посредство мощностной батареи, при этом мощностная батарея выполнена с возможностью питания потребителя электрической энергии с теми значениями мощности, электрического тока и напряжения, которые соответствуют текущей потребности потребителя электрической энергии.

16. Устройство для хранения электрической энергии по п.10, в котором мощностная батарея выполнена с возможностью электрического подсоединения к внешнему источнику электрической энергии для подзарядки, при этом обеспечена возможность подсоединения мощностной батареи к внешнему источнику энергии для подзарядки в то время, когда требуется подзарядка энергетической батареи.

17. Устройство для хранения электрической энергии по п.16, в котором обеспечена возможность подключения энергетической батареи и мощностной батареи к внешнему источнику электрической энергии посредством зарядного устройства.

18. Устройство для хранения электрической энергии по п.16, для которого потребителем электрической энергии является приводной электродвигатель сухопутного транспортного средства, в котором установлено данное устройство для хранения электрической энергии, при этом обеспечена практически постоянная подзарядка мощностной батареи электрической энергией от энергетической батареи, в том числе во время движения транспортного средства.

19. Устройство для хранения электрической энергии по п.18, для которого внешний источник электрической энергии является стационарным, при этом возможность подзарядки энергетической батареи обеспечена, когда транспортное средство находится в неподвижном состоянии.

20. Способ хранения электрической энергии для питания потребителя электрической энергии при разных уровнях потребляемой мощности, включающий следующие операции:

подзарядка подзаряжаемой энергетической батареи, имеющей первую характеристику в ватт-часах на литр, называемую также первой плотностью энергии; подзарядка подзаряжаемой мощностной батареи, имеющей вторую характеристику в ватт-часах на литр, называемую также второй плотностью энергии, которая меньше чем первая плотность энергии; передача электрической энергии от мощностной батареи потребителю электрической энергии при различных уровнях потребляемой мощности; подзарядка мощностной батареи электрической энергией от энергетической батареи.

21. Способ по п.20, в котором операцию подзарядки мощностной батареи электрической энергией от энергетической батареи осуществляют в форме практически непрерывной подзарядки мощностной батареи от первой энергетической батареи посредством переключающего устройства, управляемого контроллером.

22. Способ по п.20, в котором в качестве потребителя электрической энергии используют приводной электродвигатель сухопутного транспортного средства, при этом подзаряжаемую энергетическую батарею и подзаряжаемую мощностную батарею устанавливают на этом транспортном средстве.

23. Способ по п.22, дополнительно включающий операцию периодической подзарядки первой подзаряжаемой энергетической батареи от стационарного источника электрической энергии при уменьшении заряда первой подзаряжаемой энергетической батареи ниже установленного порогового значения.

24. Способ по п.20, в котором подзаряжаемую энергетическую батарею выбирают из следующего перечня: безводная литиевая ионная батарея, литиевая воздушная батарея, полимерная литиевая ионная батарея, а мощностную батарею выбирают из следующего перечня: свинцово-кислотная батарея, высокомощная литиевая батарея, литиевая ионная батарея, высокомощная никелевая водная батарея, никелево-металлическая батарея, никелево-сплавная гибридная батарея, никелево-кадмиевая батарея.

25. Источник электрической энергии по любому из пп.1-6, в котором контроллер выполнен с возможностью регулирования процесса прерывистой подзарядки первой подзаряжаемой энергетической батареи электрической энергией от второй подзаряжаемой мощностной батареи.

26. Устройство для хранения электрической энергии по любому из пп.7-19, в котором подзаряжаемое электрическое устройство выполнено с возможностью осуществлять во время работы подзарядку подзаряжаемой батареи.

27. Способ хранения электрической энергии по любому из пп.20-24, включающий операцию зарядки энергетической батареи от мощностной батареи в то время, когда не происходит подзарядка мощностной батареи при помощи энергетической батареи.

Wikimedia Commons

Пожалуй, самая старая форма современного хранения энергии, привязанного к энергосети. Принцип работы прост: имеется два резервуара для воды, один выше другого. Когда потребность в электричестве низкая, энергию можно использовать для закачки воды наверх. В пиковые часы вода устремляется вниз, вращая гидрогенератор и вырабатывая электричество. Подобные проекты разрабатывает, например, Германия в заброшенных угольных шахтах или сферических контейнерах на дне океана.

Сжатый воздух

Power South

В целом этот способ напоминает предыдущий, за исключением того, что вместо воды в резервуары нагнетается воздух. При необходимости воздух выпускается и вращает турбины. Эта технология существует в теории уже несколько десятков лет, но на практике, из-за ее высокой стоимости, есть всего лишь несколько рабочих систем и чуть больше - испытательных. Канадская компания Hydrostor разрабатывает в Онтарио и Арубе крупный адиабатический компрессор.

Расплавленная соль

SolarReserve

Солнечную энергию можно использоваться для нагревания соли до нужной температуры. Полученный пар либо немедленно перерабатывается генератором в электричество, либо хранится в течение нескольких часов в виде расплавленной соли, чтобы, например, нагревать дома вечером. Один из подобных проектов - солнечный парк имени Мохаммеда ибн Рашида Аль Мактума - в Арабских Эмиратах. А в лаборатории Alphabet X возможность использования расплавов солей в сочетании с антифризом для того, чтобы сохранить излишки энергии Солнца или ветра. Недавно в Технологическом институте Джорджии построили более эффективную систему, в которой соль заменена на жидкий металл.

Проточные батареи

Ученые ЦЕРНа: «Вселенная не должна существовать»

Окислительно-восстановительные проточные батареи состоят из огромных цистерн с электролитом, которые пропускаются через мембраны и создают электрический заряд. Обычно в качестве электролита используется ванадий, а также растворы цинка, хлора или соленая вода. Они надежны, просты в эксплуатации, у них долгий срок службы. Крупнейшую в мире проточную батарею построить в пещерах Германии.

Традиционные аккумуляторы

SDG&E

Calmac

Ночью хранящуюся в цистернах воду замораживают, а днем лед тает и охлаждает соседние дома, позволяя экономить на кондиционерах. Эта технология привлекательна для регионов с жарким климатом и прохладными ночами, например, для или Калифорнии. В мае этого года компания NRG Energy поставила 1800 промышленных ледяных батарей предприятию Southern California Edison.

Супермаховик

Beacon Power

Эта технология предназначена для накапливания кинетической энергии. Электричество запускает мотор, который запасает энергию вращения в барабане. Когда она нужна, маховик замедляется. Изобретение не получило широкого распространения, хотя оно может применяться для обеспечения бесперебойного питания.

