Забор энергии и перезаряжаемые литий-ионные батареи создают захватывающий путь роста для беспроводных производственных нужд
Использование технологии сбора энергии в тандеме с перезаряжаемыми литий-ионными батареями создает захватывающую траекторию роста, которая охватывает практически любую промышленную категорию. Эти возможности динамичного роста будут еще более ускоряться с появлением Industrial Internet of Things (IIoT).
Для того чтобы потенциальные приложения считались подходящими для сбора энергии, должен существовать надежный источник возобновляемой энергии, включая солнце, вибрацию, колебания температуры и сигналы RF / EM. В то время как когда-то относились к приложениям, требующим микроамперы энергии, появление IIoT заставляет нас переосмыслить использование технологий сбора энергии в гораздо более широких масштабах, потому что практически каждая внешняя среда скоро станет благодатной почвой для развертывания удаленных беспроводных устройств.
Давайте рассмотрим один конкретный пример реальной жизни, который имеет важные последствия для многих других промышленных приложений.
Мощность гелиостатов для подачи концентрированного солнечного электричества
Ярким примером энергосбережения промышленного класса, применяемого для обеспечения экономичной энергии для питания удаленных беспроводных устройств, является солнечная тепловая электростанция Ashalim, которая строится BrightSource Energy в пустыне Негев в Израиле. Этот объект будет использовать концентрированную солнечную энергию (CSP) для обеспечения 121 МВт возобновляемой энергии - достаточно для удовлетворения ежедневных потребностей более 120 000 домашних хозяйств. Запланированный к завершению в 2017 году, электростанция «Ашалим» поможет выполнить национальную приверженность Израиля использованию возобновляемых источников энергии для обеспечения более 10% общих потребностей страны в электроэнергии к 2020 году.
На электростанции Ashalim будет установлено 50 000 солнцезащитных зеркал или гелиостатов, которые направляют концентрированный солнечный свет к солнечному приемнику / котлу, расположенному над башней. Когда концентрированный солнечный свет попадает на приемник / бойлер, он нагревает передающую жидкость, циркулирующую для получения достаточного количества перегретого пара (540 ° C) для силовых паровых турбин (см. Рис.1).
Рисунок 1: Типичный пример концентрированной солнечной энергии (CSP).
Ключевым преимуществом технологии CSP является то, что она позволяет хранить тепловую энергию, позволяя производить электроэнергию по мере необходимости в любое время суток. Для технологии CSP требуется приблизительно от 5 до 10 акров земли на мегаватт мощности, но более высокая эффективность может быть достигнута, если система генерирует 100 МВт или более.
50 000 зеркал гелиостата на электростанции Ашалим будут измерять 4 x 5, 2 м, при этом поворот и наклон каждого зеркала контролируется двухосевой системой слежения, способной размещаться на 360 °, полностью подключенной к сети, чтобы обеспечить максимальную концентрацию энергии. Каждый двигатель гелиостата будет подпитываться небольшим аккумулятором, используя шесть литий-ионных аккумуляторов промышленного класса класса AA серии TLI, которые хранят энергию, собранную с небольших фотоэлектрических панелей, прикрепленных к каждому гелиостату. Эти аккумуляторные батареи промышленного класса будут поставлять высокие импульсы (5 А для ячейки размера АА), необходимые для двухсторонней беспроводной связи и управления системой и сбора данных (SCADA), а также для включения сервомоторов, которые постоянно перемещают гелиостаты.
Проект Ashalim будет включать в себя инновационное использование технологий беспроводной связи для объединения всех 50 000 гелиостатов, что избавит от необходимости использования дорогостоящих кабелей и проводки и позволит сэкономить 85% затрат на установку, связанных с предыдущими решениями для беспроводных сетей. Этот экономичный подход будет также способствовать ускорению графика строительства, одновременно повышая долгосрочную надежность системы.
Требуются литий-ионные батареи промышленного класса
Поскольку пустыня Негев является такой экстремальной средой, потребительские литий-ионные перезаряжаемые батареи явно не подходят для этого конкретного применения. В основном предназначенные для питания сотовых телефонов и ноутбуков, потребительские литий-ионные элементы имеют существенные недостатки для промышленных приложений, включая короткую продолжительность жизни (менее пяти лет), низкий максимальный срок службы (500 полных циклов перезарядки), высокий годовой саморазряд (до 60% в год), ограниченный диапазон температур (от 0 ° C до 60 ° C) и невозможность доставки высоких импульсов.
