Природата е дала на човека различни източници на енергия: слънце, вятър, реки и други. Недостатъкът на тези генератори на безплатна енергия е липсата на стабилност. Следователно, по време на периоди на излишна енергия, тя се съхранява в устройства за съхранение и се изразходва по време на периоди на временна рецесия. Устройствата за съхранение на енергия се характеризират със следните параметри:
- количество съхранявана енергия;
- скорост на неговото натрупване и връщане;
- специфично тегло;
- време за съхранение на енергия;
- надеждност;
- разходи за производство и поддръжка и други.
Има много начини за организиране на дискове. Една от най-удобните е класификацията според вида на енергията, използвана в устройството за съхранение, и според начина на нейното натрупване и връщане. Устройствата за съхранение на енергия са разделени на следните основни типове:
- механичен;
- термичен;
- електрически;
- химически.
Натрупване на потенциална енергия
Същността на тези устройства е ясна. При повдигане на товар се натрупва потенциална енергия; при спускане той извършва полезна работа. Характеристиките на дизайна зависят от вида на товара. Тя може да бъде твърда, течна илирохкава субстанция. По правило дизайните на устройства от този тип са изключително прости, оттук и високата надеждност и дълъг експлоатационен живот. Времето за съхранение на съхранената енергия зависи от издръжливостта на материалите и може да достигне хилядолетия. За съжаление, такива устройства имат ниска енергийна плътност.
Механично съхранение на кинетична енергия
В тези устройства енергията се съхранява в движението на тялото. Обикновено това е осцилаторно или транслационно движение.
Кинетичната енергия в осцилаторните системи е концентрирана във възвратно-постъпателното движение на тялото. Енергията се доставя и изразходва на порции, във времето с движението на тялото. Механизмът е доста сложен и капризен в настройката. Широко използван в механичните часовници. Количеството съхранявана енергия обикновено е малко и е подходящо само за работата на самото устройство.
Устройства за съхранение с жироскоп
Запасът от кинетична енергия е концентриран във въртящ се маховик. Специфичната енергия на маховика значително надвишава енергията на подобно статично натоварване. Възможно е да се получи или изведе значителна мощност за кратък период от време. Времето за съхранение на енергия е кратко и за повечето дизайни е ограничено до няколко часа. Съвременните технологии позволяват да се сведе времето за съхранение на енергия до няколко месеца. Маховините са много чувствителни към удари. Енергията на устройството е пряко зависима от скоростта на неговото въртене. Следователно, в процеса на натрупване и връщане на енергия, настъпва промяна в скоростта на въртене на маховика. И за товар катокато правило се изисква постоянна, ниска скорост на въртене.
По-обещаващи устройства са супермаховиците. Изработени са от стоманена лента, синтетични влакна или тел. Дизайнът може да е плътен или да има празно пространство. Ако има свободно пространство, намотките на лентата се придвижват към периферията на въртене, моментът на инерция на маховика се променя, част от енергията се съхранява в деформираната пружина. В такива устройства скоростта на въртене е по-стабилна, отколкото в твърди конструкции, а консумацията на енергия е много по-висока. Освен това са по-безопасни.
Модерните супер маховици са направени от кевларни влакна. Те се въртят във вакуумна камера върху магнитно окачване. Способен да съхранява енергия за няколко месеца.
Механично съхранение с помощта на еластични сили
Този тип устройство е способно да съхранява огромна специфична енергия. От механичните задвижвания той има най-висока енергийна интензивност за устройства с размери от няколко сантиметра. Големите маховици с много високи скорости на въртене имат много по-високо енергийно съдържание, но са много уязвими на външни влияния и имат по-кратко време за съхранение на енергия.
Пролетно механично съхранение на енергия
В състояние да осигури най-високата механична мощност от всеки клас за съхранение на енергия. Тя е ограничена само от якостта на опън на пружината. Енергията в компресирана пружина може да се съхранява в продължение на няколко десетилетия. Въпреки това, поради постоянна деформация, умора се натрупва в метала и капацитета на пружинатанамалява. В същото време висококачествените стоманени пружини, при подходящи работни условия, могат да работят стотици години без значителна загуба на капацитет.
Пружинните функции могат да се изпълняват от всякакви еластични елементи. Гумените ленти, например, са десетки пъти по-добри от стоманените продукти по отношение на съхраняваната енергия на единица маса. Но експлоатационният живот на гумата поради химическо стареене е само няколко години.