Экология потребления.Наука и техника:Одна из основных проблем альтернативной энергетики - неравномерность поступления ее из возобновляемых источников. Рассмотрим, каким образом можно накопить виды энергии (хотя для практического использования нам потом нужно будет превратить накопленную энергию либо в электричество, либо в тепло).

Одна из основных проблем альтернативной энергетики - неравномерность поступления ее из возобновляемых источников. Солнце светит только днем и в безоблачную погоду, ветер то дует, а то утихнет. Да и потребности в электроэнергии не постоянны, например, на освещение днем ее требуется меньше, вечером - больше. А людям нравится, когда по ночам города и деревни залиты огнями иллюминаций. Ну, или хотя бы просто улицы освещены. Вот и возникает задача - сохранить полученную энергию на какое-то время, чтобы использовать тогда, когда потребность в ней максимальна, а поступление недостаточно.

Существует 6 основных видов энергии: гравитационная, механическая, тепловая, химическая, электромагнитная и ядерная. К настоящему времени человечество научилось создавать искусственные аккумуляторы для энергии первых пяти видов (ну, если не считать, что имеющиеся запасы ядерного топлива имеют искусственное происхождение). Вот и рассмотрим, каким образом можно накопить и сохранить каждый из этих видов энергии (хотя для практического использования нам потом нужно будет превратить накопленную энергию либо в электричество, либо в тепло).

Накопители гравитационной энергии

В накопителях этого типа на этапе накопления энергии груз поднимается вверх, накапливая потенциальную энергию, а в нужный момент опускается обратно, возвращая эту энергию с пользой. Применение в качестве груза твёрдых тел или жидкостей вносит свои особенности в конструкции каждого типа. Промежуточное положение между ними занимает использование сыпучих веществ (песка, свинцовой дроби, мелких стальных шариков и т.п.).

Гравитационные твердотельные накопители энергии

Суть гравитационных механических накопителей состоит в том, что некий груз поднимается на высоту и в нужное время отпускается, заставляя по ходу вращаться ось генератора. Примером реализации такого способа накопления энергии может служить устройство, предложенное калифорнийской компанией Advanced Rail Energy Storage (ARES). Идея проста: в то время, когда солнечные батареи и ветряки производят достаточно много энергии, специальные тяжелые вагоны при помощи электромоторов загоняются на гору. Ночью и вечером, когда источников энергии недостаточно для обеспечения потребителей, вагоны спускаются вниз, и моторы, работающие как генераторы, возвращают накопленную энергию обратно в сеть.

Практически все механические накопители этого класса имеют очень простую конструкцию, а следовательно высокую надёжность и большой срок службы. Время хранения однажды запасённой энергии практически не ограничено, если только груз и элементы конструкции с течением времени не рассыплются от старости или коррозии.

Энергию, запасённую при поднятии твёрдых тел, можно высвободить за очень короткое время. Ограничение на получаемую с таких устройств мощность накладывает только ускорение свободного падения, определяющее максимальный темп нарастания скорости падающего груза.

К сожалению, удельная энергоёмкость таких устройств невелика и определяется классической формулой E = m · g · h. Таким образом, чтобы запасти энергию для нагрева 1 литра воды от 20°С до 100°С, надо поднять тонну груза как минимум на высоту 35 метров (или 10 тонн на 3.5 метра). Поэтому, когда возникает необходимость запасти энергии побольше, то это сразу приводит к необходимости создания громоздких и, как неизбежное следствие, дорогих сооружений.

Недостатком таких систем является также то, что путь, по которому движется груз, должен быть свободным и достаточно прямым, а также необходимо исключить возможность случайного попадания в эту область вещей, людей и животных.

Гравитационные жидкостные накопители

В отличие от твердотельных грузов, при использовании жидкостей нет необходимости в создании прямых шахт большого сечения на всю высоту подъёма - жидкость отлично перемещается и по изогнутым трубам, сечение которых должно быть лишь достаточным для прохождения по ним максимального расчётного потока. Поэтому верхний и нижний резервуары необязательно должны размещаться друг под другом, а могут быть разнесены на достаточно большое расстояние.

Именно к этому классу относятся гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).

Существуют и менее масштабные гидравлические накопители гравитационной энергии. Вначале перекачиваем 10 т воды из подземного резервуара (колодца) в емкость на вышке. Затем вода из емкости под действием силы тяжести перетекает обратно в резервуар, вращая турбину с электрогенератором. Срок службы такого накопителя может составлять 20 и более лет. Достоинства: при использовании ветродвигателя последний может непосредственно приводить в движение водяной насос, вода из емкости на вышке может использоваться для других нужд.

К сожалению, гидравлические системы труднее поддерживать в должном техническом состоянии, чем твердотельные, - прежде всего это касается герметичности резервуаров и трубопроводов и исправности запорного и перекачивающего оборудования. И ещё одно важное условие - в моменты накопления и использования энергии рабочее тело (по крайней мере, его достаточно большая часть) должно находиться в жидком агрегатном состоянии, а не пребывать в виде льда или пара. Зато иногда в подобных накопителях возможно получение дополнительной даровой энергии, - скажем, при пополнении верхнего резервуара талыми или дождевыми водами.

Накопители механической энергии

Механическая энергия проявляется при взаимодей­ствии, движении отдельных тел или их частиц. К ней относят кинетическую энергию движения или вращения тела, энер­гию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин).

Гироскопические накопители энергии

В гироскопических накопителях энергия запасается в виде кинетической энергии быстро вращающегося маховика. Удельная энергия, запасаемая на каждый килограмм веса маховика, значительно больше той, что можно запасти в килограмме статического груза, даже подняв его на большую высоту, а последние высокотехнологичные разработки обещают плотность накопленной энергии, сравнимую с запасом химической энергии в единице массы наиболее эффективных видов химического топлива.

Другой огромный плюс маховика - это возможность быстрой отдачи или приёма очень большой мощности, ограниченной лишь пределом прочности материалов в случае механической передачи или «пропускной способностью» электрической, пневматической либо гидравлической передач.

К сожалению, маховики чувствительны к сотрясениям и поворотам в плоскостях, отличных от плоскости вращения, поскольку при этом возникают огромные гироскопические нагрузки, стремящиеся погнуть ось. К тому же время хранения накопленной маховиком энергии относительно невелико и для традиционных конструкций обычно составляет от нескольких секунд до нескольких часов. Далее потери энергии на трение становятся слишком заметными… Впрочем, современные технологии позволяют кардинально увеличить время хранения - вплоть до нескольких месяцев.

