Какви са устройствата за съхранение на енергия?

Природата е дала на човека различни източници на енергия - слънцето, вятъра, реките и други. Недостатъкът на тези генератори на свободна енергия е липсата на стабилност. Поради това, по време на периоди на свръхенергия, той се съхранява в резервоари за съхранение и се консумира в периоди на временен упадък. Енергийните акумулатори характеризират следните параметри:

• количеството съхранявана енергия;
• скоростта на натрупването и отдръпването му;
• специфично тегло;
• условия за съхранение на енергия;
• надеждност;
• разходи за производство и сервиз и др.

Има много начини да организирате устройствата. Една от най-удобните е класификацията според вида на използваната енергия в устройството за съхранение и начина, по който се натрупва и рециклира. Енергийните акумулатори са разделени на следните основни типове:

• механично;
• термичен;
• електрически;
• химикал.

Натрупване на потенциална енергия

Същността на тези устройства е безпроблемна. При повдигане на товара има натрупване на потенциална енергия, когато спускането му изпълнява полезна работа. Дизайнът зависи от вида на товара. Тя може да бъде твърда, течна или хлабава материя. По принцип проектите на устройства от този тип са изключително прости, следователно висока надеждност и дълъг експлоатационен живот. Времето за съхранение на съхраняваната енергия зависи от продължителността на живота на материалите и може да достигне хилядолетия. За съжаление такива устройства имат ниска специфична енергийна интензивност.

Механично съхранение на кинетичната енергия

В тези устройства енергията се съхранява в движението на тялото. Обикновено това е осцилаторно или транслационно движение.

Кинетична енергия в осцилаторните системи е съсредоточена в буталния ход на тялото. Енергията се доставя и се консумира на порции, във времето с движението на тялото. Механизмът е доста сложен и капризен в настройването. Широко използвани в механичните часовници. Количеството на съхраняваната енергия обикновено е малко и е подходящо само за работата на самото устройство.

Двигатели, които използват енергията на жироскоп

Резервът за кинетична енергия е съсредоточен в въртящ се маховик. Специфичната енергия на маховика значително надвишава енергията на подобно статично натоварване. Възможно е в кратко време да се направи приемане или връщане на значителна мощност. Времето за съхранение на енергия е кратко и за повечето проекти е ограничено до няколко часа. Съвременните технологии ви позволяват да донесете времето за съхранение на енергия до няколко месеца. Маховите колела са много чувствителни към сътресенията. Енергията на устройството зависи пряко от скоростта на неговото въртене. Следователно, по време на натрупването и освобождаването на енергия, скоростта на въртене на маховика се променя. И за товара, като правило, постоянна, ниска скорост на въртене се изисква.

По-обещаващите устройства са супер маховици. Те са изработени от стоманена лента, синтетични влакна или тел. Структурата може да е гъста или да има празно пространство. При наличие на свободно пространство, навивките на лентата се придвижват към периферията на въртенето, моментът на инерция на маховика се променя, част от енергията се съхранява в деформираната пружина. При такива устройства скоростта на въртене е по-стабилна, отколкото в твърдите конструкции и тяхната енергийна интензивност е много по-висока. Освен това те са по-безопасни.

Съвременните супер-маховици са изработени от влакно Kevlar. Те се въртят във вакуумна камера на магнитно окачване. Способни са да пестят енергия за няколко месеца.

Механични устройства за съхранение, използващи еластични сили

Този тип устройство може да съхранява огромна специфична енергия. От механичното съхранение има най-голям енергиен капацитет за устройства с размери няколко сантиметра. Големите маховици с много високи скорости на въртене имат много по-висока енергийна интензивност, но са много уязвими към външни фактори и имат по-малко време за съхранение на енергия.

Механично съхранение, използващо енергия от пружини

Те са в състояние да осигурят най-голяма механична мощност от всички класове устройства за съхранение на енергия. Тя е ограничена само от границата на силата на пролетта. Енергията в компресираната пружина може да се съхранява в продължение на няколко десетилетия. Въпреки това, поради постоянната деформация в метала, умората се натрупва и капацитетът на пружината намалява. В същото време висококачествените стоманени извори при условията на експлоатация могат да работят в продължение на стотици години без осезаема загуба на капацитет.

Пружинните функции могат да се извършват чрез еластични елементи. Каучукови снопове, например, десетки пъти надвишават стоманените продукти по отношение на съхраняваната енергия на единица маса. Но експлоатационният живот на каучука поради химическо стареене е само няколко години.

