Natura dała człowiekowi różnorodne źródła energii: słońce, wiatr, rzeki i inne. Wadą tych generatorów darmowej energii jest brak stabilności. Dlatego w okresach nadmiaru energii jest magazynowana w urządzeniach magazynujących i zużywana w okresach tymczasowej recesji. Magazyny energii charakteryzują się następującymi parametrami:
- ilość zmagazynowanej energii;
- szybkość jego akumulacji i zwrotów;
- ciężar właściwy;
- czas przechowywania energii;
- niezawodność;
- koszty produkcji i konserwacji i inne.
Istnieje wiele sposobów organizowania przejazdów. Jedną z najwygodniejszych jest klasyfikacja według rodzaju energii wykorzystywanej w urządzeniu magazynującym oraz według sposobu jej gromadzenia i zwrotu. Urządzenia magazynujące energię dzielą się na następujące główne typy:
- mechaniczny;
- termiczne;
- elektryczny;
- chemiczny.
Akumulacja energii potencjalnej
Istota tych urządzeń jest prosta. Gdy ładunek jest podnoszony, gromadzona jest energia potencjalna, a po opuszczeniu wykonuje użyteczną pracę. Cechy konstrukcyjne zależą od rodzaju ładunku. Może być stały, płynny lubluźna substancja. Z reguły konstrukcje urządzeń tego typu są niezwykle proste, stąd wysoka niezawodność i długa żywotność. Czas przechowywania zmagazynowanej energii zależy od trwałości materiałów i może sięgać tysiącleci. Niestety takie urządzenia mają niską gęstość energii.
Mechaniczne magazynowanie energii kinetycznej
W tych urządzeniach energia jest magazynowana w ruchu ciała. Zwykle jest to ruch oscylacyjny lub translacyjny.
Energia kinetyczna w układach oscylacyjnych jest skoncentrowana w ruchu posuwisto-zwrotnym ciała. Energia jest dostarczana i zużywana w porcjach, zgodnie z ruchem ciała. Mechanizm jest dość złożony i kapryśny w oprawie. Szeroko stosowany w zegarkach mechanicznych. Ilość zmagazynowanej energii jest zwykle niewielka i nadaje się tylko do działania samego urządzenia.
Urządzenia pamięci masowej zasilane żyroskopem
Zapas energii kinetycznej jest skoncentrowany w obracającym się kole zamachowym. Energia właściwa koła zamachowego znacznie przewyższa energię podobnego obciążenia statycznego. Możliwe jest otrzymanie lub wyprowadzenie znacznej mocy w krótkim czasie. Czas przechowywania energii jest krótki, a w przypadku większości projektów ogranicza się do kilku godzin. Nowoczesne technologie pozwalają skrócić czas magazynowania energii do kilku miesięcy. Koła zamachowe są bardzo wrażliwe na wstrząsy. Energia urządzenia jest bezpośrednio zależna od prędkości jego obrotu. Dlatego w procesie akumulacji i zwrotu energii następuje zmiana prędkości obrotowej koła zamachowego. I za ładunek taki jakz reguły wymagana jest stała, niska prędkość obrotowa.
Bardziej obiecujące urządzenia to superkoła zamachowe. Wykonane są z taśmy stalowej, włókna syntetycznego lub drutu. Projekt może być gęsty lub mieć pustą przestrzeń. Jeśli jest wolna przestrzeń, zwoje taśmy przesuwają się na obwód obrotu, zmienia się moment bezwładności koła zamachowego, część energii jest magazynowana w odkształconej sprężynie. W takich urządzeniach prędkość obrotowa jest bardziej stabilna niż w konstrukcjach stałych, a ich zużycie energii jest znacznie wyższe. Są też bezpieczniejsze.
Nowoczesne super koła zamachowe są wykonane z włókna Kevlar. Obracają się w komorze próżniowej na zawieszeniu magnetycznym. Może magazynować energię przez kilka miesięcy.
