Energia salvestamine. Milline energiasalvesti on kõige energiamahukam? Keemilise energia salvestamise seadmed

Teadmiste ökoloogia Teadus ja tehnoloogia: Energeetikasektori uute tehnoloogiate aktiivse arengu kontekstis on elektrisalvestusseadmed üldtuntud trend. See on kvaliteetne lahendus elektrikatkestuste probleemile või täielik puudumine energiat.

Tekib küsimus: "Milline energia salvestamise meetod on antud olukorras eelistatavam?". Millise energia salvestamise viisi peaksin valima näiteks päikese- või tuulepaigaldisega varustatud eramu või suvila jaoks? Ilmselgelt ei hakka sel juhul keegi suurt pumbajaama ehitama, küll aga on võimalik paigaldada suur paak, tõstes selle 10 meetri kõrgusele. Kuid kas selline paigaldus on piisav pideva toiteallika säilitamiseks päikese puudumisel?

Tekkivatele küsimustele vastamiseks on vaja välja töötada mõned akude hindamise kriteeriumid, mis võimaldavad saada objektiivseid hinnanguid. Ja selleks peame kaaluma erinevaid parameetreid draivid, mis võimaldavad saada arvulisi hinnanguid.

Võimsus või kogunenud laeng?

Autoakudest rääkides või kirjutades mainivad nad sageli väärtust, mida nimetatakse aku mahtuvuseks ja mida väljendatakse ampertundides (väikeste akude puhul milliampertundides). Kuid rangelt võttes ei ole ampertund võimsuse ühik. Elektriteoorias mõõdetakse mahtuvust faraadides. Ja ampertund on laengu mõõtühik! See tähendab, et kogunenud laengut tuleks käsitleda (ja seda nii nimetada) kui aku omadust.

Füüsikas mõõdetakse laengut kulonides. Kulon on laengu hulk, mis juhitakse vooluga 1 amper sekundis. Kuna 1 C/s on võrdne 1 A-ga, leiame tunnid sekunditeks teisendades, et üks ampertund võrdub 3600 C-ga.

Tuleb märkida, et isegi kuloni definitsioonist on selge, et laeng iseloomustab teatud protsessi, nimelt juhti läbiva voolu protsessi. Sama tuleneb isegi teise suuruse nimetusest: üks ampritund on see, kui ühe amprine vool läbib ühe tunni ühe juhi.

Esmapilgul võib tunduda, et siin on mingi ebakõla. Lõppude lõpuks, kui me räägime energiasäästmisest, siis tuleks igasse akusse kogunenud energiat mõõta džaulides, kuna füüsikas on džaul energia mõõtühik. Kuid pidagem meeles, et juhis tekib vool ainult siis, kui juhi otstes on potentsiaalide erinevus, see tähendab, et juhile antakse pinge. Kui aku klemmide pinge on 1 volt ja läbi juhi voolab ühe ampertunni laeng, leiame, et aku on andnud 1 V · 1 Ah = 1 Wh energiat.

Seega on akude puhul õigem rääkida akumuleeritud energiast (salvestatud energia) või akumuleeritud (salvestatud) laengust. Sellegipoolest, kuna termin "aku mahutavus" on laialt levinud ja kuidagi tuttavam, siis kasutame seda, kuid mõningase täpsustusega, nimelt räägime energiamahutavusest.

Energiamaht on energia, mida eraldab täielikult laetud aku, kui see on madalaima lubatud väärtuseni tühjenenud.

Seda kontseptsiooni kasutades proovime energiamahtuvust ligikaudselt arvutada ja võrrelda erinevat tüüpi energiasalvestid.

Keemiapatareide energiamaht

Täielikult laetud elektriaku, mille võimsus (laadimine) on märgitud 1 Ah, on teoreetiliselt võimeline andma 1 ampere voolu ühe tunni jooksul (või näiteks 10 A 0,1 tunni jooksul või 0,1 A 10 tunni jooksul). Kuid liiga suur aku tühjenemisvool põhjustab vähem tõhusat energiavarustust, mis vähendab mittelineaarselt sellise vooluga töötamise aega ja võib põhjustada ülekuumenemist. Praktikas arvutatakse aku mahtuvus 20-tunnise tühjendustsükli põhjal kuni lõpppingeni. Autoakude puhul on see 10,8 V. Näiteks akusildil olev silt “55 Ah” tähendab, et see on võimeline andma 20 tunni jooksul voolu 2,75 amprit ja pinge klemmidel ei lange alla 10,8 IN .

Patareide tootjad näitavad sageli tehnilised kirjeldused nende toodete puhul salvestatud energia Wh (Wh), mitte salvestatud laeng mAh (mAh), mis üldiselt ei ole õige. Arvutage salvestatud energia salvestatud laengu põhjal üldine juhtum pole lihtne: see nõuab aku poolt tarnitud hetkevõimsuse integreerimist kogu selle tühjenemise perioodi jooksul. Kui suuremat täpsust pole vaja, võite integreerimise asemel kasutada pinge ja voolutarbimise keskmisi väärtusi ning kasutada valemit:

1 Wh = 1 V 1 Ah.

See tähendab, et salvestatud energia (Wh) on ligikaudu võrdne salvestatud laengu (Ah) ja keskmise pinge (voltides) korrutisega: E = q · U. Näiteks kui 12-voldise aku võimsuseks (tavapärases mõistes) on märgitud 60 Ah, siis salvestatud energia ehk energiamahutavus on 720 W tundi.

Gravitatsioonienergia salvestusseadmete energiamaht

Igast füüsikaõpikust võib lugeda, et mingi jõu F poolt tehtud töö A keha massiga m tõstmisel kõrgusele h arvutatakse valemiga A = m g h, kus g on kiirendus vabalangus. See valem toimib juhul, kui keha liigub aeglaselt ja hõõrdejõude saab tähelepanuta jätta. Raskusjõu vastu töötamine ei sõltu sellest, kuidas me keha tõstame: vertikaalselt (nagu raskus kellal), kaldtasandil (nagu kelku mäest üles tõmbades) või muul viisil.

Kõigil juhtudel töö A = m · g · h. Keha langetamisel algsele tasemele tekitab raskusjõud sama töö, mida kulutas keha tõstmiseks jõud F. See tähendab, et keha tõstmisel oleme talletanud töö, mis on võrdne m · g · h, st ülestõstetud keha energia on võrdne sellele kehale mõjuva gravitatsioonijõu ja selle tõstmise kõrguse korrutisega. See energia ei sõltu teest, mida mööda tõus toimus, vaid selle määrab ainult keha asend (kõrgus, milleni see tõstetakse või keha alg- ja lõppasendi kõrguste erinevus) ja on nimetatakse potentsiaalseks energiaks.

Hinnake selle valemi abil 10 meetrit maapinnast (või hüdrogeneraatori turbiini tasemest) kõrgemale tõstetud 1000 liitrisesse paaki pumbatava vee massi energiamahtuvust. Oletame, et paak on kuubi kujuga, mille serva pikkus on 1 m. Siis on Landsbergi õpiku valemi järgi A = 1000 kg · (9,8 m/s2) · 10,5 m = 102900 kg · m2/. s2. Kuid 1 kg m2/s2 võrdub 1 džauliga ja vatttundideks ümber arvestatuna saame vaid 28,583 vatttundi. See tähendab, et tavapärase elektriaku 720 vatt-tunni võimsusega võrdse energiamahu saamiseks peate paagis vee mahtu suurendama 25,2 korda.