Механично съхранение, използващо сгъстен газ

При този тип устройство енергията се съхранява чрез компресиране на газа. Ако има излишък от енергия, газът се изпомпва с помощта на компресор под налягане в цилиндъра. При необходимост се използва сгъстен газ за въртене на турбината или електрическия генератор. При малки мощности, вместо турбина, препоръчително е да използвате бутален двигател. Газът в съд под налягане със стотици атмосфери има висока специфична плътност на енергия в продължение на няколко години и в присъствието на висококачествена армировка - и десетки години.

Натрупване на топлинна енергия

По-голямата част от територията на страната ни се намира в северните райони, така че голяма част от енергията се консумира за отопление. Във връзка с това е необходимо редовно да се решава проблема с съхраняването на топлината в резервоара за съхранение и при необходимост да се извлича от него.

В повечето случаи не е възможно да се постигне висока плътност на съхранената топлинна енергия и всяка значителна времева рамка за нейното съхранение. Съществуващите ефективни устройства, дължащи се на редица характеристики и високи цени, не са подходящи за широко приложение.

Натрупване поради топлинна мощност

Това е един от най-древните начини. Тя се основава на принципа на натрупване на топлинна енергия, когато веществото се нагрява и топлината се освобождава, когато се охлади. Дизайнът на тези устройства е изключително прост. Те могат да бъдат парче от всякаква твърда субстанция или затворен контейнер с течна охладителна течност. Запазването на топлинна енергия има много дълъг експлоатационен живот, практически неограничен брой цикли на съхранение и освобождаване на енергия. Но времето за съхранение не надвишава няколко дни.

Натрупване на електрическа енергия

Електрическата енергия е най-удобната форма в съвременния свят. Ето защо електрическите устройства за съхранение се използват широко и се развиват най-много. За съжаление, специфичният капацитет на евтините устройства е нисък и устройствата с голям специфичен капацитет са твърде скъпи и краткотрайни. Акумулаторите на електрическа енергия са кондензатори, йонистори, акумулатори.

кондензатори

Това е най-масивният тип съхранение на енергия. Кондензаторите могат да работят при температури от -50 до +150 градуса. Броят на циклите на натрупване и освобождаване на енергия е десетки милиарди в секунда. Чрез свързването на няколко кондензатора паралелно е възможно лесно да се получи капацитет с необходимата стойност. В допълнение, има променливи кондензатори. Капацитетът на такива кондензатори може да се променя механично или електрически или чрез излагане на температура. Най-често променливи кондензатори могат да бъдат намерени в осцилаторни вериги.

Кондензаторите са разделени на два класа - полярни и неполярни. Животът на полярни (електролитни) е по-малък от неполярен, те са по-зависими от външните условия, но в същото време имат по-голям специфичен капацитет.

Като енергийни акумулатори, кондензаторите не са много успешни устройства. Те имат малък капацитет и незначителна специфична плътност на съхраняваната енергия, а времето за съхранение се изчислява в секунди, минути, рядко в часове. Кондензаторите са намерили приложение главно в електрониката и електротехниката.

Изчисляване на кондензатор, като правило, не причинява трудности. Цялата необходима информация за различните видове кондензатори е представена в техническите справочници.

ionistory

Тези устройства заемат междинно място между полярните кондензатори и батериите. Понякога те се наричат ​​"суперкондактори". Съответно, те имат огромен брой етапи на зареждане, капацитетът е по-голям от този на кондензаторите, но малко по-малък от този на малките батерии. Времето за съхранение на енергия е до няколко седмици. Йонисторите са много чувствителни към температурата.

Захранващи батерии

Електрохимичните батерии се използват, ако трябва да съхранявате достатъчно енергия. Оловно-киселинните устройства са най-подходящи за тази цел. Те са били изобретени преди 150 години. И оттогава в устройството на батерията не е въведено нищо ново. Известни са много специализирани модели, качеството на компонентните части значително се е увеличило, надеждността на батерията се е увеличила. Трябва да се отбележи, че батерията на устройството, създадена от различни производители, за различни цели се различава само в незначителни подробности.

