Судовые перспективные статические источники электроэнергии - Морские вести России

Судовые перспективные статические источники электроэнергии

30.08.2022

Судостроение

Судовые перспективные статические источники электроэнергии

Илл.: «РУСЭЛПРОМ»

Традиционно основным источником электроэнергии на современных судах являются генераторные агрегаты, среди которых наибольшее применение нашли дизель-генераторы (ДГ). В последние годы на зарубежных и отечественных судах стали применять статические источники и накопители электроэнергии (СИЭ).

Андрей Григорьев, к.т.н., профессор кафедры, генеральный директор АО «НПЦ «Электродвижение судов»

Относительно низкие технико-эксплуатаци-онные характеристики традиционных АБ, такие как удельная емкость, ток заряда-разряда, а также небольшое количество циклов заряда-разряда, ограничивали область их применения. Наибольшее распространение АБ нашли для аварийного электроснабжения судна и электростартерного запуска тепловых двигателей.

Повышение экологических норм и рост цен на топливо обуславливают необходимость и целесообразность поиска для судов и морских объектов новых видов источников электроэнергии, которые можно использовать в качестве основных, в том числе для питания судовой системы электродвижения (СЭД).

Развитие силовой электроники и появление электротехнических материалов с высокими удельными характеристиками в последние годы позволили создать СИЭ нового поколения, которые получают распространение как на наземных объектах, так и на морских судах, в том числе с электродвижением.

К СИЭ нового поколения можно отнести: АБ на новой элементной базе, суперконденсаторы (СК), солнечные батареи (СБ), топливные элементы (ТЭ).

СИЭ можно разделить на две группы – генерирующие и накопительные (рис. 1).

Рис. 1. Классификация статических источников электроэнергии

К генерирующим СИЭ относятся источники, которые вырабатывают электрическую энергию из других видов энергий. Генерирующие источники способны непрерывно работать в генераторном режиме. К таким СИЭ относят топливные элементы и солнечные батареи. К накопительным СИЭ относятся источники, способные накапливать электрическую энергию, поглощая ее от источников других видов, с последующей отдачей. К таким СИЭ относят аккумуляторные батареи и суперконденсаторы.

Наиболее перспективными для применения на судах являются АБ на новой элементной базе и СК. Среди АБ на новой элементной базе следует отметить литийионные (Li-Ion) батареи. Данные батареи имеют наибольшую удельную запасаемую энергию на единицу массы. Данный тип аккумуляторов позволяет создавать источники электроэнергии с наименьшей массой при равной емкости. Серебряно-цинковые АБ (Ag-Zn) имеют наибольшую плотность запасаемой энергии на единицу объема, что позволяет создавать источники энергии с наименьшим занимаемым объемом при равной емкости. Сравнительные технические характеристики литийионных и серебряно-цинковых АБ по эксплуатационным показателям приведены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнительные характеристики литийионных и серебряно-цинковых аккумуляторов по эксплуатационным показателям

Показатель

Тип АБ

Li-Ion

Ag-Zn

Ресурс по циклу заряд/разряд

1000-7000

100-300

Срок службы, лет

5-20

3-5

Ток заряда, в долях от номинального

0,7-1

0,05-0,1

Время полного заряда, ч.

1-2

10-20

Ток разряда, в долях от номинального

До 50

До 50

Саморазряд, %, за месяц

1-2

5-15

Для применения на судах наиболее перспективным типом АБ являются батареи литийионного типа (Li-Ion), выпускаемые в виде отдельных элементов. Для достижения требуемого значения напряжения и электрической емкости напряжения и электрической емкости аккумуляторные группы собирают последовательно-параллельно.

Суперконденсатор представляет элемент с двумя электродами, между которыми располагается электролит. СК отличаются от АБ существенно более высокими скоростями заряда и разряда и большим сроком службы. СК способны поглощать и выделять большое количество электроэнергии за короткий промежуток времени, поэтому их целесообразно использовать в буферном режиме. Диапазон рабочих температур СК существенно шире, чем аналогичный показатель у АБ.

СК, в отличие от АБ, практически не применяются в качестве основного источника электроэнергии на судне в связи с тем, что они имеют значительно худшие показатели по удельной запасаемой энергии и плотности запасаемой энергии. Для увеличения мощности суперконденсаторные элементы объединяют в модули, модули — в системы.

На принципе преобразования энергии солнечного света в электрическую энергию построен другой тип СИЭ нового поколения – солнечные батареи (СБ). СБ выпускаются в виде отдельных солнечных элементов, соединенных в солнечные модули. Особенностью генерирующих СИЭ является то, что они вырабатывают электрическую энергию непосредственно из химической или световой.

К настоящему времени разработано большое число различных топливных элементов, которые можно классифицировать по различным признакам: по реагентам и способам их использования, ионным проводникам (электролитам), катализаторам и температурам эксплуатации.

В настоящее время наиболее активно развиваются следующие типы ТЭ:

– с протонообменной мембраной – твердополимерные;

– твердооксидные;

– на основе расплавов карбонатов.

ТЭ отличаются от АБ тем, что для выработки электроэнергии в них требуется постоянная подача топлива и окислителя для поддержания химической реакции. ТЭ имеют следующие преимущества по сравнению с вращающимися тепловыми двигателями: низкий уровень шума; отсутствие вредных выбросов; отсутствие подвижных частей; простота технического обслуживания.