Paagi ribi pikkus peab olema umbes 3 meetrit. Samal ajal on selle energiavõimsus 845 vatt-tundi. Seda on rohkem kui ühe aku mahutavus, kuid paigaldusmaht on oluliselt suurem kui tavalise plii-tsink autoaku oma. See võrdlus viitab sellele, et on mõttekas käsitleda mitte teatud süsteemis salvestatud energiat – energiat iseeneses, vaid seoses kõnealuse süsteemi massi või ruumalaga.

Spetsiifiline energiamaht

Nii jõudsime järeldusele, et energiamahutavus on soovitatav korreleerida salvestusseadme massi või mahuga või kandja endaga, näiteks paaki valatud veega. Vaadelda võib kahte sellist näitajat.

Me nimetame massispetsiifilist energiamahtu salvestusseadme energiamahutavus jagatud selle salvestusseadme massiga.

Mahuline erienergia maht on salvestusseadme energiamaht jagatud selle salvestusseadme mahuga.

Näide. Pliiaku Panasonic LC-X1265P, mis on mõeldud 12 volti jaoks, laeb 65 ampertundi, kaal on 20 kg. ja mõõtmed (PxLxK) 350 · 166 · 175 mm. Selle kasutusiga temperatuuril t = 20 C on 10 aastat. Seega on selle massispetsiifiline energiaintensiivsus 65 · 12 / 20 = 39 vatt-tundi kilogrammi kohta ja mahuline erienergia intensiivsus on 65 · 12 / (3,5 · 1,66 · 1,75) = 76,7 vatt-tundi kuupdetsimeetri kohta või 0,0767 kWh kuupmeetri kohta.

Eelmises osas käsitletud 1000-liitrisel veepaagil põhineva gravitatsioonienergia salvestusseadme puhul on erimassi energiaintensiivsus vaid 28,583 vatt-tundi/1000 kg = 0,0286 Wh/kg, mis on 1363 korda väiksem. kui plii-tsinkpatareide massienergia intensiivsus. Ja kuigi gravitatsioonilise salvestusseadme kasutusiga võib oluliselt pikem olla, siis ikkagi koos praktiline punkt Vaadates tundub tank vähem atraktiivne kui aku.

Vaatame veel paar näidet energiasalvestitest ja hindame nende spetsiifilist energiaintensiivsust.

Soojusakumulaatori energiamaht

Soojusmahtuvus on soojushulk, mille keha neelab, kui seda kuumutatakse 1 °C võrra. Sõltuvalt sellest, millisesse kvantitatiivsesse ühikusse soojusmahtuvus kuulub, eristatakse massi-, mahu- ja molaarset soojusmahtuvust.

Massi erisoojusmahutavus, mida nimetatakse ka lihtsalt erisoojusvõimsuseks, on soojushulk, mis tuleb lisada aine massiühikule, et seda ühikulise temperatuuri võrra kuumutada. SI-s mõõdetakse seda džaulides, jagatud kilogrammidega kelvini kohta (J kg−1 K−1).

Mahuline soojusmaht on soojushulk, mis tuleb anda aine ruumalaühikule, et seda kuumutada temperatuuriühiku kohta. SI-s mõõdetakse seda džaulides kuupmeetri kohta kelvini kohta (J m−3 K−1).

Molaarne soojusmahtuvus on soojushulk, mis tuleb anda 1 moolile aine kuumutamiseks temperatuuriühiku kohta. SI-s mõõdetakse seda džaulides mooli kohta kelvini kohta (J/(mol K)).

Mool on rahvusvahelises ühikute süsteemis aine koguse mõõtühik. Mool on aine kogus süsteemis, mis sisaldab sama arvu struktuurielemente kui süsinik-12 aatomeid kaaluga 0,012 kg.

Erisoojusmahtuvust mõjutavad aine temperatuur ja muud termodünaamilised parameetrid. Näiteks vee erisoojusmahtuvuse mõõtmine annab 20 °C ja 60 °C juures erinevaid tulemusi. Lisaks sõltub erisoojusmahtuvus sellest, kuidas lastakse aine termodünaamilistel parameetritel (rõhk, maht jne) muutuda; näiteks erisoojusmaht konstantsel rõhul (CP) ja konstantsel mahul (CV) on üldiselt erinevad.

Aine üleminekuga ühest agregatsiooniolekust teise kaasneb soojusmahtuvuse järsk muutus iga aine jaoks kindlal temperatuurimuutuspunktil - sulamistemperatuur (tahke aine üleminek vedelikuks), keemistemperatuur (agregatsiooni üleminek). vedelik gaasiks) ja vastavalt pöördteisenduste temperatuurid: külmumine ja kondenseerumine .

Paljude ainete erisoojusvõimsused on toodud teatmeteostes, tavaliselt konstantsel rõhul toimuva protsessi puhul. Näiteks vedela vee erisoojusmaht normaaltingimustes on 4200 J/(kg K); jää - 2100 J/(kg K).

Esitatud andmete põhjal võite proovida hinnata veesoojusakumulaatori soojusmahtuvust (abstraktne). Oletame, et vee mass selles on 1000 kg (liitrit). Kuumutame 80 °C-ni ja laseme soojust eraldada, kuni see jahtub 30 °C-ni. Kui te ei vaeva end selle pärast, et soojusmahtuvus on erinevatel temperatuuridel erinev, võib eeldada, et soojusakumulaator eraldab 4200 * 1000 * 50 J soojust. See tähendab, et sellise soojusaku energiamaht on 210 megadžauli ehk 58,333 kilovatt-tundi energiat.

Kui võrrelda seda väärtust tavalise autoaku energialaenguga (720 vatt-tundi), siis näeme, et kõnealuse soojusaku energiamaht on võrdne ligikaudu 810 elektripatarei energiamahutavusega.

Sellise soojusaku erimassi energiaintensiivsus (isegi arvestamata selle anuma massi, milles soojendatav vesi tegelikult hoitakse, ja soojusisolatsiooni massi) on 58,3 kWh/1000 kg = 58,3 Wh/kg. See osutub juba suuremaks kui plii-tsinkpatarei massienergia intensiivsus, mis on võrdne, nagu ülal arvutatud, 39 Wh/kg.

Ligikaudsete arvutuste kohaselt on soojusakumulaator võrreldav tavalise autoakuga mahulise erienergia mahu poolest, kuna kilogramm vett on ruumala detsimeeter, mistõttu on ka selle mahuline energiamahutavus 76,7 Wh/kg, mis langeb täpselt kokku pliiaku mahulise erisoojusmahuga. Tõsi, soojusaku arvutamisel võtsime arvesse ainult vee mahtu, kuigi oleks vaja arvestada ka paagi mahtu ja soojusisolatsiooni. Kuid igal juhul pole kaotus nii suur kui gravitatsioonisalvestusseadme puhul.

