Η φύση έδωσε στον άνθρωπο μια ποικιλία από πηγές ενέργειας: τον ήλιο, τον άνεμο, τα ποτάμια και άλλες. Το μειονέκτημα αυτών των γεννητριών ελεύθερης ενέργειας είναι η έλλειψη σταθερότητας. Επομένως, σε περιόδους υπερβολικής ενέργειας, αποθηκεύεται σε συσκευές αποθήκευσης και δαπανάται σε περιόδους προσωρινής ύφεσης. Οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας χαρακτηρίζονται από τις ακόλουθες παραμέτρους:
- ποσό αποθηκευμένης ενέργειας;
- ταχύτητα συσσώρευσης και επιστροφών του;
- ειδικό βάρος;
- χρόνος αποθήκευσης ενέργειας;
- αξιοπιστία;
- κόστος κατασκευής και συντήρησης και άλλα.
Υπάρχουν πολλοί τρόποι οργάνωσης μονάδων δίσκου. Ένα από τα πιο βολικά είναι η ταξινόμηση σύμφωνα με τον τύπο ενέργειας που χρησιμοποιείται στη συσκευή αποθήκευσης και σύμφωνα με τη μέθοδο συσσώρευσης και επιστροφής της. Οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας χωρίζονται στους ακόλουθους κύριους τύπους:
- μηχανικό;
- θερμικό;
- ηλεκτρικό;
- chemical.
Συσσώρευση δυναμικής ενέργειας
Η ουσία αυτών των συσκευών είναι απλή. Όταν ένα φορτίο ανυψώνεται, συσσωρεύεται δυναμική ενέργεια, όταν χαμηλώνει, εκτελεί χρήσιμη εργασία. Τα χαρακτηριστικά σχεδιασμού εξαρτώνται από τον τύπο του φορτίου. Μπορεί να είναι στερεό, υγρό ήχαλαρή ουσία. Κατά κανόνα, τα σχέδια συσκευών αυτού του τύπου είναι εξαιρετικά απλά, εξ ου και η υψηλή αξιοπιστία και η μεγάλη διάρκεια ζωής. Ο χρόνος αποθήκευσης της αποθηκευμένης ενέργειας εξαρτάται από την ανθεκτικότητα των υλικών και μπορεί να φτάσει τις χιλιετίες. Δυστυχώς, τέτοιες συσκευές έχουν χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα.
Μηχανική αποθήκευση κινητικής ενέργειας
Σε αυτές τις συσκευές, η ενέργεια αποθηκεύεται στην κίνηση ενός σώματος. Συνήθως πρόκειται για μια ταλαντωτική ή μεταφραστική κίνηση.
Η κινητική ενέργεια στα ταλαντωτικά συστήματα συγκεντρώνεται στην παλινδρομική κίνηση του σώματος. Η ενέργεια παρέχεται και καταναλώνεται σε δόσεις, σε χρόνο με την κίνηση του σώματος. Ο μηχανισμός είναι αρκετά περίπλοκος και ιδιότροπος στη ρύθμιση. Χρησιμοποιείται ευρέως σε μηχανικά ρολόγια. Η ποσότητα της αποθηκευμένης ενέργειας είναι συνήθως μικρή και είναι κατάλληλη μόνο για τη λειτουργία της ίδιας της συσκευής.
Συσκευές αποθήκευσης με γυροσκόπιο
Η αποθήκη κινητικής ενέργειας συγκεντρώνεται σε έναν περιστρεφόμενο σφόνδυλο. Η ειδική ενέργεια ενός σφονδύλου υπερβαίνει σημαντικά την ενέργεια ενός παρόμοιου στατικού φορτίου. Είναι δυνατή η λήψη ή η έξοδος σημαντικής ισχύος σε σύντομο χρονικό διάστημα. Ο χρόνος αποθήκευσης ενέργειας είναι σύντομος και για τα περισσότερα σχέδια περιορίζεται σε λίγες ώρες. Οι σύγχρονες τεχνολογίες καθιστούν δυνατή τη μείωση του χρόνου αποθήκευσης ενέργειας σε αρκετούς μήνες. Οι σφόνδυλοι είναι πολύ ευαίσθητοι σε κραδασμούς. Η ενέργεια της συσκευής εξαρτάται άμεσα από την ταχύτητα περιστροφής της. Επομένως, κατά τη διαδικασία συσσώρευσης και επιστροφής ενέργειας, εμφανίζεται μια αλλαγή στην ταχύτητα περιστροφής του σφονδύλου. Και για ένα φορτίο όπωςκατά κανόνα, απαιτείται σταθερή, χαμηλή ταχύτητα περιστροφής.
