Які бувають накопичувачі енергії

Природа подарувала людині різноманітні джерела енергії: сонце, вітер, річки та інші. Недоліком цих генераторів безкоштовної енергії є відсутність стабільності. Тому в періоди надлишку енергії її запасають в накопичувачах і витрачають в періоди тимчасового спаду. Накопичувачі енергії характеризують такі параметри:

• обсяг енергії, що запасається;
• швидкість її накопичення та віддачі;
• питома щільність;
• терміни зберігання енергії;
• надійність;
• вартість виготовлення та обслуговування та інші.

Методів систематизації накопичувачів безліч. Одним з найбільш зручних є класифікація за типом енергії, використовуваної в накопичувачі, і за способом її накопичення та віддачі. Накопичувачі енергії поділяються на такі основні види:

• механічні;
• теплові;
• електричні;
• хімічні.

Накопичення потенційної енергії

Суть цих пристроїв нехитра. При підйомі вантажу відбувається накопичення потенційної енергії, при опусканні вона виконує корисну роботу. Особливості конструкції залежать від виду вантажу. Це може бути тверде тіло, рідина або сипуча речовина. Як правило, конструкції пристроїв цього типу гранично прості, звідси висока надійність і тривалий термін служби. Час зберігання запасеної енергії залежить від довговічності матеріалів і може досягати тисячоліть. На жаль, такі пристрої володіють низькою питомою енергоємністю.

Механічні накопичувачі кінетичної енергії

У цих пристроях енергія зберігається в русі будь-якого тіла. Зазвичай це коливальний або поступальний рух.

Кінетична енергія в коливальних системах зосереджена в зворотно-поступальному русі тіла. Енергія подається і витрачається порціями, в такт з рухом тіла. Механізм досить складний і примхливий в налаштуванні. Широко використовується в механічному годиннику. Кількість енергії, що запасається зазвичай невелика і годиться тільки для роботи самого пристрою.

Накопичувачі, що використовують енергію гіроскопа

Запас кінетичної енергії зосереджений в обертовому маховику. Питома енергія маховика значно перевершує енергію аналогічного статичного вантажу. Існує можливість у короткий проміжок часу виробляти прийом або віддачу значної потужності. Час зберігання енергії невелика, і для більшості конструкцій обмежена кількома годинами. Сучасні технології дозволяють довести час зберігання енергії до декількох місяців. Маховики дуже чутливі до струсів. Енергія пристрою знаходиться в прямій залежності від швидкості його обертання. Тому в процесі накопичення та віддачі енергії відбувається зміна швидкості обертання маховика. А для навантаження, як правило, потрібна постійна, невисока швидкість обертання.

Більш перспективними пристроями є супермаховики. Їх виготовляють із сталевої стрічки, синтетичного волокна або дроту. Конструкція може бути щільною або мати порожній простір. При наявності вільного місця витки стрічки переміщаються до периферії обертання, момент інерції маховика змінюється, частина енергії запасається в подвергшейся деформації пружині. У таких пристроях швидкість обертання більш стабільна, ніж у цельнотелих конструкціях, а їх енергоємність набагато вище. Крім того, вони більш безпечні.

Сучасні супермаховики виготовляють з кевларового волокна. Вони обертаються у вакуумній камері на магнітному підвісі. Здатні зберігати енергію кілька місяців.

Механічні накопичувачі, що використовують сили пружності

Цей тип пристроїв здатний запасати величезну питому енергію. З механічних накопичувачів він володіє найбільшою енергоємністю для пристроїв з габаритами в кілька сантиметрів. Великі маховики з дуже високою швидкістю обертання мають набагато більшу енергоємність, але вони дуже вразливі від зовнішніх факторів і мають менший час зберігання енергії.

Механічні накопичувачі, що використовують енергію пружини

Здатні забезпечити найбільшу механічну потужність з усіх класів накопичувачів енергії. Вона обмежена лише межею міцності пружини. Енергія в стислій пружині може зберігатися кілька десятиліть. Однак через постійній деформації в металі накопичується втома, і ємність пружини знижується. У той же час високоякісні сталеві пружини при дотриманні умов експлуатації можуть працювати сотні років без відчутної втрати ємності.

Функції пружини можуть виконувати будь пружні елементи. Гумові джгути, наприклад, в десятки разів перевершують сталеві вироби по запасаемой енергії на одиницю маси. Але термін служби гуми через хімічне старіння становить усього кілька років.

