Почему применение суперконденсаторов актуально в системах рекуперации
Библиографическая ссылка на статью:
Аверин А.И. Суперконденсаторы и их применение в блоках рекуперации энергии в производстве современных лифтов // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 6. Ч. 2 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2015/06/54602 (дата обращения: 12.07.2023).
1. Значение и экономическое обоснование суперконденсаторов
Развитие международной экономической науки и повышение качества жизни прямо пропорционально связано с увеличением потребляемой энергии. Если сопоставить эти зависимости в разрезе времени, то невооруженным взглядом можно заметить, что на единицу прироста ВВП и показателя уровни жизни приходится всё большее количество потребляемой энергии. Что в свою очередь ставит вопрос о поисках энергосберегающих технологии, разработке новых источников энергии и их разумном использовании, так как запасы энергоресурсов конечны, а их стоимость довольно высока.
Одним из способов обеспечения прироста энергоресурсов является переработка потребленной электроэнергии. В самом деле, энергоресурсы, которые могут быть получены в процессе утилизации можно рассчитать по формуле:
где Eутил — энергия, получаемая при утилизации;
Eпотр -потребляемая энергия;
Хотя научно-технический прогресс не стоит на месте, но на сегодняшний день ещё не найден надежный, а главное экономически обоснованный метод утилизации тепловой энергии, зато существует уникальная инженерная разработка для превращения кинетической энергии движущихся тел в режиме торможения. И название такого решения – суперконденсатор.
Суперконденсатор – это устройство, которое занимает промежуточное место между аккумуляторами, способными запасать высокую электрическую энергию, и диэлектрическими конденсаторами, способными отдавать высокую мощность в течение нескольких миллисекунд. Он способен в течении десятых долей секунд подхватить тормозную энергию движущегося объекта с массой от электрокарта до многотонного железнодорожного состава [2].
В следствии чего, суперконденсатор является единственным техническим решением, которое дает возможность рекуперировать энергию торможения движущегося тела и утилизировать до 25% потребленной энергии [6].
2. Отличительные особенности
Суперконденсаторы (ионисторы) представляют собой сверхвысокоемкие конденсаторы с двойным электрическим слоем. Обычный конденсатор имеет большую мощность, но довольно таки слабую способность к накоплению энергии [3]. А ионистор, отличается уникальностью характеристик, позволяющих совмещать достаточно высокую мощность и значительную энергию.
Главным его достоинством является способность в считаные доли секунд, приобретает и отдает заряд, выдерживая огромное количество циклов заряда-разряда без потери рабочих свойств [4].
Всем известные химические источники тока, например, свинцово-цинковые, заряжаются тогда, когда внутри них происходит химическая реакция. Они отдают запасенную энергию, или разряжаются, в результате химической реакции, протекающей в обратном направлении [5]. В суперконденсаторе же какие-либо химические реакции полностью отсутствуют. Накопление энергии происходит в результате концентрации электронов на поверхности электродов. Вследствие чего энергия освобождается в течение интервала времени от миллисекунд до минут, в зависимости от емкости суперконденсатора.
Огромным преимуществом суперконденсаторов по сравнению с обычными электролитическими конденсаторами является гораздо более высокие значения плотности запасаемой энергии в расчете на единицу объема. Энергия, которую может вписать конденсатор, напрямую зависит от его емкости. Если емкость, а значит, способность запасать энергию, обычного электролитического конденсатора несколько микрофарад, то суперконденсатор такого же размера обладает емкостью в несколько фарад, а емкость больших ионисторов достигает 5000 Фарад. Такие высокие показатели, получены благодаря конструкции электродов, которые, изготавливаются из пористого активированного угля, что позволяет получить поверхность электродов в десятки и сотни раз больше, чем у обычных конденсаторов [1].
— Суперконденсаторы пожаро- и взрывобезопасны;
— обладают высокой механической прочностью;
— устойчивы к кратковременным воздействиям высоких перенапряжений и токам короткого замыкания;
— отсутствие обслуживания в процессе эксплуатации, высокая надежность, большой срок службы;
— диапазон рабочих температур -45°C …+50°C.
Суперконденсаторы не содержат токсических веществ, их строение достаточно просто, эксплуатируемые материалы приемлемые по цене, используемые технологии высокопроизводительны. Это позволяет серийно производить новые суперконденсаторы по относительно не дорогой стоимости.