Механични устройства за съхранение, използващи енергията на сгъстени газове
В този тип устройства енергията се съхранява чрез компресиране на газа. При наличие на излишък от енергия газът се изпомпва под налягане в цилиндъра с помощта на компресор. Ако е необходимо, сгъстен газ се използва за завъртане на турбина или електрически генератор. При ниски мощности е препоръчително да използвате бутален двигател вместо турбина. Газът в съд под налягане от стотици атмосфери има висока специфична енергийна плътност в продължение на няколко години, а с висококачествени фитинги - за десетилетия.
Съхранение на топлинна енергия
По-голямата част от територията на страната ни се намира в северните райони, така че значителна част от енергията е принудена да се изразходва за отопление. В тази връзка е необходимо редовно да се решава проблемът със запазването на топлината в задвижването и извличането й от там, ако е необходимо.
В повечето случаи не е възможно да се постигне висока плътност на съхраняваната топлинна енергия и значителни периоди на нейното запазване. Съществуващи ефективни устройства впоради някои от неговите характеристики и висока цена не са подходящи за широко приложение.
Съхранение поради топлинен капацитет
Това е един от най-древните начини. Той се основава на принципа на натрупване на топлинна енергия при нагряване на веществото и пренос на топлина при охлаждане. Дизайнът на такива устройства е изключително прост. Може да бъде парче от всяко твърдо вещество или затворен контейнер с течна охлаждаща течност. Топлоенергийните акумулатори имат много дълъг експлоатационен живот, почти неограничен брой цикли на натрупване и освобождаване на енергия. Но времето за съхранение не надвишава няколко дни.
Съхранение на електрическа енергия
Електрическата енергия е най-удобната нейна форма в съвременния свят. Ето защо електрическите устройства за съхранение са широко използвани и най-развити. За съжаление специфичният капацитет на евтините устройства е малък, а устройствата с висок специфичен капацитет са твърде скъпи и краткотрайни. Устройствата за съхранение на електрическа енергия са кондензатори, йонистори, батерии.
Кондензатори
Това е най-масовият тип съхранение на енергия. Кондензаторите могат да работят при температури от -50 до +150 градуса. Броят на циклите на натрупване и връщане на енергия е десетки милиарди в секунда. Чрез свързване на няколко кондензатора паралелно, можете лесно да получите необходимия капацитет. Освен това има променливи кондензатори. Промяната на капацитета на такива кондензатори може да се извърши механично или електрически или чрез температура. Най-често могат да се намерят променливи кондензаториосцилаторни вериги.
Кондензаторите са разделени на два класа - полярни и неполярни. Срокът на експлоатация на полярните (електролитни) е по-кратък от неполярните, те са по-зависими от външни условия, но в същото време имат по-голям специфичен капацитет.
Тъй като кондензаторите за съхранение на енергия не са много успешни устройства. Те имат нисък капацитет и незначителна специфична плътност на акумулираната енергия, а времето за съхранение се изчислява в секунди, минути, рядко часове. Кондензаторите са намерили приложение главно в електрониката и енергийната електротехника.
Изчисляването на кондензатора, като правило, не създава затруднения. Цялата необходима информация за различните видове кондензатори е представена в технически ръководства.
Йонистори
Тези устройства заемат междинна позиция между полярните кондензатори и батериите. Понякога се наричат "суперкондензатори". Съответно, те имат огромен брой етапи на зареждане-разряд, капацитетът е по-голям от този на кондензаторите, но малко по-малък от този на малките батерии. Времето за съхранение на енергия е до няколко седмици. Йонисторите са много чувствителни към температурата.
Електронни батерии
Електрохимичните батерии се използват, ако трябва да съхранявате много енергия. Оловно-киселинните устройства са най-подходящи за тази цел. Те са измислени преди около 150 години. И оттогава нищо принципно ново не е въведено в батерията. Появиха се много специализирани модели, качеството на компонентите се увеличи значително,надеждност на батерията. Трябва да се отбележи, че устройството на батерия, създадена от различни производители, се различава само в незначителни детайли за различни цели.