Механічні накопичувачі, що використовують енергію стиснених газів

У цьому типі пристроїв накопичення енергії відбувається за рахунок стиснення газу. При наявності надлишку енергії газ за допомогою компресора закачується під тиском в балон. У міру необхідності стиснений газ використовується для обертання турбіни або електрогенератора. При невеликих потужностях замість турбіни доцільно використовувати поршневий мотор. Газ в ємності під тиском в сотні атмосфер володіє високою питомою щільністю енергії протягом декількох років, а при наявності якісної арматури - і десятки років.

Накопичення теплової енергії

Велика частина території нашої країни розташована в північних районах, тому значна частина енергії вимушено витрачається для обігріву. У зв`язку з цим доводиться регулярно вирішувати проблему збереження тепла в накопичувачі і витяганні його звідти при необхідності.

У більшості випадків не вдається досягти високої щільності запасаемой теплової енергії і скільки-небудь значних термінів її збереження. Існуючі ефективні пристрої в силу ряду своїх особливостей і високої ціни не підходять для широкого застосування.

Накопичення за рахунок теплоємності

Це один з найдавніших способів. У його основі лежить принцип накопичення теплової енергії при нагріванні речовини і віддачі тепла при його охолодженні. Конструкція таких накопичувачів надзвичайно проста. Ним може бути шматок будь-якого твердої речовини або закрита ємність з рідким теплоносієм. Накопичувачі теплової енергії мають дуже великий термін служби, практично необмежену кількість циклів накопичення та віддачі енергії. Але час зберігання не перевищує декількох діб.

Акумулювання електричної енергії

Електрична енергія - це найзручніша її форма в сучасному світі. Саме тому електричні накопичувачі отримали широке розповсюдження і найбільший розвиток. На жаль, питома ємність дешевих апаратів невелика, а прилади з великою питомою ємністю занадто дорогі і недовговічні. Накопичувачі електричної енергії - це конденсатори, іоністори, акумулятори.

Конденсатори

Це наймасовіший вид накопичувачів енергії. Конденсатори здатні працювати при температурі від -50 до +150 градусів. Кількість циклів накопичення-віддачі енергії - десятки мільярдів в секунду. Поєднуючи кілька конденсаторів паралельно, можна легко отримати ємність необхідної величини. Крім того, існують змінні конденсатори. Зміна ємності таких конденсаторів може проводитися механічним або електричним способом або впливом температури. Найчастіше змінні конденсатори можна зустріти в коливальних контурах.

Конденсатори діляться на два класи - полярні й неполярні. Термін служби полярних (електролітичних) менше, ніж неполярних, вони більше залежать від зовнішніх умов, але в той же час володіють більшою питомою ємністю.

Як накопичувачі енергії конденсатори - не дуже вдалі прилади. Вони мають малу ємність і незначну питому щільність енергії, що запасається, а час її зберігання обчислюється секундами, хвилинами, рідко годинами. Конденсатори знайшли застосування в основному в електроніці і силової електротехніці.

Розрахунок конденсатора, як правило, не викликає труднощів. Вся необхідна інформація по різних типах конденсаторів представлена в технічних довідниках.

Іоністори

Ці прилади займають проміжне місце між полярними конденсаторами і акумуляторами. Іноді їх називають «суперконденсаторами». Відповідно, вони мають величезну кількість етапів заряду-розряду, ємність більше, ніж у конденсаторів, але трохи менше, ніж у невеликих акумуляторів. Час зберігання енергії - до декількох тижнів. Іоністори дуже чутливі до температури.

Силові акумулятори

Електрохімічні акумулятори використовуються, якщо потрібно запасати досить багато енергії. Найкраще для цієї мети підходять свинцево-кислотні прилади. Їх винайшли близько 150 років тому. І з тих пір в пристрій акумулятора не внесли нічого принципово нового. З`явилося багато спеціалізованих моделей, значно зросла якість комплектуючих виробів, підвищилася надійність акумуляторної батареї. Примітно, що пристрій акумулятора, створеного різними виробниками, для різних цілей відрізняється лише в незначних деталях.

Електрохімічні акумулятори підрозділяються на тягові і стартові. Тягові використовуються в електротранспорті, джерелах безперебійного живлення, електроінструментах. Для таких акумуляторів характерні тривалий рівномірний розряд і більша його глибина. Стартові акумулятори можуть видати великий струм в короткий проміжок часу, але глибокий розряд для них неприпустимий.