3. Применение суперконденсаторов
Варианты применения ионисторов поражают своими неожиданными решениями. В радио и микроэлектронике они используются как кратковременные и комбинированные источники тока: в вычислительной, звуковой и видеотехнике, мобильных телефонах, в аппаратуре проводной связи, в медицинских и бытовых электроприборах, в часах, электронных играх, в ксеноновых вспышках фотоаппаратов [7]. Широкое распространение они получили в компьютерах, где используются, в качестве источников питания для модулей памяти. Характеристики суперконденсаторов делают их незаменимыми устройствами в качестве накопителей энергии, например, в качестве источников бесперебойного питания, звеньев силовых импульсных устройств и в иных приборах, где возникает потребность быстродействующего источника энергии.
Ионисторы используются для замены батарей в многочисленных областях. Миниатюрные модели устанавливаются в мобильные телефоны, мощные суперконденсаторы применяются в автомобилях с электрическими или гибридными двигателями. Несмотря на пока еще более низкую плотность запасаемой энергии по сравнению с химическими источниками тока, преимущество их неоспоримо. Например, химические батареи имеют весьма ограниченное число циклов заряда-разряда, требуют много времени для заряда и разряда, химическая реакция, протекающая в процессе циклов заряда-заряда, идет с непостоянной скоростью и проходит с выделением тепла. Вышедшие из строя химические батареи представляют угрозу для окружающей среды. Суперконденсторы уже вытеснили или вытеснят в ближайшее время аккумуляторы, применяемые в системах запуска больших дизельных генераторов, танковых двигателей, двигателей локомотивов и даже подводных лодок.
4. Применение суперконденсаторов в лифтах
Широкое применение суперконденсаторы получили в лифтах. А конкретно в блоках рекуперации энергии. Применение блока рекуперации энергии для безредукторного привода лифта, позволяет высвобождать дополнительную энергию во время движения загруженной кабины вниз или пустой кабины вверх, а также во время торможения кабины лифта. Безредукторный привод в такие моменты работает в генераторном режиме, преобразует кинетическую энергию движения кабины в электрический ток, который запасает суперконденсатор и возвращает её обратно в сеть, для использования в других целях. Тем самым происходит экономия энергии до 20% [8].
Количество экономии энергии зависит от разных факторов, таких как: загрузка кабины, скорость, высота подъема. Энергетическая эффективность пассажирского лифта приведена на рисунке 1.
Рисунок. 1 — Энергетическая эффективность пассажирского лифта
Данный график отражает экономию энергии для лифта грузоподъёмностью 1000 кг. Красный цвет отражает энергопотребление при использовании обычной двух скоростной редукторной лебедки. Зеленым цветом выделено потребление электроэнергии безредукторным приводом с частотным преобразователем, что значительно сокращает потребление энергии. Максимальная же экономия электроэнергии достигается за счет установки блока рекуперации, в основе которого лежат суперконденсаторы, показана голубым цветом.
5.Типовая схема блока рекуперации
Блок рекуперации энергии независимо от кинематических особенностей схем построения электроустановок включает в свой состав батарею суперконденсаторов, устройство их разряда и заряда, преобразователя постоянного тока в переменный и его выпрямителя, а также системы контроля, диагностики и управления. Структура системы накопления энергии представлена на Рисунке 2.
Рисунок 2 – Структура системы накопления энергии с применением суперконденсаторов
В режиме трогания кабины лифта с места и последующего разгона в качестве резервуара для накопления электроэнергии выступает батарея суперконенсаторов. Она обеспечивает равномерное движение кабины и рекуперацию кинетической энергии движения в электрическую при её торможении.
AC-DC выпрямитель переменного тока, а также DC-AC преобразователь постоянного тока в переменный обеспечивают рабочий режим функционирования батареи суперконденсаторов среди агрегатов, работающих на переменном токе. Эти устройства обладают особенностью работы в широком диапазоне напряжений и частот используемого переменного тока.
Устройство заряда обеспечивает накопление энергии в батарее суперконденсаторов. Это происходит в момент непрерывно понижающегося напряжения источника заряда, что характерно для осуществления рекуперации энергии в режиме торможения.
В качестве устройства для оптимизации процесса отдачи электроэнергии при разряде выступает устройство разряда.
Система управления диагностики и обеспечения контроля, служит для функционирования системы накопления энергии в автоматическом режиме опираясь на оперативный анализ информации о текущих значениях параметров устройств системы аккумуляции энергии следствием создания управляющих воздействий по определенным заданным алгоритмам.
