Запасание энергии. Какой накопитель энергии самый энергоемкий. Накопители химической энергии

Экология познания.Наука и техника: В условиях активного развития новых технологий в сфере энергетики достаточно известным трендом являются накопители электроэнергии. Это качественное решение проблемы перебоев питания или полного отсутствия энергии.

Существует вопрос: «Какой способ хранения энергии предпочтителен в той или иной ситуации?» . К примеру, какой способ аккумулирования энергии выбрать для частного дома или дачи, оборудованных солнечной или ветровой установкой? Очевидно, что крупную гидроаккумулирующую станцию в этом случае строить никто не будет, однако установить большую емкость, подняв ее на высоту 10 метров, возможно. Но будет ли такая установка достаточна для поддержания постоянного электроснабжения при отсутствии солнца?

Чтобы ответить на возникающие вопросы, необходимо выработать какие-то критерии оценки аккумуляторов, позволяющие получить объективные оценки. А для этого нужно рассмотреть различные параметры накопителей, позволяющие получить числовые оценки.

Емкость или накопленный заряд?

Когда говорят или пишут об автомобильных аккумуляторах, часто упоминают величину, которую называют емкостью аккумулятора и выражают в ампер-часах (для небольших аккумуляторов - в миллиампер-часах). Но, строго говоря, ампер-час не является единицей емкости. Емкость в теории электричества измеряют в фарадах. А ампер-час - это единица измерения заряда! То есть характеристикой аккумулятора нужно считать (и так это и называть) накопленный заряд.

В физике заряд измеряют в кулонах. Кулон - это величина заряда, прошедшего через проводник при силе тока 1 ампер за одну секунду. Поскольку 1 Кл/c равен 1 А, то, переведя часы в секунды, получаем, что один ампер-час будет равен 3600 Кл.

Следует обратить внимание, что даже из определения кулона видно, что заряд характеризует некий процесс, а именно процесс прохождения тока по проводнику. То же самое следует даже из названия другой величины: один ампер-час - это когда ток силой в один ампер протекает по проводнику в течение часа.

На первый взгляд может показаться, что тут какая-то нестыковка. Ведь если мы говорим о сохранении энергии, то накопленная в любом аккумуляторе энергия должна измеряться в джоулях, поскольку именно джоуль в физике служит единицей измерения энергии. Но давайте вспомним, что ток в проводнике возникает только тогда, когда имеется разность потенциалов на концах проводника, то есть к проводнику приложено напряжение. Если напряжение на клеммах аккумулятора равно 1 вольту и по проводнику протекает заряд в один ампер-час, мы и получаем, что аккумулятор отдал 1 В · 1 А·ч = 1 Вт·ч энергии.

Таким образом, применительно к аккумуляторам правильнее говорить о накопленной энергии (запасенной энергии) или о накопленном (запасенном) заряде. Тем не менее, поскольку термин «емкость аккумулятора» широко распространен и как-то более привычен, будем использовать и его, но с некоторым уточнением, а именно, будем говорить про энергетическую емкость.

Ёмкость энергетическая - энергия, отдаваемая полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого значения.

Используя это понятие, попытаемся приблизительно посчитать и сравнить энергетическую емкость различных типов накопителей энергии.

Энергетическая емкость химических аккумуляторов

Полностью заряженный электрический аккумулятор с заявленной ёмкостью (зарядом) в 1 А·ч теоретически способен обеспечить силу тока 1 ампер в течение одного часа (или, например, 10 А в течение 0,1 часа, или 0,1 А в течение 10 часов). Но слишком большой ток разряда аккумулятора приводит к менее эффективной отдаче электроэнергии, что нелинейно уменьшает время его работы с таким током и может приводить к перегреву. На практике ёмкость аккумуляторов приводят, исходя из 20-часового цикла разряда до конечного напряжения. Для автомобильных аккумуляторов оно составляет 10,8 В. Например, надпись на маркировке аккумулятора «55 А·ч» означает, что он способен выдавать ток 2,75 ампер на протяжении 20 часов, и при этом напряжение на клеммах не опустится ниже 10,8 В.

Производители аккумуляторов часто указывают в технических характеристиках своих изделий запасаемую энергию в Вт·ч (Wh), а не запасаемый заряд в мА·ч (mAh), что, вообще говоря, не правильно. Вычислить запасаемую энергию по запасаемому заряду в общем случае непросто: требуется интегрирование мгновенной мощности, выдаваемой аккумулятором за всё время его разряда. Если большая точность не нужна, можно вместо интегрирования воспользоваться средними значениями напряжения и потребляемого тока и воспользоваться формулой:

1 Вт·ч = 1 В · 1 А·ч.

То есть запасаемая энергия (в Вт·ч) приблизительно равна произведению запасаемого заряда (в А·ч) на среднее напряжение (в Вольтах): E = q · U . Например, если указано, что емкость (в обычном смысле) 12-вольтового аккумулятора равна 60 А·ч, то запасаемая энергия, то есть его энергетическая ёмкость, составит 720 Вт · часов.

Энергетическая емкость накопителей гравитационной энергии

В любом учебнике физики вы можете прочитать, что работа A, совершаемая некоторой силой F при подъеме тела массы m на высоту h вычисляется по формуле A = m · g · h, где g - ускорение свободного падения. Эта формула имеет место в том случае, когда движение тела происходит медленно и силами трения можно пренебречь. Работа против силы тяжести не зависит от того, как мы поднимаем тело: по вертикали (как гирю в часах), по наклонной плоскости (как при втаскивании санок в гору) или еще каким-либо способом.

Во всех случаях работа A = m · g · h. При опускании тела на первоначальный уровень сила тяжести произведет такую же работу, какая была затрачена силой F на подъем тела. Значит, поднимая тело, мы запасли работу, равную m · g · h, т. е. поднятое тело обладает энергией, равной произведению силы тяжести, действующей на это тело, и высоты, на которую оно поднято. Эта энергия не зависит от того, по какому пути происходил подъем, а определяется лишь положением тела (высотой на которую оно поднято или разностью высот между первоначальным и окончательным положением тела) и называется потенциальной энергией.