Przechowywanie mechaniczne z wykorzystaniem sił sprężystych
Ten typ urządzenia jest w stanie zmagazynować ogromną określoną energię. Spośród napędów mechanicznych ma największą energochłonność dla urządzeń o wymiarach kilku centymetrów. Duże koła zamachowe o bardzo wysokich prędkościach obrotowych mają znacznie wyższą zawartość energii, ale są bardzo podatne na wpływy zewnętrzne i mają krótszy czas magazynowania energii.
Mechaniczne magazynowanie energii sprężynowej
Może zapewnić najwyższą moc mechaniczną ze wszystkich klas magazynowania energii. Ogranicza ją jedynie wytrzymałość sprężyny na rozciąganie. Energia w ściśniętej sprężynie może być magazynowana przez kilkadziesiąt lat. Jednak ze względu na ciągłe odkształcenia w metalu kumuluje się zmęczenie i nośność sprężynyzmniejsza się. Jednocześnie wysokiej jakości sprężyny stalowe, w odpowiednich warunkach pracy, mogą pracować przez setki lat bez odczuwalnej utraty nośności.
Funkcje sprężyste mogą być wykonywane przez dowolne elementy elastyczne. Na przykład opaski gumowe są dziesiątki razy lepsze od wyrobów stalowych pod względem zmagazynowanej energii na jednostkę masy. Ale żywotność gumy ze względu na starzenie chemiczne to tylko kilka lat.
Mechaniczne urządzenia magazynujące wykorzystujące energię sprężonych gazów
W tego typu urządzeniach energia jest magazynowana poprzez sprężanie gazu. W obecności nadmiaru energii gaz jest pompowany pod ciśnieniem do butli za pomocą kompresora. W razie potrzeby sprężony gaz jest używany do obracania turbiny lub generatora elektrycznego. Przy niskich wydajnościach zaleca się stosowanie silnika tłokowego zamiast turbiny. Gaz w naczyniu pod ciśnieniem setek atmosfer ma wysoką gęstość energii przez kilka lat, a z wysokiej jakości armaturą - przez dziesięciolecia.
Przechowywanie energii cieplnej
Większość terytorium naszego kraju znajduje się w regionach północnych, więc znaczna część energii zmuszona jest wydać na ogrzewanie. W związku z tym konieczne jest regularne rozwiązywanie problemu utrzymywania ciepła w napędzie i odprowadzania go stamtąd, jeśli to konieczne.
W większości przypadków nie jest możliwe osiągnięcie dużej gęstości zmagazynowanej energii cieplnej i żadnych znaczących okresów jej przechowywania. Istniejące skuteczne urządzenia wze względu na niektóre cechy i wysoką cenę nie nadają się do szerokiego zastosowania.
Przechowywanie ze względu na pojemność cieplną
To jeden z najstarszych sposobów. Opiera się na zasadzie akumulacji energii cieplnej, gdy substancja jest ogrzewana i przekazywania ciepła, gdy jest schładzana. Konstrukcja takich napędów jest niezwykle prosta. Może to być kawałek dowolnej substancji stałej lub zamknięty pojemnik z płynem chłodzącym. Akumulatory energii cieplnej charakteryzują się bardzo długą żywotnością, niemal nieograniczoną liczbą cykli gromadzenia i uwalniania energii. Ale czas przechowywania nie przekracza kilku dni.
Przechowywanie energii elektrycznej
Energia elektryczna jest najwygodniejszą jej formą we współczesnym świecie. Właśnie dlatego elektryczne urządzenia magazynujące są szeroko stosowane i najbardziej rozwinięte. Niestety, pojemność właściwa tanich urządzeń jest niewielka, a urządzenia o dużej pojemności właściwej są zbyt drogie i krótkotrwałe. Urządzenia magazynujące energię elektryczną to kondensatory, jonizatory, baterie.