Наконец, ещё один неприятный момент - запасённая маховиком энергия прямо зависит от его скорости вращения, поэтому по мере накопления или отдачи энергии скорость вращения всё время меняется. В то же время в нагрузке очень часто требуется стабильная скорость вращения, не превышающая нескольких тысяч оборотов в минуту. По этой причине чисто механические системы передачи энергии на маховик и обратно могут оказаться слишком сложными в изготовлении. Иногда упростить ситуацию может электромеханическая передача с использованием мотор-генератора, размещённого на одном валу с маховиком или связанного с ним жёстким редуктором. Но тогда неизбежны потери энергии на нагрев проводов и обмоток, которые могут быть гораздо выше, чем потери на трение и проскальзывание в хороших вариаторах.

Особенно перспективны так называемые супермаховики, состоящие из витков стальной ленты, проволоки или высокопрочного синтетического волокна. Навивка может быть плотной, а может иметь специально оставленное пустое пространство. В последнем случае по мере раскручивания маховика витки ленты перемещаются от его центра к периферии вращения, изменяя момент инерции маховика, а если лента пружинная, то и запасая часть энергии в энергии упругой деформации пружины. В результате в таких маховиках скорость вращения не так прямо связана с накопленной энергией и гораздо стабильнее, чем в простейших цельнотелых конструкциях, а их энергоёмкость заметно больше.

Помимо большей энергоёмкости, они более безопасны в случае различных аварий, так как в отличии от осколков большого монолитного маховика, по своей энергии и разрушительной силе сравнимых с пушечными ядрами, обломки пружины обладают гораздо меньшей «поражающей способностью» и обычно достаточно эффективно тормозят лопнувший маховик за счёт трения о стенки корпуса. По этой же причине и современные цельнотелые маховики, рассчитанные на работу в режимах, близких к переделу прочности материала, часто изготавливаются не монолитными, а сплетёнными из тросов или волокон, пропитанных связующим веществом.

Современные конструкции с вакуумной камерой вращения и магнитным подвесом супермаховика из кевларового волокна обеспечивают плотность запасённой энергии более 5 МДж/кг, причём могут сохранять кинетическую энергию неделями и месяцами. По оптимистичным оценкам, использование для навивки сверхпрочного «суперкарбонового» волокна позволит увеличить скорость вращения и удельную плотность запасаемой энергии ещё во много раз - до 2-3 ГДж/кг (обещают, что одной раскрутки такого маховика весом 100-150 кг хватит для пробега в миллион километров и более, т.е. на фактически на всё время жизни автомобиля!). Однако стоимость этого волокна пока также во много раз превышает стоимость золота, так что подобные машины ещё не по карману даже арабским шейхам… Подробнее о маховичных накопителях можно почитать в книге Нурбея Гулиа.

Гирорезонансные накопители энергии

Эти накопители представляют собой тот же самый маховик, но выполненный из эластичного материала (например, резины). В результате у него появляются принципиально новые свойства. По мере нарастания оборотов на таком маховике начинают образовываться «выросты»-«лепестки» - сначала он превращается в эллипс, затем в «цветок» с тремя, четырьмя и более «лепестками»… При этом после начала образования «лепестков» скорость вращения маховика уже практически не меняется, а энергия запасается в резонансной волне упругой деформации материала маховика, формирующей эти «лепестки».

Такими конструкциями в конце 1970-х и начале 1980-х годов в Донецке занимался Н.З.Гармаш. Полученные им результаты впечатляют - по его оценкам, при рабочей скорости маховика, составляющей всего 7-8 тысяч об/мин, запасённой энергии было достаточно для того, чтобы автомобиль мог проехать 1500 км против 30 км с обычным маховиком тех же размеров. К сожалению, более свежие сведения об этом типе накопителей неизвестны.

Механические накопители с использованием сил упругости

Этот класс устройств обладает очень большой удельной ёмкостью запасаемой энергии. При необходимости соблюдения небольших габаритов (несколько сантиметров) его энергоёмкость - наибольшая среди механических накопителей. Если требования к массогабаритным характеристикам не столь жёсткие, то большие сверхскоростные маховики превосходят его по энергоёмкости, но они гораздо более чувствительны к внешним факторам и обладают намного меньшим временем хранения энергии.

Пружинные механические накопители

Сжатие и распрямление пружины способно обеспечить очень большой расход и поступление энергии в единицу времени - пожалуй, наибольшую механическую мощность среди всех типов накопителей энергии. Как и в маховиках, она ограничена лишь пределом прочноcти материалов, но пружины обычно реализуют рабочее поступательное движение непосредственно, а в маховиках без довольно сложной передачи не обойтись (не случайно в пневматическом оружии используются либо механические боевые пружины, либо баллончики с газом, которые по своей сути являются предварительно заряженными пневматическими пружинами; до появления огнестрельного оружия для боя на дистанции применялось также именно пружинное оружие - луки и арбалеты, ещё задолго до новой эры полностью вытеснившие в профессиональных войсках пращу с её кинетическим накоплением энергии).

Срок хранения накопленной энергии в сжатой пружине может составлять многие годы. Однако следует учитывать, что под действием постоянной деформации любой материал с течением времени накапливает усталость, а кристаллическая решётка металла пружины потихоньку изменяется, причём чем больше внутренние напряжения и чем выше окружающая температура, тем скорее и в большей степени это произойдёт. Поэтому через несколько десятилетий сжатая пружина, не изменившись внешне, может оказаться «разряженной» полностью или частично. Тем не менее, качественные стальные пружины, если они не подвергаются перегреву или переохлаждению, способны работать веками без видимой потери ёмкости. Например, старинные настенные механические часы с одного полного завода по-прежнему идут две недели - как и более полувека назад, когда они были изготовлены.

При необходимости постепенной равномерной «зарядки» и «разрядки» пружины обеспечивающий это механизм может оказаться весьма сложным и капризным (загляните в те же механические часы - по сути, множество шестерёнок и других деталей служат именно этой цели). Упростить ситуацию может электромеханическая передача, но она обычно накладывает существенные ограничения на мгновенную мощность такого устройства, а при работе с малыми мощностями (несколько сот ватт и менее) её КПД слишком низок. Отдельной задачей является накопление максимальной энергии в минимальном объёме, так как при этом возникают механические напряжения, близкие к пределу прочности используемых материалов, что требует особо тщательных расчётов и безупречного качества изготовления.

Говоря здесь о пружинах, нужно иметь в виду не только металлические, но и другие упругие цельнотелые элементы. Самые распространённые среди них - это резиновые жгуты. Кстати, по энергии, запасаемой на единицу массы, резина превосходит сталь в десятки раз, зато и служит она примерно во столько же раз меньше, причём, в отличии от стали, теряет свои свойства уже через несколько лет даже без активного использования и при идеальных внешних условиях - в силу относительно быстрого химического старения и деградации материала.