Оценим по этой формуле энергетическую емкость массы воды, закачанной в цистерну емкостью 1000 литров, поднятую на 10 метров над уровнем земли (или уровнем турбины гидрогенератора). Будем считать, что цистерна имеет форму куба с длиной ребра 1 м. Тогда, согласно формуле в учебнике Ландсберга, A = 1000 кг · (9,8 м/с2) · 10,5 м = 102900 кг · м2/с2. Но 1 кг · м2/с2 равен 1 джоулю, а переводя в ватт-часы, получим всего 28,583 ватт-часов. То есть, чтобы получить энергетическую емкость, равную емкости обычного электроаккумулятора 720 ватт-часов, нужно увеличить объем воды в цистерне в 25,2 раза.

Цистерна должна будет иметь длину ребра примерно 3 метра. При этом ее энергетическая емкость будет равна 845 ватт-часам. Это больше емкости одного аккумулятора, но зато и объем установки существенно больше, чем размер обычного свинцово-цинкового автомобильного аккумулятора. Это сравнение подсказывает, что имеет смысл рассматривать не запасенную энергию в некоторой системе энергию саму по себе, а по отношению к массе или объему рассматриваемой системы.

Удельная энергетическая емкость

Итак мы пришли к заключению, что энергетическую емкость целесообразно соотносить с массой или объемом накопителя, или собственно носителя, например, воды, залитой в цистерну. Можно рассмотреть два показателя этого рода.

Массовой удельной энергоемкостью будем называть энергетическую емкость накопителя, отнесенную к массе этого накопителя.

Объемной удельной энергоемкостью будем называть энергетическую емкость накопителя, отнесенную к объему этого накопителя.

Пример. Свинцово-кислотный аккумулятор Panasonic LC-X1265P, рассчитанный на напряжение 12 вольт, имеет заряд 65 ампер-часов, вес - 20 кг. и размеры (ДхШхВ) 350 · 166 · 175 мм. Срок его службы при t = 20 C - 10 лет. Таким образом его массовая удельная энергоёмкость составит 65 · 12 / 20 = 39 ватт-часов на килограмм, а объёмная удельная энергоёмкость - 65 · 12 / (3,5 · 1,66 · 1,75) = 76,7 ватт-часов на кубический дециметр или 0,0767 кВт-часа на кубический метр.

Для рассмотренного в предыдущем разделе накопителя гравитационной энергии на основе цистерны с водой объемом 1000 литров удельная массовая энергоёмкость составит всего 28,583 ватт-часов/1000 кг = 0, 0286 Вт-ч/кг., что в 1363 раза меньше, чем массовая энергоемкость свинцово-цинкового аккумулятора. И хотя срок службы гравитационного накопителя может оказаться существенно больше, все же с практической точки зрения цистерна кажется менее привлекательной, чем аккумуляторная батарея.

Рассмотрим еще несколько примеров накопителей энергии и оценим их удельные энергоемкости.

Энергоёмкость теплоаккумулятора

Теплоёмкость - количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании его на 1 °С. В зависимости от того, к какой количественной единице относится теплоёмкость, различают массовую, объёмную и молярную теплоёмкость.

Массовая удельная теплоёмкость, также называемая просто удельной теплоёмкостью - это количество теплоты, которое необходимо подвести к единице массы вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. В СИ измеряется в джоулях, деленных на килограмм на кельвин (Дж·кг−1·К−1).

Объёмная теплоёмкость - это количество теплоты, которое необходимо подвести к единице объёма вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. В СИ измеряется в джоулях на кубический метр на кельвин (Дж·м−3·К−1).

Молярная теплоёмкость - это количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 молю вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. В СИ измеряется в джоулях на моль на кельвин (Дж/(моль·К)).

Моль - единица измерения количества вещества в Международной системе единиц. Моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг.

На значение удельной теплоёмкости влияет температура вещества и другие термодинамические параметры. К примеру, измерение удельной теплоёмкости воды даст разные результаты при 20 °C и 60 °C. Кроме того, удельная теплоёмкость зависит от того, каким образом позволено изменяться термодинамическим параметрам вещества (давлению, объёму и т. д.); например, удельная теплоёмкость при постоянном давлении (CP) и при постоянном объёме (CV), вообще говоря, различны.

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое сопровождается скачкообразным изменением теплоёмкости в конкретной для каждого вещества температурной точке превращения - температура плавления (переход твёрдого тела в жидкость), температура кипения (переход жидкости в газ) и, соответственно, температуры обратных превращений: замерзания и конденсации.

Удельные теплоёмкости многих веществ приведены в справочниках обычно для процесса при постоянном давлении. К примеру, удельная теплоёмкость жидкой воды при нормальных условиях - 4200 Дж/(кг·К); льда - 2100 Дж/(кг·К).

Исходя из приведенных данных можно попытаться оценить теплоемкость водяного теплоаккумулятора (абстрактного). Предположим, что масса воды в нем равна 1000 кг (литров). Нагреваем ее до 80 °C и пусть она отдает тепло, пока не остынет до 30 °C. Если не заморачиваться тем, что теплоемкость различна при разной температуре, можно считать, что теплоаккумулятор отдаст 4200 * 1000 * 50 Дж тепла. То есть энергетическая емкость такого теплоаккумулятора составляет 210 мегаджоулей или 58,333 киловатт-часов энергии.

Если сравнить эту величину с энергетическим зарядом обычного автомобильного аккумулятора (720 ватт-часов), то видим, что для энергетическая емкость рассматриваемого теплоаккумулятора равна энергетической емкости примерно 810 электрических аккумуляторов.

Удельная массовая энергоемкость такого теплоаккумулятора (даже без учета массы сосуда, в котором собственно будет храниться нагретая вода, и массы теплоизоляции) составит 58,3 кВт-ч/1000 кг = 58,3 Вт-ч/кг. Это уже получается поболее, чем массовая энергоемкость свинцово-цинкового аккумулятора, равная, как было подсчитано выше, 39 Вт-ч/кг.

По приблизительным подсчетам теплоаккумулятор сравним с обычным автомобильным аккумулятором и по объёмной удельной энергоёмкости, поскольку килограмм воды - это дециметр объема, следовательно его объемная удельная энергоемкость тоже равна 76,7 Вт-ч/кг., что в точности совпадает с объемной удельной теплоемкостью свинцово-кислотного аккумулятора. Правда, в расчете для теплоаккумулятора мы учитывали только объем воды, хотя нужно было бы учесть еще объем бака и теплоизоляции. Но в любом случае проигрыш будет уже не так велик, как для граыитационного накопителя.

