bari_x_andrew (bari_x_andrew) wrote,
bari_x_andrew
bari_x_andrew

Category:

Электро Гидро Аккумулятор - ЭГА

Одна из главных проблем при использовании ВИЭ (в частности и АэроГЭС) является их метеозависимость, которая приводит к необходимости значительных дополнительных затрат в различные устройства для аккумулирования выработанной энергии. Одним из основных способов на сегодняшний день является использование ГАЭС, где в насосном режиме происходит закачка воды в верхний бьеф за счет избытка энергии в сети, а в турбинном режиме, наоборот, выдача энергии в сеть за счет слива воды в нижний бьеф аналогично любой ГЭС. При этом фактически используется сравнительно слабое гравитационное поле Земли (сила тяготения), что приводит к значительным капитальным затратам при строительстве, большим объемам прокачки и зависимости в локализации такой ГАЭС от возможности рельефа.

Анализ этой проблемы привел к идее создания ГАЭС на основе использования более сильного потенциального поля, а именно на основе электростатического поля, что позволяет сделать такую Электро ГАЭС значительно компактнее и, возможно, дешевле.


Схема одного из возможных вариантов компановки такого Электро Гидро Аккумулятора (ЭГА) показана на рисунке (соответствует как плоской, так и цилиндрической системе). В качестве нижнего бьефа тут используется емкость 1, в которой, например, находится раствор обычной поваренной соли NaCl. Как известно, такой раствор состоит из катионов Na+ и анионов Cl-, окруженных дипольными молекулами воды H2O. Если создать индуцирующее электростатическое поле, например, подав отрицательное напряжение на контакт 2 и положительное — на контакт 3, то в растворе произойдет частичное смещение зарядов и возникнет Двойной Электрический Слой (ДЭС), что связано с попыткой ионов скомпенсировать воздействие этого внешнего поля. (Подробнее это можно посмотреть в данной презентации.) То есть вблизи электрода 2 возникнет так называемый слой Гельмгольца, в котором будут преобладать гидратированные катионы Na+. Этот слой может быть условно локализован с помощью проницаемой сетчатой мембраны 4 так, что значительная его часть может быть откачена в насосном режиме реверсивной гидравлической машиной 5 и перекачена в емкость 6, играющую роль верхнего бьефа такой Электро ГАЭС. Так как катионы Na+ плотно окружены дипольными молекулами воды, частично компенсирующими их электростатическое поле (см. дебаевский радиус экранирования), то вместе с молекулами воды и катионами Na+ в емкость 6 будет частично перенесен и соответствующий положительный заряд. Это создаст за счет работы гидравлической машины 5 запас потенциальной энергии между анионами Cl- в «нижнем бьефе» 1 и катионами Na+ в «верхнем бьефе» 6. В реальности мы получаем как бы ионный конденсатор, только заряженный несколько необычным способом. То, какой потенциал мы можем при этом создать, определяется свойствами изолятора 7, которые определяют емкость этого конденсатора и допустимое напряжение на нем. Важно также и то, что такой ЭГА может отдавать энергию двумя способами: как сравнительно медленно и обратимо (подобно ГАЭС, используя гидравлическую машину 5 в моторном режиме), так и очень быстро и необратимо (подобно конденсатору, используя разряд через электроды 8 и 9).

Легко показать, что теоретически каждый литр воды может растворить до 316 граммов поваренной соли, что может дать огромный суммарный заряд ионов ~ 500000 Кл. Но использовать мы можем только ничтожную часть этого заряда, так как реальные емкости нашего конденсатора слишком малы и напряжение на нем быстро достигнет пробойного.

Энергия такого ЭГА соответствует энергии соответствующего конденсатора

W = 1/2 qU = 1/2 CU2, где C - емкость соответствующего типа конденсатора.


Если ограничением для нас является напряженность поля пробоя Eпр, то легко показать, что максимальная плотность энергии такого конденсатора достигается при максимальном произведении статической диэлектрической проницаемости и Eпр2 для материала изолятора 7.



Изолятор

Диэлектрической проницаемость

Напряженность поля пробоя, МВ/м

Плотность энергии, МДж/л
Дистиллированная вода, 20 °C 81 65-70 0.001756
Слюда 7.5 118 0.000462
Плавленный кварц 3.5-4.5 470-670 0.008939
Алмаз 5.5-10 2000 0.177000
ГАЭС, напор 100 м 0.000978

Много это или мало? Сравните с плотностью энергии других аккумуляторов. Например, даже используя кварц, мы получаем плотность энергии на 2.5 порядка меньше, чем в литий-ионном аккумуляторе, но при этом удельная стоимость может оказаться вполне сравнимой для того же запаса энергии. Сравним, например, с Tesla PowerWall 7 кВтч за $3000. Это соответствует 25.2 МДж, т.е. при использовании кварца ~ 3 м3 такой установки. Кажется, что вполне приемлемо...

А тем более, если мы сравним с ГАЭС. Даже используя дистиллированную воду такой ЭГА может заменить ГАЭС с плотиной высотой 175 м или соответственно уменьшить расход. Используя кварц, мы условно заменяем ГАЭС с напором почти 900 м.

PS: Важно дополнительно сказать, что аналогичные результаты были бы получены и для простых конденсаторов, безо всей этой гидравлики... :)
Tags: АэроГЭС, ЭГА
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments