Какой накопитель энергии самый энергоемкий
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.
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:
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
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
2232, работа газа при расширении 2232 ∙ 8.31 ∙ 293 ∙ ln 50
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:
| Топливо | Энергетическая ёмкость (кВт-ч /кг) |
| Дрова | 2,33-4,32 |
| Горючий сланец | 2,33 – 5,82 |
| Торф | 2,33 – 4,66 |
| Бурый уголь | 2,92 -5,82 |
| Каменный уголь | ок. 8,15 |
| Антрацит | 9,08 – 9,32 |
| Нефть | 11,63 |
| Бензин | 12,8 кВт-ч/кг, 9,08 кВт-ч/литр |
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):
| Накопитель энергии | Характеристики возможной реализации накопителя |
Запасенная энергия, КВт*ч |
Удельная энергетическая ёмкость, Вт · час/кг |
Максимальное время работы на нагрузку 100 Вт, минут |
Объемная удельная энергоемкость, Вт · час/дм3 |
Срок службы, лет |
| Копровый | Масса копра 2 т, высота подъема 5 м |
0,0278 | 0.0139 | 16,7 | 2,78/объем копра в дм | более 20 |
| Гидравлический гравитационный | Масса воды 1000 кг, высота перекачки 10 м | 0,0286 | 0,0286 | 16,7 | 0,0286 | более 20 |
| Конденсаторный | Батарея емкостью 1 Ф, напряжением 250 В, масса 120 кг |
0,00868 | 0.072 | 5.2 | 0,0868 | до 20 |
| Маховик | Стальной маховик массой 100 кг, диаметр 0.4 м, толщина 0.1 м | 0,278 | 2,78 | 166,8 | 69,5 | более 20 |
| Свинцово-кислотный аккумулятор | Емкость 190 А·час, выходное напряжение 12 В, масса 70 кг | 1,083 | 15,47 | 650 | 60-75 | 3 … 5 |
| Пневматический | Стальной резервуар объемом 1 м3массой 250 кг со сжатым воздухом под давлением 50 атмосфер | 0,556 | 22,2 | 3330 | 0,556 | более 20 |
| Теплоаккумулятор | Объем воды 1000 л., нагретой до 80 °C, | 58,33 | 58,33 | 34998 | 58,33 | до 20 |
| Баллон с водородом | Объем 50 л., плотность 0,09 кг/м³, степень сжатия 10:1 (масса 0,045 кг) | 1,5 | 33580 | 906,66 | 671600 | более 20 |
| Баллон с пропан-бутаном | Объем газа 50 л, плотность 0,717 кг/м³, степень сжатия 10:1 (масса 0,36 кг) | 3,6 | 10000 | 2160 | 200000 | более 20 |
| Канистра с дизельным топливом | Объем 50 л. (=40кг) | 473,6 | 11840 | 284160 | 236800 | более 20 |
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.
Чем отличается аккумулятор от накопителя энергии и зачем нам вообще ее хранить
Всякий раз, как люди осваивали способы качественно нового обращения с энергией, происходила техническая революция. На пути к современной цивилизации мы последовательно научились сначала использовать энергию в том же виде, в котором получили, затем — смогли превращать ее в работу, а потом и транспортировать.
Совсем недавно — по историческим меркам — появились широко применимые технологии накопления энергии. Связанные с ними технологические и социальные изменения только начались и в дальнейшем будут все масштабнее.
Чтобы не пересказывать учебник по физике целыми параграфами, для целей этого текста определим понятие энергии следующим образом: это измеримая величина, характеризующая максимальное количество работы, которое может выполнить тело или система. Энергию нельзя создать или уничтожить (согласно закону сохранения энергии), только передать между телами либо конвертировать из одной формы в другую. Количество энергии во Вселенной конечно, а ее полное использование невозможно — часть все равно будет рассеяна из-за неизбежности потерь при выполнении любой работы (это энтропия).
Чудо превращения
Для Земли в целом источником энергии служит Солнце, выделяющее эту самую энергию в форме электромагнитного излучения. Излучение согревает все живое, а также используется фотосинтезирующими организмами для превращения неорганических веществ в органику. Последняя, в свою очередь, становится основой всей пищевой цепочки, которая с физической точки зрения представляет собой череду преобразований энергии.
Люди пошли дальше и научились не только утолять голод, но и повышать эффективность своей жизнедеятельности. То есть более полно использовать доступную энергию, что и определило облик современной цивилизации. Началось это свыше миллиона лет назад — существуют надежные свидетельства того, что к этому моменту представители нашего с вами рода Homo уже умели пользоваться как минимум природными очагами возгораний. А 400 тысяч лет назад кострища встречались на стоянках древних людей по всему миру.
Дрова стали первым доступным человечеству первичным источником энергии. Этот термин особенно важен — так называется любая форма энергии, которая еще не была преобразована или использована для выполнения работы. В этом случае первичная энергия применялась практически в неизменном виде (с минимальным числом преобразований): горючее превращалось в тепло, которое использовалось для обогрева, приготовления пищи, а также обработки инструментов.
Это очень примитивные способы освоения энергии свыше тех ее форм, что доступны при естественных процессах. Но даже они позволили нашим предкам стать самыми успешными млекопитающими на Земле и во многом подстегнули их эволюцию.
Тепловые машины
До конца XVII века человек мог выполнять полезную работу либо сам, либо использовать животных. Превращать энергию в работу получалось крайне ограниченно — лишь с помощью ветряных или водяных мельниц. Но их сфера применения была крайне узкой либо из-за территориальной привязки к реке, либо вследствие непостоянства погоды. Поэтому первичная энергия, за исключением гидро- и ветровой, использовалась исключительно в виде тепла.
Все изменилось в 1712 году, когда английский изобретатель Томас Ньюкомен (Thomas Newcomen) довел наконец свою пароатмосферную машину до более-менее товарного вида. Простое по конструкции устройство позволяло откачивать воду из шахт, что навсегда изменило горнодобывающую отрасль: появилась возможность осваивать ранее недоступные выработки.
Последующие усовершенствования шотландским инженером Джеймсом Уаттом (James Watt) привели к созданию парового двигателя двойного действия. Это, в свою очередь, послужило толчком к началу промышленной революции, поэтому имя легендарного ученого и увековечили в названии единицы мощности — ватте.
После массового внедрения паровых машин производительность труда в промышленности возросла на порядки. Это привело к индустриализации, которая стала причиной радикального изменения социально-экономического уклада по всему миру — всё благодаря изобретению широко применимого способа превращения энергии в работу.
Для питания транспорта и прочих нужд вне основной энергосистемы удобным оказалось углеводородное топливо — в широком смысле, тоже накопитель энергии. Ведь его вырабатывают из источника первичной энергии, а также с ее затратами. Но экологические проблемы и конечность ископаемых ресурсов в скором времени поставит на них крест.
По тем же причинам изменяется и структура генерирующих мощностей — все большая часть первичной энергии берется из возобновляемых источников. А они отличаются зависимостью от прихотей природы, и при их использовании важность резервных (пиковых) электростанций только возрастает. Скорее даже накопителей энергии, потому что, пиковая генерация, в среднем, «грязнее» и менее эффективна, чем базовая.
Что такое накопители и какие они бывают
Для инженера или физика понятия аккумулятора и накопителя энергии тождественны — это любое устройство (инженерное сооружение), позволяющее запасать энергию в той или иной форме. Поскольку форм энергии великое множество, способы ее запасать тоже весьма разнообразны и классифицировать их непросто. Можно за основу взять наличие или отсутствие преобразований энергии в самом накопителе. Тогда мы могли бы условно разделить все аккумуляторы на два класса:
• с внешним преобразованием энергии — кинетические (маховики), тепловые, гравитационные (поднятый груз), гидравлические;
• и с внутренним — обратимые электрохимические батареи (электрические аккумуляторы).
Различие между ними в том, что первые способны напрямую выполнять механическую работу за счет запасенной энергии, а вторые выдают электричество или тепло, которые еще нужно преобразовать в полезное действие. Тем не менее такое разделение интересно исключительно в теоретических целях, а на практике определяющими являются конкретные параметры аккумуляторов. Вот самые среди них важные: плотность энергии, удельная энергия (гравиметрическая плотность энергии), скорость накопления и отдачи (заряда и разряда), удельная и максимальная выходная мощности, доступность компонентов (себестоимость), эффективность (КПД преобразований), долговечность и скорость саморазряда (потери энергии).
Для простоты рассмотрим основные классы накопителей энергии, сравнивая их только по соотношению времени ее хранения и доступной емкости.
Надежно, эффективно, оперативно и просто, но недолго
Уже знакомые нам по гончарному кругу маховики, если выполнены на современном технологическом уровне — невероятно эффективны (КПД до 95-97%). По сравнению с прочими решениями для накопления энергии, они отличаются простотой конструкции, долговечностью и надежностью. Из минусов стоит отметить их высокую опасность при разрушении. Вероятность такого события очень мала, но оно чревато катастрофой. Частично проблему решают супермаховики — их изготавливают не из монолитного материала, а намоткой металлических или композитных лент. При разрушении они расслаиваются и тормозят сами себя о стенки кожуха.
В середине XX века маховики пробовали использовать на транспорте, но успехом затея не увенчалась. Гироскопический момент от тела вращения затруднял управление такой машиной, а его большой вес и малый запас хода поставили крест на массовом использовании технологии. Некоторый потенциал у маховиков есть только на железнодорожном транспорте, где колебания и вибрации во время движения меньше, поэтому и потери в результате трения на подвесе и гироскопическом эффекте меньше.
Зато в качестве накопителей энергии для электросетей маховики показали себя отлично. Они позволяют запасать на периоды порядка часа десятки или сотни киловатт-часов электричества (есть проекты мегаваттного класса). Современные решения используют керамические или магнитные подшипники в подвесе, композитные материалы для тела вращения и разгоняют его до нескольких десятков тысяч оборотов внутри вакуумной камеры. Удельная энергоемкость коммерческих маховичных накопителей варьируется в пределах 10-20 ватт-часов на килограмм веса конструкции (хотя теоретический максимум на порядок выше). Это обусловлено необходимостью снабжать такое устройство массивным корпусом, который должен защитить окружающих на случай разрушения. Тем не менее для энергетической инфраструктуры этот недостаток не существенен и с лихвой компенсируется скоростью накопления полной емкости (минуты) и длительным сроком эксплуатации (десятилетия без обслуживания).
Строго электрическая альтернатива
У маховика есть аналог среди электронных компонентов — электрический конденсатор. С точки зрения строгой классификации только их можно назвать истинными накопителями энергии в форме электричества. Потому что в отличие от химических источников тока (о которых далее), в конденсаторах не происходит преобразования энергии из одного вида в другой. Она хранится в виде электрического поля за счет поляризации диэлектрика, разделяющего катод с анодом.
Конденсаторы незаменимы в современной технике, но в качестве долговременных накопителей их используют редко. Виной всему низкая удельная емкость и высокая стоимость в пересчете на киловатт-час запасаемой энергии. Если абстрагироваться от недостатков, достоинства конденсаторов впечатляют: крайне быстрые зарядка и разрядка (считанные секунды даже для большой емкости), высокая выходная мощность и предельная простота конструкции, а также большой ресурс. Некоторые перспективы есть у суперконденсаторов — от «обычных» они отличаются конструкцией, оптимизированной под емкость в ущерб максимальному напряжению (следовательно и выходной мощности).
Иногда суперконденсаторы объединяют в одном корпусе с электрохимической батареей, как это сделано в одной австралийской разработке. Теоретически она воплощает в себе все плюсы свинцово-кислотного аккумулятора и суперконденсатора, частично нивелируя их недостатки. Долговечность и пиковая отдаваемая мощность батареи возрастает, а также сохраняется высокая удельная емкость.
Бесконечное разнообразие ХИТов
Химические источники тока (ХИТ) — наиболее часто встречающийся в быту тип накопителей энергии. Они бывают одноразовыми (первичные) и перезаряжаемыми (вторичные). Разница между ними в том, что используемые для накопления энергии химические реакции могут быть либо легко обратимыми, либо нет. Принципиально любой ХИТ представляет собой одну или несколько (тогда это уже батарея) электрохимических ячеек: катод с анодом (электроды), пространство между которыми заполнено электролитом (источник носителей заряда — ионов). Электроды помещаются каждый в свою часть ячейки и разделяются мембраной, которая пропускает только ионы (простейший гальванический элемент мембраны не требует).
При разряде ячейки работают, как гальванические, то есть вещество катода присоединяет электроны от атомов электролита (окисляет), а вещество анода восстанавливается (отдает электроны). Когда идет зарядка, происходит электролиз и химическая реакция обращается. Свойства ХИТов напрямую зависят от выбора материалов электродов и электролита, чем и обусловлено невероятное их разнообразие.
Старейший тип широко используемых электрических аккумуляторов — свинцово-кислотные (АКБ). В них пары электродов – один из свинца, другой – из оксида свинца) погружены в раствор серной кислоты и разделены сепаратором. Если подключить такую ячейку к нагрузке, свинец начнет окисляться до сульфата свинца, а диоксид свинца — восстанавливаться до того же соединения. За полтора века в эту конструкцию вносилось множество усовершенствований, но принципиальных изменений не было. Главные достоинства АКБ — высокая выходная мощность и дешевизна, а недостатки — малая удельная емкость и токсичность.
Второй распространенный тип электрических аккумуляторов — с катодом на базе метагидроксида никеля (NiO(OH)) и щелочным электролитом. Для анода могут использоваться кадмий, железо или сложный сплав с высокой способностью к присоединению водорода (металл-гидрид). По энергетической плотности такие батареи значительно превосходят свинцово-кислотные, но и цена выше. Кроме того, с токсичностью все не лучше (кадмий — яд), а начиная с середины 2000-х по экологическим соображениям используются только металл-гидридные варианты (NiMH).
Наконец, главный хит последних десятилетий — литий, ставший основой широчайшего класса электрических аккумуляторов. Он используется в составе как анода, так и катода, а также электролита (в виде солей). Разнообразие применяемых соединений этого металла столь велико, что даже в общих чертах их описать довольно трудно — литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) разных типов, кроме лития в составе, имеют между собой мало общего. А их параметры отличаются в очень широких пределах. Наиболее эффективные варианты достигают энергетической плотности свыше 200 ватт-часов на килограмм массы (есть экспериментальные разработки в разы больше), что как минимум вдвое выше, чем у NiMH аккумуляторов.
Прочие параметры литиевых батарей либо сопоставимы, либо превышают таковые у других широко используемых типов электрических аккумуляторов. В результате Li-ion стал современным стандартом де-факто в портативной технике, транспорте и даже небольших энергосетях. Прорабатываются проекты накопителей емкостью вплоть до единиц мегаватт-часов, однако на текущем уровне экономический смысл имеют решения до нескольких десятков киловатт-часов емкости (автомобили, частные дома). Благодаря совокупности своих характеристик литиевые аккумуляторы завоевали высокую популярность в потребительской электронике. Это привело к массовому производству и совершенствованию технологий, следствием чего стало существенное удешевление таких батарей.
Созданы и ограниченно применяются в некоторых сферах еще несколько типов электрических аккумуляторов. Они отличаются какой-либо одной характеристикой в качестве преимущества, но проигрывают литиевым, никелевым или кислотным по остальным параметрам. Например, воздушно-цинковые батареи могут иметь рекордную удельную энергоемкость, но при этом недолговечны, сравнительно дороги и неэффективны (большие потери при заряде и разряде). Существует огромное множество экспериментальных или однажды опробованных и отброшенных комбинаций химических реакций. Какие-то из них имеют шансы на успех в будущем, какие-то бесперспективны из-за выявленных критических недостатков (токсичность компонентов, взрывоопасность или дороговизна).
Вместо подъема объектов вверх запасать энергию можно сжатием пружины или газа. Первый вариант давно опробован в часах и других заводных механизмах, а в промышленности последние десятилетия активно развивается второй. Подобные накопители энергии еще проще, чем ГАЭС или маховики. Главный недостаток таких накопителей заключается в необходимости отводить большое количество тепла, которое образуется при сжатии газов. В результате потери могут достигать 30%. Более того, расширяясь, газы остывают — и для максимальной эффективности необходимо добавлять в систему тепловой аккумулятор. На цикле сжатия газа в основном накопителе выработанное тепло отводится в расплав солей, а при отдаче энергии возвращается обратно, чтобы устранить переохлаждение рабочего тела.
Вместо баллонов могут использоваться естественные или искусственные пустоты в породах. Альтернативный вариант — подводные пневматические аккумуляторы. Их преимущество в постоянном давлении внутри гибкого баллона (перепады температуры минимальны), поскольку вытеснение рабочего тела происходит за счет массы воды, в толще которой он находится. Накопители на сжатом газе наиболее выгодны экономически при емкости от единиц мегаватт-часов до единиц гигаватт-часов.
Повторение за природой
Дальнейшее увеличение запасаемых объемов энергии свыше нескольких гигаватт-часов в одном накопителе наталкивается на практически непреодолимые технические трудности. Следовательно, необходимы иные решения — и они существовали задолго до появления человека на Земле. Речь о природных процессах, результатом которых стали залежи углеводородных полезных ископаемых: угля, нефти, природного газа. Электричество можно использовать для повторения этой механики. Например, проводя электролиз воды и запасая получившийся водород или связывая его с углеродом (на выходе получаем метан). То есть в роли накопителя энергии выступит синтезированный энергоноситель, который можно использовать как горючее, либо в топливных элементах.
Экономическая эффективность таких процессов зависит от используемых во всей цепочке производства, транспортировки и потребления энергоносителя технологий. Даже незначительные изменения КПД на каждом этапе вносят существенный вклад в общую привлекательность проекта. На текущем инженерном и научном уровне использование водорода вызывает большие вопросы. При прямом сравнении с электрическими аккумуляторами он проигрывает и по себестоимости киловатт-часа и по доле первичной энергии, доступной для выполнения полезной работы после всех преобразований. Кроме того, с хранением и транспортировкой водорода связан целый спектр проблем.
Существует альтернативный путь — производство синтетических углеводородов (в первую очередь — метана) или запасание водорода в форме аммиака. У каждого из них есть ограничения и минусы, включая низкую удельную эффективность. Главный плюс метана, как накопителя (опционально — в смеси с чистым водородом) — этот газ сразу можно использовать в существующих тепловых электростанциях или на ДВС-транспорте с минимальными доработками. А еще он легко хранится сколь угодно продолжительное время. Но при этом от первичной энергии в итоге на работу удастся потратить не более 30%, а энергосистема становится менее углеродно-положительной. Аммиак, в свою очередь, устраняет почти все трудности, связанные с хранением и транспортировкой чистого водорода, и к тому же запасает его с гораздо большей удельной плотностью. Но при этом и создает свои уникальные проблемы — он токсичен и вызывает коррозию.
И многие, многие другие
В силу ограничений по объему материала Naked Science был вынужден обойти вниманием целые классы накопителей, которые активно разрабатываются или уже применяются. Например, тепловые аккумуляторы — как следует из названия, они запасают энергию в форме тепла. Если рассматривать вопрос максимально широко, в роли аккумулятора может выступать любой химический или физический процесс, если он обратим. Именно поэтому существует так много разных технологий в этой области. Какие из них получат распространение, а какие канут в лету — покажет время, причем самое ближайшее.
Энергию какого вида может запасать емкость
Как правило, источники даровой энергии не отличаются стабильностью. Солнце, ярко светившее днём, вечером заходит, безветрие может длиться несколько дней подряд, и даже реки — самый стабильный из массовых источников даровой энергии — летом могут существенно мельчать или вовсе пересыхать, а зимой — замерзать. Поэтому любой генератор даровой энергии обычно комплектуется тем или иным накопителем, призванным запасать излишки энергии в периоды её избытка и компенсировать нехватку тогда, когда источник даровой энергии временно иссякает или оказывается недоступным.
Типы, размеры и возможности таких накопителей могут быть самыми разными — от мельчайших электрических конденсаторов и механических пружин весом в доли грамма, запасающих минимум энергии на короткое время, до огромных водохранилищ, изменяющих географию и климат целых областей и способных обеспечить свой регион энергией в течение многих месяцев — от паводка до паводка. Различные типы накопителей отличаются не только объёмом запасаемой энергии, но и скоростью её накопления и отдачи («зарядки» и «разрядки»), удельной плотностью накопленной энергии, возможными сроками её хранения и многими другими параметрами, включая надёжность и стоимость изготовления и обслуживания. Правильный выбор накопителя подчёркивает достоинства генератора даровой энергии и способен скрыть многие его недостатки, ошибка же в выборе может сделать эксплуатацию даже самого лучшего такого источника практически невозможной.
Методов классификации накопителей может быть множество. Однако наиболее удобным с практической точки зрения мне кажется классификация по способу накопления и отдачи, а также по типу энергии, «закачиваемой» в накопитель и «выкачиваемой» оттуда.
Механические накопители энергии
Механические накопители энергии являются самым древним классом таких устройств, освоенным ещё доисторическим человеком, когда он впервые затащил камень на гору, чтобы в нужный момент обрушить его на надоевшего соседа загнанного мамонта. Многие виды этих конструкций отличаются предельной простотой и практически неограниченным сроком службы и хранения запасённой энергии.
Гравитационные механические накопители
Суть гравитационных накопителей проста. На этапе накопления энергии груз поднимается вверх, накапливая потенциальную энергию, а в нужный момент опускается обратно, возвращая эту энергию с пользой. Применение в качестве груза твёрдых тел или жидкостей вносит свои особенности в конструкции каждого типа. Промежуточное положение между ними занимает использование сыпучих веществ (песка, свинцовой дроби, мелких стальных шариков и т.п.).
Практически все накопители этого класса имеют очень простую конструкцию, а следовательно высокую надёжность и большой срок службы. Время хранения однажды запасённой энергии также ограниченно лишь долговечностью использованных материалов и может исчисляться тысячелетиями — наверняка некоторые ловушки, «заряженные» строителями египетских гробниц за много веков до новой эры, до сих пор ждут неосторожных грабителей в полной боевой готовности.
К сожалению, удельная энергоёмкость таких устройств невелика и определяется классической формулой . Таким образом, чтобы запасти энергию для нагрева 1 литра воды от до надо поднять тонну груза как минимум на высоту 35 метров (или 10 тонн на 3.5 метра). Поэтому, когда возникает необходимость запасти энергии побольше, то это сразу приводит к необходимости создания громоздких и, как неизбежное следствие, дорогих сооружений, наподобие циклопических плотин ГЭС и «рукотворных морей» при них.
Гравитационные твердотельные механические накопители
Энергию, запасённую при поднятии твёрдых тел, можно высвободить за очень короткое время. Ограничение на получаемую с таких устройств мощность накладывает только ускорение свободного падения, определяющее максимальный темп нарастания скорости падающего груза. При этом время хранения однажды запасённой энергии практически неограничено, если только груз и элементы конструкции с течением времени не рассыплются от старости или коррозии.
Недостатком таких систем является необходимость создания вертикальной или наклонной шахты на всю высоту подъёма груза, причём размеры шахты на всём её протяжении должны обеспечивать проход этого груза по габаритам. Конечно, необязательно делать отдельную шахту, для движения груза можно выделить часть более обширного помещения — но путь, по которому движется груз, должен быть свободным и достаточно прямым, а также необходимо исключить возможность случайного попадания в эту область вещей, людей и животных груз застрянет, а мало удовольствия получить по голове или другой части тела гирей весом даже в несколько килограммов; если же груз может набрать приличную скорость, то для получения серьёзных повреждений хватит и массы в несколько десятков граммов).
Гравитационные жидкостные механические накопители
В отличие от твердотельных грузов, при использовании жидкостей нет необходимости в создании прямых шахт большого сечения на всю высоту подъёма — жидкость отлично перемещается и по изогнутым трубам, сечение которых должно быть лишь достаточным для прохождения по ним максимального расчётного потока. Поэтому верхний и нижний резервуары необязательно должны размещаться друг под другом, а могут быть разнесены на достаточно большое расстояние.
Именно к этому классу относятся гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), одна из которых, в частности, в годах была построена недалеко от подмосковного Загорска (ныне Сергиев Посад).
К сожалению, срок хранения «заряженной» энергии в жидкостных гравитационных накопителях гораздо меньше, чем в твердотельных, и на практике обычно составляет от нескольких дней до нескольких лет. Это связано с испарением рабочей жидкости из резервуаров. Кроме того, такие системы имеют гораздо больше частей, и их труднее поддерживать в должном техническом состоянии, — прежде всего это касается герметичности резервуаров и трубопроводов и исправности запорного и перекачивающего оборудования.
И ещё одно важное условие — в моменты накопления и использования энергии рабочее тело (по крайней мере, его достаточно большая часть) должно находиться в жидком агрегатном состоянии, а не пребывать в виде льда или пара. Зато иногда в подобных накопителях возможно получение дополнительной даровой энергии, — скажем, при пополнении верхнего резервуара талыми или дождевыми водами.
Кинетические механические накопители
В кинетических накопителях энергия запасается в движении рабочего тела. Возможны два типа движения — колебательное и поступательное (как правило, поступательное движение происходит по замкнутому контуру, чаще всего это обычное вращение).
Колебательные (резонансные) накопители энергии
В колебательных накопителях кинетическая энергия накапливается в возвратно-поступательном (линейном или вращательном) движении груза за счёт резонанса. При этом энергия должна как подаваться, так и расходоваться порциями, попадая «в такт» с движением груза. Это сразу усложняет механизм и делает его достаточно капризным в настройке. Впрочем, такие узлы уже много веков используются во всех механических часах с пружинным или гравитационным маятником. Очень часто такие часы для начала работы надо слегка встряхнуть или толкнуть маятник рукой — в целях экономии завода пружины за один такт на маятник подаётся лишь минимум энергии, которой хватает для компенсации рабочих потерь, но не достаточно для запуска «с нуля», из неподвижного состояния.
Как правило, основная цель подобных устройств — не собственно накопление энергии, а стабилизация во времени работы каких-либо приборов, поскольку абсолютные значения запасаемой энергии обычно весьма малы и годятся только для «внутреннего потребления» при работе самого устройства. Кстати, если внимательно разобраться, то сам по себе резонанс не увеличивает накопленной энергии по сравнению со «статическими» вариантами — скажем, в случае гравитационного маятника ту же энергию можно запасти, просто отклонив маятник на угол, соответствующий максимальному отклонению при колебаниях, и зафиксировав его там (для пружинного балансира ситуация аналогична). Зато резонансные накопители позволяют постепенно аккумулировать малые порции энергии, которые при подаче «в лоб» почти не отклонили бы маятник от точки равновесия, не говоря уже о тех углах поворота, которых он достигает в резонансе.
Гироскопические накопители энергии
В гироскопических накопителях энергия запасается в виде кинетической энергии быстро вращающегося маховика. Удельная энергия, запасаемая на каждый килограмм веса маховика, значительно больше той, что можно запасти в килограмме статического груза, даже подняв его на большую высоту, а последние высокотехнологичные разработки обещают плотность накопленной энергии, сравнимую с запасом химической энергии в единице массы наиболее эффективных видов химического топлива. Другой огромный плюс маховика — это возможность быстрой отдачи или приёма очень большой мощности, ограниченной лишь пределом прочности материалов в случае механической передачи или «пропускной способностью» электрической, пневматической либо гидравлической передач.
К сожалению, маховики чувствительны к сотрясениям и поворотам в плоскостях, отличных от плоскости вращения, поскольку при этом возникают огромные гироскопические нагрузки, стремящиеся погнуть ось. К тому же время хранения накопленной маховиком энергии относительно невелико и для традиционных конструкций обычно составляет от нескольких секунд до нескольких часов. Далее потери энергии на трение становятся слишком заметными. Впрочем, современные технологии позволяют кардинально увеличить время хранения — вплоть до нескольких месяцев.
Наконец, ещё один неприятный момент — запасённая маховиком энергия прямо зависит от его скорости вращения, поэтому по мере накопления или отдачи энергии скорость вращения всё время меняется и может достигать десятков тысяч оборотов в минуту. В то же время в нагрузке очень часто требуется стабильная скорость вращения, не превышающая нескольких тысяч оборотов в минуту. По этой причине чисто механические системы передачи энергии на маховик и обратно могут оказаться слишком сложными в изготовлении, как, например, многие конструкции вариаторов, позволяющих передавать большую мощность (несколько киловатт и более, для передачи меньших мощностей конструкция вариатора существенно упрощается — вплоть до ремня с раздвижными конусными шкивами, автоматически регулируемыми центробежным ускорением грузов на рычагах). Иногда упростить ситуацию может электромеханическая передача с использованием мотор-генератора, размещённого на одном валу с маховиком или связанного с ним жёстким редуктором. Но тогда неизбежны потери энергии на нагрев проводов и обмоток, которые могут быть гораздо выше, чем потери на трение и проскальзывание в хороших вариаторах.
Особенно перспективны так называемые супермаховики, состоящие из витков стальной ленты, проволоки или высокопрочного синтетического волокна. Навивка может быть плотной, а может иметь специально оставленное пустое пространство. В последнем случае по мере раскручивания маховика витки ленты перемещаются от его центра к периферии вращения, изменяя момент инерции маховика, а если лента пружинная, то и запасая часть энергии в энергии упругой деформации пружины. В результате в таких маховиках скорость вращения не так прямо связана с накопленной энергией и гораздо стабильнее, чем в простейших цельнотелых конструкциях, а их энергоёмкость заметно больше. Помимо большей энергоёмкости, они более безопасны в случае различных аварий, так как в отличии от осколков большого монолитного маховика, по своей энергии и разрушительной силе сравнимых с пушечными ядрами, обломки пружины обладают гораздо меньшей «поражающей способностью» и обычно достаточно эффективно тормозят лопнувший маховик за счёт трения о стенки корпуса. По этой же причине и современные цельнотелые маховики, рассчитанные на работу в режимах, близких к переделу прочности материала, часто изготавливаются не монолитными, а сплетёнными из тросов или волокон, пропитанных связующим веществом.
Современные конструкции с вакуумной камерой вращения и магнитным подвесом супермаховика из кевларового волокна обеспечивают плотность запасённой энергии более , причём могут сохранять кинетическую энергию неделями и месяцами. Однако пока они существуют лишь в виде экспериментальных экземпляров или опытных партий. По оптимистичным оценкам, использование для навивки сверхпрочного «суперкарбонового» волокна позволит увеличить скорость вращения и удельную плотность запасаемой энергии ещё во много раз — до (обещают, что одной раскрутки такого маховика весом хватит для пробега в миллион километров и более, т.е. на фактически на всё время жизни автомобиля!). Однако стоимость этого волокна пока также во много раз превышает стоимость золота, так что подобные машины ещё не по карману даже арабским шейхам. О маховичных накопителях рекомендую почитать отличную книгу Нурбея Гулиа.
Гирорезонансные накопители энергии
Эти накопители представляют собой тот же самый маховик, но выполненный из эластичного материала (например, резины). В результате у него появляются принципиально новые свойства. По мере нарастания оборотов на таком маховике начинают образовываться «выросты»-«лепестки» — сначала он превращается в эллипс, затем в «цветок» с тремя, четырьмя и более «лепестками». При этом после начала образования «лепестков» скорость вращения маховика уже практически не меняется, а энергия запасается в резонансной волне упругой деформации материала маховика, формирующей эти «лепестки».
Такими конструкциями в конце 1970-х и начале 1980-х годов в Донецке занимался Н.З.Гармаш. Полученные им результаты впечатляют — по его оценкам, при рабочей скорости маховика, составляющей всего запасённой энергии было достаточно для того, чтобы автомобиль мог проехать против с обычным маховиком тех же размеров. К сожалению, более свежие сведения об этом типе накопителей мне неизвестны.
Механические накопители с использованием сил упругости
Этот класс устройств обладает очень большой удельной ёмкостью запасаемой энергии. При необходимости соблюдения небольших габаритов (несколько сантиметров) его энергоёмкость — наибольшая среди механических накопителей. Если требования к массогабаритным характеристикам не столь жёсткие, то большие сверхскоростные маховики превосходят его по энергоёмкости, но они гораздо более чувствительны к внешним факторам и обладают намного меньшим временем хранения энергии.
Пружинные механические накопители
Сжатие и распрямление пружины способно обеспечить очень большой расход и поступление энергии в единицу времени — пожалуй, наибольшую механическую мощность среди всех типов накопителей энергии. Как и в маховиках, она ограничена лишь пределом прочноcти материалов, но пружины обычно реализуют рабочее поступательное движение непосредственно, а в маховиках без довольно сложной передачи не обойтись (не случайно в пневматическом оружии используются либо механические боевые пружины, либо баллончики с газом, которые по своей сути являются предварительно заряженными пневматическими пружинами; до появления огнестрельного оружия для боя на дистанции применялось также именно пружинное оружие — луки и арбалеты, ещё задолго до новой эры полностью вытеснившие в профессиональных войсках пращу с её кинетическим накоплением энергии).
Срок хранения накопленной энергии в сжатой пружине может составлять многие годы. Однако следует учитывать, что под действием постоянной деформации любой материал с течением времени накапливает усталость, а кристаллическая решётка металла пружины потихоньку изменяется, причём чем больше внутренние напряжения и чем выше окружающая температура, тем скорее и в большей степени это произойдёт. Поэтому через несколько десятилетий сжатая пружина, не изменившись внешне, может оказаться «разряженной» полностью или частично. Тем не менее, качественные стальные пружины, если они не подвергаются перегреву или переохлаждению, способны работать веками без видимой потери ёмкости. Например, мои настенные механические часы с одного полного завода по-прежнему идут две недели — как и более полувека назад, когда они были изготовлены.
При необходимости постепенной равномерной «зарядки» и «разрядки» пружины обеспечивающий это механизм может оказаться весьма сложным и капризным (загляните в те же механические часы — по сути, множество шестерёнок и других деталей служат именно этой цели). Упростить ситуацию может электромеханическая передача, но она обычно накладывает существенные ограничения на мгновенную мощность такого устройства, а при работе с малыми мощностями (несколько сот ватт и менее) её КПД слишком низок. Отдельной задачей является накопление максимальной энергии в минимальном объёме, так как при этом возникают механические напряжения, близкие к пределу прочности используемых материалов, что требует особо тщательных расчётов и безупречного качества изготовления.
Говоря здесь о пружинах, я имею в виду не только металлические, но и другие упругие цельнотелые элементы. Самые распространённые среди них — это резиновые жгуты. Кстати, по энергии, запасаемой на единицу массы, резина превосходит сталь в десятки раз, зато и служит она примерно во столько же раз меньше, причём, в отличии от стали, теряет свои свойства уже через несколько лет даже без активного использования и при идеальных внешних условиях — в силу относительно быстрого химического старения и деградации материала.
Газовые механические накопители
В этом классе устройств энергия накапливается за счёт упругости сжатого газа. При избытке энергии компрессор закачивает газ в баллон. Когда требуется использовать запасённую энергию, сжатый газ подаётся в турбину, непосредственно выполняющую необходимую механическую работу или вращающую электрогенератор. Вместо турбины можно использовать поршневой двигатель, который более эффективен при небольших мощностях (кстати, существуют и обратимые поршневые двигатели-компрессоры).
Практически каждый современный промышленный компрессор оснащён подобным аккумулятором — ресивером. Правда, давление там редко превышает , и потому запас энергии в таком ресивере не очень большой, но и это обычно позволяет в несколько раз увеличить ресурс установки и сэкономить энергию.
Газ, сжатый до давления в десятки и сотни атмосфер, может обеспечить достаточно высокую удельную плотность запасённой энергии в течение практически неограниченного времени (месяцы, годы, а при высоком качестве ресивера и запорной арматуры — десятки лет, — недаром пневматическое оружие, использующее баллончики со сжатым газом, получило такое широкое распространение). Однако входящие в состав установки компрессор с турбиной или поршневой двигатель, — устройства достаточно сложные, капризные и имеющие весьма ограниченный ресурс (в том же пневматическом оружии из-за резких скачков высокого давления и ударов клапаны или поршни обычно требуют ремонта уже через несколько тысяч, а то и через несколько сот рабочих циклов-выстрелов).
Тепловые накопители энергии
В наших климатических условиях очень существенная (зачастую — основная) часть потребляемой энергии расходуется на обогрев. Поэтому было бы очень удобно аккумулировать в накопителе непосредственно тепло и затем получать его обратно. На самом деле такой процесс не просто возможен, но и происходит повсюду и постоянно, просто обычно на это не обращают внимания. К сожалению, в большинстве случаев плотность запасённой энергии очень мала, а сроки её сохранения весьма ограничены.
Однако существуют и более эффективные устройства. Правда, многие из них в силу своих особенностей, и в первую очередь стоимости, малопригодны для широкого использования, но есть очень интересные варианты, которые достаточно недороги, просты и эффективны. Информацию о них найти непросто, — вероятно, по той причине, что в их пропаганде никто не заинтересован, поскольку много денег на их изготовлении и установке заработать не удастся, а сроки окупаемости, даже с учётом минимальной стоимости материалов самого теплоаккумулятора, достаточно долгие (необходима хорошая теплоизоляция больших объёмов, а также система управляемого подвода и отвода теплоносителя — всё это стоит приличных денег). Кроме того, масса и габариты таких теплоаккумуляторов всё равно слишком велики для типовой квартиры (впрочем, считать городскую квартиру с централизованными коммуникациями полноценным домом я не могу — это всё же помещение для временного пребывания, вроде гостиничного номера, и тот факт, что огромная часть населения живёт в таких условиях всю жизнь, сути не меняет, поскольку жизнеобеспечение такой квартиры зависит от нескольких систем, управляемых разными организациями, и отказ любой из них сделает квартиру непригодной для проживания). Зато для этих теплоаккумуляторов вполне подойдёт подвал или чердак загородного дома и даже пространство под полом садового домика.