Выводы
Делая выводы можно сказать о том, что суперконденсаторы в наше время являются особо перспективным инженерным решением, которое применимо в различных отраслях науки, промышленности и техники. Благодаря совершенствованию нано технологий, в ближайшее будущее суперконденсаторы значительно увеличат объём запасаемой ими энергии при уменьшении своей стоимости, тем самым спектр их применения возрастет в разы.
Суперконденсаторы — технология, изменяющая автопром и энергетику
Производство для энергетики Евгений Герасимов 2866
Сегодня многие бизнесы переходят к концепции устойчивого развития и внедряют технологии, которые помогают достигать большей производительности при снижении издержек. Среди возможных решений — системы на основе суперконденсаторов. О пользе и эффектах технологии рассказывает Сергей Агеев, генеральный директор компании ТЭЭМП (входит в промышленный холдинг «РОТЕК») — разработчика и производителя решений в области накопителей энергии на базе суперконденсаторов.
В чем суть импульсного источника тока?
Суперконденсатор — это электрохимическое устройство, которое позволяет мгновенно отдавать большой объем энергии даже при экстремальных температурах.
Основное отличие суперконденсатора от его предшественника, конденсатора, в мощности: у последнего она намного меньше. При этом напряжение в суперконденсаторах постоянно увеличивается. Так, например, современные устройства заправляются органическим электролитом, что увеличивает напряжение в ячейке, которое в скором времени может достичь 3,2 В (стандартный показатель сейчас — 2,8–3 В), а значит, и увеличить объем хранимой энергии.
Суперконденсаторы отличаются рядом преимуществ перед другими источниками тока:
Большое количество циклов заряда-разряда: оно может превышать 1 миллион.
Высокие мощности: устройства работают там, где требуется мгновенно выдать пиковые токи без негативного влияния на источник энергии.
Широкий температурный диапазон: стандарт от -45 до +60 °C, но бывает и больше (например, суперконденсаторы ТЭЭМП работают в температурном диапазоне от -60 до +85 °C).
Зачем нужны суперконденсаторы?
Сегодня суперконденсаторы пользуются значительным спросом в мире и используются в целом ряде отраслей. Наибольшая степень внедрения приходится на транспорт и энергетику. Суперконденсаторы используются в двух целях.
Обеспечение бесперебойной работы
Суперконденсаторные системы способны дать необходимую мощность в нужный момент, например когда основные источники питания «барахлят» (посадки и провалы напряжения) или вышли из строя на короткий промежуток времени (срабатывание релейной защиты, бестоковая пауза при работе АВР и пр.). Несколько примеров:
На предприятиях. Сбои в подаче электроэнергии обходятся производителям дорого: оборудование требует перезагрузки или переподключения. Помимо временных издержек, есть еще и финансовые, к которым особенно чувствительны предприятия с непрерывным технологическим циклом. Производство моментально останавливается, а значит — все товары цикла идут в брак. С такой болевой точкой столкнулся производитель первичного алюминия и глинозема UC Rusal, который понес суммарный ущерб в размере 39 млн рублей из-за срабатывания релейной защиты и работе АВР (1–2 секунды токовой «тишины») на трех заводах.
Суперконденсатор способен спасти оборудование и от скачков напряжения. Последнее — актуальная проблема для современного оборудования, которое крайне чувствительно к перепадам электроэнергии. Несмотря на то что по ГОСТу отклонения могут колебаться до 10%, часто устройства «уходят в ошибку» уже при 5% волатильности.
В автомобилях. Любой владелец машины знает, что аккумулятор может подвести при отрицательных температурах. Рост внутреннего сопротивления просто не позволяет отдать необходимую энергию на запуск автомобиля — с этой задачей может справиться суперконденсатор, который работает при -40 и даже -50 °C. Аналогичная проблема существует и в экстремально жарких регионах и тоже решается суперконденсатором. Источник импульсного тока не боится высоких температур: более того, некоторые модели превышают стандартный диапазон +60 oC и доходят до +85 oC.
В целом, суперконденсаторы часто используются в автопроме как буфер энергии. Они страхуют аккумулятор, если вдруг последний не выдерживает большие нагрузки. Именно поэтому импульсный источник тока устанавливается в отечественных патрульных машинах с высоким энергопотреблением или мощных автомобилях, как Lamborghini.
Экономия более дорогих энергетических ресурсов
Суперконденсатор позволяет экономить энергетические ресурсы в транспортной промышленности за счет системы рекуперации. Ее суть в следующем: источник импульсного тока накапливает энергию торможения, а после использует ее для разгона. Таким образом, уменьшается расход топлива, а значит — и эмиссия парниковых газов. Экономия достигает почти 10 л топлива на 100 км.