Другие виды накопителей энергии

В статье «Обзор накопителей (аккумуляторов) энергии» приведены расчеты удельных энергоемкостей еще некоторых накопителей энергии. Позаимствуем оттуда некоторые примеры

Конденсаторный накопитель

При емкости конденсатора 1 Ф и напряжении 250 В запасенная энергия составит: E = CU2 /2 = 1 ∙ 2502 /2 = 31.25 кДж ~ 8.69 Вт · час. Если использовать электролитические конденсаторы, то их масса может составить 120 кг. Удельная энергия накопителя при этом 0.26 кДж/кг или 0,072 Вт/кг. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 9 Вт. Срок службы электролитических конденсаторов может достигать 20 лет. Ионисторы по плотности запасаемой энергии приближаются к химическим аккумуляторным батареям. Достоинства: накопленная энергия может быть использована в течение короткого промежутка времени.

Гравитационные накопители копрового типа

Вначале поднимаем тело массой 2000 кг на высоту 5 м. Затем тело опускается под действием силы тяжести, вращая электрогенератор. E = mgh ~ 2000 ∙ 10 ∙ 5 = 100 кДж ~ 27.8 Вт · час. Удельная энергетическая ёмкость 0.0138 Вт · час/кг. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 28 Вт. Срок службы накопителя может составлять 20 и более лет.

Достоинства: накопленная энергия может быть использована в течение короткого промежутка времени.

Маховик

Энергия, запасаемая в маховике, может быть найдена по формуле E = 0.5 J w2 , где J - момент инерции вращающегося тела. Для цилиндра радиуса R и высотой H:

J = 0.5 p r R4 H

где r - плотность материала, из которого изготовлен цилиндр.

Предельная линейная скорость на периферии маховика Vmax (составляет примерно 200 м/с для стали).

Vmax = wmax R или wmax = Vmax /R

Тогда Emax = 0.5 J w2max = 0.25 p r R2 H V2max = 0.25 M V2max

Удельная энергия составит: Emax /M = 0.25 V2max

Для стального цилиндрического маховика максимальная удельная энергоемкость составляет приблизительно 10 кДж/кг. Для маховика массой 100 кг (R = 0.2 м, H = 0.1 м) максимальная накопленная энергия может составлять 0.25 ∙ 3.14 ∙ 8000 ∙ 0.22 ∙ 0.1 ∙ 2002 ~ 1 МДж ~ 0.278 кВт · час. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 280 Вт. Срок службы маховика может составлять 20 и более лет. Достоинства: накопленная энергия может быть использована в течение короткого промежутка времени, характеристики могут быть существенно улучшены.

Супермаховик

Супермахови́к в отличие от обычных маховиков способен за счёт конструктивных особенностей теоретически хранить до 500 Вт·ч на килограмм веса. Однако разработки супермаховиков почему-то остановились.

Пневматический накопитель

В стальной резервуар емкостью 1 м3 закачивается воздух под давлением 50 атмосфер. Чтобы выдержать такое давление, стенки резервуара должны иметь толщину примерно 5 мм. Сжатый воздух используется для выполнения работы. При изотермическом процессе работа A, совершаемая идеальным газом при расширении в атмосферу, определяется формулой:

A = (M / m) ∙ R ∙ T ∙ ln (V2 / V1)

где M - масса газа, m - молярная масса газа, R - универсальная газовая постоянная, T - абсолютная температура, V1 - начальный объем газа, V2 - конечный объем газа. С учетом уравнения состояния для идеального газа (P1 ∙ V1 = P2 ∙ V2) для данной реализации накопителя V2 / V1 = 50, R = 8.31 Дж/(моль · град), T = 293 0K, M / m ~ 50: 0.0224 ~ 2232, работа газа при расширении 2232 ∙ 8.31 ∙ 293 ∙ ln 50 ~ 20 МДж ~ 5.56 кВт · час за цикл. Масса накопителя примерно равна 250 кг. Удельная энергия составит 80 кДж/кг. При работе пневматический накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 5.5 кВт. Срок службы пневматического накопителя может составлять 20 и более лет.

Достоинства: накопительный резервуар может быть расположен под землей, в качестве резервуара могут использоваться стандартные газовые баллоны в требуемом количестве с соответствующим оборудованием, при использовании ветродвигателя последний может непосредственно приводить в действие насос компрессора, имеется достаточно большое количество устройств, напрямую использующих энергию сжатого воздуха.

Сравнительная таблица некоторых накопителей энергии

Все полученные выше значения параметров накопителей энергии сведем в обобщающую таблицу. Но вначале заметим, что удельные энергоемкости позволяют сравнивать накопители с обычным топливом.

Основной характеристикой топлива является его теплота сгорания, т.е. количество теплоты, выделяющееся при полном его сгорании. Различают теплоту сгорания удельную (МДж/кг) и объемную (МДж/м3). Переводя МДж в кBт-часы получаем:

Как видим, удельные энергоёмкости топлива значительно превосходят энергоемкость накопителей энергии. Поскольку в качестве резервного источника энергии часто используются дизельные генераторы, включим в итоговую таблицу энергоемкость дизельного топлива, которая равна 42624 кДж/кг или 11,84 кВт-часа/кг. И добавим для сравнения еще природный газ и водород, поскольку последний тоже может служить основой для создания накопителей энергии.

Удельная массовая энергоёмкость баллонного газа (пропан-бутан) составляет 36 мДж/кг. или 10 КВт-ч/кг., а у водорода - 33,58 КВт-ч/кг.

В результате получим следующую таблицу с параметрами рассмотренных накопителей энергии (последние две строки в этой таблице добавлены для сравнения с традиционными энерго-носителями):

Приведенные в этой таблице цифры очень приблизительны, в расчетах не учтено множество факторов, например, коэффициэнт полезного действия того генератора, который использует сохраненную энергию, объемы и веса необходимого оборудования и так далее. Тем не менее, эти цифры позволяют, на мой взгляд, дать первоначальную оценку потенциальной энергоемкости различных видов накопителей энергии.

И, как следует из приведенной таблицы, наиболее эффективным видом накопителя представляется баллон с водородом. Если для получения водорода используется «дармовая» (избыточная) энергия из возобновляемых источников, то именно водородный накопитель может оказаться самым перспективным.