Muud tüüpi energiasalvestid

Artiklis “Ülevaade energiasalvestitest (akudest)” on toodud veel mõnede energiasalvestite erienergia intensiivsuse arvutused. Laename sealt mõned näited

Kondensaatorite salvestusruum

Kondensaatori võimsusega 1 F ja pingega 250 V on salvestatud energia: E = CU2 /2 = 1 ∙ 2502 /2 = 31,25 kJ ~ 8,69 W h. Kui kasutate elektrolüütkondensaatoreid, võib nende kaal olla 120 kg. Salvestusseadme erienergia on 0,26 kJ/kg ehk 0,072 W/kg. Töötamise ajal võib ajam pakkuda tunni jooksul koormust kuni 9 W. Eluaeg Elektrolüütkondensaatorid võivad kesta kuni 20 aastat. Energiatiheduse poolest on ionistorid lähedased keemiapatareidele. Eelised: kogunenud energiat saab lühikese aja jooksul ära kasutada.

Gravitatsiooniajami tüüpi akud

Kõigepealt tõstame 2000 kg kaaluva keha 5 m kõrgusele Seejärel langetatakse keha raskusjõu mõjul, pöörates elektrigeneraatorit. E = mgh ~ 2000 ∙ 10 ∙ 5 = 100 kJ ~ 27,8 W h. Erienergia võimsus 0,0138 W h/kg. Töötamise ajal võib ajam pakkuda tunni jooksul koormust kuni 28 W. Ajami kasutusiga võib olla 20 aastat või rohkem.

Eelised: kogunenud energiat saab lühikese aja jooksul ära kasutada.

Hooratas

Hoorattasse salvestatud energia saab leida valemiga E = 0,5 J w2, kus J on pöörleva keha inertsimoment. Silindri raadiusega R ja kõrgusega H:

J = 0,5 p r R4 H

kus r on materjali tihedus, millest silinder on valmistatud.

Piirake lineaarkiirust hooratta perifeerias Vmax (terase puhul umbes 200 m/s).

Vmax = wmax R või wmax = Vmax /R

Siis Emax = 0,5 J w2max = 0,25 p r R2 H V2max = 0,25 M V2max

Erienergia on: Emax /M = 0,25 V2max

Terasest silindrilise hooratta puhul on maksimaalne erienergiasisaldus ligikaudu 10 kJ/kg. 100 kg kaaluva hooratta puhul (R = 0,2 m, H = 0,1 m) võib maksimaalne akumuleeritud energia olla 0,25 ∙ 3,14 ∙ 8000 ∙ 0,22 ∙ 0,1 ∙ 2002 ~ 1 MJ ~ 0,27 kW. Töötamise ajal võib ajam pakkuda tunni jooksul koormust kuni 280 W. Hooratta kasutusiga võib olla 20 aastat või rohkem. Eelised: kogunenud energiat saab kasutada lühikese aja jooksul, jõudlust saab oluliselt parandada.

Super hooratas

Superhooratas on erinevalt tavalistest hooratastest võimeline disainifunktsioonid teoreetiliselt salvestada kuni 500 Wh kilogrammi kaalu kohta. Superhoorataste areng jäi aga millegipärast seisma.

Pneumaatiline aku

Õhk rõhu all 50 atmosfääri pumbatakse teraspaaki mahuga 1 m3. Selle surve talumiseks peavad paagi seinad olema umbes 5 mm paksused. Töö tegemiseks kasutatakse suruõhku. Isotermilise protsessi korral määratakse ideaalse gaasi töö A atmosfääri paisumisel järgmise valemiga:

A = (M / m) ∙ R ∙ T ∙ ln (V2 / V1)

kus M on gaasi mass, m - molaarmass gaas, R - universaalne gaasikonstant, T - absoluutne temperatuur, V1 - gaasi algmaht, V2 - gaasi lõppmaht. Võttes arvesse ideaalse gaasi olekuvõrrandit (P1 ∙ V1 = P2 ∙ V2) selle salvestusseadme teostuse jaoks V2 / V1 = 50, R = 8,31 J/(mol kraadi), T = 293 0K, M / m ~ 50: 0,0224 ~ 2232, gaasitöö paisumisel 2232 ∙ 8,31 ∙ 293 ∙ ln 50 ~ 20 MJ ~ 5,56 kW · tund tsükli kohta. Ajami mass on ligikaudu 250 kg. Erienergia on 80 kJ/kg. Töötamise ajal suudab pneumaatiline salvestusseade anda tunniks koormuse mitte rohkem kui 5,5 kW. Pneumaatilise akumulaatori kasutusiga võib olla 20 aastat või rohkem.

Eelised: akumulatsioonipaak võib asuda maa all, reservuaarina saab kasutada standardseid gaasiballoone vajalikus koguses koos vastava varustusega, tuulemootori kasutamisel saab viimane kompressoripumpa otse juhtida, on piisavalt suur hulk seadmed, mis kasutavad otseselt suruõhu energiat.

Mõnede energiasalvestite võrdlustabel

Võtame kõik ülaltoodud energia salvestamise parameetrid kokkuvõtlikusse tabelisse. Kuid kõigepealt pangem tähele, et erienergia intensiivsus võimaldab meil võrrelda salvestusseadmeid tavapärase kütusega.

Kütuse peamine omadus on selle põlemissoojus, s.o. täielikul põlemisel vabanev soojushulk. Eristatakse eripõlemissoojust (MJ/kg) ja mahtsoojust (MJ/m3). Teisendades MJ kWh-deks saame:

Nagu näeme, ületab kütuse erienergia intensiivsus oluliselt energiasalvestite energiamahukust. Kuna diiselgeneraatoreid kasutatakse sageli varuenergiaallikana, siis võtame lõpptabelisse diislikütuse energiamahukuse, mis võrdub 42624 kJ/kg ehk 11,84 kW-tundi/kg. Ja lisame võrdluseks maagaasi ja vesiniku, sest viimane võib olla aluseks ka energiasalvestite loomisel.

Pudeligaasi (propaan-butaan) erimassi energiasisaldus on 36 mJ/kg. ehk 10 kWh/kg ja vesiniku puhul - 33,58 kWh/kg.

Selle tulemusena saame järgmise tabeli vaadeldavate energiasalvestusseadmete parameetritega (selle tabeli kaks viimast rida lisati võrdluseks traditsiooniliste energiakandjatega):

Selles tabelis toodud arvud on väga ligikaudsed, arvutustes ei võeta arvesse paljusid tegureid, näiteks koefitsienti kasulik tegevus see generaator, mis kasutab salvestatud energiat, vajalike seadmete mahud ja kaalud jne. Need arvud võimaldavad aga minu arvates anda esialgse hinnangu potentsiaalsele energiaintensiivsusele erinevat tüüpi energiasalvestid.

Ja nagu ülaltoodud tabelist nähtub, tundub kõige tõhusam salvestusseadme tüüp olevat vesinikuballoon. Kui vesiniku tootmiseks kasutatakse „tasuta“ (liig)energiat taastuvatest allikatest, siis võib vesinikusalvesti osutuda kõige perspektiivikamaks.