Електрохимичните батерии са разделени на тягови и стартови. Сцеплението се използва в електротранспорта, непрекъсваемите захранвания, електроинструментите. Такива батерии се характеризират с дълъг равномерно разреждане и голяма дълбочина. Стартерните батерии могат да доставят висок ток за кратък период от време, но дълбокият разряд не е приемлив за тях.
Електрохимичните батерии имат ограничен брой цикли на зареждане-разряд, средно от 250 до 2000. Дори и да не се използват, те се отказват след няколко години. Електрохимичните батерии са чувствителни към температурата, изискват дълго време за зареждане и изискват стриктна поддръжка.
Устройството трябва да се презарежда периодично. Батерията, монтирана на автомобила, се зарежда в движение от генератора. През зимата това не е достатъчно, студената батерия не приема добре зареждане и консумацията на електроенергия за стартиране на двигателя се увеличава. Ето защо е необходимо допълнително да заредите батерията в топла стая със специално зарядно устройство. Един от съществените недостатъци на оловно-киселинните устройства е тяхното голямо тегло.
Батерии за устройства с ниска мощност
Ако са необходими мобилни устройства с ниско тегло, изберете следните видове батерии: никел-кадмиеви,литиево-йонни, метално-хибридни, полимерно-йонни. Те имат по-висок специфичен капацитет, но цената е много по-висока. Използват се в мобилни телефони, лаптопи, фотоапарати, видеокамери и други малки устройства. Различните видове батерии се различават по своите параметри: брой цикли на зареждане, срок на годност, капацитет, размер и др.
Литиево-йонните батерии с висока мощност се използват в електрически превозни средства и хибридни превозни средства. Те са с малко тегло, висок специфичен капацитет и висока надеждност. В същото време литиево-йонните батерии са много запалими. Запалване може да възникне от късо съединение, механична деформация или разрушаване на корпуса, нарушения на режимите на зареждане или разреждане на батерията. Гасенето на пожар е доста трудно поради високата активност на лития.
Батериите са гръбнакът на много уреди. Например устройство за съхранение на енергия за телефон е компактна външна батерия, поставена в издръжлив, водоустойчив калъф. Позволява ви да зареждате или захранвате мобилния си телефон. Мощните мобилни устройства за съхранение на енергия са способни да зареждат всякакви цифрови устройства, дори лаптопи. В такива устройства като правило се монтират литиево-йонни батерии с голям капацитет. Съхранението на енергия за дома също не е пълно без батерии. Но това са много по-сложни устройства. В допълнение към батерията, те включват зарядно устройство, система за управление и инвертор. Устройствата могат да работят както от фиксирана мрежа, така и от други източници. Изходната мощност е средно 5 kW.
Задвижванияхимическа енергия
Разграничаване между "горивни" и "не-горивни" видове задвижвания. Те изискват специални технологии и често обемисто високотехнологично оборудване. Използваните процеси дават възможност за получаване на енергия в различни форми. Термохимичните реакции могат да протичат както при ниски, така и при високи температури. Компоненти за високотемпературни реакции се въвеждат само когато е необходимо да се получи енергия. Преди това те се съхраняват отделно, на различни места. Компонентите за реакции при ниска температура обикновено са в един и същи контейнер.
Съхранение на енергия чрез използване на гориво
Този метод включва два напълно независими етапа: натрупване на енергия ("зареждане") и нейното използване ("разреждане"). Традиционното гориво, като правило, има голям специфичен енергиен капацитет, възможност за дългосрочно съхранение и лекота на използване. Но животът не стои на едно място. Въвеждането на нови технологии поставя повишени изисквания към горивото. Задачата се решава чрез подобряване на съществуващите и създаване на нови, високоенергийни горива.
Широко внедряване на нови образци е възпрепятствано от недостатъчното развитие на технологичните процеси, високата опасност от пожар и експлозия при работа, необходимостта от висококвалифициран персонал и високата цена на технологията.
Безгориво съхранение на химическа енергия
При този тип съхранение енергията се съхранява чрез преобразуване на някои химикали в други. Например, гасената вар, когато се нагрява, преминава в състояние на негасена вар. При разреждане, съхраняваната енергияосвободен като топлина и газ. Точно това се случва, когато вар се гаси с вода. За да започне реакцията, обикновено е достатъчно да комбинирате компонентите. По същество това е вид термохимична реакция, само че тя протича при температура от стотици и хиляди градуса. Следователно използваното оборудване е много по-сложно и скъпо.