Рекуперация энергии торможения применяется в различных видах транспорта, включая общественный. Например, Китай выпустил на улицы Шанхая гибридные автобусы, а в Хуайани ездит электрический трамвай, который утилизирует 85% энергии, вырабатываемой при торможении. Производители автомобилей для личного пользования, например Citroen и Peugeot, часто применяют импульсный источник тока для Stop-Start систем, которые глушат двигатель при полной остановке и потом быстро заводят его. В больших пробках технология позволяет экономить 8% топлива, согласно исследованию Society of Automotive Engineers.
Что ждет рынок суперконденсаторов в будущем?
Мировой рынок суперконденсаторов должен достичь $720 млн к 2025 году. Ожидается, что он будет расти в среднем на 12% ежегодно и увеличится практически на $300 млн по сравнению с 2019 годом. Зарождающийся российский рынок пока еще сравнительно небольшой и, по нашим оценкам, составляет примерно $13–14 млн, или порядка 3% от глобального. Именно поэтому ТЭЭМП нацелен на активный выход на международный рынок, в частности в июне этого года мы получили премию «Russian Business Guide. Экспортер года-2021» за поставки суперконденсаторных ячеек собственной конструкции в Южную Корею. В целом можно отметить, что рынок стран Юго-Восточной Азии — один из наиболее перспективных и быстрорастущих.
Если говорить об отраслях, то с распространением электромобилей именно автопром станет основным драйвером роста. Однако источник импульсного тока может активно применяться на предприятиях в химической, фармацевтической, пищевой и нефтегазовой промышленности.
«Зеленые» технологии: в Россию возвращается рекуперация энергии
Под понятием «рекуперация» подразумевается возвращение части материалов или энергии в технологический процесс и их повторное использование в производстве. Проще говоря, отходы, образующиеся при первичном производстве, перерабатываются и снова пускаются в дело. Например, на металлургических комбинатах повторно используются окалина, шламы, высечка, металлическая стружка и т.д. На химических предприятиях — растворители, которые восстанавливают до первоначальной формулы. С точки зрения экономики использовать переработанные материалы часто оказывается дешевле, чем покупать изначальное сырье. Помимо этого, достигается и экологический эффект — чем меньше мусора и отходов выбрасывается в окружающую среду, тем меньший ей наносится вред.
Но чаще, когда говорят про рекуперацию, подразумевают энергию. Сегодня она нередко расходуется бездумно и в немалых количествах. В связи с чем даже появился новый термин — «энергетические отходы». Это энергия, которую вырабатывают электромашины при торможении или на холостом ходу, когда электродвигатель работает как генератор в момент снятия напряжения. Производимая им энергия сегодня, как правило, выбрасывается в атмосферу через тормозные резисторы или систему охлаждения. Но, как и в случае с физическими материалами, ее можно собрать и повторно использовать с помощью систем рекуперации энергии торможения.
Новое — хорошо забытое старое
Впервые оборудование рекуперативного торможения было опробовано еще в 1932 году на первом советском электровозе ВЛ19-01. Тяговые двигатели этой машины постоянного тока на спусках и при остановках работали как генераторы. Они уже не потребляли энергию, а вырабатывали электрический ток и через установленную систему напрямую отдавали его в сеть.
Но в такой системе обязательным условием является разгоняющийся локомотив, который примет эту энергию. В противном случае всплеск энергии просто выводит из строя ближайшую подстанцию, то есть без перестройки инфраструктуры электросетей и дорогостоящей модернизации тяговых подстанций, такое решение не работает.
К сожалению, уже в 1939 году с ВЛ19-01 сняли оборудование для рекуперативного торможения. Оно не показало достаточной эффективности на равнинных участках, где электровоз планировали использовать. В серию машина пошла уже с более простой электросхемой, реализованной на системе реостатного электрического торможения (в этом случае электроэнергия, вырабатываемая тяговыми электродвигателями в режиме генератора, поглощается на самом подвижном составе в тормозных резисторах).
Однако советская инженерная мысль на этом не остановилась. С появлением мощных силовых кремниевых тиристоров, которые понижают, выпрямляют и сглаживают подаваемое напряжение, рекуперационными системами стали оснащаться электровозы уже переменного тока — ВЛ80Р. На участках с перепадами высот экономия энергии была настолько заметной, что электровоз был запущен в серийное производство и честно прослужил до 1986 года.
