Начало 2021 г. было ознаменовано некоторым оживлением в энергетической отрасли, связанным как с постепенным восстановлением мировой экономики, так и с ростом спроса на электроэнергию, вызванным климатическим условиями. В фокусе внимания оказались технологии, связанные с преобразованием, передачей и накоплением больших объемов электроэнергии.
Передача электроэнергии без проводов
Важнейшим событием января в индустрии высоких технологий традиционно является выставка CES (Consumer Electronics Show), проходящая в Лас-Вегасе (США). На этот раз выставка прошла в виртуальном формате, что, впрочем, не помешало рождению новых сенсаций.
В частности, много внимания на CES 2021 было уделено передаче электроэнергии без проводов. В первую очередь это, конечно, всевозможные беспроводные системы зарядки. Они и сейчас уже существуют, но просто делают ненужным подключение с помощью разъемов. Тем не менее, для беспроводной зарядки смартфона его нужно разместить в определенном месте рядом с зарядным устройством.
Следующий шаг сделала известная китайская компания Xiaomi. Она представила на выставке решение Mi Air Charge Technology, позволяющее передавать электроэнергию мощностью до 5 Вт на расстояние порядка нескольких метров. Предполагается использовать данную технологию для зарядки смартфонов и другой бытовой техники.
Принцип работы Mi Air Charge Technology основан на применении фазированных антенных решеток, которые позволяют точно сфокусировать микроволновое излучение в одной точке малых размеров. Излучатель состоит из 144 миниатюрных антенн, приемник — из 14 антенн. Зарядная станция определяет положение смартфона в пространстве и направляет на него луч мощного излучения. При этом, согласно представленному компанией видеоролику, отслеживание положения приемника излучения возможно даже в движении. Точные данные о максимальном расстоянии, на котором возможна зарядка, а также о рабочей частоте не сообщаются.
Большой интерес на Западе вызвала технология, представленная на CES 2021 российским стартапом Resonance. Беспроводным способом в реальном масштабе времени питался целый 40-дюймовый ЖК-телевизор! Конечно, расстояние не впечатляет — всего 50 см, но это же только начало. Важно другое. Для передачи применяется усовершенствованный принцип магнитного резонанса, что позволяет применять безопасные для человека частоты в диапазоне 20-120 кГц. Продемонстрированный образец системы обеспечивает передачу энергии мощностью до 120 Вт, КПД составляет 90 %.
Впрочем, разрабатывалась эта технология не только и не столько для создания полностью беспроводного телевизора. На ее основе предполагается создать беспроводные зарядные станции для электромобилей, передающие электроэнергию на расстояние до 1 метра. То есть, если сейчас для беспроводной зарядки аккумулятора электромобиля нужно въезжать на специальную площадку, то в будущем достаточно будет лишь припарковаться поблизости. Опытный образец беспроводной зарядной станции для электромобиля работает на частоте 85 кГц, передает энергию на 30 см, мощность достигает 11 кВт. В принципе, системы, передающие энергию на расстояние 30 см, уже выпускаются за рубежом, но есть один нюанс — они стоят дорого (порядка $10000) и поэтому их применение выгодно только на публичных зарядных станциях. А российская разработка уже сейчас при серийном производстве может стоить примерно $1000, поэтому ее можно будет купить для личного пользования.
Сухие трансформаторы добрались до Лимпопо
До недавнего времени сухие трансформаторы считались все же больше «дорогой игрушкой» для стран «золотого миллиарда», где помешаны на экологии (в сухих трансформаторах нет масла, вредного для окружающей среды). Никто и не предполагал применять данный тип трансформаторов в Африке. Во-первых, у них бывают проблемы с охлаждением, а в Африке, как известно, жарко. Во-вторых, для многих мест в Африке характерна высокая влажность, на нее определенные типы сухих трансформаторов плохо реагируют.
Но технологии развиваются, и, с другой стороны, все большее внимание уделяется добыче полезных ископаемых на африканском континенте, в том числе для производства аккумуляторов. А ведь именно для питания шахт по добыче ископаемых сухие трансформаторы могут принести реальную экономическую выгоду благодаря высокой надежности и возможности размещения в закрытых помещениях.