Накопление за счёт теплоёмкости
Этот способ древний, как сам мир. Любое вещество при нагревании накапливает тепловую энергию, а при охлаждении отдаёт её обратно в окружающую среду. Поэтому стоит окружить помещение массивными каменными стенами, и их теплоёмкости хватит, чтобы сгладить наружный суточный перепад температуры в 20-30 градусов до колебания температуры внутри помещения в течении тех же суток всего на 2–3 градуса. К сожалению, этого недостаточно, чтобы оставаться в рамках комфортных условий тогда, когда колебания наружной температуры длятся хотя бы несколько суток — при временном похолодании или в течении нескольких особо жарких дней, — и тем более это не может сгладить годичные колебания температуры. В последнем случае толщина стен должна измеряться десятками метров, а их масса — десятками тысяч тонн. Впрочем, есть естественные помещения, в которых температура в течение всего года практически не меняется — это глубокие пещеры.
Хрестоматийный пример массивного теплоаккумулятора, созданного руками человека, — широко известная железная колонна в Дели (Индия), наземная часть которой за более чем полторы тысячи лет на открытом воздухе практически не испытала ржавчины. Одно из объяснений этого факта заключается в том, что её масса (6.5 тонн при высоте 7.2 м) достаточна, чтобы накопленное днём солнечное тепло не позволило ночью выпасть росе-конденсату и быстро просушило колонну даже в период муссонных дождей, не слишком интенсивных в тех засушливых краях. Кстати, подземная часть этой колонны корродирует «как положено».
Различные вещества обладают разной теплоёмкостью. У большинства она находится в пределах от 0.1 до Аномально большой теплоёмкостью обладает вода — её теплоёмкость в жидкой фазе составляет примерно Более высокую теплоёмкость имеет только весьма экзотический литий —
Однако помимо удельной теплоёмкости (по массе) надо учитывать и объёмную теплоёмкость , позволяющую определить, сколько тепла нужно, чтобы изменить на одну и ту же величину температуру одного и того же объёма различных веществ. Она вычисляется из обычной удельной (массовой) теплоёмкости умножением её на удельную плотность соответствующего вещества. На объёмную теплоёмкость следует ориентироваться тогда, когда важнее объём теплоаккумулятора, чем его вес. Например, удельная теплоёмкость стали всего но плотность а, скажем, у полипропилена — — в 4 с лишним раза больше, однако плотность его составляет всего Поэтому при одинаковом объёме сталь сможет запасти в 2.1 раза больше тепла, чем полипропилен, хотя и будет тяжелее почти в 9 раз. Впрочем, благодаря аномально большой теплоёмкости воды ни один материал не может превзойти её и по объёмной теплоёмкости. Однако объёмная теплоемкость железа и его сплавов (сталь, чугун) отличается от воды менее, чем на 20% — в одном кубическом метре они могут запасти более тепла на каждый градус изменения температуры, чуть-чуть меньше объёмная теплоёмкость у меди — Теплоёмкость воздуха в нормальных условиях составляет примерно или поэтому чтобы нагреть кубометр воздуха на , достаточно охладить на тот же градус чуть менее 1/3 литра воды (естественно, более горячей, чем воздух).
В силу простоты устройства (что может быть проще неподвижного сплошного куска твёрдого вещества либо закрытого резервуара с жидким теплоносителем?) подобные накопители энергии имеют практически неограниченное число циклов накопления-отдачи энергии и очень длительный срок службы — для жидких теплоносителей до высыхания жидкости либо до повреждения резервуара от коррозии или других причин, для твёрдотельных отсутствуют и эти ограничения. Но вот время хранения весьма ограничено и, как правило, составляет от нескольких часов до нескольких суток — на больший срок обычная теплоизоляция удержать тепло уже не способна, да и удельная плотность запасаемой энергии невелика.
Наконец, следует подчеркнуть ещё одно обстоятельство, — для эффективной работы важна не только теплоёмкость, но и теплопроводность вещества теплоаккумулятора. При высокой теплопроводности даже на достаточно быстрые изменения наружных условий теплоаккумулятор отреагирует всей своей массой, а следовательно и всей запасённой энергией — то есть максимально эффективно. В случае же плохой теплопроводности среагировать успеет только поверхностная часть теплоаккумулятора, а до глубинных слоёв кратковременные изменения внешних условий просто не успеют дойти, и существенная часть вещества такого теплоаккумулятора будет фактически исключена из работы. Полипропилен, упомянутый в рассмотренном чуть выше примере, имеет теплопроводность почти в 200 раз меньше, чем сталь, и потому, невзирая на достаточно большую удельную теплоёмкость, эффективным теплоаккумулятором быть не может. Впрочем, технически проблема легко решается организацией специальных каналов для циркуляции теплоносителя внутри теплоаккумулятора, но очевидно, что такое решение существенно усложняет конструкцию, снижает её надёжность и энергоёмкость и непременно будет требовать периодического техобслуживания, которое вряд ли нужно монолитному куску вещества.
Накопление энергии при смене фазового состояния вещества
Если внимательно посмотреть на тепловые параметры различных веществ, то можно увидеть, что при смене агрегатного состояния (плавлении-твердении, испарении-конденсации) происходит значительное поглощение или выделение энергии. Для большинства веществ тепловой энергии таких превращений достаточно, чтобы изменить температуру того же количества этого же вещества на многие десятки, а то и сотни градусов в тех диапазонах температур, где его агрегатное состояние не меняется. А ведь, как известно, пока агрегатное состояние всего объёма вещества не станет одним и тем же, его температура практически постоянна! Поэтому было бы очень заманчиво накапливать энергию за счёт смены агрегатного состояния — энергии накапливается много, а температура изменяется мало, так что в результате не потребуется решать проблемы, связанные с нагревом до высоких температур, и в то же время можно получить хорошую ёмкость такого теплоаккумулятора.
Плавление и кристаллизация
К сожалению, в настоящее время практически нет дешёвых, безопасных и устойчивых к разложению веществ с большой энергией фазового перехода, температура плавления которых лежала бы в наиболее актуальном диапазоне — примерно от +20°С до +50°С (максимум +70°С — это ещё относительно безопасная и легко достижимая температура). Как правило, в этом диапазоне температур плавятся сложные органические соединения, отнюдь не полезные для здоровья и зачастую быстро окисляющиеся на воздухе, скажем, нафталин. Впрочем, можно вспомнить о классическом сплаве Вуда, имеющем температуру плавления 65.5°С, однако входящие в его состав олово, висмут, свинец и кадмий отнюдь не дёшевы и не слишком экологичны, да и теплота плавления невелика — обыкновенная вода запасает столько же тепла при нагреве всего на 8.5°!
Пожалуй, наиболее подходящими веществами являются парафины, температура плавления большинства которых в зависимости от сорта лежит в диапазоне (правда, существуют и «жидкие» парафины с температурой плавления и менее, а также родственный парафинам природный озокерит, температура плавления которого лежит в пределах И парафины, и озокерит вполне безопасны и используются в том числе и в медицинских целях для непосредственного прогрева больных мест на теле. Однако при хорошей теплоёмкости теплопроводность их весьма мала — мала настолько, что приложенный к телу парафин или озокерит, нагретый до ощущается лишь приятно горячим, но не обжигающим, как это было бы с водой, нагретой до той же температуры, — для медицины это хорошо, но для теплоаккумулятора это безусловный минус. Кроме того, эти вещества не так уж дёшевы, скажем, оптовая цена на озокерит в сентябре 2009 г. составляла порядка 200 рублей за килограмм, а килограмм парафина стоил от 25 рублей (технический) до 50 и выше (высокоочищенный пищевой, т.е. пригодный для использования при упаковке продуктов). Это оптовые цены для партий в несколько тонн, в розницу всё дороже как минимум раза в полтора.
В результате экономическая эффективность парафинового теплоаккумулятора оказывается под большим вопросом, — ведь килограмм-другой парафина или озокерита годится лишь для медицинского прогрева заломившей поясницы в течении пары десятков минут, а для обеспечения стабильной температуры более-менее просторного жилища в течении хотя бы суток масса парафинового теплоаккумулятора должна измеряться тоннами, так что его стоимость сразу приближается к стоимости легкового автомобиля (правда, нижнего ценового сегмента)! Да и температура фазового перехода в идеале всё же должна точно соответствовать комфортному диапазону — иначе всё равно придётся организовывать какую-то систему регулирования теплообмена. Тем не менее, температура плавления в районе характерная для высокоочищенных парафинов, в сочетании с высокой теплотой фазового перехода (немногим более очень хорошо подходит для теплоаккумкулятора, рассчитанного на обеспечение горячего водоснабжения и водяного отопления, проблема лишь в невысокой теплопроводности и высокой цене парафина. Зато в случае форс-мажора сам парафин можно использовать в качестве топлива с хорошей теплотворной способностью (хотя сделать это не так просто — в отличии от бензина или керосина, жидкий и тем более твёрдый парафин на воздухе не горит, обязательно нужен фитиль или другое устройство для подачи в зону горения не самого парафина, а только его паров)!
Испарение и конденсация
Теплота испарения-конденсации, как правило, в несколько раз превышает теплоту плавления-кристаллизации. И вроде бы есть не так уж мало веществ, испаряющихся в нужном диапазоне температур. Помимо откровенно ядовитых сероуглерода, ацетона, этилового эфира и т.п., есть и этиловый спирт (его относительная безопасность ежедневно доказывается на личном примере миллионами алкоголиков по всему миру!). В нормальных условиях спирт кипит при 78°С, а его теплота испарения в 2.5 раза больше теплоты плавления воды (льда) и эквивалентна нагреву того же количества жидкой воды на 200°. Однако в отличии от плавления, когда изменения объёма вещества редко превышают несколько процентов, при испарении пар занимает весь предоставленный ему объём. И если этот объём будет неограничен, то пар улетучится, безвозвратно унося с собой всю накопленную энергию. В замкнутом же объёме сразу начнёт расти давление, препятствуя испарению новых порций рабочего тела, как это имеет место в самой обычной скороварке, поэтому смену агрегатного состояния испытывает лишь небольшой процент рабочего вещества, остальное же продолжает нагреваться, находясь в жидкой фазе. Можно ли решить эту проблему? Уверен, что можно, и здесь открывается большое поле деятельности для изобретателей — создание эффективного теплоаккумулятора на основе испарения и конденсации с герметичным переменным рабочим объёмом.