Газовые механические накопители

В этом классе устройств энергия накапливается за счёт упругости сжатого газа. При избытке энергии компрессор закачивает газ в баллон. Когда требуется использовать запасённую энергию, сжатый газ подаётся в турбину, непосредственно выполняющую необходимую механическую работу или вращающую электрогенератор. Вместо турбины можно использовать поршневой двигатель, который более эффективен при небольших мощностях (кстати, существуют и обратимые поршневые двигатели-компрессоры).

Практически каждый современный промышленный компрессор оснащён подобным аккумулятором - ресивером. Правда, давление там редко превышает 10 атм, и потому запас энергии в таком ресивере не очень большой, но и это обычно позволяет в несколько раз увеличить ресурс установки и сэкономить энергию.

Газ, сжатый до давления в десятки и сотни атмосфер, может обеспечить достаточно высокую удельную плотность запасённой энергии в течение практически неограниченного времени (месяцы, годы, а при высоком качестве ресивера и запорной арматуры - десятки лет, - недаром пневматическое оружие, использующее баллончики со сжатым газом, получило такое широкое распространение). Однако входящие в состав установки компрессор с турбиной или поршневой двигатель, - устройства достаточно сложные, капризные и имеющие весьма ограниченный ресурс.

Перспективной технологией создания запасов энергии является сжатие воздуха за счет доступной энергии в то время, когда непосредственная потребность в последней отсутствует. Сжатый воздух охлаждается и хранится при давлении 60-70 атмосфер. При необходимости расходовать запасенную энергию, воздух извлекается из накопителя, нагревается, а затем поступает в специальную газовую турбину, где энергия сжатого и нагретого воздуха вращает ступени турбины, вал которой соединен с электрическим генератором, выдающим электроэнергию в энергосистему.

Для хранения сжатого воздуха предлагается, например, использовать подходящие горные выработки или специально создаваемые подземные емкости в соляных породах. Концепция не нова, хранение сжатого воздуха в подземной пещере было запатентовано еще в 1948 году, а первый завод с накопителем энергии сжатого воздуха (CAES - compressed air energy storage) с мощностью 290 МВт работает на электростанции Huntorf в Германии с 1978 года. На этапе сжатия воздуха большое количество энергии теряется в виде тепла. Эта утерянная энергия должна быть компенсирована сжатому воздуху до этапа расширения в газовой турбине, для этого и используется углеводородное топливо, с помощью которого повышают температуру воздуха. Это значит, что установки имеют далеко не стопроцентный КПД.

Существует перспективное направление для повышения эффективности CAES. Оно заключается в удержании и сохранении тепла, выделяющегося при работе компрессора на этапе сжатия и охлаждения воздуха, с последующим его повторным использованием при обратном нагреве холодного воздуха (т.н. рекуперация). Тем не менее, этот вариант CAES имеет существенные технические сложности, особенно в направлении создания системы длительного сохранения тепла. В случае решения этих проблем, AA-CAES (Advanced Adiabatic-CAES) может проложить путь для крупномасштабных систем хранения энергии, проблема была поднята исследователями по всему миру.

Участники канадского стартапа Hydrostor предложили другое необычное решение - закачивать энергию в подводные пузыри.

Накопление тепловой энергии

В наших климатических условиях очень существенная (зачастую - основная) часть потребляемой энергии расходуется на обогрев. Поэтому было бы очень удобно аккумулировать в накопителе непосредственно тепло и затем получать его обратно. К сожалению, в большинстве случаев плотность запасённой энергии очень мала, а сроки её сохранения весьма ограничены.

Существуют тепловые аккумуляторы с твёрдым либо плавящимся теплоаккумулирующим материалом; жидкостные; паровые; термохимические; с электронагревательным элементом. Тепловые аккумуляторы могут подключаться в систему с твердотопливным котлом, в гелиосистему или комбинированную систему.

Накопление энергии за счёт теплоёмкости

В накопителях этого типа аккумулирование тепла осуществляется за счет теплоемкости вещества, служащего рабочим телом. Классическим примером теплового аккумулятора может служить русская печь. Ее протапливали один раз в день и она потом обогревала дом в течение суток. В наше время под тепловым аккумулятором чаще всего подразумевают ёмкости для хранения горячей воды, обшитые материалом с высокими теплоизоляционными свойствами.

Существуют теплоаккумуляторы и на основе твердых теплоносителей, например, в керамических кирпичах.

Различные вещества обладают разной теплоёмкостью. У большинства она находится в пределах от 0.1 до 2 кДж/(кг·К). Аномально большой теплоёмкостью обладает вода - её теплоёмкость в жидкой фазе составляет примерно 4.2 кДж/(кг·К). Более высокую теплоёмкость имеет только весьма экзотический литий - 4.4 кДж/(кг·К).

Однако помимо удельной теплоёмкости (по массе) надо учитывать и объёмную теплоёмкость, позволяющую определить, сколько тепла нужно, чтобы изменить на одну и ту же величину температуру одного и того же объёма различных веществ. Она вычисляется из обычной удельной (массовой) теплоёмкости умножением её на удельную плотность соответствующего вещества. На объёмную теплоёмкость следует ориентироваться тогда, когда важнее объём теплоаккумулятора, чем его вес.

Например, удельная теплоёмкость стали всего 0.46 кДж/(кг·К), но плотность 7800 кг/куб.м, а, скажем, у полипропилена - 1.9 кДж/(кг·К) - в 4 с лишним раза больше, однако плотность его составляет всего 900 кг/куб.м. Поэтому при одинаковом объёме сталь сможет запасти в 2.1 раза больше тепла, чем полипропилен, хотя и будет тяжелее почти в 9 раз. Впрочем, благодаря аномально большой теплоёмкости воды ни один материал не может превзойти её и по объёмной теплоёмкости. Однако объёмная теплоемкость железа и его сплавов (сталь, чугун) отличается от воды менее, чем на 20% - в одном кубическом метре они могут запасти более 3.5 МДж тепла на каждый градус изменения температуры, чуть-чуть меньше объёмная теплоёмкость у меди - 3.48 МДж/(куб.м·К). Теплоёмкость воздуха в нормальных условиях составляет примерно 1 кДж/кг, или 1.3 кДж/куб.м, поэтому чтобы нагреть кубометр воздуха на 1°, достаточно охладить на тот же градус чуть менее 1/3 литра воды (естественно, более горячей, чем воздух).

В силу простоты устройства (что может быть проще неподвижного сплошного куска твёрдого вещества либо закрытого резервуара с жидким теплоносителем?) подобные накопители энергии имеют практически неограниченное число циклов накопления-отдачи энергии и очень длительный срок службы - для жидких теплоносителей до высыхания жидкости либо до повреждения резервуара от коррозии или других причин, для твёрдотельных отсутствуют и эти ограничения. Но вот время хранения весьма ограничено и, как правило, составляет от нескольких часов до нескольких суток - на больший срок обычная теплоизоляция удержать тепло уже не способна, да и удельная плотность запасаемой энергии невелика.