Однако наибольший эффект был получен советскими конструкторами при внедрении рекуперационных систем в поездах московского метрополитена. Здесь инженерам удалось «приручить» до 50% вырабатываемой электродвигателями энергии. Чтобы максимально ее использовать, движение встречных поездов было синхронизировано таким образом, чтобы прибытие одного состава совпадал с отправлением другого. Таким образом, один поезд, притормаживая, отдавал электроэнергию, а другой, на соседнем пути, в этот же момент тратил ее на разгон.
Подобные рекуперационные системы до сих пор используются в метрополитене. Но сегодня их эффективность составляет лишь 10%. Принцип рекуперации уступил все увеличивающемуся пассажиропотоку: поддерживать согласованное движение поездов стало невозможным.
Много энергии — не всегда хорошо
С появлением все большего количества рельсового электротранспорта и увеличением нагрузки на энергосистему стало понятно: отдавать энергию напрямую в сеть — не лучшее решение. Ее пики, так или иначе возникающие при возврате, приводят к выходу из строя сетевой инфраструктуры. Проблему решили с помощью мощных силовых резисторов, которые стали устанавливать на всем электротранспорте. Они отводили излишки энергии, выбрасывая их в атмосферу в виде тепла.
Скажем честно, не самая практичная идея: в этом случае огромное количество энергии просто бесполезно рассеивается. Кроме того, интенсивное выделение тепла с резисторов привело к ряду проблем — например, в метро пришлось модернизировать систему вентиляции, чтобы обеспечить достаточное охлаждение тоннелей и станций. Ничего хорошего не несут тормозные резисторы и в том случае, когда транспорт, электричка или, к примеру, трамвай, эксплуатируются «на свежем воздухе». При том количестве составов, что сегодня используются, образуются такие значительные выбросы тепла, что они оказывают негативное воздействие на климат.
Подобное решение определенно не соответствует требованиям ресурсосберегающих, безотходных и экологически безопасных «зеленых» технологий, к внедрению которых так стремится сегодня весь мир. Более того, это экономически невыгодно для всех— избыточное потребление электроэнергии бьет по карману как предприятий, так и потребителей.
А есть ли решение?
Есть. Причем пришло оно из другой сферы применения рекуперации — как раз из тех электромобилей, которые мы упоминали в начале статьи. В них рекуперационная энергия используется не сразу, а сначала собирается в накопитель и отдается «по требованию». Выработанная при торможении энергия используется для подзарядки аккумуляторов, и впоследствии идет на запуск электродвигателя или дает возможность увеличить расстояние пробега.
Системе, работающей по такому принципу, легко бы нашлось применение и на рельсовом транспорте. Например, накопленную энергию можно направить на нужды самого транспортного средства. Однако до конца XX века существовал один нюанс: еще не были разработаны такие накопители, которые были бы способны мгновенно принять импульсные токи большой мощности. Как правило, в автомобилях применяются литий-ионные аккумуляторы, а они способны принимать не более 3-5% возвратной энергии. Это даже не мало. Это капля в море, которой явно будет недостаточно для обеспечения потребностей тяжелого электропоезда, оснащенного большим количеством энергопотребляющего оборудования.
Кроме того, Li-Ion батареи:
- не любят низких температур;
- быстро деградируют — у качественного аккумулятора примерно 3000 циклов перезарядки до потери мощности, дальше замена;
- могут разрушаться при тепловом разгоне частотой и силой токов в рекуперации, став опасными для людей и окружающей среды (напомним, что электрическая энергия накапливается в аккумуляторе за счет протекания химической реакции).
Такие особенности этого накопителя полностью исключили его применение в рельсовом транспорте на тот момент.
Суперконденсаторы дали новую жизнь системам рекуперации
Глобальные изменения в системах рекуперации для рельсового транспорта стали возможны с появлением суперконденсаторов с на порядок большей удельной емкостью, чем у аккумуляторов. В отличие от батарей, они рассчитаны на более чем 1 млн циклов заряда-разряда и могут использоваться в широком температурном диапазоне эксплуатации — даже при критических минус 60 градусах. При накоплении заряда в суперконденсаторах не протекает никаких химических реакций. Они легко утилизируются, не несут вреда окружающей среды и людям.
Суперконденсаторы были разработаны в 80-х годах. К началу 2000-х эта технология стала доступна в России благодаря компании ТЭЭМП. Она не только вывела продукт на рынок, но и довела его «до ума». Новые суперконденсаторы получили пожаробезопасный электролит на основе пропиленкарбоната, став безопасными даже при нагреве или повреждении, и плоскую призматическую форму ячеек с токосъемом по всей поверхности, которая позволила отказаться от системы принудительного охлаждения.