Vesinik saab kasutada kütusena tavalistes sisepõlemismootorites, mis käitavad elektrigeneraatorit, või vesinikkütuseelementides, mis toodavad otse elektrit. Eraldi kaalumist vajab küsimus, milline meetod on tulusam. Noh, vesiniku tootmise ja kasutamise ohutusküsimused võivad üht või teist tüüpi energiasalvestusseadme kasutamise otstarbekuse kaalumisel teha kohandusi. avaldatud

Liituge meiega

Loodus on andnud inimesele erinevaid energiaallikaid: päike, tuul, jõed ja muud. Nende tasuta energiageneraatorite negatiivne külg on stabiilsuse puudumine. Seetõttu hoitakse seda liigse energia perioodidel salvestusseadmetes ja tarbitakse ajutise languse perioodidel. Energiasalvestusseadmeid iseloomustavad järgmised parameetrid:

• salvestatud energia maht;
• selle kogunemise ja tagastamise määr;
• erikaal;
• energia salvestamise perioodid;
• usaldusväärsus;
• tootmis- ja hoolduskulud ja muud.

Salvestusseadmete korraldamiseks on palju meetodeid. Üks mugavamaid on klassifitseerimine salvestusseadmes kasutatava energia tüübi ning selle kogumise ja vabastamise meetodi järgi. Energiasalvestid jagunevad järgmisteks põhitüüpideks:

• mehaaniline;
• soojus;
• elektriline;
• keemiline.

Potentsiaalne energia salvestamine

Nende seadmete olemus on lihtne. Koorma tõstmisel koguneb potentsiaalne energia selle langetamisel, teeb kasulikku tööd. Disaini omadused sõltuvad lasti tüübist. See võib olla tahke, vedel või granuleeritud aine. Reeglina on seda tüüpi seadmete konstruktsioonid äärmiselt lihtsad, seega ka kõrge töökindlus ja pikaajaline teenuseid. Salvestatud energia säilivusaeg sõltub materjalide vastupidavusest ja võib ulatuda tuhandete aastateni. Kahjuks on sellistel seadmetel väike erienergiakulu.

Mehaanilised kineetilise energia salvestusseadmed

Need salvestuvad mis tahes keha liikumises. Tavaliselt on see võnkuv või translatiivne liikumine.

Võnkusüsteemides koondub see keha edasi-tagasi liikumisele. Energia tarnitakse ja kulutatakse osade kaupa, keha liikumisega aja jooksul. Mehhanism on üsna keeruline ja kapriisne seadistada. Laialdaselt kasutatav aastal mehaaniline kell. Salvestatud energia hulk on tavaliselt väike ja sobib ainult seadme enda käitamiseks.

Güroskoopi energiat kasutavad salvestusseadmed

Kineetilise energia varustamine on koondunud pöörlevasse hoorattasse. Hooratta erienergia ületab oluliselt sarnase staatilise koormuse energiat. Lühikese aja jooksul on võimalik saada või vabastada märkimisväärset võimsust. Energia salvestamise aeg on lühike, enamiku kujunduste puhul piiratud mõne tunniga. Kaasaegsed tehnoloogiad võimaldavad pikendada energia salvestamise aega mitme kuuni. Hoorattad on löökide suhtes väga tundlikud. Seadme energia sõltub otseselt selle pöörlemiskiirusest. Seetõttu muutub energia kogunemise ja vabanemise protsessis hooratta pöörlemiskiirus. Ja koormus nõuab reeglina pidevat madalat pöörlemiskiirust.

Paljutõotavamad seadmed on superhoorattad. Need on valmistatud teraslindist, sünteetilisest kiust või traadist. Struktuur võib olla tihe või tühja ruumiga. juuresolekul vaba ruum lindi pöörded liiguvad pöörlemise perifeeriasse, muutub hooratta inertsimoment ning osa energiast salvestub deformatsiooni läbinud vedru. Sellistes seadmetes on pöörlemiskiirus stabiilsem kui tahkete konstruktsioonide puhul ja nende energiaintensiivsus on palju suurem. Lisaks on need ohutumad.

Kaasaegsed superhoorattad on valmistatud kevlarkiust. Need pöörlevad vaakumkambris magnetsuspensioonil. Suudab säilitada energiat mitu kuud.

Mehaanilised salvestusseadmed, mis kasutavad elastseid jõude

Seda tüüpi seade on võimeline salvestama tohutult erienergiat. Mehaanilistest ajamitest on sellel kõige suurem energiaintensiivsus seadmete puhul, mille mõõtmed on mitu sentimeetrit. Väga suure pöörlemiskiirusega suurtel hooratastel on palju suurem energiamaht, kuid need on väga haavatavad välised tegurid ja neil on lühem energia salvestamise aeg.

Vedruenergiat kasutavad mehaanilised salvestusseadmed

Võimeline tagama mis tahes energiasalvestusklassi suurima mehaanilise võimsuse. Seda piirab ainult vedru tugevus. Kokkusurutud vedru energiat saab salvestada mitu aastakümmet. Pideva deformatsiooni tõttu aga koguneb metalli väsimus ja vedru kandevõime väheneb. Samal ajal võivad kõrgekvaliteedilised terasvedrud, sõltuvalt töötingimustest, töötada sadu aastaid ilma märgatava võimsuse vähenemiseta.

Vedru funktsioone saab täita mis tahes elastsete elementide abil. näiteks on need kümneid kordi suuremad kui terasetooted, arvestades salvestatud energiat massiühiku kohta. Kuid kummi kasutusiga on keemilise vananemise tõttu vaid paar aastat.

Mehaanilised salvestusseadmed, mis kasutavad surugaaside energiat

Seda tüüpi seadmetes toimub energia salvestamine gaasi kokkusurumise tõttu. Energia ülejäägi korral pumbatakse gaas surve all kompressori abil silindrisse. Vajadusel kasutatakse surugaasi turbiini või elektrigeneraatori pöörlemiseks. Väikese võimsuse korral on soovitatav kasutada turbiini asemel kolbmootorit. Sadade atmosfääride rõhu all olevas mahutis on gaasil kõrge erienergia tihedus mitu aastat ja kvaliteetsete liitmike olemasolul aastakümneid.

Soojusenergia salvestamine

Suurem osa meie riigi territooriumist asub põhjapoolsetes piirkondades, seega on märkimisväärne osa energiast sunnitud kulutama küttele. Seoses sellega on vaja regulaarselt lahendada soojuse salvestusseadmesse salvestamise ja vajaduse korral selle sealt väljavõtmise probleem.

Enamikul juhtudel pole seda võimalik saavutada kõrge tihedusega salvestatud soojusenergia ja selle oluline salvestusperiood. Mitmete omaduste ja kõrgete hindade tõttu ei sobi olemasolevad tõhusad seadmed laialdaseks kasutamiseks.

Kogunemine soojusmahtuvuse tõttu

See on üks vanimaid meetodeid. See põhineb põhimõttel, et aine kuumutamisel salvestatakse soojusenergiat ja jahutamisel eraldatakse soojust. Selliste draivide disain on äärmiselt lihtne. See võib olla mis tahes tahke aine tükk või suletud anum jahutusvedelikuga. Soojusenergiasalvestitel on väga pikk kasutusiga, peaaegu piiramatu arv energia kogumise ja vabastamise tsükleid. Kuid säilitusaeg ei ületa mitu päeva.

Elektrienergia salvestamine

Elektrienergia on selle kõige mugavam vorm kaasaegne maailm. Seetõttu on laialt levinud elektrilised salvestusseadmed ja suurim areng. Kahjuks on odavate seadmete erivõimsus väike ning suure erivõimsusega seadmed liiga kallid ja lühiajalised. Elektrienergia salvestusseadmed on kondensaatorid, ionistorid ja akud.