Електрохімічні акумулятори мають обмежену кількість циклів заряду-розряду, в середньому від 250 до 2000. Навіть за відсутності експлуатації через кілька років вони виходять з ладу. Електрохімічні акумулятори чутливі до температури, вимагають тривалого часу заряду і суворого дотримання правил експлуатації.

Прилад необхідно періодично заряджати. Заряд акумулятора, встановленого на транспортний засіб, проводиться в русі від генератора. У зимовий час цього недостатньо, холодна батарея погано приймає заряд, а споживання електроенергії на запуск двигуна зростає. Тому необхідно додатково проводити заряд акумулятора в теплому приміщенні спеціальним зарядним пристроєм. Одним із суттєвих недоліків свинцево-кислотних приладів є їх велику вагу.

Акумулятори для малопотужних пристроїв

Якщо потрібні мобільні пристрої з малою вагою, то вибирають наступні типи акумуляторів: нікель-кадмієві, літій-іонні, метал-гібридні, полімер-іонні. У них вище питома ємність, але і ціна багато більше. Їх застосовують в мобільних телефонах, ноутбуках, фотоапаратах, відеокамерах та інших малогабаритних пристроях. Різні типи акумуляторів відрізняються своїми параметрами: кількістю циклів зарядки, терміном зберігання, ємністю, розміром і т. П.

Літій-іонні акумулятори великої потужності застосовують в електромобілях і гібридних машинах. Вони мають невелику вагу, більшу питому ємність і високу надійність. У той же час літій-іонні акумулятори дуже пожежонебезпечні. Займання може статися від короткого замикання, механічної деформації або руйнування корпусу, порушень режимів заряду або розряду акумулятора. Загасити пожежу досить важко через високу активності літію.

Акумулятори є основою багатьох приладів. Наприклад, накопичувач енергії для телефону - це компактний зовнішній акумулятор, поміщений в міцний, вологозахищений корпус. Він дозволяє зарядити або живити стільниковий телефон. Потужні мобільні накопичувачі енергії здатні заряджати будь цифрові апарати, навіть ноутбуки. У таких пристроях встановлюють, як правило, літій-іонні акумулятори великої ємності. Накопичувачі енергії для дому теж не обходяться без акумуляторних батарей. Але це набагато більш складні пристрої. Крім акумулятора до їх складу входять зарядний пристрій, система управління, інвертор. Апарати можуть працювати як від стаціонарної мережі, так і від інших джерел. Вихідна потужність в середньому становить 5 кВт.

Накопичувачі хімічної енергії

Розрізняють «паливні» і «безпаливної» типи накопичувачів. Для них потрібні спеціальні технології і нерідко громіздке високотехнологічне обладнання. Використовувані процеси дозволяють отримувати енергію в різних видах. Термохімічні реакції можуть проходити як при низькій, так і при високій температурі. Компоненти для високотемпературних реакцій вводять тільки тоді, коли необхідно отримати енергію. До цього їх зберігають окремо, в різних місцях. Компоненти для низькотемпературних реакцій зазвичай знаходяться в одній ємності.

Накопичення енергії напрацюванням палива

Цей спосіб включає два абсолютно незалежних етапи: накопичення енергії («зарядка») та її використання («розрядка»). Традиційне паливо, як правило, володіє великою питомою ємністю енергії, можливістю тривалого зберігання, зручністю використання. Але життя не стоїть на місці. Впровадження нових технологій висуває підвищені вимоги до палива. Завдання вирішується шляхом поліпшення існуючих та створення нових, високоенергетичних видів палива.

Широкому впровадженню нових зразків перешкоджає недостатня отработанность технологічних процесів, велика пожежо- і вибухонебезпечність у роботі, необхідність висококваліфікованого персоналу, висока вартість технології.

Безпаливної хімічне накопичення енергії

У цьому виді накопичувачів енергія запасається за рахунок перетворення одних хімічних речовин в інші. Наприклад, гашене вапно при нагріванні переходить в негашене ІІІ стан. При "розрядці" запасені енергія виділяється у вигляді тепла і газу. Саме так відбувається при гасінні вапна водою. Для того щоб реакція почалася, зазвичай досить з`єднати компоненти. По суті, це вид термохімічної реакції, тільки протікає вона при температурі в сотні і тисячі градусів. Тому використовуване обладнання набагато складніше і дорожче.