Kondensatory
To najbardziej masywny rodzaj magazynowania energii. Kondensatory mogą pracować w temperaturach od -50 do +150 stopni. Liczba cykli akumulacji i zwrotu energii wynosi dziesiątki miliardów na sekundę. Łącząc równolegle kilka kondensatorów, można łatwo uzyskać wymaganą pojemność. Ponadto są kondensatory zmienne. Zmiana pojemności takich kondensatorów może odbywać się mechanicznie, elektrycznie lub temperaturowo. Najczęściej kondensatory zmienne można znaleźć wobwody oscylacyjne.
Kondensatory dzielą się na dwie klasy - polarne i niepolarne. Żywotność polarnych (elektrolitycznych) jest krótsza niż niepolarnych, są one bardziej zależne od warunków zewnętrznych, ale jednocześnie mają większą pojemność właściwą.
Ponieważ kondensatory magazynujące energię nie są zbyt udanymi urządzeniami. Charakteryzują się małą pojemnością i nieznaczną gęstością właściwą zmagazynowanej energii, a czas jej przechowywania liczony jest w sekundach, minutach, rzadziej godzinach. Kondensatory znalazły zastosowanie głównie w elektronice i elektroenergetyce.
Obliczanie kondensatora z reguły nie powoduje trudności. Wszystkie niezbędne informacje na temat różnych typów kondensatorów są przedstawione w instrukcjach technicznych.
Ionistory
Te urządzenia zajmują pozycję pośrednią między kondensatorami polarnymi a bateriami. Są one czasami określane jako „superkondensatory”. W związku z tym mają ogromną liczbę etapów ładowania i rozładowania, pojemność jest większa niż w przypadku kondensatorów, ale nieco mniejsza niż w przypadku małych akumulatorów. Czas magazynowania energii to nawet kilka tygodni. Jonizatory są bardzo wrażliwe na temperaturę.
Zasilanie baterii
Baterie elektrochemiczne są używane, jeśli potrzebujesz przechowywać dużo energii. Do tego celu najlepiej nadają się urządzenia kwasowo-ołowiowe. Zostały wynalezione około 150 lat temu. I od tego czasu do urządzenia akumulatorowego nie wprowadzono nic zasadniczo nowego. Pojawiło się wiele specjalistycznych modeli, znacznie wzrosła jakość komponentów,niezawodność baterii. Warto zauważyć, że urządzenie z baterią stworzoną przez różnych producentów różni się tylko drobnymi szczegółami do różnych celów.
Akumulatory elektrochemiczne dzielą się na trakcję i rozruch. Trakcja znajduje zastosowanie w transporcie elektrycznym, zasilaczach bezprzerwowych, elektronarzędziach. Takie akumulatory charakteryzują się długim równomiernym rozładowaniem i dużą głębokością. Akumulatory rozruchowe mogą dostarczać duży prąd w krótkim czasie, ale głębokie rozładowanie jest dla nich niedopuszczalne.
Akumulatory elektrochemiczne mają ograniczoną liczbę cykli ładowania i rozładowania, średnio od 250 do 2000. Nawet jeśli nie są używane, zawodzą po kilku latach. Baterie elektrochemiczne są wrażliwe na temperaturę, wymagają długiego czasu ładowania i ścisłej konserwacji.
Urządzenie musi być okresowo doładowywane. Akumulator zainstalowany w pojeździe jest ładowany w ruchu z generatora. Zimą to za mało, zimny akumulator źle przyjmuje ładunek, a zużycie energii elektrycznej na rozruch silnika wzrasta. Dlatego konieczne jest dodatkowe ładowanie akumulatora w ciepłym pomieszczeniu specjalną ładowarką. Jedną z istotnych wad urządzeń kwasowo-ołowiowych jest ich duża waga.
Baterie do urządzeń małej mocy
Jeśli wymagane są urządzenia mobilne o małej wadze, wybierz następujące typy baterii: niklowo-kadmowe,litowo-jonowy, metalowo-hybrydowy, polimerowo-jonowy. Mają wyższą pojemność właściwą, ale cena jest znacznie wyższa. Stosowane są w telefonach komórkowych, laptopach, aparatach fotograficznych, kamerach i innych małych urządzeniach. Różne typy akumulatorów różnią się parametrami: liczbą cykli ładowania, trwałością, pojemnością, rozmiarem itp.