Фазовые переходы второго рода
Помимо фазовых переходов, связанных с изменением агрегатного состояния, некоторые вещества и в рамках одного агрегатного состояния могут иметь несколько различных фазовых состояний (для многих твёрдых тел разные фазовые состояния характеризуются разными типами кристаллических решёток, скажем, большинство металлов и сплавов могут переходить из мартенситной в аустенитную фазу и обратно — температура перехода для каждого сплава своя и может сильно меняться даже при небольших изменениях его состава). Смена таких фазовых состояний, как правило, также сопровождается заметным выделением или поглощением энергии, хотя обычно гораздо менее значительным, чем при изменении агрегатного состояния вещества. Кроме того, во многих случаях при подобных изменениях в отличии от смены агрегатного состояния имеет место температурный гистерезис — температуры прямого и обратного фазового перехода могут существенно различаться, иногда на десятки и даже на сотни градусов.
Накопление энергии с помощью термохимических реакций
Давно и широко известна большая группа химических реакций, которые в закрытом сосуде при нагревании идут в одну сторону с поглощением энергии, а при охлаждении — в обратную с выделением энергии. Такие реакции часто называют термохимическими . Энергетическая эффективность таких реакций, как правило, меньше, чем при смене агрегатного состояния вещества, однако тоже весьма заметна.
Подобные термохимические реакции можно рассматривать как своего рода смену фазового состояния смеси реагентов, и проблемы здесь возникают примерно те же — трудно найти дешёвую, безопасную и эффективную смесь веществ, успешно действующую подобным образом в диапазоне температур от +20°С до Впрочем, один подобный состав известен уже давно — это глауберова соль.
Мирабилит (он же глауберова соль, он же десятиводный сульфат натрия получают в результате элементарных химических реакций (например, при добавлении поваренной соли в серную кислоту) или добывают в «готовом виде» как полезное ископаемое. Очень велики естественные запасы экологически чистого мирабилита в заливе Кара-Богаз-Гол на Каспии (Туркменистан), причём там они постоянно возобновляются благодаря естественному испарению огромных объёмов солёной каспийской воды под жарким южным солнцем. Оптовая стоимость технического мирабилита в Москве на конец — порядка 5.5 рублей за килограмм, медицинского (используется при промывании желудка) чуть дороже. При длительном хранении в сухом месте кристаллический мирабилит «высыхает», теряя связанную воду и потихоньку превращаясь в безводный сульфат натрия. При этом его плотность повышается, а объём уменьшается, что облегчает транспортировку. Чтобы восстановить сульфат натрия до «рабочего» десятиводного состояния, достаточно добавить в него необходимое количество воды.
С точки зрения аккумуляции тепла наиболее интересная особенность мирабилита заключается в том, что при повышении температуры выше связанная вода начинает освобождаться, и внешне это выглядит как «плавление» кристаллов, которые растворяются в выделившейся из них же воде. При снижении температуры до свободная вода вновь связывается в структуру кристаллогидрата — происходит «кристаллизация». Но самое главное — теплота этой реакции гидратации-дегидратации весьма велика и составляет что заметно выше теплоты «честного» плавления-кристаллизации парафинов, хотя и на треть меньше, чем теплота плавления льда (воды).
Таким образом, теплоаккумулятор на основе насыщенного раствора мирабилита (насыщенного именно при температуре выше может эффективно поддерживать температуру на уровне с большим ресурсом накопления или отдачи энергии. Конечно, для полноценного горячего водоснабжения эта температура слишком низка (душ с такой температурой в лучшем случае воспринимается как «весьма прохладный»), но вот для подогрева воздуха такой температуры может оказаться вполне достаточно — в этом случае раствор мирабилита можно поместить в пластиковые бутылки и обдувать их воздухом с помощью обычного маломощного вентилятора (в том числе автомобильного на 12 вольт или компьютерного на 5 вольт). В жарких местностях можно использовать раствор мирабилита для сохранения прохлады, — согласитесь, что когда на улице больше в тени, даже в помещении будут весьма живительны, причём в отличии от прожорливых кондиционеров здесь не нужно ни электричества, ни топлива.
И ещё один приятный «бонус» мирабилита при работе «на обогрев» — возможность значительного переохлаждения находящегося в покое раствора без кристаллизации (до и ниже). В итоге получается «управляемый» теплоаккумулятор, который можно «включить», внеся возмущение в переохлаждённый раствор, скажем, стукнув по стенке ёмкости. При этом начинается реакция кристаллизации, в результате которой выделяется тепло и температура раствора быстро возрастает до Далее реакция кристаллизации замедляется и идёт со скоростью, необходимой для поддержания этой температуры, — до тех пор, пока вся растворённая глауберова соль не кристаллизуется. Но, конечно, не следует думать, что раствор можно переохладить очень сильно, и приехав под Новый год на промороженную дачу, обогреть её запасённым летом теплом. Дело в том, что чем больше степень переохлаждения, тем меньшее воздействие нужно для запуска реакции кристаллизации, вплоть до громких звуков, перепадов атмосферного давления и неуловимых человеком естественных вибраций. И уж в любом случае, таким воздействием будет начало замерзания свободной воды в ёмкости!
Для того, чтобы кристаллизация начиналась автоматически при снижении температуры до порогового уровня , можно принудительно «взбадривать» раствор (скажем, установить обдувающий ёмкость вентилятор непосредственно на её стенке, чтобы вибрация от вентилятора запустила кристаллизацию сразу, как только температура начнёт снижаться). Другой способ — это использовать перенасыщенный раствор, когда часть кристаллов так и не сможет раствориться (им просто не хватит воды). Эти кристаллы обеспечат неравновесность раствора, автоматически запускающую кристаллизацию при снижении температуры ниже пороговой.
Весьма низкая температура фазового перехода позволяет «заряжать» мирабилитовый теплоаккумулятор не только интенсивным нагревом с помощью электрогрелок или сжигания топлива, но и «низкотемпературным» солнечным теплом от солнечных коллекторов даже в прохладные, но солнечные весенние и осенние дни! При этом, хотя габариты такого теплоаккумулятора будут немалыми (масса нужна большая, и здесь никуда не деться — в городской квартире его не разместить), при условии использования бросовых материалов для солнечного коллектора и бросовых емкостей под раствор (пустые пластиковые бутылки) его стоимость в зависимости от объёма я оцениваю всего от нескольких тысяч до двух-трёх десятков тысяч рублей, — главным образом на теплоизоляцию и сам мирабилит.
К сожалению, информации о подобных системах в Интернете практически нет. Пожалуй, единственное, зато толковое и подробное описание такой системы мне встретилось на сайте «DelaySam.ru». Гораздо чаще можно встретить сведения о процессах, позволяющих запасать в виде химической энергии высокотемпературное тепло. Да, там количество теплоты на каждый килограмм рабочего вещества на один-два порядка больше, чем у мирабилитового теплоаккумулятора. Но они требуют специального оборудования и технологий (нагревом на солнышке там не обойтись!), кроме того, почти всегда необходимо организовывать разделение реагентов и соблюдать особую осторожность из-за использования в процессах химически активных или легковоспламеняющихся веществ, а также из-за других опасностей. Поэтому эти способы аккумуляции энергии рассматриваются в отдельном разделе химических накопителей энергии.
Электрические накопители энергии
Электричество — наиболее удобная и универсальная форма энергии в современном мире. Не удивительно, что именно накопители электрической энергии развиваются наиболее быстро. К сожалению, в большинстве случаев удельная ёмкость недорогих устройств невелика, а устройства с высокой удельной ёмкостью пока слишком дороги для хранения больших запасов энергии при массовом применении и весьма недолговечны.
Конденсаторы
Самые массовые «электрические» накопители энергии — это обычные радиотехнические конденсаторы. Они обладают огромной скоростью накопления и отдачи энергии — как правило, от нескольких тысяч до многих миллиардов полных циклов в секунду, и способны так работать в широком диапазоне температур многие годы, а то и десятилетия. Объединяя несколько конденсаторов параллельно, легко можно увеличить их суммарную ёмкость до нужной величины.
Конденсаторы можно разделить на два больших класса — неполярные (как правило, «сухие», т.е. не содержащие жидкого электролита) и полярные (обычно электролитические). Использование жидкого электролита обеспечивает существенно бóльшую удельную ёмкость, но почти всегда требует соблюдения полярности при подключении. Кроме того, электролитические конденсаторы часто более чувствительные к внешним условиям, прежде всего к температуре, и имеют меньший срок службы (с течением времени электролит улетучивается и высыхает).
Однако у конденсаторов есть два основных недостатка. Во-первых, это весьма малая удельная плотность запасаемой энергии и потому небольшая (относительно других видов накопителей) ёмкость. Во-вторых, это малое время хранения, которое обычно исчисляется минутами и секундами и редко превышает несколько часов, а в некоторых случаях составляет лишь малые доли секунды. В результате область применения конденсаторов ограничивается различными электронными схемами и кратковременным накоплением, достаточным для выпрямления, коррекции и фильтрации тока в силовой электротехнике — на большее их пока не хватает.