Использование литий-ионных аккумуляторов промышленного класса имело экономический смысл для электростанции Ashalim, поскольку они могут работать до 20 лет и 5000 полных циклов перезарядки без замены батареи. Увеличенное время автономной работы сокращает общую стоимость владения, так как наличие 50 000 потребительских батарей каждые пять лет будет чрезвычайно дорогостоящим и трудоемким делом, намного превышающим любые первоначальные сбережения, достигнутые путем указания недорогого потребительского класса Li -ионные батареи.
Литий-ионные элементы промышленного класса также имеют расширенный температурный диапазон (от -40 ° C до 85 ° C) и герметичное уплотнение с точной сваркой, тогда как потребительские батареи используют обжимные уплотнения, которые могут протекать.
Сравнение литий-ионных аккумуляторов с суперконденсаторами
Существует множество причин, по которым BrightSource выбрал литий-ионные аккумуляторы промышленного класса над более массивными суперконденсаторами для электростанции Ashalim. Суперконденсаторы (также известные как ультраконденсаторы или электрические двухслойные конденсаторы) хранят энергию в электростатическом поле, а не в химическом состоянии. Суперконденсаторы обладают очень высокой емкостью, что идеально подходит для резервного копирования памяти в мобильных телефонах, ноутбуках, цифровых камерах и других потребительских устройствах. Однако для хранения большего количества энергии суперконденсаторы должны интегрировать электролит и очень тонкий изолятор, который часто изготавливается из картона или бумаги. В результате эти суперконденсаторы могут обеспечивать только низкое напряжение, поскольку требования к более высокому напряжению приведут к разрушению электролита. Другие недостатки включают в себя кратковременную мощность, характеристики линейного разряда, которые не позволяют использовать всю доступную энергию, малую мощность, очень высокий саморазряд (часто превышающий 60% в год) и необходимость балансировки ячеек, когда несколько суперконденсаторов связанных последовательно.
Как показано на рисунке 2, суперконденсаторы могут быть намного более громоздкими, чем сопоставимые литий-ионные батареи промышленного класса, поскольку три крупные упаковки суперконденсаторов, состоящие из шести ячеек D-размера каждый (или всего 18 ячеек), были заменены гораздо меньшим аккумулятором, состоящим из из шести литиево-ионных аккумуляторов серии TLI серии AA.
Рисунок 2: Маленькая упаковка из шести литий-ионных аккумуляторных батарей серии TLI серии AA может заменить три больших пакета, состоящих из шести суперконденсаторов D-размера или всего 18 ячеек.
В дополнение к уменьшению размера и веса промышленный литий-ионный аккумулятор обеспечивает другие преимущества по сравнению с эквивалентным решением суперконденсатора, в том числе:
- Более высокая практическая емкость: эквивалентная псевдо-емкость составляет 1200 F, тогда как суперконденсатор с таким же объемом имеет около 10 F максимальной емкости (3, 6 В).
- Нижний саморазряд: от 1 до 2 мкА тока саморазряда по сравнению с 20-50 мкА разрядного тока для суперконденсатора с тем же внешним объемом. Саморазряд - это нормальное падение напряжения, наблюдаемое во времени, когда ячейка не подвергается нагрузке.
- Стабильное напряжение: литий-ионные аккумуляторы доставляют достаточно постоянное напряжение при их разрядке, в то время как суперконденсаторы испытывают сильное падение напряжения при разрядке накопленной энергии.
- Более высокое число циклов: литий-ионные элементы размера AA могут заряжаться и разряжаться на 5000 циклов между 2, 8 В и 3, 9 В (80% -ная глубина разряда).
- Значительно выше напряжение на ячейке, чем суперконденсатор, способный доставлять высокие импульсы, необходимые для питания двухсторонней связи для системного управления.
Перевод в другие промышленные приложения
Использование сбора энергии в сочетании с литий-ионными батареями промышленного класса будет выходить далеко за рамки энергетики, чтобы охватить широкий спектр удаленных беспроводных сенсорных приложений, привязанных к растущему IIoT. Литий-ионные аккумуляторы промышленного класса, как правило, предпочтительнее, чем потребительские батареи для устройств, которые развертываются в очень отдаленных местах и в экстремальных условиях, и где крупномасштабные смены батареи могут оказаться весьма дорогостоящими.
SOL JACOBS, вице-президент и генеральный директор Tadiran Batteries, www.tadiranbat.com