Kondensaatorid

See on kõige levinum energiasalvestuse tüüp. Kondensaatorid on võimelised töötama temperatuuril -50 kuni +150 kraadi. Energia kogunemise ja vabanemise tsüklite arv on kümneid miljardeid sekundis. Kui ühendate paralleelselt mitu kondensaatorit, saate hõlpsalt vajaliku mahtuvuse. Lisaks on muudetavad kondensaatorid Selliste kondensaatorite mahtuvust saab muuta mehaaniliselt või elektriliselt või temperatuuriga. Kõige sagedamini võib muutuvaid kondensaatoreid leida võnkeahelates.

Kondensaatorid jagunevad kahte klassi - polaarsed ja mittepolaarsed. Polaarsete (elektrolüütiliste) kasutusiga on lühem kui mittepolaarsetel, millest nad sõltuvad rohkem välised tingimused, kuid neil on samal ajal suurem erivõimsus.

Energiasalvestitena pole kondensaatorid kuigi edukad seadmed. Neil on väike võimsus ja tähtsusetu erikaal salvestatud energiat ja selle salvestusaega arvutatakse sekundites, minutites, harva tundides. Kondensaatoreid kasutatakse peamiselt elektroonikas ja energeetikas.

Kondensaatori arvutamine reeglina raskusi ei tekita. Kõik vajalikku teavet eri tüüpi kondensaatorite kohta on esitatud tehnilistes teatmeteostes.

Ionistorid

Need seadmed asuvad polaarkondensaatorite ja patareide vahel. Neid nimetatakse mõnikord "superkondensaatoriteks". Sellest lähtuvalt on neil tohutul hulgal laadimis-tühjenemisetappe, võimsus on suurem kui kondensaatoritel, kuid veidi väiksem kui väikestel akudel. Energia salvestamise aeg on kuni mitu nädalat. Ionistorid on temperatuuri suhtes väga tundlikud.

Toite akud

Elektrokeemilisi akusid kasutatakse siis, kui on vaja palju energiat salvestada. Selleks sobivad kõige paremini pliihappeseadmed. Need leiutati umbes 150 aastat tagasi. Ja sellest ajast peale pole aku disaini enam midagi põhimõtteliselt uut lisatud. Ilmunud on palju spetsiaalseid mudeleid, komponentide kvaliteet on märkimisväärselt tõusnud ja aku töökindlus on suurenenud. Tähelepanuväärne on see, et erinevate tootjate erinevatel eesmärkidel loodud akude disain erineb vaid pisidetailide poolest.

Elektrokeemiaakud jagunevad veo- ja käivitusakudeks. Veojõulisi kasutatakse elektrisõidukites, katkematutes toiteallikates ja elektritööriistades. Selliseid akusid iseloomustab pikk, ühtlane tühjenemine ja suur tühjenemissügavus. Käivitusakud võivad lühikese aja jooksul toota suurt voolu, kuid sügav tühjenemine on nende jaoks vastuvõetamatu.

Elektrokeemilistel akudel on piiratud arv laadimis-tühjenemise tsükleid, keskmiselt 250 kuni 2000. Isegi kasutamata lähevad need mõne aasta pärast üles. Elektrokeemilised akud on tundlikud temperatuuri suhtes, nõuavad pikka laadimisaega ja tööreeglite ranget järgimist.

Seadet tuleb perioodiliselt laadida. Sõidukile paigaldatud akut laetakse liikumise ajal generaatorist. IN talvine aeg Sellest ei piisa, külm aku ei võta laadimist hästi vastu ja mootori käivitamine võtab kauem aega. Seetõttu on vaja akut täiendavalt laadida soojas ruumis spetsiaalse laadijaga. Plii-happeseadmete üks olulisi puudusi on nende suur kaal.

Patareid väikese võimsusega seadmetele

Kui vajate kergeid mobiilseadmeid, valige järgmist tüüpi akud: nikkel-kaadmium, liitiumioon, metall-hübriid, polümeer-ioon. Neil on suurem erivõimsus, kuid hind on palju kõrgem. Neid kasutatakse sisse Mobiiltelefonid, sülearvutid, kaamerad, videokaamerad ja muud väikesed seadmed. Erinevad tüübid akud erinevad oma parameetrite poolest: laadimistsüklite arv, säilivusaeg, mahutavus, suurus jne.

Suure võimsusega liitiumioonakusid kasutatakse elektrisõidukites ja hübriidautodes. Neil on kerge kaal, suur erivõimsus ja kõrge töökindlus. Samal ajal on liitiumioonakud väga tuleohtlikud. Lühise tõttu võib tekkida tulekahju, mehaaniline deformatsioon või korpuse hävimine, aku laadimis- või tühjenemistingimuste rikkumine. Tulekahju on liitiumi kõrge aktiivsuse tõttu üsna raske kustutada.

Patareid on paljude seadmete aluseks. Näiteks telefoni energiasalvesti on kompaktne seade, mis on paigutatud vastupidavasse veekindlasse korpusesse. See võimaldab teil laadida või toita mobiiltelefon. Võimsad mobiilsed energiasalvestusseadmed on võimelised laadima mis tahes digitaalseid seadmeid, isegi sülearvuteid. Sellistesse seadmetesse on reeglina paigaldatud suure võimsusega liitiumioonakud. Kodused energiasalvestid nõuavad ka patareisid. Kuid need on palju keerulisemad seadmed. Lisaks akule sisaldavad need Laadija, juhtimissüsteem, inverter. Seadmed võivad töötada nii püsivõrgust kui ka muudest allikatest. Keskmine väljundvõimsus on 5 kW.

Keemilise energia salvestamise seadmed

On olemas "kütuse" ja "kütusevaba" tüüpi salvestusseadmed. Need nõuavad eritehnoloogiaid ja sageli mahukaid kõrgtehnoloogilisi seadmeid. Kasutatavad protsessid võimaldavad saada energiat erinevad tüübid. Termokeemilised reaktsioonid võivad toimuda nii madalal kui ka madalal temperatuuril. kõrge temperatuur. Kõrgtemperatuuriliste reaktsioonide komponendid võetakse kasutusele ainult siis, kui see on vajalik energia saamiseks. Enne seda hoitakse neid eraldi, sisse erinevad kohad. Madala temperatuuriga reaktsioonide komponendid asuvad tavaliselt ühes mahutis.

Energia kogunemine kütuse tootmisel

See meetod sisaldab kahte täiesti sõltumatut etappi: energia akumuleerimine ("laadimine") ja selle kasutamine ("tühjenemine"). Traditsioonilised kütused on reeglina suure energia erimahutavusega, pikaajalise ladustamise võimalusega ja kasutusmugavusega. Aga elu ei seisa paigal. Uute tehnoloogiate kasutuselevõtt seab kütusele suuremad nõudmised. Probleem lahendatakse olemasoleva täiustamise ja uute, kõrge energiatarbega kütuseliikide loomisega.

Uute mudelite laialdast kasutuselevõttu takistab ebapiisav arendus tehnoloogilised protsessid, töötamisel suur tule- ja plahvatusoht, kõrgelt kvalifitseeritud personali vajadus, tehnoloogia kõrge hind.