Наконец, следует подчеркнуть ещё одно обстоятельство, - для эффективной работы важна не только теплоёмкость, но и теплопроводность вещества теплоаккумулятора. При высокой теплопроводности даже на достаточно быстрые изменения наружных условий теплоаккумулятор отреагирует всей своей массой, а следовательно и всей запасённой энергией - то есть максимально эффективно.

В случае же плохой теплопроводности среагировать успеет только поверхностная часть теплоаккумулятора, а до глубинных слоёв кратковременные изменения внешних условий просто не успеют дойти, и существенная часть вещества такого теплоаккумулятора будет фактически исключена из работы.

Полипропилен, упомянутый в рассмотренном чуть выше примере, имеет теплопроводность почти в 200 раз меньше, чем сталь, и потому, невзирая на достаточно большую удельную теплоёмкость, эффективным теплоаккумулятором быть не может. Впрочем, технически проблема легко решается организацией специальных каналов для циркуляции теплоносителя внутри теплоаккумулятора, но очевидно, что такое решение существенно усложняет конструкцию, снижает её надёжность и энергоёмкость и непременно будет требовать периодического техобслуживания, которое вряд ли нужно монолитному куску вещества.

Как это не покажется странным, иногда нужно бывает накапливать и хранить не тепло, а холод. В США уже более десяти лет работают компании, которые предлагают «аккумуляторы» на основе льда для установки в кондиционеры воздуха. В ночное время, когда электроэнергии в избытке и она продаётся по сниженным тарифам, кондиционер замораживает воду, то есть переходит в режим холодильника. В дневное время он потребляет в несколько раз меньше энергии, работая как вентилятор. Энергопрожорливый компрессор на это время отключается. .

Накопление энергии при смене фазового состояния вещества

Если внимательно посмотреть на тепловые параметры различных веществ, то можно увидеть, что при смене агрегатного состояния (плавлении-твердении, испарении-конденсации) происходит значительное поглощение или выделение энергии. Для большинства веществ тепловой энергии таких превращений достаточно, чтобы изменить температуру того же количества этого же вещества на многие десятки, а то и сотни градусов в тех диапазонах температур, где его агрегатное состояние не меняется. А ведь, как известно, пока агрегатное состояние всего объёма вещества не станет одним и тем же, его температура практически постоянна! Поэтому было бы очень заманчиво накапливать энергию за счёт смены агрегатного состояния - энергии накапливается много, а температура изменяется мало, так что в результате не потребуется решать проблемы, связанные с нагревом до высоких температур, и в то же время можно получить хорошую ёмкость такого теплоаккумулятора.

Плавление и кристаллизация

К сожалению, в настоящее время практически нет дешёвых, безопасных и устойчивых к разложению веществ с большой энергией фазового перехода, температура плавления которых лежала бы в наиболее актуальном диапазоне - примерно от +20°С до +50°С (максимум +70°С - это ещё относительно безопасная и легко достижимая температура). Как правило, в этом диапазоне температур плавятся сложные органические соединения, отнюдь не полезные для здоровья и зачастую быстро окисляющиеся на воздухе.

Пожалуй, наиболее подходящими веществами являются парафины, температура плавления большинства которых в зависимости от сорта лежит в диапазоне 40..65°С (правда, существуют и «жидкие» парафины с температурой плавления 27°С и менее, а также родственный парафинам природный озокерит, температура плавления которого лежит в пределах 58..100°С). И парафины, и озокерит вполне безопасны и используются в том числе и в медицинских целях для непосредственного прогрева больных мест на теле.

Однако при хорошей теплоёмкости теплопроводность их весьма мала - мала настолько, что приложенный к телу парафин или озокерит, нагретый до 50-60°С, ощущается лишь приятно горячим, но не обжигающим, как это было бы с водой, нагретой до той же температуры, - для медицины это хорошо, но для теплоаккумулятора это безусловный минус. Кроме того, эти вещества не так уж дёшевы, скажем, оптовая цена на озокерит в сентябре 2009 г. составляла порядка 200 рублей за килограмм, а килограмм парафина стоил от 25 рублей (технический) до 50 и выше (высокоочищенный пищевой, т.е. пригодный для использования при упаковке продуктов). Это оптовые цены для партий в несколько тонн, в розницу всё дороже как минимум раза в полтора.

В результате экономическая эффективность парафинового теплоаккумулятора оказывается под большим вопросом, - ведь килограмм-другой парафина или озокерита годится лишь для медицинского прогрева заломившей поясницы в течении пары десятков минут, а для обеспечения стабильной температуры более-менее просторного жилища в течении хотя бы суток масса парафинового теплоаккумулятора должна измеряться тоннами, так что его стоимость сразу приближается к стоимости легкового автомобиля (правда, нижнего ценового сегмента)!

Да и температура фазового перехода в идеале всё же должна точно соответствовать комфортному диапазону (20..25°С) - иначе всё равно придётся организовывать какую-то систему регулирования теплообмена. Тем не менее, температура плавления в районе 50..54°С, характерная для высокоочищенных парафинов, в сочетании с высокой теплотой фазового перехода (немногим более 200 кДж/кг) очень хорошо подходит для теплоаккумкулятора, рассчитанного на обеспечение горячего водоснабжения и водяного отопления, проблема лишь в невысокой теплопроводности и высокой цене парафина.

Зато в случае форс-мажора сам парафин можно использовать в качестве топлива с хорошей теплотворной способностью (хотя сделать это не так просто - в отличии от бензина или керосина, жидкий и тем более твёрдый парафин на воздухе не горит, обязательно нужен фитиль или другое устройство для подачи в зону горения не самого парафина, а только его паров)!

Примером накопителя тепловой энергии на основе эффекта плавления и кристаллизации может служить система хранения тепловой энергии TESS на основе кремния, которую разработала австралийская компания Latent Heat Storage.

Испарение и конденсация

Теплота испарения-конденсации, как правило, в несколько раз превышает теплоту плавления-кристаллизации. И вроде бы есть не так уж мало веществ, испаряющихся в нужном диапазоне температур. Помимо откровенно ядовитых сероуглерода, ацетона, этилового эфира и т.п., есть и этиловый спирт (его относительная безопасность ежедневно доказывается на личном примере миллионами алкоголиков по всему миру!). В нормальных условиях спирт кипит при 78°С, а его теплота испарения в 2.5 раза больше теплоты плавления воды (льда) и эквивалентна нагреву того же количества жидкой воды на 200°.