Количество вырабатываемой электроэнергии определяется только имеющимися запасами топлива и окислителя и может значительно превышать аналогичный параметр у АБ. Техническое обслуживание топливных элементов является относительно простым и не требует больших затрат.

Традиционный судовой генераторный агрегат (ГА) состоит из приводного теплового двигателя и электрический машины, работающей в генераторном режиме. Генератор вращается с постоянной частотой вращения, в результате чего вырабатывает электроэнергию с номинальным значением частоты электрического тока. Напряжение поддерживается постоянным с помощью системы возбуждения генератора, изменяющей величину тока в обмотке возбуждения. Функциональная схема традиционного ГА представлена на рис. 2а.

Рис. 2. Функциональные схемы судовых источников электроэнергии:
а – генераторный агрегат; б – вентильный СИЭ

Для преобразования и стабилизации выходных параметров СИЭ применяется полупроводниковый преобразователь (инвертор, преобразователь постоянно-постоянного тока), который преобразует электроэнергию постоянного тока в электроэнергию переменного или постоянного тока со стабилизированными (номинальными) параметрами.

В совокупности СИЭ и полупроводниковый преобразователь составляют вентильный статический источник электроэнергии (ВСИЭ). Функциональная схема ВСИЭ представлена на рис. 2б.

В случае применения СИЭ, способного запасать электроэнергию, полупроводниковый преобразователь выполняется обратимым, способным осуществить заряд аккумуляторной батареи или конденсатора.

АБ на новой элементной базе и суперконденсаторы могут использоваться в двух режимах эксплуатации:

– буферном, в котором статический источник работает параллельно с основными, поглощая избыток электроэнергии или восполняя недостаток электроэнергии в судовой сети;

– автономном, в котором статический источник функционирует в качестве основного и единственного источника для питания общесудовых приемников и СЭД.

Применение СИЭ в буферном режиме позволяет существенно снизить расход топлива в динамических режимах эксплуатации СЭД, например на ледоколах и судах ледового плавания при ходе во льдах или на волнении.

Солнечные батареи и ТЭ могут работать только в режиме генерирования электрической энергии. АБ, ТЭ и СБ имеют ограниченные максимальные токи нагрузки. Для обеспечения пусковых токов электродвигателей, запускаемых прямым пуском, могут применяться СК.

В буферном режиме работают только АБ и СК. При работе АБ и СК в буферном режиме может происходить как заряд, так и разряд. В буферном режиме при разряде СИЭ характерна кратковременная работа – компенсация мощности на момент резкого изменения нагрузки, например при работе подъемно-транспортных машин, палубных механизмов и т.д. Заряд СИЭ может осуществляться кратковременно большим током, что характерно для СК, или продолжительно ограниченным током (характерно для АБ). Для СК такой буферный режим работы в большинстве случаев является основным.

В режиме параллельной работы с генераторными агрегатами могут эксплуатироваться все типы СИЭ. Вопросы синхронизации и распределения нагрузки решаются с помощью полупроводниковых преобразователей и систем автоматического управления. Распределение нагрузки между параллельно работающими СИЭ разных типов может происходить непропорционально их мощности и будет зависеть от номинальной емкости источника. В настоящее время ТЭ и СК работают в основном в параллельном режиме с судовыми генераторными агрегатами или с другими типами СИЭ.

АБ имеют ограниченные токи заряда и разряда. Величина тока заряда зависит от типа АБ. При нормальном режиме заряда для АБ характерны ограниченные токи заряда (0,2…0,5 С). Заряд АБ током выше номинального (1С) считается ускоренным. В режиме ускоренного заряда АБ необходимо соблюдать температурные режимы. Ускоренный заряд АБ может негативно влиять на ее срок службы.

СК обладают одинаково высокой эффективностью при заряде и разряде и практически не имеют ограничений по токам разряда/заряда. Скорость заряда СК зависит от ограничительной способности по пропускаемому току полупроводникового преобразователя, совместно с которым СК используется.

Выводы

1. На современных судах в качестве основных и вспомогательных источников электроэнергии целесообразно применять статические источники электроэнергии нового поколения, к которым следует отнести аккумуляторные батареи на новой элементной базе, суперконденсаторы, топливные элементы и солнечные батареи.

2. Статические источники электрической энергии можно разделить на генерирующие и накопительные. Основной особенностью накопительных статических источников электроэнергии является способность преобразования, накопления и хранения электрической энергии. Генерирующие статические источники электрической энергии осуществляют непрерывное генерирование электрической энергии и не способны ее накапливать и хранить.

3. Для получения номинальных параметров электроэнергии в судовой сети при питании от статических источников необходимо применять полупроводниковые преобразователи. Совокупность оборудования, включающая статический источник электроэнергии и полупроводниковый преобразователь, образует вентильный статический источник электроэнергии.

4. Эксплуатация статических источников электроэнергии в зависимости от их типа возможна в автономном и буферном режиме, режиме параллельной работы с судовыми генераторными агрегатами, береговой сетью или другими статическими источниками. При этом в буферном режиме могут работать только накопительные источники электроэнергии (аккумуляторные батареи и суперконденсаторы). В автономном режиме и режиме параллельной работы могут эксплуатироваться все типы статических источников электроэнергии.

Морской флот №3 (2022)

ПАО СКФ
РОСКОНТРАКТ
Газпромбанк
6MX
Вакансии в издательстве
Журнал Транспортное дело России
>25 лет журналу Морские порты