Kütusevaba keemilise energia salvestamine

Seda tüüpi salvestusseadmetes salvestatakse energiat ühe keemilise aine muundamise teel teiseks. Näiteks kuumutamisel läheb see kustutamata olekusse. "Tühjenemise" ajal vabaneb salvestatud energia soojuse ja gaasi kujul. Täpselt nii juhtub lubja kustutamisel veega. Reaktsiooni alguseks piisab tavaliselt komponentide kombineerimisest. Sisuliselt on see teatud tüüpi termokeemiline reaktsioon, ainult et see toimub sadade ja tuhandete kraadide temperatuuridel. Seetõttu on kasutatavad seadmed palju keerukamad ja kallimad.

Üks energiavarustuse väljakutseid on energianõudluse ja -pakkumise vahelise tasakaalu säilitamine. Näiteks, Inimkeha tarbib energiat süsivesikute, rasvade ja valkude kujul; selle ülejääk ladestub rasvana. Kui

Energiavajadus ületab selle varu, organism kasutab rasvaladestused ära ja muutume saledamaks. Süsivesikud, valgud ja rasvad moodustavad keha "toidukütuse", selle "energiahoidla".

Kütus on soojusenergia allikas, mida on vajaduse korral lihtne hankida ja kui see pole vajalik, siis salvestada selle konkreetse põleva materjali kujul. Kõiki traditsioonilisi põlevaid materjale, nagu kivisüsi, küttepuud ja õli, saab hoiustada ja need on mugavad, kui vajadus nende järele pole piisavalt suur. Teisi energialiike ei saa aga iseseisvalt salvestada.

Võtame näiteks elektrienergia. See on üks kõige sagedamini kasutatavaid energiavorme. Seda saab kõigilt traditsioonilised tüübid kütused Kui aga nõudlus elektri järele ei ole toodetava energia hulgaga võrreldes piisavalt suur, on selle otsene salvestamine võimatu. Elektri salvestamiseks tuleb see muundada muudeks energialiikideks. Seda tehakse ühel kolmest järgmisest viisist.

Elektri salvestamine pumbajaamade abil. Madala nõudlusega perioodidel saab elektrit kasutada vee pumpamiseks madalast veehoidlast kõrgel asuvasse reservuaari. Järgnev vee tagasivool madalal asuvasse reservuaari ja selle läbimine turbogeneraatorist võimaldab elektrienergiat taastada.

Õhu kokkusurumine. Üleliigset elektrit saab kasutada ka õhu kokkusurumiseks maa-alustes mahutites. Seejärel saab elektrienergiat regenereerida suruõhu juhtimisel läbi turbiini.

Vesiniku tootmine. Tulevikus võib olla võimalik toota veest suures mahus vesinikku, näiteks elektrolüüsi teel. Praegu ei ole see energia salvestamise meetod veel majanduslikult põhjendatud.

Keemilised jõuallikad ja kütuseelemendid

Need seadmed võimaldavad neis talletatud keemilist energiat vastavalt vajadusele elektrienergiaks muuta.

Keemiline vooluallikas on kaasaskantav elektrienergia allikas. See koosneb ühest või mitmest järjestikku ühendatud elektrokeemilisest elemendist (vt punkt 10.5). On vaja eristada primaarseid elektrokeemilisi elemente ja sekundaarseid elemente. Peamised elemendid ei ole

taaslaetavad, need on ühekordsed elemendid (näiteks taskulambi aku) ja sekundaarseid elemente saab laadida mitu korda. Autodes kasutatav pliiaku koosneb sekundaarelementidest.

Erinevalt keemilisest vooluallikast töötab kütuseelement kemikaalid, mida ammendudes pidevalt asendatakse. Kõige tavalisem kütuseelemendi tüüp on vesinik-hapnik kütuseelement (vt jaotis 10.5). Seda tüüpi kütuseelemente kasutatakse kosmoselaevades; selle mugavus seisneb selles, et see ei too mitte ainult elektrienergiat, vaid ka vett.

Mehaaniline ladustamine(MN) ehk mehaaniline energiaakumulaator on seade kineetilise või potentsiaalse energia salvestamiseks ja salvestamiseks koos selle järgneva vabastamisega. kasulikku tööd.

Nagu igat tüüpi energiasalvestusseadmete (ES) puhul, on ka MN-i iseloomulikud töörežiimid tasu(kogunemine) ja tühjenemine(energia vabanemine). Säilitamine energia toimib MN vaherežiimina. Laadimisrežiimis tarnitakse MN-i mehaaniline energia välisest allikast ning energiaallika spetsiifilise tehnilise teostuse määrab MN tüüp. MN tühjenemisel kandub põhiosa selle salvestatud energiast üle tarbijale. Osa kogunenud energiast kulutatakse tühjendusrežiimis tekkivate kadude kompenseerimiseks ja enamiku MN tüüpide puhul ka salvestusrežiimides.

Kuna paljudes hoidlates võib laadimisaeg olla palju pikem kui tühjendusaeg (r3), on võimalik keskmise tühjendusvõimsuse märkimisväärne ületamine R P üle keskmise võimsus P3 tasu MN. Seega on MN-is lubatud energiat koguda suhteliselt väikese võimsusega allikate abil.

Peamised MN-i tüübid jagunevad staatilisteks, dünaamilisteks ja kombineeritud seadmeteks.

Staatiline MN varusid potentsiaalne energia läbi töövedeliku kuju või mahu elastse muutuse või kui see liigub gravitatsiooniväljas vastu gravitatsiooni suunda. Nende MN-ide tahkel, vedelal või gaasilisel töövedelikul on energia salvestamise režiimis staatiline olek ning NE laadimisega ja tühjenemisega kaasneb töövedeliku liikumine.

Dünaamiline MN-id koguvad kineetilist energiat peamiselt tahkete kehade pöörlevates massides. Tavapäraselt hõlmavad dünaamilised MN-id ka laetud elementaarosakeste kiirendite salvestusseadmeid, millesse salvestatakse suletud trajektoore pidi tsükliliselt liikuvate elektronide või prootonite kineetiline energia.

Kombineeritud MN-id salvestavad samaaegselt kineetilist ja potentsiaalset energiat. Kombineeritud MN-i näide on ülitugevast kiudmaterjalist valmistatud superhooratas, millel on suhteliselt madal elastsusmoodul. Kui see MN selles pöörleb, koos kineetiline energia salvestatakse elastse deformatsiooni potentsiaalne energia. Sellisest MN-st kogunenud energia ammutamisel saavutatakse selle mõlema tüübi kasutamine.

Salvestuselemendi massi- või ruumalaühiku kohta kogunenud erienergia taseme poolest on dünaamilised inertsiaalsed MN-id oluliselt paremad kui mõned muud tüüpi NE (näiteks induktiivsed ja mahtuvuslikud salvestusseadmed). Seetõttu pakuvad MN-id suurt praktilist huvi mitmesuguste rakenduste jaoks erinevates tehnoloogia- ja teadusuuringute valdkondades.

Teatud tüüpi MN on nüüdseks leidnud laialdast rakendust elektrienergiatööstuses, näiteks juhend - Elektrijaamade ro-salvestuspaigaldised. Nende töötamise laadimis-tühjenemise tsükkel ulatub kümnetesse tundidesse.