Однако в отличии от плавления, когда изменения объёма вещества редко превышают несколько процентов, при испарении пар занимает весь предоставленный ему объём. И если этот объём будет неограничен, то пар улетучится, безвозвратно унося с собой всю накопленную энергию. В замкнутом же объёме сразу начнёт расти давление, препятствуя испарению новых порций рабочего тела, как это имеет место в самой обычной скороварке, поэтому смену агрегатного состояния испытывает лишь небольшой процент рабочего вещества, остальное же продолжает нагреваться, находясь в жидкой фазе. Здесь открывается большое поле деятельности для изобретателей - создание эффективного теплоаккумулятора на основе испарения и конденсации с герметичным переменным рабочим объёмом.

Фазовые переходы второго рода

Помимо фазовых переходов, связанных с изменением агрегатного состояния, некоторые вещества и в рамках одного агрегатного состояния могут иметь несколько различных фазовых состояний. Смена таких фазовых состояний, как правило, также сопровождается заметным выделением или поглощением энергии, хотя обычно гораздо менее значительным, чем при изменении агрегатного состояния вещества. Кроме того, во многих случаях при подобных изменениях в отличии от смены агрегатного состояния имеет место температурный гистерезис - температуры прямого и обратного фазового перехода могут существенно различаться, иногда на десятки и даже на сотни градусов.

Электрические накопители энергии

Электричество - наиболее удобная и универсальная форма энергии в современном мире. Не удивительно, что именно накопители электрической энергии развиваются наиболее быстро. К сожалению, в большинстве случаев удельная ёмкость недорогих устройств невелика, а устройства с высокой удельной ёмкостью пока слишком дороги для хранения больших запасов энергии при массовом применении и весьма недолговечны.

Конденсаторы

Самые массовые «электрические» накопители энергии - это обычные радиотехнические конденсаторы. Они обладают огромной скоростью накопления и отдачи энергии - как правило, от нескольких тысяч до многих миллиардов полных циклов в секунду, и способны так работать в широком диапазоне температур многие годы, а то и десятилетия. Объединяя несколько конденсаторов параллельно, легко можно увеличить их суммарную ёмкость до нужной величины.

Конденсаторы можно разделить на два больших класса - неполярные (как правило, «сухие», т.е. не содержащие жидкого электролита) и полярные (обычно электролитические). Использование жидкого электролита обеспечивает существенно бóльшую удельную ёмкость, но почти всегда требует соблюдения полярности при подключении. Кроме того, электролитические конденсаторы часто более чувствительные к внешним условиям, прежде всего к температуре и имеют меньший срок службы (с течением времени электролит улетучивается и высыхает).

Однако у конденсаторов есть два основных недостатка. Во-первых, это весьма малая удельная плотность запасаемой энергии и потому небольшая (относительно других видов накопителей) ёмкость. Во-вторых, это малое время хранения, которое обычно исчисляется минутами и секундами и редко превышает несколько часов, а в некоторых случаях составляет лишь малые доли секунды. В результате область применения конденсаторов ограничивается различными электронными схемами и кратковременным накоплением, достаточным для выпрямления, коррекции и фильтрации тока в силовой электротехнике - на большее их пока не хватает.

Ионисторы

Ионисторы, которые иногда называют «суперконденсаторами», можно рассматривать как своего рода промежуточное звено между электролитическими конденсаторами и электрохимическими аккумуляторами. От первых они унаследовали практически неограниченное количество циклов заряда-разряда, а от вторых - относительно невысокие токи зарядки и разрядки (цикл полной зарядки-разрядки может длиться секунду, а то и намного дольше). Ёмкость их также находится в диапазоне между наиболее ёмкими конденсаторами и небольшими аккумуляторами - обычно запас энергии составляет от единиц до нескольких сотен джоулей.

Дополнительно следует отметить достаточно высокую чувствительность ионисторов к температуре и ограниченное время хранения заряда - от нескольких часов до нескольких недель максимум.

Электрохимические аккумуляторы

Электрохимические аккумуляторы были изобретены ещё на заре развития электротехники, и сейчас их можно встретить повсюду - от мобильного телефона до самолётов и кораблей. Вообще говоря, они работают на основе некоторых химических реакций и поэтому их можно было бы отнести к следующему разделу нашей статьи -«Химические накопители энергии». Но поскольку этот момент обычно не подчеркивается, а обращается внимание на то, что аккумуляторы накапливают электричество, рассмотрим их здесь.

Как правило, при необходимости запасать достаточно большую энергию - от нескольких сотен килоджоулей и более - используются свинцово-кислотные аккумуляторы (пример - любой автомобиль). Однако они имеют немалые габариты и, главное, вес. Если же требуется малый вес и мобильность устройства, то используются более современные типы аккумуляторов - никель-кадмиевые, металл-гидридные, литий-ионные, полимер-ионные и др. Они имеют гораздо более высокую удельную ёмкость, однако и удельная стоимость хранения энергии у них заметно выше, поэтому их применение обычно ограничивается относительно небольшими и экономичными устройствами, такими как мобильные телефоны, фото- и видеокамеры, ноутбуки и т.п.

В последнее время на гибридных автомобилях и электромобилях начали применяться мощные литий-ионные аккумуляторы. Помимо меньшего веса и большей удельной ёмкости, в отличие от свинцово-кислотных они позволяют практически полностью использовать свою номинальную ёмкость, считаются более надёжными и имеющими бóльший срок службы, а их энергетическая эффективность в полном цикле превышает 90%, в то время как энергетическая эффективность свинцовых аккумуляторов при заряде последних 20% ёмкости может падать до 50%.

По режиму использования электрохимические аккумуляторы (прежде всего мощные) также подразделяются на два больших класса - так называемые тяговые и стартовые. Обычно стартовый аккумулятор достаточно успешно может работать в качестве тягового (главное - контролировать степень разряда и не доводить его до такой глубины, которая допустима для тяговых аккумуляторов), а вот при обратном применении слишком большой ток нагрузки может очень быстро вывести тяговый аккумулятор из строя.

К недостаткам электрохимических аккумуляторов можно отнести весьма ограниченное число циклов заряда-разряда (в большинстве случаев от 250 до 2000, а при несоблюдении рекомендаций производителей - гораздо меньше), и даже при отсутствии активной эксплуатации большинство типов аккумуляторов через несколько лет деградируют, утрачивая свои потребительские свойства.

При этом срок службы многих видов аккумуляторов идёт не с начала их эксплуатации, а с момента изготовления. Кроме того, для электрохимических аккумуляторов характерны чувствительность к температуре, длительное время заряда, иногда в десятки раз превышающее время разряда, и необходимость соблюдения методики использования (недопущение глубокого разряда для свинцовых аккумуляторов и, наоборот, соблюдение полного цикла заряда-разряда для металл-гидридных и многих других типов аккумуляторов). Время хранения заряда также довольно ограничено - обычно от недели до года. У старых аккумуляторов уменьшается не только ёмкость, но и время хранения, причём и то, и другое может сократиться во много раз.