Водород может использоваться в качестве топлива в обычном двигателе внутреннего сгорания, который будет вращать электрогенератор, либо в водородных топливных ячейках, которые непосредственно производят электроэнергию. Вопрос о том, какой способ выгоднее, требует уже отдельного рассмотрения. Ну, и вопросы безопасности при производстве и использовании водорода могут внести коррективы при рассмотрении целесообразности применения того или иного вида накопителей энергии. опубликовано

Присоединяйтесь к нам в

Природа подарила человеку разнообразные источники энергии: солнце, ветер, реки и другие. Недостатком этих генераторов бесплатной энергии является отсутствие стабильности. Поэтому в периоды избытка энергии ее запасают в накопителях и расходуют в периоды временного спада. Накопители энергии характеризуют следующие параметры:

• объем запасаемой энергии;
• скорость ее накопления и отдачи;
• удельная плотность;
• сроки хранения энергии;
• надежность;
• стоимость изготовления и обслуживания и другие.

Методов систематизации накопителей множество. Одним из самых удобных является классификация по типу энергии, используемой в накопителе, и по способу ее накопления и отдачи. Накопители энергии подразделяются на следующие основные виды:

• механические;
• тепловые;
• электрические;
• химические.

Накопление потенциальной энергии

Суть этих устройств незамысловата. При подъеме груза происходит накопление потенциальной энергии, при опускании она совершает полезную работу. Особенности конструкции зависят от вида груза. Это может быть твердое тело, жидкость или сыпучее вещество. Как правило, конструкции устройств этого типа предельно просты, отсюда высокая надежность и длительный срок службы. Время хранения запасенной энергии зависит от долговечности материалов и может достигать тысячелетий. К сожалению, такие устройства обладают низкой удельной энергоемкостью.

Механические накопители кинетической энергии

В этих хранится в движении какого-либо тела. Обычно это колебательное или поступательное движение.

В колебательных системах сосредоточена в возвратно-поступательном движении тела. Энергия подается и расходуется порциями, в такт с движением тела. Механизм достаточно сложный и капризный в настройке. Широко используется в механических часах. Количество запасаемой энергии обычно невелико и годится только для работы самого устройства.

Накопители, использующие энергию гироскопа

Запас кинетической энергии сосредоточен во вращающемся маховике. Удельная энергия маховика значительно превосходит энергию аналогичного статического груза. Имеется возможность в короткий промежуток времени производить прием или отдачу значительной мощности. Время хранения энергии невелико, и для большинства конструкций ограничено несколькими часами. Современные технологии позволяют довести время хранения энергии до нескольких месяцев. Маховики очень чувствительны к сотрясениям. Энергия устройства находится в прямой зависимости от скорости его вращения. Поэтому в процессе накопления и отдачи энергии происходит изменение скорости вращения маховика. А для нагрузки, как правило, требуется постоянная, невысокая скорость вращения.

Более перспективными устройствами являются супермаховики. Их изготавливают из стальной ленты, синтетического волокна или проволоки. Конструкция может быть плотной или иметь пустое пространство. При наличии свободного места витки ленты перемещаются к периферии вращения, момент инерции маховика изменяется, часть энергии запасается в подвергшейся деформации пружине. В таких устройствах скорость вращения более стабильна, чем в цельнотелых конструкциях, а их энергоемкость гораздо выше. Кроме того, они более безопасны.

Современные супермаховики изготовляют из кевларового волокна. Они вращаются в вакуумной камере на магнитном подвесе. Способны сохранять энергию несколько месяцев.

Механические накопители, использующие силы упругости

Этот тип устройств способен запасать огромную удельную энергию. Из механических накопителей он обладает наибольшей энергоемкостью для устройств с габаритами в несколько сантиметров. Большие маховики с очень высокой скоростью вращения имеют гораздо большую энергоемкость, но они очень уязвимы от внешних факторов и имеют меньшее время хранения энергии.

Механические накопители, использующие энергию пружины

Способны обеспечить самую большую механическую мощность из всех классов накопителей энергии. Она ограничена лишь пределом прочности пружины. Энергия в сжатой пружине может храниться несколько десятилетий. Однако из-за постоянной деформации в металле накапливается усталость, и емкость пружины снижается. В то же время высококачественные стальные пружины при соблюдении условий эксплуатации могут работать сотни лет без ощутимой потери емкости.

Функции пружины могут выполнять любые упругие элементы. например, в десятки раз превосходят стальные изделия по запасаемой энергии на единицу массы. Но срок службы резины из-за химического старения составляет всего несколько лет.

Механические накопители, использующие энергию сжатых газов

В этом типе устройств накопление энергии происходит за счет сжатия газа. При наличии избытка энергии газ при помощи компрессора закачивается под давлением в баллон. По мере необходимости сжатый газ используется для вращения турбины или электрогенератора. При небольших мощностях вместо турбины целесообразно использовать поршневой мотор. Газ в емкости под давлением в сотни атмосфер обладает высокой удельной плотностью энергии в течение нескольких лет, а при наличии качественной арматуры - и десятки лет.

Накопление тепловой энергии

Большая часть территории нашей страны расположена в северных районах, поэтому значительная часть энергии вынужденно расходуется для обогрева. В связи с этим приходится регулярно решать проблему сохранения тепла в накопителе и извлечении его оттуда при необходимости.

В большинстве случаев не удается достичь высокой плотности запасаемой тепловой энергии и сколько-нибудь значительных сроков ее сохранения. Существующие эффективные устройства в силу ряда своих особенностей и высокой цены не подходят для широкого применения.

Накопление за счет теплоемкости

Это один из самых древних способов. В его основе лежит принцип накопления тепловой энергии при нагревании вещества и отдачи тепла при его охлаждении. Конструкция таких накопителей чрезвычайно проста. Им может быть кусок любого твердого вещества либо закрытая емкость с жидким теплоносителем. Накопители тепловой энергии имеют очень большой срок службы, практически неограниченное количество циклов накопления и отдачи энергии. Но время хранения не превышает нескольких суток.