Ионисторы
Ионисторы, которые иногда называют «суперконденсаторами», можно рассматривать как своего рода промежуточное звено между электролитическими конденсаторами и электрохимическими аккумуляторами. От первых они унаследовали практически неограниченное количество циклов заряда-разряда, а от вторых — относительно невысокие токи зарядки и разрядки (цикл полной зарядки-разрядки может длиться секунду, а то и намного дольше). Ёмкость их также находится в диапазоне между наиболее ёмкими конденсаторами и небольшими аккумуляторами — обычно запас энергии составляет от единиц до нескольких сотен джоулей.
Дополнительно следует отметить достаточно высокую чувствительность ионисторов к температуре и ограниченное время хранения заряда — от нескольких часов до нескольких недель максимум.
Электрохимические аккумуляторы
Электрохимические аккумуляторы были изобретены ещё на заре развития электротехники, и сейчас их можно встретить повсюду — от мобильного телефона до самолётов и кораблей.
Как правило, при необходимости запасать достаточно большую энергию — от нескольких сотен килоджоулей и более — используются свинцово-кислотные аккумуляторы (пример — любой автомобиль). Однако они имеют немалые габариты и, главное, вес. Если же требуется малый вес и мобильность устройства, то используются более современные типы аккумуляторов — никель-кадмиевые, металл-гидридные, литий-ионные, полимер-ионные и др. Они имеют гораздо более высокую удельную ёмкость, однако и удельная стоимость хранения энергии у них заметно выше, поэтому их применение обычно ограничивается относительно небольшими и экономичными устройствами, такими как мобильные телефоны, фото- и видеокамеры, ноутбуки и т.п.
В последнее время на гибридных автомобилях и электромобилях начали применяться мощные литий-ионные аккумуляторы. Помимо меньшего веса и большей удельной ёмкости, в отличие от свинцово-кислотных они позволяют практически полностью использовать свою номинальную ёмкость, считаются более надёжными и имеющими бóльший срок службы, а их энергетическая эффективность в полном цикле превышает 90%, в то время как энергетическая эффективность свинцовых аккумуляторов при заряде последних 20% ёмкости может падать до 50%. Однако опасность возгорания современных литий-ионных аккумуляторов заметно выше, чем у традиционных свинцово-кислотных — помимо нарушений режимов заряда (в том числе при использовании зарядных устройств для свинцово-кислотных аккумуляторов) и разряда (особенно при коротком замыкании), которые могут спровоцировать переход этих аккумуляторов в так называемый «режим саморазгона», к возгоранию с достаточно высокой вероятностью могут привести сильные механические повреждения и разрушение корпуса. А вот потушить вспыхнувший мощный литий-ионный аккумулятор из-за высокой химической активности лития не так просто, о чём свидетельствует пока ещё не очень богатый опыт эксплуатации массовых моделей электромобилей. Как правило, машины, с которыми случилась подобная беда, сгорают дотла. Впрочем, не следует считать электромобили слишком пожароопасными — общая вероятность их возгорания не выше, чем у бензиновых, а сам пожар обычно развивается гораздо медленнее по сравнению с возгоранием разлившегося бензина и происходит достаточно спокойно, без сильных взрывов, подобных взрыву бензобака у традиционного автомобиля, так что у людей гораздо больше шансов успеть покинуть автомобиль и постараться уменьшить ущерб от возгорания.
По режиму использования электрохимические аккумуляторы (прежде всего мощные) также подразделяются на два больших класса — так называемые тяговые и стартовые. Тяговые аккумуляторы ориентированы на относительно равномерный разряд в течение достаточно длительного времени, когда параметры разряда сравнимы с током и временем зарядки, а глубина разряда может быть достаточно большой — прежде всего это аккумуляторы для электротранспорта, электроинструмента и источников бесперебойного питания (UPS). Стартовые , наоборот, способны выдать очень большой ток в течении короткого времени, но при штатной эксплуатации не должны испытывать глубокий разряд — таковы обычные автомобильные аккумуляторы, выдающие в течении нескольких секунд на стартёр ток в сотни ампер, при том что нормальный зарядный ток у них лежит в диапазоне а полная зарядка длится несколько часов. Обычно стартовый аккумулятор достаточно успешно может работать в качестве тягового (главное — контролировать степень разряда и не доводить его до такой глубины, которая допустима для тяговых аккумуляторов), а вот при обратном применении слишком большой ток нагрузки может очень быстро вывести тяговый аккумулятор из строя. С другой стороны, менее жёсткие условия разряда позволяют несколько облегчить конструкцию тяговых аккумуляторов по сравнению с их стартовыми собратьями, а допустимость большей глубины разряда позволяет приблизить реально используемую ёмкость к номинальной.
К недостаткам электрохимических аккумуляторов можно отнести весьма ограниченное число циклов заряда-разряда (в большинстве случаев от 250 до 2000, а при несоблюдении рекомендаций производителей — гораздо меньше), и даже при отсутствии активной эксплуатации большинство типов аккумуляторов через несколько лет деградируют, утрачивая свои потребительские свойства. При этом срок службы многих видов аккумуляторов идёт не с начала их эксплуатации, а с момента изготовления. Исключение составляют так называемые «сухозаряженные» свинцово-кислотные аккумуляторы (в которые на заводе не залили электролит), — они могут многие годы храниться без существенного ухудшения потребительских свойств, и для них срок службы можно отсчитывать с момента первой заливки электролита. Кроме того, для электрохимических аккумуляторов характерны чувствительность к температуре, длительное время заряда, иногда в десятки раз превышающее время разряда, и необходимость соблюдения методики использования (недопущение глубокого разряда для свинцовых аккумуляторов и, наоборот, соблюдение полного цикла заряда-разряда для металл-гидридных и многих других типов аккумуляторов). Время хранения заряда также довольно ограничено — обычно от недели до года (я имею в виду, что оставшийся в аккумуляторе заряд будет намного меньше исходного, а вовсе не то, что по истечении указанного срока он будет совсем «пуст», хотя возможно и такое). У старых аккумуляторов уменьшается не только ёмкость, но и время хранения, причём и то, и другое может сократиться во много раз.
Химические накопители энергии
Этот способ накопления энергии стоит рассмотреть отдельно, поскольку такие процессы часто позволяют получать энергию как в том виде, из которого она запасалась, так и в любом другом. Можно выделить «топливные» и «безтопливные» разновидности. В отличии от низкотемпературных термохимических накопителей, которые могут запасти энергию, просто будучи помещёнными в достаточно тёплое место, здесь не обойтись без специальных технологий и высокотехнологичного оборудования, иногда весьма громоздкого. В частности, если в случае низкотемпературных термохимических реакций смесь реагентов обычно не разделяется и всегда находится в одной и той же ёмкости, реагенты для высокотемпературных реакций хранятся отдельно друг от друга и соединяются лишь тогда, когда нужно получить энергию.
Накопление энергии наработкой топлива
На этапе накопления энергии происходит химическая реакция, в результате которой восстанавливается топливо, например, из воды выделяется водород — прямым электролизом, в электрохимических ячейках с использованием катализатора или с помощью термического разложения, скажем, электрической дугой или сильно сконцентрированным солнечным светом. «Освободившийся» окислитель может быть собран отдельно (для кислорода это необходимо в условиях замкнутого изолированного объекта — под водой или в космосе) либо за ненадобностью «выброшен», поскольку в момент использования топлива этого окислителя будет вполне достаточно в окружающей среде и нет необходимости тратить место и средства на его организованное хранение.
На этапе извлечения энергии наработанное топливо окисляется с выделением энергии непосредственно в нужной форме, независимо от того, каким способом было получено это топливо. Например, водород может дать сразу тепло (при сжигании в горелке), механическую энергию (при подаче его в качестве топлива в двигатель внутреннего сгорания или турбину) либо электричество (при окислении в топливной ячейке). Как правило, такие реакции окисления требуют дополнительной инициации (поджига), что весьма удобно для управления процессом извлечения энергии.
Этот способ очень привлекателен независимостью этапов накопления энергии («зарядки») и её использования («разрядки»), высокой удельной ёмкостью запасаемой в топливе энергии (десятки мегаджоулей на каждый килограмм топлива) и возможностью длительного хранения (при обеспечении должной герметичности ёмкостей — многие годы). Однако его широкому распространению препятствует неполная отработанность и дороговизна технологии, высокая пожаро- и взрывоопасность на всех стадиях работы с таким топливом, и, как следствие, необходимость высокой квалификации персонала при обслуживании и эксплуатации этих систем.
Безтопливное химическое накопление энергии
В данном случае на этапе «зарядки» из одних химических веществ образуются другие, и в ходе этого процесса в образующихся новых химических связях запасается энергия (скажем, гашёная известь при помощи нагрева переводится в негашёное состояние).
При «разрядке» происходит обратная реакция, сопровождаемая выделением ранее запасённой энергии (обычно в виде тепла, иногда дополнительно в виде газа, который можно подать в турбину) — в частности, именно это имеет место при «гашении» извести водой. В отличие от топливных методов, для начала реакции обычно достаточно просто соединить реагенты друг с другом — дополнительная инициация процесса (поджиг) не требуется.
По сути, это разновидность термохимической реакции, однако в отличии от низкотемпературных реакций, описанных при рассмотрении тепловых накопителей энергии и не требующих каких-то особых условий, здесь речь идёт о температурах в многие сотни, а то и тысячи градусов. В результате количество энергии, запасаемой в каждом килограмме рабочего вещества, существенно возрастает, но и оборудование во много раз сложнее, объёмнее и дороже, чем пустые пластиковые бутылки или простой бак для реагентов.