Разработки с целью создания новых типов электрических аккумуляторов и усовершенствования существующих устройств не прекращаются.

Химические накопители энергии

Химическая энергия - это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при хими­ческих реакциях между веществами. Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальваничес­ких элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии ха­рактеризуются высоким КПД (до 98 %), но низкой емкостью.

Химические накопители энергии позволяют получать энергию как в том виде, из которого она запасалась, так и в любом другом. Можно выделить «топливные» и «безтопливные» разновидности. В отличии от низкотемпературных термохимических накопителей (о них чуть позже), которые могут запасти энергию, просто будучи помещёнными в достаточно тёплое место, здесь не обойтись без специальных технологий и высокотехнологичного оборудования, иногда весьма громоздкого. В частности, если в случае низкотемпературных термохимических реакций смесь реагентов обычно не разделяется и всегда находится в одной и той же ёмкости, реагенты для высокотемпературных реакций хранятся отдельно друг от друга и соединяются лишь тогда, когда нужно получить энергию.

Накопление энергии наработкой топлива

На этапе накопления энергии происходит химическая реакция, в результате которой восстанавливается топливо, например, из воды выделяется водород - прямым электролизом, в электрохимических ячейках с использованием катализатора или с помощью термического разложения, скажем, электрической дугой или сильно сконцентрированным солнечным светом. «Освободившийся» окислитель может быть собран отдельно (для кислорода это необходимо в условиях замкнутого изолированного объекта - под водой или в космосе) либо за ненадобностью «выброшен», поскольку в момент использования топлива этого окислителя будет вполне достаточно в окружающей среде и нет необходимости тратить место и средства на его организованное хранение.

На этапе извлечения энергии наработанное топливо окисляется с выделением энергии непосредственно в нужной форме, независимо от того, каким способом было получено это топливо. Например, водород может дать сразу тепло (при сжигании в горелке), механическую энергию (при подаче его в качестве топлива в двигатель внутреннего сгорания или турбину) либо электричество (при окислении в топливной ячейке). Как правило, такие реакции окисления требуют дополнительной инициации (поджига), что весьма удобно для управления процессом извлечения энергии.

Этот способ очень привлекателен независимостью этапов накопления энергии («зарядки») и её использования («разрядки»), высокой удельной ёмкостью запасаемой в топливе энергии (десятки мегаджоулей на каждый килограмм топлива) и возможностью длительного хранения (при обеспечении должной герметичности ёмкостей - многие годы). Однако его широкому распространению препятствует неполная отработанность и дороговизна технологии, высокая пожаро- и взрывоопасность на всех стадиях работы с таким топливом, и, как следствие, необходимость высокой квалификации персонала при обслуживании и эксплуатации этих систем. Несмотря на эти недостатки в мире разрабатываются различные установки, использующие водород в качестве резервного источника энергии.

Накопление энергии с помощью термохимических реакций

Давно и широко известна большая группа химических реакций, которые в закрытом сосуде при нагревании идут в одну сторону с поглощением энергии, а при охлаждении - в обратную с выделением энергии. Такие реакции часто называют термохимическими. Энергетическая эффективность таких реакций, как правило, меньше, чем при смене агрегатного состояния вещества, однако тоже весьма заметна.

Подобные термохимические реакции можно рассматривать как своего рода смену фазового состояния смеси реагентов, и проблемы здесь возникают примерно те же - трудно найти дешёвую, безопасную и эффективную смесь веществ, успешно действующую подобным образом в диапазоне температур от +20°С до +70°С. Впрочем, один подобный состав известен уже давно - это глауберова соль.

Мирабилит (он же глауберова соль, он же десятиводный сульфат натрия Na2SO4 · 10H2O) получают в результате элементарных химических реакций (например, при добавлении поваренной соли в серную кислоту) или добывают в «готовом виде» как полезное ископаемое.

С точки зрения аккумуляции тепла наиболее интересная особенность мирабилита заключается в том, что при повышении температуры выше 32°С связанная вода начинает освобождаться, и внешне это выглядит как «плавление» кристаллов, которые растворяются в выделившейся из них же воде. При снижении температуры до 32°С свободная вода вновь связывается в структуру кристаллогидрата - происходит «кристаллизация». Но самое главное - теплота этой реакции гидратации-дегидратации весьма велика и составляет 251 кДж/кг, что заметно выше теплоты «честного» плавления-кристаллизации парафинов, хотя и на треть меньше, чем теплота плавления льда (воды).

Таким образом, теплоаккумулятор на основе насыщенного раствора мирабилита (насыщенного именно при температуре выше 32°С) может эффективно поддерживать температуру на уровне 32°С с большим ресурсом накопления или отдачи энергии. Конечно, для полноценного горячего водоснабжения эта температура слишком низка (душ с такой температурой в лучшем случае воспринимается как «весьма прохладный»), но вот для подогрева воздуха такой температуры может оказаться вполне достаточно.

Безтопливное химическое накопление энергии

В данном случае на этапе «зарядки» из одних химических веществ образуются другие, и в ходе этого процесса в образующихся новых химических связях запасается энергия (скажем, гашёная известь при помощи нагрева переводится в негашёное состояние).

При «разрядке» происходит обратная реакция, сопровождаемая выделением ранее запасённой энергии (обычно в виде тепла, иногда дополнительно в виде газа, который можно подать в турбину) - в частности, именно это имеет место при «гашении» извести водой. В отличие от топливных методов, для начала реакции обычно достаточно просто соединить реагенты друг с другом - дополнительная инициация процесса (поджиг) не требуется.

По сути, это разновидность термохимической реакции, однако в отличии от низкотемпературных реакций, описанных при рассмотрении тепловых накопителей энергии и не требующих каких-то особых условий, здесь речь идёт о температурах в многие сотни, а то и тысячи градусов. В результате количество энергии, запасаемой в каждом килограмме рабочего вещества, существенно возрастает, но и оборудование во много раз сложнее, объёмнее и дороже, чем пустые пластиковые бутылки или простой бак для реагентов.

Необходимость расхода дополнительного вещества - скажем, воды для гашения извести - не является существенным недостатком (при необходимости можно собрать воду, выделяющуюся при переходе извести в негашёное состояние). А вот особые условия хранения этой самой негашёной извести, нарушение которых чревато не только химическими ожогами, но и взрывом, переводят этот и ему подобные способы в разряд тех, которые вряд ли выйдут в широкую жизнь.