Аккумулирование электрической энергии

Электрическая энергия - это самая удобная ее форма в современном мире. Именно поэтому электрические накопители получили широкое распространение и наибольшее развитие. К сожалению, удельная емкость дешевых аппаратов невелика, а приборы с большой удельной емкостью слишком дороги и недолговечны. Накопители электрической энергии - это конденсаторы, ионисторы, аккумуляторы.

Конденсаторы

Это самый массовый вид накопителей энергии. Конденсаторы способны работать при температуре от -50 до +150 градусов. Количество циклов накопления-отдачи энергии - десятки миллиардов в секунду. Соединяя несколько конденсаторов параллельно, можно легко получить емкость необходимой величины. Кроме того, существуют переменные конденсаторы.Изменение емкости таких конденсаторов может производиться механическим или электрическим способом либо воздействием температуры. Чаще всего переменные конденсаторы можно встретить в колебательных контурах.

Конденсаторы делятся на два класса - полярные и неполярные. Срок службы полярных (электролитических) меньше, чем неполярных, они больше зависят от внешних условий, но в то же время обладают большей удельной емкостью.

Как накопители энергии конденсаторы - не очень удачные приборы. Они имеют малую емкость и незначительную удельную плотность запасаемой энергии, а время ее хранения исчисляется секундами, минутами, редко часами. Конденсаторы нашли применение в основном в электронике и силовой электротехнике.

Расчет конденсатора, как правило, не вызывает затруднений. Вся необходимая информация по разным типам конденсаторов представлена в технических справочниках.

Ионисторы

Эти приборы занимают промежуточное место между полярными конденсаторами и аккумуляторами. Иногда их называют «суперконденсаторами». Соответственно, они имеют огромное количество этапов заряда-разряда, емкость больше, чем у конденсаторов, но немного меньше, чем у небольших аккумуляторов. Время хранения энергии - до нескольких недель. Ионисторы очень чувствительны к температуре.

Силовые аккумуляторы

Электрохимические аккумуляторы используются, если требуется запасать достаточно много энергии. Лучше всего для этой цели подходят свинцово-кислотные приборы. Их изобрели около 150 лет назад. И с тех пор в устройство аккумулятора не внесли ничего принципиально нового. Появилось много специализированных моделей, значительно возросло качество комплектующих изделий, повысилась надежность аккумуляторной батареи. Примечательно, что устройство аккумулятора, созданного разными производителями, для разных целей отличается лишь в незначительных деталях.

Электрохимические аккумуляторы подразделяются на тяговые и стартовые. Тяговые используются в электротранспорте, источниках бесперебойного питания, электроинструментах. Для таких аккумуляторов характерны длительный равномерный разряд и большая его глубина. Стартовые аккумуляторы могут выдать большой ток в короткий промежуток времени, но глубокий разряд для них недопустим.

Электрохимические аккумуляторы имеют ограниченное количество циклов заряда-разряда, в среднем от 250 до 2000. Даже при отсутствии эксплуатации через несколько лет они выходят из строя. Электрохимические аккумуляторы чувствительны к температуре, требуют длительного времени заряда и строгого соблюдения правил эксплуатации.

Прибор необходимо периодически подзаряжать. Заряд аккумулятора, установленного на транспортное средство, производится в движении от генератора. В зимнее время этого недостаточно, холодная батарея плохо принимает заряд, а на запуск двигателя возрастает. Поэтому необходимо дополнительно проводить заряд аккумулятора в теплом помещении специальным зарядным устройством. Одним из существенных недостатков свинцово-кислотных приборов является их большой вес.

Аккумуляторы для маломощных устройств

Если требуются мобильные устройства с малым весом, то выбирают следующие типы аккумуляторов: никель-кадмиевые, литий-ионные, металл-гибридные, полимер-ионные. У них выше удельная емкость, но и цена много больше. Их применяют в мобильных телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах, видеокамерах и других малогабаритных устройствах. Разные типы аккумуляторов отличаются своими параметрами: количеством циклов зарядки, сроком хранения, емкостью, размером и т. п.

Литий-ионные аккумуляторы большой мощности применяют в электромобилях и гибридных машинах. Они имеют небольшой вес, большую удельную емкость и высокую надежность. В то же время литий-ионные аккумуляторы очень пожароопасны. Возгорание может произойти от короткого замыкания, механической деформации или разрушения корпуса, нарушений режимов заряда или разряда аккумулятора. Потушить пожар довольно трудно из-за высокой активности лития.

Аккумуляторы являются основой многих приборов. Например, накопитель энергии для телефона - это компактный помещенный в прочный, влагозащищенный корпус. Он позволяет зарядить или запитать сотовый телефон. Мощные мобильные накопители энергии способны заряжать любые цифровые аппараты, даже ноутбуки. В таких устройствах устанавливают, как правило, литий-ионные аккумуляторы большой емкости. Накопители энергии для доматакже необходятся без аккумуляторных батарей. Но это гораздо более сложные устройства. Кроме аккумулятора в их состав входят зарядное устройство, система управления, инвертор. Аппараты могут работать как от стационарной сети, так и от других источников. Выходная мощность в среднем составляет 5 кВт.

Накопители химической энергии

Различают «топливные» и «безтопливные» типы накопителей. Для них требуются специальные технологии и нередко громоздкое высокотехнологичное оборудование. Используемые процессы позволяют получать энергию в разных видах. Термохимические реакции могут проходить как при низкой, так и при высокой температуре. Компоненты для высокотемпературных реакций вводят только тогда, когда необходимо получить энергию. До этого их хранят отдельно, в разных местах. Компоненты для низкотемпературных реакций обычно находятся в одной емкости.

Накопление энергии наработкой топлива

Этот способ включает два совершенно независимых этапа: накопление энергии («зарядка») и ее использование («разрядка»). Традиционное топливо, как правило, обладает большой удельной емкостью энергии, возможностью продолжительного хранения, удобством использования. Но жизнь не стоит на месте. Внедрение новых технологий предъявляет повышенные требования к топливу. Задача решается путем улучшения существующих и создания новых, высокоэнергетических видов топлива.

Широкому внедрению новых образцов препятствует недостаточная отработанность технологических процессов, большая пожаро- и взрывоопасность в работе, необходимость высококвалифицированного персонала, высокая стоимость технологии.

