1.1. Емкостные накопители

Емкостные накопители энергии (ЕНЭ) относятся к разряду наиболее мощных энергоисточников. Они надежны в работе, обладают высокой эффективностью передачи накопленной энергии в нагрузку, допускают возможность изменения в широких пределах параметров импульса. Для зарядки ЕНЭ могут быть использованы маломощные зарядные устройства. Вследствие малой удельной энергоемкости (наиболее распространенные конденсаторы имеют удельные параметры всего ~0,1 Дж/г, ~0,3 Дж/см3) создание ЕНЭ с запасаемой энергией более 10 МДж затруднительно. Увеличение удельной энергоемкости возможно за счет применения более совершенных компонентов при изготовлении конденсаторов, совершенствования технологии их сборки, уменьшения ресурса (числа пусков), работы конденсаторов в апериодическом режиме разряда.

О достижениях в области конденсаторостроения можно судить по рекламным проспектам мирового лидера - фирмы "Maxwell Laboratories, Inc". Фирма рекламирует два типа бесфольговых коммерческих конденсаторов - СМ и СН. Плотность энергии в указанных типах конденсаторов обеспечена благодаря применению пер-
спективных металлизированных диэлектриков. Известно, что в Японии при аналогичных разработках используется пластмассовый диэлектрик на основе фтористых соединений поливинилидена.
Особенностью данных типов конденсаторов является малоиндуктивная изолирующая вставка в металличес-ком корпусе конденсатора, обеспечивающая низкий внутренний импеданс. Отличие конденсаторов серии СМ от широко распространенных фольговых с бумажно-масляной изоляцией (0,1 Дж/г) заключается в лучших массогабаритных характеристиках (1,5 Дж/г), большей долговечности и надежности, а также медленной деградации эксплуатационных характеристик после гарантированного срока наработки на отказ, что позволяет исключить незапланированные аварии. Конденсаторы этой серии отличаются низкой стоимостью. Гарантируется безотказная работа в течение гарантированного срока эксплуатации.

Номинальное напряжение конденсаторов серии CM - 25 кВ; максимальная энергоемкость стандартной банки - 50 кДж (имеются возможности повышения энергоемкости), время разряда — более 0,5 мс, амплитудные значения пиковых токов — до 50 кА. Основные параметры и особенности работы конденсаторов этой серии приведены в таблице:

Основные параметры работы импульсных конденсаторов серии СМ и СH

В отличие от конденсаторов серии СМ конденсаторы класса СН имеют большие пиковые значения амплитуд токов и более глубокую степень разрядки конденсатора; их конструктивное исполнение является более надежным при работе в неблагоприятных по влажности и пыли условиях. Эта серия имеет существенно более высокие характеристики по частоте следования циклов заряд-разряд. Номинальное напряжение зарядки конденсаторов серии СН - 50 кВ; время разрядки - более 100 мкс, амплитудные значения пиковых токов достигают 100 кА.

Вышеизложенное относится к серийно выпускаемым конденсаторам универсального назначения. Специальные разработки фирмы "Maxwell" имеют существенно большие удельные характеристики. Например, в 1990 г. фирма создала конденсаторы с плотностью энергии ~2,8 Дж/г и 5,6 Дж/см3. При этом показательна динамика роста удельных характеристик конденсаторов этой фирмы: 1974 г. - 0,05 Дж/г и 0,08 Дж/см3; 1988 г. - 0,6 Дж/см3, через два года плотность энергии выросла еще на порядок. Ставится задача создания конденсаторов с плотностью энергии 25 Дж/г и 50 Дж/см3.
Удельные параметры полной системы ЕНЭ примерно втрое хуже, чем удельные параметры отдельных конденсаторов. Например, мобильный модуль фирмы FMC с энергозапасом ~11 МДж (22 банки энергоем-костью 550 кДж каждая), смонтированный на шасси грузового трейлера в 1988 г., имел объемную плотность энергии около 0,25 Дж/см3. Разработчики импульсных конденсаторных батарей предполагают уменьшить массогабаритные показатели за счет создания интегрированных систем и использования компактных источников запитки.

ЕНЭ пригодны для работы в режиме генерирования периодических импульсов, однако при повышении частоты следования импульсов параметры ухудшаются вследствие снижения допустимых удельных параметров конденсаторов и наличия в составе системы все более мощного источника зарядки ЕНЭ.
В области длительностей импульсов тока от 10-6 до 10-3 с конкурентами ЕНЭ могут быть взрывные МГД-преобразователи: взрывомагнитный генератор (ВМГ) и взрывной МГД-генератор (МГДВГ). Времена разряда менее 10-6 с реализуются в ЕНЭ на основе длинных линий (ДЛ).
Еще большие мощности уровня от 10^12 до 10^14 Вт могут быть получены при запитке от высоковольтных ЕНЭ длинных формирующих линий (ДЛ) с целью обострения импульса до длительностей порядка 100 нс. Такие устройства реализованы на установках Ангара (4 МА, 2 MB) и PBFA (10^14 Вт).

1.2. Молекулярные накопители энергии

Молекулярные накопители энергии (МНЭ) представляют собой конденсаторы с двойным электрическим слоем. Они отличаются от обычных импульсных конденсаторов тем, что для пространственного разделения разноименных зарядов, создающих рабочее электрическое поле, используются не макроскопический диэлектрический слой между проводящими обкладками, а микроскопический поляризованный слой на границе поверхности раздела двух сред. Исследованиями установлено, что максимальная плотность энер-
гии в пределах 10^2-10^3 Дж/см3 при минимальной утечке тока от 10-3 до 10-5 А/Ф может быть достигнута, если осуществляется контакт полупроводника или металла с диэлектрической (электронно-изолирующей) молекулярной жидкостью, содержащей парные подвижные ионы.