Необходимость расхода дополнительного вещества — скажем, воды для гашения извести — не является существенным недостатком (при необходимости можно собрать воду, выделяющуюся при переходе извести в негашёное состояние). А вот особые условия хранения этой самой негашёной извести, нарушение которых чревато не только химическими ожогами, но и взрывом, переводят этот и ему подобные способы в разряд тех, которые вряд ли выйдут в широкую жизнь.
Электронная протонная. Основы электротехники и электроники тестовые вопросы
Единственный в мире Музей Смайликов
Самая яркая достопримечательность Крыма
Скачать 2.24 Mb.
- По какому параметру участки электрической цепи классифицируются на активные и пассивные?
- Для какого элемента электрической цепи статическое и динамическое сопротивление равны?
- Для какого пассивного элемента сопротивление по постоянному току равно нулю?
- Какой пассивный элемент представляет собой разрыв цепи или имеет бесконечно большое сопротивление по постоянному току?
- Энергию какого вида может запасать емкость?
- Энергию какого вида может запасать индуктивность?
- Какой активный элемент теоретически может отдавать в нагрузку бесконечную мощность?
- Какие виды схем замещения существуют для реального источника энергии?
- Какие оси пересекает внешняя характеристика реального источника?
- Схема представляет собой условно графическое изображение элементов реальной электрической цепи и их соединения
- Схема представляет собой изображение основных функциональных блоков реальной цепи и связей между ними
- Схема представляет собой изображение моделирующей цепи, составленной только из идеализированных элементов
- Какие величины между собой связывает такой элемент электрической цепи как емкость?
- Какие величины между собой связывает такой элемент электрической цепи как сопротивление?
- Какие величины между собой связывает такой элемент электрической цепи как индуктивность?
- Какие уравнения являются компонентными?
- Какие уравнения являются топологическими?
- На основании какого закона составляется полная матрица узлов (структурная матрица)?
- На основании какого закона составляется матрица главных контуров?
- Какие элементы входят в состав линейной электрической цепи?
- Какую электрическую цепь называют нелинейной?
- По типу дифференциального уравнения электрические цепи классифицируют на
- Как соотносятся между собой частота f и угловая (круговая) частота ω гармонической функции?
- Как связаны между собой амплитуда Am и действующее значение A гармонической функции?
- Чему равна активная мощность резистивного элемента?
- Чему равна активная мощность емкостного элемента?
- Чему равна активная мощность индуктивного элемента?
- Чему равен аргумент комплексного сопротивления резистивного элемента?
- Чему равен аргумент комплексного сопротивления емкостного элемента?
- Чему равен аргумент комплексного сопротивления индуктивного элемента?
- Чему равно полное сопротивление емкостного элемента?
- Чему равно полное сопротивление индуктивного элемента?
- Определить активное сопротивление пассивного двухполюсника, если ток I˙=4−j2 А и напряжение U˙=30+j10 В . Результат вычислений округлить до целого и записать в Омах.
- Определить угол сдвига фаз между током и напряжением пассивного двухполюсника, если ток I˙=4−j2 А и напряжение U˙=30+j10 В. Результат вычислений округлить до целого и записать в градусах.
- Определить активную мощность пассивного двухполюсника, если ток I˙=4−j2 А и напряжение U˙=30+j10 В . Результат вычислений округлить до целого и записать в ваттах.
- Определить реактивную мощность пассивного двухполюсника, если ток I˙=4−j2 А и напряжение U˙=30+j10 В . Результат вычислений округлить до целого и записать в Вар
- Определить полную мощность пассивного двухполюсника, если ток I˙=4+j2 А и напряжение U˙=30+j10 В . Результат вычислений округлить до целого и записать в ВА.
- Чему равен угол сдвига фаз между гармоническим током и напряжением в последовательной RC-цепи, если активное сопротивление R=100 Ом , а реактивное сопротивление X=1003 Ом . Результат вычислений округлить до целого и записать в градусах.
- Чему равно полное сопротивление последовательной RC-цепи, если активное сопротивление R=300 Ом , а реактивное сопротивление X=400 Ом . Результат вычислений округлить до целого и записать в омах.
- Чему равен угол сдвига фаз между гармоническим током и напряжением в последовательной RL-цепи, если активное сопротивление R=1003 Ом , а реактивное сопротивление X=100 Ом . Результат вычислений округлить до целого и записать в градусах.
- Чему равно полное сопротивление последовательной RL-цепи, если активное сопротивление R=400 Ом , а реактивное сопротивление X=300 Ом . Результат вычислений округлить до целого и записать в омах.
- Чему равен угол сдвига фаз между гармоническим током и напряжением в последовательной RL- или RC-цепи, если полное сопротивление |Z|=3002 Ом , а реактивное сопротивление X=300 Ом . Результат вычислений округлить до целого и записать в градусах.
- Какие числовые значения может принимать коэффициент мощности?
- Какой характер имеет комплексное входное сопротивление двухполюсника, если он содержит только резистивные и индуктивные элементы?
- Какой характер имеет комплексное входное сопротивление двухполюсника, если он содержит только резистивные и емкостные элементы?
- Может ли входное комплексное сопротивление последовательной и параллельной RL C-цепи иметь чисто резистивный характер?
Продолжите фразу. В методе контурных токов переходят от токов в ветвях к …
токам в контурах
Как задаются направления контурных токов?
произвольно
Продолжите фразу. В методе контурных токов переходят от …
источников тока к источникам ЭДС
Чем определяется размер матрицы сопротивлений в методе контурных токов?
количеством главных контуров в электрической цепи
Продолжите фразу. В методе контурных токов матрица сопротивлений …
квадратная и симметричная
Чем определяется размер матрицы-столбца контурных ЭДС в методе контурных токов?
числом главных контуров в электрической цепи верно
Схема электрической цепи 
№ 1
Укажите число главных контуров для электрической цепи № 1. верно
Укажите число строк и число столбцов в матрице сопротивлений для электрической цепи № 1. верно
верно
Пусть для электрической цепи № 1 контурный ток I11 протекает через ветви с сопротивлениями иR1иR2 по часовой стрелке (первый контур), а контурный ток I22 протекает через ветви с сопротивлениями иR2, R3иR4 также по часовой стрелке (второй контур). Чему равно взаимное контурное сопротивление первого и второго контура?
−R2 верно
Пусть для электрической цепи № 1 контурный ток I11 протекает через ветви с сопротивлениями иR1иR2 по часовой стрелке (первый контур), а контурный ток I22 протекает через ветви с сопротивлениями иR2, R3иR4 также по часовой стрелке (второй контур). Чему равно контурное сопротивление второго контура?
R3+R4+R2 верно
Пусть для электрической цепи № 1 контурный ток I11 протекает через ветви с сопротивлениями иR1иR2 по часовой стрелке (первый контур), а контурный ток I22 протекает через ветви с сопротивлениями иR2, R3иR4 также по часовой стрелке (второй контур). Чему равна контурная ЭДС первого контура?
E1 верно
Пусть для электрической цепи № 1 контурный ток I11 протекает через ветви с сопротивлениями иR1иR2 по часовой стрелке (первый контур), а контурный ток I22 протекает через ветви с сопротивлениями иR2, R3иR4 также по часовой стрелке (второй контур). Чему равна контурная ЭДС второго контура?
0 верно
Пусть для электрической цепи № 1 контурный ток I11 протекает через ветви с сопротивлениями иR1иR2 по часовой стрелке (первый контур), а контурный ток I22 протекает через ветви с сопротивлениями иR2, R3иR4 также по часовой стрелке (второй контур). Чему равен ток через сопротивление R1 ?
I11 верно
Пусть для электрической цепи № 1 контурный ток I11 протекает через ветви с сопротивлениями иR1иR2 по часовой стрелке (первый контур), а контурный ток I22 протекает через ветви с сопротивлениями иR2, R3иR4 также по часовой стрелке (второй контур). Чему равен ток через сопротивление R2 ?
I11−I22 верно
Продолжите фразу. В методе узловых напряжений переходят от напряжений в ветвях к …
напряжениям в узлах верно
Как выбирается узел с нулевым потенциалом в методе узловых напряжений?
произвольно верно
Продолжите фразу. В методе узловых напряжений переходят от …
источников ЭДС к источникам тока верно
Чем определяется размер матрицы проводимостей в методе узловых напряжений?
количеством узлов в электрической цепи минус один верно
Продолжите фразу. В методе узловых напряжений матрица проводимостей …
квадратная и симметричная верно
Чем определяется размер матрицы-столбца узловых токов в методе узловых напряжений?
числом узлов в электрической цепи минус один верно
Схема электрической цепи № 2
Являются ли электрические цепи №1 и №2 эквивалентными?
являются при условии, что J1=E1/R1 и J5=E5/R5 верно
Укажите число невырожденных узлов для электрической цепи № 2. верно
Укажите число строк и число столбцов в матрице проводимостей для электрической цепи № 2. верно
верно
В электрической цепи № 2 все сопротивления равны 1 кОм , а токи источников равны 100 мА. Определите ЭДС эквивалентного источника напряжения относительно ветви с сопротивлением R3 . Результат запишите в В. верно
В электрической цепи № 2 все сопротивления равны 1 кОм, а токи источников равны 100 мА. Определите внутреннее сопротивление эквивалентного источника напряжения относительно ветви с сопротивлением R3 . Результат запишите в кОм. верно
В электрической цепи № 1 все сопротивления равны 1 кОм, а напряжения источников ЭДС равны 100 В. По принципу наложения определите величину тока в ветви с сопротивлением R3, вызываемого
источником ЭДС E1 . Результат запишите в мА. верно
В электрической цепи № 1 все сопротивления равны 1 кОм, а напряжения источников ЭДС равны 100 В. По принципу наложения определите величину тока в ветви с сопротивлением R3, вызываемого источником ЭДС E2 . Результат запишите в мА. верно