Безтопливное химическое накопление энергии

В этом виде накопителей энергия запасается за счет преобразования одних химических веществ в другие. Например, при нагреве переходит в негашеное состояние. При "разрядке" запасенная энергия выделяется в виде тепла и газа. Именно так происходит при гашении извести водой. Для того чтобы реакция началась, обычно достаточно соединить компоненты. В сущности, это вид термохимической реакции, только протекает она при температуре в сотни и тысячи градусов. Поэтому используемое оборудование гораздо сложнее и дороже.

Одна из проблем обеспечения энергией заключается в поддержании баланса между потребностями в ней и ее поставкой. Например, человеческий организм потребляет энергию в форме углеводов, жиров и белков; ее избыток запасается в виде жира. Если

потребность в энергии превышает ее поставку, организм расходует жировые отложения и мы становимся более стройными. Углеводы, белки и жиры составляют «пищевое топливо» организма, его «энергетическое депо».

Топливо-это источник тепловой энергии, которую легко при необходимости получить, а в отсутствие необходимости хранить в виде данного конкретного горючего материала. Все традиционные виды горючих материалов, такие как уголь, дрова и нефть, поддаются хранению и удобны, когда потребность в них недостаточно велика. Однако другие формы энергии сами по себе не поддаются хранению.

В качестве примера укажем электрическую энергию. Это одна из наиболее употребительных форм энергии. Ее можно получать из всех традиционных видов топлив. Но, если потребность в электроэнергии недостаточно велика по сравнению с количеством генерируемой энергии, ее прямое запасание невозможно. Для запасания электроэнергии ее необходимо преобразовывать в другие формы энергии. Это осуществляется одним из трех следующих способов.

Накопление электроэнергии с помощью насосных станций. В периоды пониженного потребления электроэнергию можно использовать для перекачивания воды из низкорасположенного резервуара в высокорасположенный резервуар. Последующее возвращение воды в низкорасположенный резервуар с ее пропусканием через турбогенератор позволяет регенерировать электрическую энергию.

Сжатие воздуха. Избыточную электроэнергию можно использовать также для сжатия воздуха в подземных резервуарах. Затем электроэнергию можно регенерировать, пропуская сжатый воздух через турбину.

Получение водорода. В будущем может оказаться возможным широкомасштабное получение водорода из воды, например с помощью электролиза. В настоящее время такой способ хранения энергии еще не оправдан экономически.

Химические источники тока и топливные элементы

Эти устройства позволяют по мере надобности преобразовывать запасенную в них химическую энергию в электрическую энергию.

Химический источник тока представляет собой портативный источник электрической энергии. Он состоит из одного или нескольких последовательно соединенных между собой электрохимических элементов (см. разд. 10.5). Следует различать первичные электрохимические элементы и вторичные элементы. Первичные элементы не

поддаются перезарядке, это элементы одноразового действия (например, батарейка для карманного фонаря), а вторичные элементы можно многократно перезаряжать. Свинцовый аккумулятор, используемый в автомашинах, состоит из вторичных элементов.

В отличие от химического источника тока топливный элемент работает на химических веществах, которые непрерывно заменяются по мере расходования. Наиболее распространенным типом топливного элемента является водородно-кислородный топливный элемент (см. разд. 10.5). Такой топливный элемент используется в космических аппаратах; его удобство заключается в том, что он вырабатывает не только электрическую энергию, но и воду.

Механическим накопителем (МН), или аккумулятором ме­ханической энергии, называется устройство для запасания и хранения кинетической или потенциальной энергии с по­следующей отдачей ее для совершения полезной работы.

Как и для любого вида накопителей энергии (НЭ), харак­терными режимами работы МН являются заряд (накопление) и разряд (отдача энергии). Хранение энергии служит проме­жуточным режимом МН. В зарядном режиме к МН подводится механическая энергия от внешнего источника, причем конк­ретная техническая реализация источника энергии определяется типом МН. При разряде МН основная часть запасенной им энергии передается потребителю. Некоторая часть накопленной энергии расходуется на компенсацию потерь, имеющих место в разрядном режиме, а в большинстве видов МН - и в режимах хранения.

Поскольку в ряде накопительных установок время заряД3 может намного превосходить время разряда (г3»гр), ^ возможно существенное превышение среднеразрядяой мой" ности Р Р над средней мощностью Р3 заряда МН. Таким образом, в МН накапливать энергию допустимо с помощью сравнительно маломощных источников.

Основные разновидности МН подразделяются на статичес­кие, динамические и комбинированные устройства.

Статические МН запасают потенциальную энергию посред­ством упругого изменения формы или объема рабочего тела либо при его перемещении против направления силы тяжести в гравитационном поле. Твердое, жидкостное или газообразное рабочее тело этих МН имеет статическое состояние в режиме хранения энергии, а заряд и разряд НЭ сопровождаются движением рабочего тела.

Динамические МН аккумулируют кинетическую энергию преимущественно во вращающихся массах твердых тел. Усло­вно - к динамическим МН можно отнести также накопительные- устройства ускорителей заряженных элементарных частиц, в которых запасается кинетическая энергия электронов или протонов, циклически движущихся по замкнутым траекториям.

Комбинированные МН запасают одновременно кинетическую и потенциальную энергию. Примером комбинированного МН может служить супермаховик из высокопрочного волокнистого материала, имеющего относительно малый модуль упругости. При вращении данного МН в нем наряду с кинетической энергией запасается потенциальная энергия упругой дефор­мации. При извлечении накопленной энергии из такого МН достигается использование обоих ее видов.

По уровню удельной накопленной энергии, приходящейся на единицу массы или объема аккумулирующего элемента, динамические инерционные МН существенно превосходят не­которые другие разновидности НЭ (например, индуктивные и емкостные накопители). Поэтому МН представляют большой практический интерес для многообразных применений в раз­личных отраслях техники и научных исследований.

Отдельные виды МН нашли к настоящему времени круп­номасштабное применение в электроэнергетике, например гид - Роаккумулирующие установки электрических станций. Зарядно - Разрядный цикл их работы достигает десятков часов.