Електрохимичните батерии са разделени на тягови и стартови батерии. Тракторни трактори се използват в електрическия транспорт, непрекъсваемите захранвания, електроинструментите. Такива батерии се характеризират с дълъг, равномерно разреждане и голяма дълбочина. Стартовите батерии могат да генерират голям ток в кратък период от време, но дълбоко освобождаване от отговорност е неприемливо за тях.

Електрохимичните батерии имат ограничен брой цикли на заряд, средно от 250 до 2000. Дори при отсъствие на работа след няколко години те се провалят. Електрохимичните батерии са чувствителни към температурата, изискват дълго време за зареждане и стриктно спазване на правилата за работа.

Устройството трябва периодично да се зарежда. Зареждането на батерията, инсталирана на автомобила, се извършва от генератора. През зимата това не е достатъчно, една студена батерия отнема лоша такса, и консумация на енергия за да стартирате увеличението на двигателя. Затова е необходимо допълнително да зареждате батерията в топла стая със специално зарядно устройство. Един от значителните недостатъци на оловно-киселинните устройства е голямото им тегло.

Акумулатори за устройства с ниска мощност

Ако се изискват мобилни устройства с ниско тегло, се избират следните видове батерии: никел-кадмий, литиево-йонни, метал-хибридни, полимер-йонни. Те имат по-висок специфичен капацитет, но цената е много по-висока. Те се използват в мобилни телефони, лаптопи, камери, видеокамери и други малки устройства. Различните видове батерии се различават по параметрите им: брой цикли на зареждане, срок на годност, капацитет, размер и т.н.

Литиево-йонните батерии с висока мощност се използват в електрически автомобили и хибридни автомобили. Те имат ниско тегло, висок специфичен капацитет и висока надеждност. Същевременно литиево-йонните батерии са много опасни за огъня. Пожар може да възникне от късо съединение, механична деформация или унищожаване на корпуса, нарушение на зареждането или разреждането на акумулатора. Изгарянето на огъня е доста трудно поради високата активност на литий.

Батериите са в основата на много устройства. Например устройство за съхранение на енергия за телефона е компактно външна батерия, поставени в издръжлив, водоустойчив корпус. Тя ви позволява да зареждате или захранвате мобилен телефон. Мощните мобилни устройства за съхранение на енергия могат да зареждат всички цифрови устройства, дори лаптопи. В такива устройства, като правило, се инсталират литиево-йонни батерии с голям капацитет. Също така е необходимо съхранение на енергия за дома без батерии. Но това е много по-сложно устройство. В допълнение към батерията, те включват зарядно устройство, система за управление, инвертор. Устройствата могат да работят както от фиксирана мрежа, така и от други източници. Изходната мощност е средно 5 кВт.

Съхранение на химическа енергия

Има "гориво" и "безпомощни" видове задвижвания. Те изискват специални технологии и често тромаво високотехнологично оборудване. Използваните процеси дават възможност за получаване на енергия в различни видове. Термохимичните реакции могат да се извършват както при ниски, така и при високи температури. Компонентите за реакции при висока температура се въвеждат само когато е необходимо да се получи енергия. Преди това те се съхраняват отделно на различни места. Компонентите за нискотемпературни реакции обикновено се намират в същия резервоар.

Натрупване на енергия от производството на гориво

Този метод включва два напълно независими етапа: натрупване на енергия ("зареждане") и неговото използване ("разреждане"). Традиционното гориво като правило има голям специфичен енергиен капацитет, възможност за дългосрочно съхранение, удобство за използване. Но животът не стои неподвижен. Въвеждането на нови технологии поставя по-големи изисквания към горивата. Задачата се решава чрез подобряване на съществуващите и създаване на нови, високоенергийни горива.

Широкото въвеждане на нови проби се възпрепятства от недостатъчната работоспособност на технологичните процеси, огромната опасност от пожар и експлозия при работа, нуждата от висококвалифициран персонал и високата цена на технологиите.

Без съхранение на химическа енергия без фосили

При тази форма на съхранение, енергията се съхранява чрез превръщането на определени химикали в други. Например, изгаряна вар когато се нагрява, преминава в бързо състояние. Когато "изхвърлянето" натрупаната енергия се освобождава под формата на топлина и газ. Това е, което се случва, когато варната се охлажда с вода. За да започне реакцията, обикновено е достатъчно да се свържат компонентите. По същество това е един вид термохимична реакция, само че се извършва при температура от стотици и хиляди градуси. Поради това използваното оборудване е много по-сложно и скъпо.