Требования к аккумуляторам энергии

Возможность аккумулирования энергии следует предусматривать во всех случаях, когда солнечная энергосистема предназначается для обогрева или охлаждения зданий, непрерывного энергоснабжения потребителей и т. д., то есть всегда, когда изменение нагрузки не совпадает с изменением режима работы источника. В районах пустынь, где большую часть года безоблачно, достаточно было бы обеспечить накопление лишь суточного запаса энергии, поскольку погодные условия изо дня в день почти не изменяются. Такой сравнительно малой емкости аккумулятор выполняет роль источника энергии, когда (ночью) действие естественного источника прекращается. Большинство солнечных систем для обогрева зданий играет вспомогательную роль в общей системе отопления, поскольку неэкономично строить солнечную отопительную систему из расчета на самые пасмурные и холодные дни года, так как большую часть года такая энергосистема работала бы со значительной недогрузкой. Очевидно, что в таком случае необходимо выяснить соотношение между колебаниями интенсивности солнечной радиации, изменениями нагрузки, емкостью вспомогательного источника и количеством запасаемой энергии. Основой для расчета такой системы должны служить экономические соображения, и здесь мы не можем заниматься ее глубоким исследованием. Показатели подобной системы зависят от различных факторов, в том числе от местной стоимости топлива, материала, установки и затрат труда, изменения температуры окружающего воздуха и силы ветра на протяжении года. Некоторые из них, например инсоляцию для данной местности, невозможно предсказать точно, в этом случае пользуются данными ее регистрации за продолжительный период времени. При расчете системы следует исходить не столько из отдельных наибольших и наименьших зарегистрированных значений инсоляции, сколько из продолжительности периодов максимальной и минимальной инсоляции. На рис. 84 показан один из способов представления данных, полученных при регистрации интенсивности солнечной радиации для указанных целей. По горизонтальной оси здесь отложена продолжительность периодов в данном сезоне на определенной широте, в течение которых наблюдаемый уровень радиации был ниже некоторого выбранного значения.

Рис. 84. Кривые распределения периодов с низкой инсоляцией, φ = 40 °

Располагая такими данными, разработчики могут соответственно подбирать различные элементы системы: преобразователь энергии, вспомогательную установку (если такая существует) и аккумулирующез устройство. В главах 4 и 5 мы кратко рассмотрели некоторые методы аккумулирования тепловой энергии. Как мы знаем, ее, в частности, можно запасать путем увеличения внутренней энергии соответствующих веществ. Известно, что для изменения физического состояния вещества, например для его плавления, при определенной температуре необходимо затратить энергию (часто значительную). Такой метод позволяет накапливать примерно до 50 Вт*ч энергии на 1 кг вещества. Тем не менее для накопления даже довольно скромного количества энергии порядка МВт*ч требуются хранилища (для содержания материала) больших размеров. Кроме того, в такой системе происходят непрерывные потери энергии, обусловленные рассеянием тепла в окружающее пространство.

Если на выходе преобразователя мы получаем механическую энергию, то ее наиболее удобно использовать для приведения в действие насосов (аккумулирование энергии с помощью насосов), которые перекачивают воду в резервуар, расположенный на определенной высоте. При необходимости эти запасы воды можно использовать для орошения земли или вращения турбин, в последнем случае мы вновь получаем механическую работу. Некоторые из таких систем "насосного аккумулирования" уже использовались в различных странах с целью накопления избыточной энергии, в частности от ядерных реакторов. Эти реакторы, как и многие другие устройства, работают наиболее эффективно при номинальной нагрузке. При падении нагрузки, например ночью, экономично запасать энергию, чтобы затем при повышении нагрузки воспользоваться этими запасами. Водные аккумуляторы солнечной энергии оказываются очень громоздкими, поскольку вода занимает значительный объем. При подъеме 1 кг воды на высоту 1 м необходимо совершить работу по преодолению земного тяготения, которая равна примерно 10 Дж, а чтобы поднять 3600 кг воды на высоту 100 м величина такой работы составляет ≈1 кВт*ч. Эту энергию мы вновь получаем при понижении уровня воды. Конечно, подобный процесс нельзя считать полностью обратимым: накачка воды и вращение водяной турбины (в принципе и то и другое может осуществлять одна машина) нельзя отнести к разряду идеальных процессов; кроме того, следует учитывать потери на трение в трубопроводе, по которому подается вода. Тем не менее можно рассчитывать на восстановление до 60% от первоначально затраченной энергии, однако в некоторых случаях, например при достаточно длинном трубопроводе, процент восстановления оказывается значительно ниже. Подобные аккумуляторы весьма дороги и размещают их, как правило, на возвышенностях. Как и во всех аналогичных резервуарах, вода в них непрерывно испаряется. В условиях сухого климата, особенно при наличии ветра, под влиянием которого пары воды перемещаются над водной поверхностью резервуара, потери на испарение ежедневно приводят к снижению уровня воды на несколько сантиметров. Это означает, что при подъеме воды на высоту 100 т ежедневно на каждые 100 м² поверхности резервуара 1 кВт*ч работы затрачивается только на то, чтобы скомпенсировать потери на испарение. Напрашивается вопрос, экономично ли использование воды в данном случае только для аккумулирования энергии.