Для инерционных МН характерны кратковременные раз- Рядные режимы. Отбор энергии от МН сопровождается Уменьшением угловой скорости маховика до допустимого Уровня. В отдельных случаях торможение может происходить вплоть до полной остановки маховика. Возможны «ударные» Разряды, отличающиеся одноразовым или циклическим от­бором запасенной энергии, причем вследствие большого ки­нетического момента и малого времени разряда МН снижение Угловой скорости его ротора относительно невелико, хотя 0тДаваемая мощность может достигать достаточно высоких значений. В таком режиме МН особые требования предъяв­ляются к обеспечению прочности вала. Под воздействием крутящего момента в вале возникают опасные касательные напряжения, ча. сть кинетической энергии ротора переходит в потенциальную энергию упругих деформаций кручения вала. Для преодоления указанных затруднений в отдельных конст­рукциях МН предусматриваются упругие или фрикционные муфты .

Статические МН сохраняют запасенную энергию, находясь в неподвижном состоянии. Носителями потенциальной энергии в них служат упруго деформированные твердые тела или сжатые газы, находящиеся под избыточным давлением, а также массы, поднятые на высоту относительно земной поверхности. Типичными примерами статических МН являются: растянутые или сжатые пружины, резины; газобаллонные аккумуляторы и пневмоаккумуляторы; ударные устройства различных копров, например для забивания свай, использующие энергию масс в поднятом состоянии; водохранилища гидроаккумулирующих электростанций, баки водонапорных установок. Приведем ос­новные энергетические соотношения и характерные параметры некоторых типовых устройств.

Рассмотрим МН с упругими элементами.

Полагаем твердотельную систему линейной, тогда упругий накопительный элемент имеет постоянную жесткость (или упругость) N = Const. Действующая на него сила F =Nx пропор­циональна линейной деформации х. Совершенная при заряде МН элементарная работа dW =Fdx . Полная запасенная энергия

W = J Fdx= J Nxdx = NAh2/2-FaAh/2, Oo

Где Ah - результирующая деформация, ограниченная, например, Допустимым напряжением ар материала; Fn = NAh -приложен­ная сила.

Оценим удельную энергию Wya = Wj М, приходящуюся на единицу массы M = yV =ySh пружины или стержня объемом V и сечением S , материал которых имеет плотность у и работа­ет на разрыв в пределах закона Гука a = xfE , причем X *=xfh - относительная деформация, Е -модуль упругости (Юнга), G^Gp. Введя da = Edx „ можем записать DW =Fhdx *=Fhdo /Е и dWya = dW /ySh = Fda /ySE , откуда при C = F /S находим

Wya=](aljE)da = a2J(2jE). О

Для стальных пружин примем с„ = 8 108 Н/м " Е= 2 ,1-1011 Н/м2, у = 7800 кг/м3, тогда Wya ^200 Дж /кг. Ана­ Логичный расчет для технической резины дает ^уд^350 Дж/кг, однако из-за гистерезисного характера зависимости F = F (X ) В цикле «заряд-разряд» возникающие потери и нагрев приводят К постепенному старению (разрушению) резины, нестабильности й ухудшению ее упругих свойств.

Газоаккумулирующая система находится в механически не­равновесном состоянии по отношению к окружающей среде: при равенстве температур системы и окружающей среды (Т=Т0С) давление системы р>р0,с, поэтому система может совершать работу. Запас упругой энергии сжатого в баллоне объемом V газа составляет

W =P{ vdp=v{p2-pi).. (4.1)

На единицу массы М любого сжатого газа согласно (4.1) приходится удельная энергия

Wya=W/M=V(p2-Pl)IM=Aply. (4.2)

На основании (4.2) при К=1м3 значение W - WysM чис­ленно равно перепаду давления Ар=р1-р1. Например, если А/? = 250 105 Па (начальное давление р! = Ю5Па), то ИЛ=25-106 Дж независимо от химического состава газа. Мак­симальное значение Wya при расширении сжатого газа до нулевого давления при данной температуре согласно уравнению Менделеева - Клапейрона PV - MvRyT составляет

Wya =WlM=RyTI», (4.3)

Где ц = М/Мц - молярная масса (кг/кмоль); Ry& ~8,314 кДж/(кмоль К) - универсальная газовая постоянная при Тх273 К; /?«105Па; Мм - количество киломолей в газе массой М.

Из (4.3) видно, что наиболее эффективно применение в МН легких газов. Для самого легкого газа - водорода (ц = 2 кг/кмоль) при Г=300 К удельная энергия ~1250 кДж/кг (или 1250 Дж/г). В (4.3) давление в явном виде не входит, так как Wya определяется по (4.2) отношением избыточного давления газа к его плотности. Последняя при повышении давления и Г= const возрастает по линейному закону (в изотермическом процессе PV = Const). Следует заме­тить, что целесообразные для эффективного применения рас­сматриваемых МН высокие давления обусловливают по сооб­ражениям прочности существенную массу газовых баллонов, с учетом которой значение Wya установки в целом может снижаться почти на порядок по сравнению с fVya из (4.2), (4.3). Оценку прочности баллонов можно провести, пользуясь Расчетными соотношениями § 4.5.7.

Рассмотрим гравитационные накопители энергии.

Гравистатическая энергия притяжения Земли (на уровне оря) оценивается достаточно высоким показателем "уд = 61,6 МДж/кг, который характеризует работу, необходи­мую для равномерного перемещения тела массой Мх = Кг с земной поверхности в космическое пространство (для срав­нения укажем, что это значение PVya приблизительно в раза больше химической энергии 1 кг керосина). При подъеме груза массой М на высоту h = x 2 - xl запасенная потенциальная энергия

W =jgMdx=gMh, (4.4)

Где M = const, g=9,8l м/с2. Согласно (4.4) удельная энергия Wya =Wj M =gh зависит только от высоты h . Запасенная энергия высвобождается при падении груза и совершении соответствующей полезной работы в результате перехода потенциальной энергии в кинетическую. Наибольшую удельную кинетическую энергию в природе при падении могут развивать метеориты, для которых Wya^60 МДж/кг (без учета затрат энергии на трение в атмосфере).

Непосредственное использование гравистатических сил, со - здабаемых природными массами, практически невозможно. Однако, перекачивая воду в поднятые искусственные водо­хранилища или из подземных водохранилищ на поверхность, можно накопить достаточно большое количество потенциаль­ной энергии для крупномасштабных применений в электроэнер­гетических системах. Если разность уровней h = 200 м, то в расчете на массу воды М=103кг запасенная энергия по (4.4) равна И>"=1962 кДж, удельная энергия Wya = WjM = 1,962 кДж/кг.