Inertsiaalseid MN-e iseloomustavad lühiajalised tühjendusrežiimid. Energia eemaldamisega MN-st kaasneb hooratta nurkkiiruse vähenemine vastuvõetava tasemeni. IN mõningatel juhtudel pidurdamine võib toimuda kuni hooratta täieliku seiskumiseni. Võimalikud on lööklahendused, mida iseloomustab salvestatud energia ühekordne või tsükliline väljavõtmine ning MN suure kineetilise momendi ja lühikese tühjenemisaja tõttu on selle rootori nurkkiiruse vähenemine suhteliselt väike, kuigi tarnitav võimsus võib ulatuda üsna kõrgetele väärtustele. Selles režiimis MN erinõuded on vajalikud võlli tugevuse tagamiseks. Pöördemomendi mõjul tekivad võllis ohtlikud nihkepinged. Rootori kineetiline energia muundatakse potentsiaalseks energiaks elastsed deformatsioonid võlli torsioon. Nende raskuste ületamiseks on mõnes MN-i konstruktsioonis ette nähtud elastsed või hõõrdühendused.

Staatilised MN-id säilitavad paigal seistes salvestatud energia. Potentsiaalse energia kandjateks neis on elastselt deformeerunud tahked ained või kokkusurutud gaasid ülerõhu all, samuti maapinna suhtes kõrgusele tõstetud massid. Staatiliste MN-ide tüüpilised näited on: venitatud või kokkusurutud vedrud, kumm; gaasiballooni patareid ja pneumaatilised akud; erinevate vaiatõutajate löökseadmed, näiteks vaiade löömiseks, kasutades massienergiat tõstetud olekus; pumbajaamade reservuaarid, veepumplate mahutid. Toome välja mõnede tüüpiliste seadmete põhilised energiasuhted ja iseloomulikud parameetrid.

Kaaluge MN-i koos elastne elemendid.

Meie usume tahkes olekus süsteem on lineaarne, siis on elastsel salvestuselemendil konstantne jäikus (või elastsus) N= Konst. Sellele mõjuv jõud F=Nx võrdeline lineaarse deformatsiooniga X. MN laadimisel tehtud elementaarne töö dW=Fdx. Kogu salvestatud energia

W = J Fdx= J Nxdx = NAH2/2-FaAh/2, Oo

Kus Ah on tekkiv deformatsioon, mis piirdub nt. Vastuvõetav Pinge ar materjal; Fn = NAH - rakendatud jõud.

Hindame erienergiat Wya = Wj M, massiühiku kohta M= yV=ySh vedru või varda maht V ja ristlõige S, mille materjali tihedus on y ja see puruneb Hooke'i seaduse piires a= xfE, ja X*=xfh- suhteline deformatsioon, E- elastsusmoodul (Young’s), G^Gp. Sisenedes da= Edx„ saame kirja panna DW=Fhdx*=Fhdo/E Ja dWya= dW/ySh=Fda/ySE, kust kohas C=F/S leiame

Wya=](aljE)da = a2J(2jE).KOHTA

Terase jaoksvedrud võtame vastuс„ = 8 108 N/m"E= 2 ,1-1011 N/m2,y = 7800 kg/m3, siisWya ^200 J/kg. Ana Tehnilise kummi loogiline arvutus annab aga sõltuvuse hüstereetilisest iseloomust tulenevalt ^spd^350 J/kg F= F(X) Laadimis-tühjenemise tsüklis põhjustavad sellest tulenevad kaod ja kuumenemine TO kummi järkjärguline vananemine (hävimine), ebastabiilsus ja elastsete omaduste halvenemine.

Gaasihoidla süsteem on keskkonna suhtes mehaaniliselt mittetasakaalus: kui süsteemi ja keskkonna temperatuurid on võrdsed (T=T0C) süsteemi rõhk p>p0,c, seega saab süsteem tööd teha. Elastsusenergia reserv, mis on kokkusurutud silindris mahuga V gaas on

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

Vastavalt punktile (4.1) on iga surugaasi massiühiku M kohta erienergia

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

Põhineb (4.2) juures K=1m3 väärtus W- WysM arvuliselt võrdne rõhulangusega Ar=p1-p1. Näiteks kui A/? = 250 105 Pa (algrõhk p! = 105 Pa), siis IL = 25-106 J olenemata keemiline koostis gaas Wya maksimaalne väärtus, kui surugaas paisub antud temperatuuril nullrõhuni vastavalt Mendelejevi-Clapeyroni võrrandile PV- MvRyT ulatub

Wya=WlM=RyTI", (4.3)

kus q = M/Mc – molaarmass (kg/kmol); Ry& ~8,314 kJ/(kmol K) - universaalne gaasikonstant Tx273 K juures; /? «105Pa; Mm on kilomoolide arv gaasis massiga M.

(4.3) põhjal on selge, et kõige tõhusam on kergete gaaside kasutamine MP-s. Kergeima gaasi – vesiniku (c = 2 kg/kmol) puhul G = 300 K juures on erienergia ~1250 kJ/kg (ehk 1250 J/g). Rõhk ei ole sõnaselgelt hõlmatud punktiga (4.3), kuna Wya määrab (4.2) gaasi ülerõhu ja selle tiheduse suhtega. Viimane suureneb rõhu suurenemise ja Г= const vastavalt lineaarsele seadusele (isotermilises protsessis PV= Const). Tuleb märkida, et vaadeldavate MP-de tõhusaks kasutamiseks sobivad kõrged rõhud määravad tugevuse tõttu olulise gaasiballoonide massi, mida arvesse võttes saab paigaldise kui terviku väärtust Wya vähendada võrra. peaaegu suurusjärgus võrreldes fVyaga alates (4.2), (4.3). Silindrite tugevust saab hinnata Projekti seoste § 4.5.7 abil.

Mõelgem gravitatsiooniline energiasalvestid.

Maa külgetõmbejõu gravistaatiline energia (ora tasemel) on hinnanguliselt üsna suur kõrge määr"löök = 61,6 MJ/kg, mis iseloomustab tööd, mis on vajalik Mx = Kg massiga keha ühtlaseks liigutamiseks maapinnalt kosmosesse (võrdluseks toome välja, et see väärtus PVya on ligikaudu kaks korda suurem keemiline energia 1 kg petrooleumi). Koorma tõstmisel kaalumine M kõrgusele h= x2 -xl salvestatud potentsiaalne energia

W=jgMdx=gMh , (4.4)

Kus M = const, g = 9,8 l m/s2. Vastavalt (4.4) erienergiale Wya=WjM=gh oleneb ainult kõrgusest h. Salvestatud energia vabaneb koormuse langemisel ja vastav kasulik töö tehakse potentsiaalse energia kineetiliseks energiaks ülemineku tulemusena. Suurima erilise kineetilise energia looduses langemise ajal võivad arendada meteoriidid, mille puhul Wya^60 MJ/kg (arvestamata energiakulusid atmosfääri hõõrdumiseks).

Loodusmasside tekitatud gravitatsioonijõudude otsene kasutamine on praktiliselt võimatu. Kuid pumbates vett kõrgendatud tehisreservuaaridesse või maa-alustest reservuaaridest pinnale, saab salvestada piisavalt suuri koguseid potentsiaalset energiat suuremahuliste rakenduste jaoks elektrienergia süsteemides. Kui taseme erinevus h= 200 m, siis, võttes aluseks vee massi M = 103 kg, on salvestatud energia vastavalt (4.4) võrdne I> "= 1962 kJ, erienergia Wya= WjM= 1,962 kJ/kg.