Метод насосного аккумулирования энергии применим также и в солнечных установках с электрическим выходом. Здесь на выходе преобразователя можно подключить электромеханическую систему двигатель - насос, которые в обратном режиме выполняют функции турбины и генератора соответственно. Несмотря на весьма высокую стоимость подобной системы, последняя вполне сопоставима с другими методами накопления электрической энергии. Наиболее целесообразно, конечно, непосредственное накопление энергии в электрохимических элементах, или аккумуляторах, в которых эта энергия затрачивается на разделение зарядов в химической системе, а при их воссоединении мы вновь ее получаем. Такие аккумуляторы имеют высокий к. п. д., но по своим размерам и стоимости они совершенно непригодны для накопления энергии в количествах, превышающих несколько кВт*ч. Так, в Англии автомобильные аккумуляторные батареи емкостью около 0,5 кВт*ч стоят около 20 долл.

Исследовался также метод накопления энергии, основанный на электролизе воды с образованием водорода и кислорода. Полученные газы можно собирать и хранить продолжительное время, запасенную в них энергию мы можем затем получить при их соединении, например в топливном элементе. В последнем случае восстанавливается до 60% энергии, затраченной при электролизе. Этот способ позволяет избежать потерь энергии в процессе ее хранения. Говоря о процессе разложения воды, мы отмечали, что для разделения одной молекулы воды на ее элементы с высвобождением одной молекулы водорода необходимо около 3 эВ энергии. Поскольку 1 кВт*ч соответствует 2,3*10²⁵эВ, то в идеальном случае такая электролитическая система должна производить около 7,5*10²⁴ молекул водорода на 1 кВт*ч затраченной энергии. При обычной температуре это количество водорода занимает объем около 0,25 м³. Следовательно, хранить водород в количествах, соответствующих нескольким МВт*ч энергии, необходимо в условиях высокого давления. При таком способе аккумулирования энергии важным фактором является стоимость компрессора и сосудов для хранения газа. Собирать кислород, полученный в процессе электролиза, вряд ли целесообразно, так как при необходимости его можно получить из воздуха.

В гл. 4 мы рассматривали устройство типа солнечного бассейна, в котором и получение и накопление энергии осуществляется с применением одной и той же жидкости. Такая система представляет интерес для крупномасштабного производства энергии, поскольку стоимость единицы получаемой таким путем энергии почти не зависит от размеров устройства. Но это устройство относится к разряду низкотемпературных систем, к. п. д. которых ограничен законами термодинамики.

Рассмотренные в книге фотобиологические системы относятся к числу таких систем, в которых процессы преобразования и накопления энергии происходят одновременно. Высушенные водоросли можно долго хранить и сжигать по мере надобности. Для получения горючего газа, который допускает длительное хранение, все органическое вещество можно подвергнуть разложению с помощью бактерий. Однако не следует думать, что здесь не требуются материальные затраты и для высушивания на солнце, и для бактериологической обработки вещества необходимы существенные капиталовложения. Наибольший интерес при исследовании фотобиологических систем представляет изучение возможностей краткосрочного хранения энергии, которые открываются в период роста растений. Уборку урожая водорослей можно производить непрерывно, в соответствии с ежедневным приростом их массы. Ежедневная скорость прироста высших растений, определяемая приростом массы их ствола, весьма незначительна. В этих случаях возникают кратковременные значительные расхождения между приростом запасов органического вещества и его потреблением, но долговременная устойчивость системы в целом при этом не нарушается.