Рассмотрим инерционные кинетические МН.

Кинетическую энергию в принципе можно запасать при любом движении массы. Для равномерного поступательного движения тела массой М со скоростью v кинетическая энергия W =Mv 2 / 2. Удельная энергия Wya =W / M = v 2 j 2 зависит (квад­ратично) только от линейной скорости тела. Тело, движущееся с первой космической скоростью км/с, имеет удельную

Энергию Wyax32 МДж/кг.

Для разнообразных энергетических и транспортных примене­ний рациональны МН вращательного движения - инерционные МН (маховики). Запасенная кинетическая энергия W=J& / ~ определяется квадратом угловой скорости Q = 2nn (П - частота вращения) и моментом инерции J маховика относительно оси вращения. Если дисковый маховик имеет радиус г и массу М = yV (V -объем, у - плотность материала), т°

J^Mr2/2 = yVr2j2 и W=n2Mr2n2 = n2yVr2n2. Соответствующая удельная энергия (на единицу М или V) составляет FV /M =n *r 2n 2 , Дж/кг и lV 0ya =W /V =n 2yr 2n 2 , Дж/м3. Значения Q и п при заданном размере г ограничиваются линейной окружной скоростью v = Q .r = 2mr , связанной с до­пустимым разрывающим напряжением материала ар. Известно, что напряжение а в дисковом или цилиндрическом роторе МН зависит от v2. В зависимости от геометрической формы металлических маховиков для них характерны допустимые предельные скорости на периферии приблизительно от 200 до 500 м/с.

Накопленная энергия, в частности для тонкого ободкового маховика, W =Mv /2 (М -масса вращающегося кольца). Удельная энергия Wya =W /M = v 2 /2 не зависит от размеров кольца и определяется соотношением параметров Ор/у его материала (см. § 4.5.1, где показано, что v 2 = opj У). Следует отметить, что аналогичная закономерность для Wya~avjу имеет место также в индуктивных накопителях энергии (см. гл. 2), хотя они существенно отличаются от МН по физической природе. В общем случае при изготовлении накопительных элементов МН необходимо применять материалы с повышен­ными значениями Gp/y> 105 Дж/кг. Наиболее подходящими материалами являются высокопрочные легированные стали, титановые сплавы, а также легкие алюминиевые сплавы (типа «дюраль») и магниевые сплавы (типа «электрон»). Применяя металлические материалы, можно получить удельную энергию МН до Wm = 200-300 к Дж/кг .

Предназначенные длй создания маховиков с особо боль­шими удельными энергиями (супермаховиков) тонковолокнис­тые материалы теоретически могут обеспечить следующие уровни показателя Wya: стеклянные нити-650 кДж/кг, квар­цевые нити - 5000 кДж/кг, углеродные волокна (со структурой алмаза)-15000 кДж/кг . Нити (или выполненные из них ленты) и клеющие смолы образуют композитную конструкцию, прочность которой ниже, чем у исходных волокон. С учетом элементов крепления в реальных супер - маховиках практически достигаются значения Жуд меньше Указанных, но все же относительно более высокие, чем в других Разновидностях МН. Супермаховики допускают окружные скорости до v «1000 м/с. Техническая реализация таких Устройств требует обеспечения специальных условий. Например, Необходима установка маховика в вакуумированном кожухе, так как указанные значения v соответствуют сверхзвуковым скоростям в воздухе (число Маха Ма>1), которые в общем СлУчае могут вызывать целый ряд недопустимых эффектов: Появление скачков уплотнения воздуха и ударных волн, резкое Повышение аэродинамического сопротивления и температуры.

Многослойные волокнистые супермаховики обладают достаточ­но высокой надежностью и безопаснее в эксплуатации, чем сплошные маховики. При недопустимых нагрузках, обуслов­ленных инерционными силами, разрушаются" только наиболее напряженные наружные слои волоконной композитной конст­рукции супермаховика, тогда как разрушение массивного маховика сопровождается разлетом его разорвавшихся частей.

Сочетание свойств статического и динамического МН имеет место в различных устройствах. Простейшим из них является колеблющийся маятник. Циклический процесс взаимного преоб­разования потенциальной энергии в кинетическую может под­держиваться достаточно длительно, если компенсировать по­тери в маятниковом механизме.

Рассмотрим иллюстративные примеры МН, запасающих при заряде одновременно кинетическую и потенциальную энергию . Они демонстрируют принципиальные возмож­ности совместного практического использования обоих видов накопленной механической энергии. На рис. 4.1, а показан груз массой М, вращающийся вокруг центра О на абсолютно жесткой струне длиной /, отклоненной от вертикального положения на угол ср. Линейная скорость v соответствует вращательному движению М по окружности радиуса г. Потен­циальная энергия груза Wn =gMh обусловлена его подъемом на высоту h в результате отклонения. Кинетическая энергия груза составляет 1FK = 0,5 Mv 2 . На груз действует сила F = F„ + Fr. Ее инерционная компонента равна FK = Mv lr> значение гравитационнои компоненты F T = gM . Поскольку F„/Fr = r2/rg = tg(D, постольку Wn /WK = 2h /rtg ^>. Если Учест^! что A = /(l - coscp) и r = /sincp, то /г/г = (1 - coscp)/sinср. Таким образом, W „l lFK = 2coscp/(l +cos(p), и в случае ср->0 получаем Wn/WK->1. Следовательно, при малых углах ср запасенная энергия fV=JVK+Wn может распределяться на равные част (WЗначение Wn можно увеличить, если закрепить груз на упругом подвесе (прутке или струне).

Другим примером совместного накопления W „ и WK служит вращающийся тонкоободковый маховик (рис. 4.1, б), облада­вший упругостью (жесткостью) N. Натяжение в ободе ^р = NAI пропорционально упругому удлинению А/=2л(г -г0), вызванному инерционными силами AFr = AMv 2 /г, распределен­Ными по окружности обода радиусом г. Равновесие элемента обода массой 2ДМ=2(Л//2л;)Д(р определяется соотношением 2A/v = 2A/7(()sinAcp^Ai^Acp, откуда 0,5 Mv 2 = 2K 2 (r - r 0 )N . Сле­довательно, кинетическая энергия обода lVK = 2n 2 (r - r 0 )N . По­скольку запасенная потенциальная энергия }