Mõelgem inertsiaalne kineetika MN.

Põhimõtteliselt saab kineetilist energiat salvestada igasuguse massi liikumise ajal. Massi keha ühtlaseks translatsiooniliseks liikumiseks M kiirusega v kineetiline energia W=Mv2 / 2. Erienergia Wya=W/M=v2 j2 oleneb (kvadraatiliselt) ainult keha lineaarkiirusest. Esimese põgenemiskiirusega km/s liikuval kehal on spetsiifiline

Energia Wyax32 MJ/kg.

Erinevate energia- ja transpordirakenduste jaoks on pöörleva liikumise MN-id - inertsiaalsed MN-id (hoorattad) - ratsionaalsed. Salvestatud kineetiline energia W=J& / ~ määratakse nurkkiiruse ruuduga K= 2nn (P- pöörlemiskiirus) ja inertsimoment J hooratas pöörlemistelje suhtes. Kui ketashoorattal on raadius G ja mass M =yV (V- helitugevus, juures- materjali tihedus), t°

J^Mr2/2 = yVr2j2 Ja W = n2Mr2n2 = n2yVr2n2. Vastav erienergia (ühiku kohta M või V) ulatub F.V./M=n*r2n2 , J/kg ja lV0ya=W/V=n2 a2n2 , J/m3. Q ja n väärtused antud suuruse g jaoks on piiratud lineaarse perifeerse kiirusega v= Q.r= 2 mr, mis on seotud materjali lubatud purunemispingega ar. On teada, et pinge a kettas või silindrilises rootoris MN sõltub v2-st. Sõltuvalt metallist hoorataste geomeetrilisest kujust iseloomustavad neid maksimaalsed lubatud perifeersed kiirused ligikaudu 200 kuni 500 m/s.

Kogunenud energia, eriti õhukese velje hooratta jaoks, W=Mv /2 (M- pöörleva rõnga mass). Spetsiifiline energia Wya=W/M=v2 /2 ei sõltu rõnga mõõtmetest ja on määratud selle materjali parameetrite Or/y suhtega (vt § 4.5.1, kus on näidatud, et v2 = opj U). Tuleb märkida, et sarnane muster Wya~avjу puhul esineb ka induktiivsetes energiasalvestites (vt ptk 2), kuigi need erinevad oluliselt MN-st oma füüsilise olemuse poolest. Üldjuhul on MN salvestuselementide valmistamisel vaja kasutada materjale, mille Gp/y väärtused on > 105 J/kg. Sobivamateks materjalideks on ülitugevad legeerterased, titaanisulamid, aga ka kerged alumiiniumisulamid (Duralumin tüüpi) ja magneesiumsulamid (Electron tüüpi). Metallmaterjale kasutades on võimalik saada MN erienergiat kuni Wm = 200-300 kJ/kg.

Eriti suure erienergiaga hoorataste (superhoorattad) loomiseks mõeldud peenkiudmaterjalid võivad teoreetiliselt pakkuda järgmisi Wya tasemeid: klaasniidid - 650 kJ/kg, kvartsniidid - 5000 kJ/kg, süsinikkiud (teemantiga). struktuur) - 15000 kJ/kg . Niidid (või nendest valmistatud teibid) ja kleepuvad vaigud moodustavad komposiitstruktuuri, mille tugevus on väiksem kui originaalkiududel. Võttes arvesse tõeliste superhoorataste kinnituselemente, saavutatakse praktiliselt Zhd väärtused, mis on näidatust väiksemad, kuid siiski suhteliselt kõrgemad kui teistel MN-i sortidel. Superhoorattad võimaldavad perifeerset kiirust kuni v“1000 m/s. Selliste seadmete tehniline rakendamine nõuab sätteid eritingimused. Näiteks on vaja hooratas paigaldada evakueeritud korpusesse, kuna määratud väärtused v vastavad ülehelikiirusele õhus (Machi arv Ma>1), mis üldiselt võivad põhjustada mitmeid vastuvõetamatuid mõjusid: Õhu kokkusurumise löökide ja lööklainete ilmnemine, aerodünaamilise takistuse ja temperatuuri järsk tõus.

Mitmekihilised kiust superhoorattad on ülimalt töökindlad ja turvalisemad kasutada kui tahke hoorattad. Inertsiaalsetest jõududest põhjustatud lubamatute koormuste korral hävivad ülihooratta kiudkomposiitstruktuurist ainult kõige pingelisemad välimised kihid, samas kui massiivse hooratta hävimisega kaasneb selle purunenud osade hajumine.

Staatilise ja dünaamilise MN-i omaduste kombinatsioon esineb erinevates seadmetes. Lihtsaim neist on võnkuv pendel. Potentsiaalse energia kineetiliseks energiaks vastastikuse muundamise tsüklilist protsessi saab pendlimehhanismi kadude kompenseerimisel säilitada üsna pikka aega.

Vaatleme illustreerivaid näiteid MN-idest, mis salvestavad laadimise ajal nii kineetilist kui ka potentsiaalset energiat. Need näitavad mõlemat tüüpi akumuleeritud kogumi ühise praktilise kasutamise põhimõttelisi võimalusi mehaaniline energia. Joonisel fig. 4.1, A näitab massikoormust M, pöörleb ümber keskpunkti KOHTA pikkusega / absoluutselt jäigal nööril, mis on vertikaalasendist nurga võrra kõrvale kaldunud vrd. Lineaarne kiirus v vastab M pöörlevale liikumisele mööda raadiusega ringi G. Koorma potentsiaalne energia Wn=gMh kõrgusele tõusmise tõttu h kõrvalekaldumise tagajärjel. Koormuse kineetiline energia on 1FK = 0,5 Mv2 . Koorusele mõjub jõud F = F„ + Fr. Selle inertsiaalne komponent on võrdne gravitatsioonikomponendi F väärtusega FK = Mv lr> T= gM. Kuna F„/Fr = r2/rg = tan(D, ulatuses Wn/WK= 2 tundi/rtg^>. Kui arvesse võtta^! et A = /(l - coscp) ja r = /sincp, siis /r/r = (1 - coscp)/sincp. Seega W„l lFK = 2coscp/(l +cos(p), ja juhul ср->0 saame Wn/WK->1. Järelikult saab väikeste nurkade ср korral salvestatud energia fV=JVK+Wn jagada võrdseteks osadeks ( W Wn väärtust saab suurendada, kui kinnitate koormuse elastsele vedrustusele (varras või nöör).

Veel üks näide liigeste kogunemisest W„ Ja W.K. toimib pöörleva õhukese äärisega hoorattana (joonis 4.1, b), millel on elastsus (jäikus) N. Velje pinge ^p = NAI on võrdeline inertsiaalsete jõudude põhjustatud elastse pikenemisega A/ = 2l(g - r0). AFr= AMv2 /G, jagatud Nymi piki velje ümbermõõtu raadiusega r Velje elemendi tasakaal massiga 2ДМ=2(Л//2л;)Д(р) määratakse seosega 2A/v = 2A/7(()sinAcp^Ai). ^Acp, millest 0,5 Mv2 = 2K2 (r-r0 )N. Seega velje kineetiline energia lVK= 2n2 (r-r0 )N. Kuna salvestatud potentsiaalne energia)