Другие типы накопителей энергии

Помимо описанных выше, есть и другие типы накопителей энергии. Однако в настоящее время они весьма ограничены по плотности запасаемой энергии и времени её хранения при высокой удельной стоимости. Поэтому пока они больше применяются для развлечения, а их эксплуатация в сколько-нибудь серьёзных целях не рассматривается. Примером являются фосфорецирующие краски, запасающие энергию от яркого источника света и затем светящиеся в течение нескольких секунд, а то и долгих минут. Их современные модификации уже давно не содержат ядовитого фосфора и вполне безопасны даже для использования в детских игрушках.

Суперпроводящие накопители магнитной энергии хранят её в поле большой магнитной катушки с постоянным током. Она может быть преобразована в переменный электрический ток по мере необходимости. Низкотемпературные накопители охлаждаются жидким гелием и доступны для промышленных предприятий. Высокотемпературные накопители, охлаждаемые жидким водородом, всё ещё находятся в стадии разработки и могут стать доступны в будущем.

Суперпроводящие накопители магнитной энергии имеют значительные размеры и обычно используются в течение коротких периодов времени, например, во время переключений. опубликовано

Реформирование электроэнергетики в России привело к образованию такого специфического товара как электроэнергия. Электроэнергия не обладает таким основным свойством присущим остальным товарам, как накопление и возможность удовлетворения растущего спроса запасами. Разделение рынка на оптовый и розничный привело к необходимости создания конкурентной среды между производителями на оптовом рынке. В процессе реформирования электроэнергетики рынок постепенно проходит этапы перехода от регулируемого к дерегулируемому, основанному на естественной конкуренции между производителями электроэнергии.

2)Специфика электроэнергии как товара.

Наиболее важными особенностями экономики энергосистем, вызванными спецификой электроэнергии как товара и которые необходимо учитывать при организации рынка электроэнергии, является следующее: 1) производство, доставка (передача и распределение) и потребление электроэнергии в силу ее физической природы происходят практически одно­временно и ее невозможно складировать (накапливать) в значи­тельных объемах. Другими словами, произведенная продукция не может накап­ливаться на складах производителя, потребителя или в пути, а практически мгновенно доставляется до потребителя и потребляется им; 2) электроэнергия является в высшей степени стандартизированным про­дуктом, поставляемым множеством производителей в «общий котел» (т.е. в общие электрические сети) и мгновенно потребляемым оттуда же множеством потребителей. Поэтому с физической точки зрения невозможно определить, кто произвел электроэнергию, потребляемую тем или иным потребителем - можно лишь контролировать объемы поставки в общую сеть от каждого производите­ля и объемы потребления из нее каждым потребителем; 3) электроэнергия, получаемая потребителем из энергосистемы, является товаром первой необходимости, только в редких случаях имеющим другие то­вары-заменители (например, переход на электроснабжение от автономной ди­зельной электростанции, перевод электроотопления на газовое отопление и не­которые другие случаи). По этой причине потребители обычно крайне чувстви­тельны к перерывам в электроснабжении, а энергосистема должна обладать не­обходимым запасом надежности. Попутно отметим, что возможные принудительные отключения части потребителей в условиях дефицита электроэнергии или аварии, ведут к сниже­нию потребления, но не спроса. Иными словами, спрос на рынке электроэнер­гии не всегда равен потреблению; 4) производители выра­батывают и поставляют в общую сеть электрическую мощность точно в соот­ветствии со своими обязательствами (или заданием диспетчера), а все потреби­тели суммарно потребляют электрическую мощность точно в соответствии со своими обязательствами (или прогнозом диспет­чера). Но на практике в силу самого разного рода обстоятельств, как произво­дители, так и потребители допускают отклонения от своих обязательств. Это влечет за собой дисбаланс между поставкой и потреблением. На любом другом рынке кратковременный дисбаланс между производст­вом и потреблением товара не приводит к потере устойчивости рынка, он легко ликвидируется за счет складского запаса или товаров-заменителей. Специфика электроэнергии как товара приводит к развитию рынка электроэнергии отличного от обычных товарных рынков.

Wikimedia Commons

Пожалуй, самая старая форма современного хранения энергии, привязанного к энергосети. Принцип работы прост: имеется два резервуара для воды, один выше другого. Когда потребность в электричестве низкая, энергию можно использовать для закачки воды наверх. В пиковые часы вода устремляется вниз, вращая гидрогенератор и вырабатывая электричество. Подобные проекты разрабатывает, например, Германия в заброшенных угольных шахтах или сферических контейнерах на дне океана.

Сжатый воздух

Power South

В целом этот способ напоминает предыдущий, за исключением того, что вместо воды в резервуары нагнетается воздух. При необходимости воздух выпускается и вращает турбины. Эта технология существует в теории уже несколько десятков лет, но на практике, из-за ее высокой стоимости, есть всего лишь несколько рабочих систем и чуть больше - испытательных. Канадская компания Hydrostor разрабатывает в Онтарио и Арубе крупный адиабатический компрессор.

Расплавленная соль

SolarReserve

Солнечную энергию можно использоваться для нагревания соли до нужной температуры. Полученный пар либо немедленно перерабатывается генератором в электричество, либо хранится в течение нескольких часов в виде расплавленной соли, чтобы, например, нагревать дома вечером. Один из подобных проектов - солнечный парк имени Мохаммеда ибн Рашида Аль Мактума - в Арабских Эмиратах. А в лаборатории Alphabet X возможность использования расплавов солей в сочетании с антифризом для того, чтобы сохранить излишки энергии Солнца или ветра. Недавно в Технологическом институте Джорджии построили более эффективную систему, в которой соль заменена на жидкий металл.

Проточные батареи

Ученые ЦЕРНа: «Вселенная не должна существовать»

Окислительно-восстановительные проточные батареи состоят из огромных цистерн с электролитом, которые пропускаются через мембраны и создают электрический заряд. Обычно в качестве электролита используется ванадий, а также растворы цинка, хлора или соленая вода. Они надежны, просты в эксплуатации, у них долгий срок службы. Крупнейшую в мире проточную батарею построить в пещерах Германии.

Традиционные аккумуляторы

SDG&E

Calmac

Ночью хранящуюся в цистернах воду замораживают, а днем лед тает и охлаждает соседние дома, позволяя экономить на кондиционерах. Эта технология привлекательна для регионов с жарким климатом и прохладными ночами, например, для или Калифорнии. В мае этого года компания NRG Energy поставила 1800 промышленных ледяных батарей предприятию Southern California Edison.

Супермаховик

Beacon Power

Эта технология предназначена для накапливания кинетической энергии. Электричество запускает мотор, который запасает энергию вращения в барабане. Когда она нужна, маховик замедляется. Изобретение не получило широкого распространения, хотя оно может применяться для обеспечения бесперебойного питания.