Впервые о возможности использования сухих трансформаторов в Африке заговорили еще летом 2020 г. А в январе 2021 г. международная компания Trafo Power Solutions реализовала на континенте два проекта по организации электропитания промышленных объектов через сухие трансформаторы на строительстве станции сжижения природного газа в северной части Мозамбика, а также на шахте в знаменитой провинции ЮАР, именуемой Лимпопо.
В Мозамбике в городке строителей было установлено в общей сложности 18 сухих трансформаторов литого типа мощностью от 500 до 1250 кВА, произведенных совместно с итальянской компанией TMC Transformers. А потом, по мере строительства самого завода по сжижению газа, для его питания будут поставлены еще 20 сухих трансформаторов. Используемые трансформаторы выдерживают нагрев до 180 ºC, в то же время реально они нагреваются на объекте до температуры не более 120 °С. Конструкция трансформаторов позволяет работать им в условиях тропического климата — они выдерживают относительную влажность до 95 %.
Важное преимущество сухих трансформаторов для африканского континента — оборудование данного типа практически не требуют обслуживания. Это важно как с точки зрения транспортных проблем на континенте, так и с точки зрения нехватки квалифицированных кадров. После успешной реализации проектов Trafo Power Solutions к региону присматриваются и другие игроки рынка сухих трансформаторов.
Скрещивание суперконденсаторов и аккумуляторов
Суперконденсаторы отличаются от обычных конденсаторов намного большей емкостью, но принцип хранения электроэнергии у них тот же. Благодаря накоплению электрической энергии без преобразования в химическую суперконденсаторы могут заряжаться практически мгновенно и имеют неограниченное количество циклов заряда-разряда. В то же время, по плотности хранения энергии на единицу массы накопителя суперконденсаторы уступают даже никель-кадмиевым аккумуляторам, не говоря уж о литий-ионных.
Ученые из Университета Квинстауна (Австралия) решили проблему созданием так называемых гибридных суперконденсаторов, принцип работы которых вобрал элементы как от конденсаторов, так и от аккумуляторов. На самом деле такие устройства были изобретены более трех лет тому назад (приоритет принадлежит бельгийскому ученому Eric Verhulst), но именно австралийским ученым удалось их довести до ума. В результате получился продукт, который может уже сейчас применяться в электромобилях. По плотности хранения энергии такие накопители сопоставимы с никель-кадмиевыми аккумуляторами.
При зарядке гибридных суперконденсаторов в них не только накапливается электрический заряд, но и происходят изменения в составе электролита. Ионы с одного из электродов переходят в электролит, тем не менее, как показали испытания, данный процесс полностью обратим. Таким образом у гибридных суперконденсаторов количество циклов заряда-разряда практически неограничено, а скорость зарядки меньше, чем у традиционных суперконденсаторов. Но гибридный суперконденсатор все равно заряжается в 5 раз быстрее лучших по данному параметру моделей литий-ионных аккумуляторов.
Легковой электромобиль с гибридными суперконденсаторами может проехать от одной зарядки около 250 км. Для средней полосы России это расстояние до ближайшего крупного города. Полная зарядка займет всего 5-10 минут, т. е. практически столько же, как заправка бензином обычного автомобиля.
С другой стороны к интеграции литиевых источников питания и суперконденсаторов подошла американская компания Xidas. Она выпустила батарею RHB-1530, в корпусе которой установлены суперконденсатор и литиевый элемент. Предназначено устройство для питания датчиков «Интернета вещей». Большую часть времени такие датчики почти не потребляют энергию, а когда передают данные, наоборот потребляют очень много.
На пиках энергопотребления подключается суперконденсатор, в результате нагрузка на литиевый элемент выравнивается. Благодаря этому обстоятельству расширен температурный диапазон (у обычных литиевых элементов на морозе падает пиковая мощность), а срок службы достигает 10 лет. В условиях нашей страны особенно актуально, что батарея RHB-1530 позволит расширить применение «Интернета вещей» в электроэнергетике, сняв ограничения по температурному диапазону для датчиков.
Автор: Алексей Васильев. Фотоматериалы взяты из открытых источников