К настоящему времени исследованы системы МНЭ с удельной энергией до 10-25 Дж/г и 40-50 Дж/см3, что примерно в 100 раз превышает удельную энергию известных конденсаторов. В технологически освоенных образцах накопителей энергии, испытанных в различных режимах разряда с длительностью импульса до 0,1-100 с, достигнуты значения удельной энергии 1-10 Дж/г и 2-15 Дж/см3. Удельная средняя мощность МНЭ составляет в зависимости от длительности разряда величину 0,1-10 кВт/кг, что существенно превышает удельную мощность традиционных накопителей энергии (в том числе и аккумуляторов). Количество допустимых циклов "разряд-заряд" для МНЭ различных типов составляет от 10^4 до 10^5. Однако возможность использования данных накопителей значительно ограничена тем, что для них минимальная длительность разряда характеризуется миллисекундными временами, а генерируемые токи - единицами килоампер.

1.3. Индуктивные накопители

Индуктивные накопители энергии (ИНЭ) характеризуются высокими выходными параметрами электрическогй импульса (более 10^5 В, 10^11 Вт), а также высокими удельными и экономическими показателями. Освоен уровень накапливаемых энергий ~10^8 Дж. Ближайшей перспективой является практическая реализация параметров ~10^9 Дж и ~10^12 Вт. Широкое практическое использование ИНЭ ограничивается надеж-ностью коммутирующей аппаратуры многоразового действия с уровнем разрывной мощности 10^11-10^12 Вт.

Для накачки энергии в ИНЭ используются источники тока с большой электрической мощностью, чтобы уменьшить время зарядки до единиц секунд. В противном случае джоулевы потери энергии при запитке ИНЭ могут оказаться сравнимыми с запасаемой в накопителе энергией. Для запитки ИНЭ могут быть использова-ны электромашинные накопители (ударные униполярные и синхронные генераторы), МГД-генераторы кратковременного действия (МГДКД, ЖМГДГ), химические источники тока. Уровень мощности источников накачки должен быть согласован со временем сохранения энергии в накопителе. По времени сохранения различают резистивные (~1-10 с), криорезистивные с охлаждением до температур жидкого азота (~10-100 с) и сверхпроводящие накопители с охлаждением до температур жидкого гелия.

При температуре жидкого азота (77 К) активное сопротивление электротехнического алюминия уменьшается примерно в пять раз, что снижает требуемую мощность источника запитки ИНЭ такого типа. При температу-ре жидкого неона (20 К) сверхчистый алюминий (0,9999) теряет сопротивление на три порядка, что прибли-зило бы его по параметрам запитки к сверхпроводящим ИНЭ. Однако в режимах генерации серий импульсов эти системы с криоохлаждением теряют свои преимущества из-за медленного (минуты) возврата
температуры проводника к исходному состоянию после нагрева предыдущим импульсом. Самый крупный индуктивный накопитель ТИН-900 создан в России для токомака. Запас энергии - 900 МДж с током 1,8 МА при времени разряда 0,5 с.

1.4. Сверхпроводящие индуктивные накопители

Сверхпроводящие индуктивные накопители энергии (СПИНЭ) имеют широкие перспективы использования, обусловленные возможностью длительного хранения энергии в форме магнитной энергии, что позволяет создавать системы с высоким уровнем времени готовности (время от подачи команды до выдачи энергии в нагрузку ~1 мс). Важной в практическом отношении особенностью СПИНЭ является возможность его запитки от источника с малой электрической мощностью.

Применение СПИНЭ в качестве импульсных энергоисточников ограничивается критичностью сверхпровод-ников к скорости изменения магнитного поля при накачке и выводе энергии в нагрузку. Особенностью типичных СПИНЭ является сравнительно малое значение рабочего тока (~10 кА). Методы электромашинного и электромеханического управления индуктивностью ИНЭ позволяют увеличить значения полного тока в нагрузке, однако другое ограничение (скорость изменения поля не превышает 20 Тл/с) увеличивает время разрядки до десятков миллисекунд.

Новые технические возможности в создании СПИНЭ могут быть связаны с разработкой высокотемпературных сверхпроводников. Высокотемпературные сверхпроводящие материалы характеризуются сравнительно высокими значениями критических полей (~100 Тл) и все еще высокими температурами сверхпроводящих состояний.

Oсновное развитие импульсных источников данного класса предполагается в направлении роста запасаемой электрической энергии без заметного увеличения выходной мощности. Для импульсных накопителей энергии
характерен широкий диапазон изменения выходных токов и напряжений электрических импульсов: токи в интервале 10^3—10^7 А, напряжения в интервале десятки вольт — единицы мегавольт, и соответственно, мощности до 10^12 Вт, энергии до 10^9 Дж. Удельные энергетические характеристики достаточно высоки и могут достигать значений 10^2 Дж/г.
Hаибольший прогресс можно ожидать в области развития емкостных и индуктивных накопителей энергии, но с учетом эксплуатационных преимуществ ЕНЭ можно предположить сохранение их доминирующего положения при использовании для самого широкого круга применений.

Импульсные МГД-генераторы