Akumulatory litowo-jonowe o dużej mocy są stosowane w pojazdach elektrycznych i pojazdach hybrydowych. Są lekkie, mają wysoką pojemność właściwą i wysoką niezawodność. Jednocześnie akumulatory litowo-jonowe są bardzo łatwopalne. Zapłon może nastąpić w wyniku zwarcia, mechanicznego odkształcenia lub zniszczenia obudowy, naruszenia trybów ładowania lub rozładowania akumulatora. Gaszenie pożaru jest dość trudne ze względu na dużą aktywność litu.
Baterie są podstawą wielu urządzeń. Na przykład magazyn energii do telefonu to kompaktowa bateria zewnętrzna umieszczona w wytrzymałej, wodoodpornej obudowie. Umożliwia ładowanie lub zasilanie telefonu komórkowego. Wydajne mobilne urządzenia magazynujące energię mogą ładować dowolne urządzenia cyfrowe, nawet laptopy. W takich urządzeniach z reguły instalowane są akumulatory litowo-jonowe o dużej pojemności. Magazynowanie energii w domu również nie jest kompletne bez baterii. Ale to znacznie bardziej złożone urządzenia. Oprócz akumulatora zawierają ładowarkę, układ sterowania i falownik. Urządzenia mogą działać zarówno z sieci stacjonarnej, jak iz innych źródeł. Moc wyjściowa wynosi średnio 5 kW.
Dyskienergia chemiczna
Rozróżnij typy napędów „paliwowych” i „bezpaliwowych”. Wymagają specjalnych technologii i często nieporęcznego sprzętu high-tech. Zastosowane procesy umożliwiają pozyskiwanie energii w różnych postaciach. Reakcje termochemiczne mogą zachodzić zarówno w niskich jak i wysokich temperaturach. Składniki do reakcji wysokotemperaturowych wprowadza się tylko wtedy, gdy jest to konieczne do pozyskania energii. Wcześniej przechowywane są osobno, w różnych miejscach. Składniki do reakcji w niskich temperaturach znajdują się zwykle w tym samym pojemniku.
Przechowywanie energii przez napędzanie paliwa
Ta metoda obejmuje dwa całkowicie niezależne etapy: akumulację energii („ładowanie”) i jej wykorzystanie („rozładowanie”). Paliwo tradycyjne z reguły charakteryzuje się dużą pojemnością energetyczną, możliwością długotrwałego przechowywania oraz łatwością użytkowania. Ale życie nie stoi w miejscu. Wprowadzenie nowych technologii zwiększa wymagania dotyczące paliwa. Zadanie rozwiązuje się poprzez ulepszanie istniejących i tworzenie nowych, wysokoenergetycznych paliw.
Szerokie wprowadzanie nowych próbek jest utrudnione przez niewystarczający rozwój procesów technologicznych, wysokie zagrożenie pożarowe i wybuchowe w pracy, zapotrzebowanie na wysoko wykwalifikowaną kadrę oraz wysokie koszty technologii.
Bez paliwa magazynowanie energii chemicznej
W tego rodzaju magazynowaniu energia jest magazynowana poprzez przekształcenie niektórych chemikaliów w inne. Na przykład wapno gaszone po podgrzaniu przechodzi w stan wapna palonego. Podczas rozładowywania zmagazynowana energiauwalniane w postaci ciepła i gazu. Dokładnie tak się dzieje, gdy wapno gasi się wodą. Aby reakcja mogła się rozpocząć, zwykle wystarczy połączenie składników. W istocie jest to rodzaj reakcji termochemicznej, tylko przebiega ona w temperaturze setek i tysięcy stopni. Dlatego używany sprzęt jest znacznie bardziej złożony i droższy.