Πιο πολλά υποσχόμενες συσκευές είναι τα superflywheels. Είναι κατασκευασμένα από ταινία χάλυβα, συνθετική ίνα ή σύρμα. Το σχέδιο μπορεί να είναι πυκνό ή να έχει κενό χώρο. Εάν υπάρχει ελεύθερος χώρος, τα πηνία της ταινίας μετακινούνται στην περιφέρεια περιστροφής, αλλάζει η στιγμή αδράνειας του σφονδύλου, μέρος της ενέργειας αποθηκεύεται στο παραμορφωμένο ελατήριο. Σε τέτοιες συσκευές, η ταχύτητα περιστροφής είναι πιο σταθερή από ό,τι σε συμπαγείς κατασκευές και η κατανάλωση ενέργειας είναι πολύ μεγαλύτερη. Είναι επίσης πιο ασφαλή.
Οι σύγχρονοι σούπερ σφόνδυλοι είναι κατασκευασμένοι από ίνες Kevlar. Περιστρέφονται σε θάλαμο κενού πάνω σε μαγνητική ανάρτηση. Δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας για αρκετούς μήνες.
Μηχανική αποθήκευση με χρήση ελαστικών δυνάμεων
Αυτός ο τύπος συσκευής είναι ικανός να αποθηκεύει μια τεράστια συγκεκριμένη ενέργεια. Από τους μηχανικούς κινητήρες, έχει την υψηλότερη ενεργειακή ένταση για συσκευές με διαστάσεις αρκετών εκατοστών. Οι μεγάλοι σφόνδυλοι με πολύ υψηλές ταχύτητες περιστροφής έχουν πολύ υψηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο, αλλά είναι πολύ ευάλωτοι σε εξωτερικές επιδράσεις και έχουν μικρότερο χρόνο αποθήκευσης ενέργειας.
Μηχανική αποθήκευση ενέργειας ελατηρίου
Ικανότητα να παρέχει την υψηλότερη μηχανική ισχύ από οποιαδήποτε κατηγορία αποθήκευσης ενέργειας. Περιορίζεται μόνο από την αντοχή εφελκυσμού του ελατηρίου. Η ενέργεια σε ένα συμπιεσμένο ελατήριο μπορεί να αποθηκευτεί για αρκετές δεκαετίες. Ωστόσο, λόγω της συνεχούς παραμόρφωσης, η κόπωση συσσωρεύεται στο μέταλλο και την ικανότητα του ελατηρίουμειώνεται. Ταυτόχρονα, τα υψηλής ποιότητας χαλύβδινα ελατήρια, υπό κατάλληλες συνθήκες λειτουργίας, μπορούν να λειτουργήσουν για εκατοντάδες χρόνια χωρίς αισθητή απώλεια χωρητικότητας.
Οι λειτουργίες ελατηρίου μπορούν να εκτελεστούν από οποιοδήποτε ελαστικό στοιχείο. Τα λαστιχάκια, για παράδειγμα, είναι δεκάδες φορές ανώτερα από τα προϊόντα χάλυβα όσον αφορά την αποθηκευμένη ενέργεια ανά μονάδα μάζας. Αλλά η διάρκεια ζωής του καουτσούκ λόγω χημικής γήρανσης είναι μόνο λίγα χρόνια.
Μηχανικές συσκευές αποθήκευσης που χρησιμοποιούν την ενέργεια συμπιεσμένων αερίων
Σε αυτόν τον τύπο συσκευής, η ενέργεια αποθηκεύεται με τη συμπίεση του αερίου. Με την παρουσία περίσσειας ενέργειας, το αέριο αντλείται υπό πίεση στον κύλινδρο χρησιμοποιώντας έναν συμπιεστή. Ανάλογα με τις ανάγκες, χρησιμοποιείται συμπιεσμένο αέριο για την περιστροφή ενός στροβίλου ή μιας ηλεκτρικής γεννήτριας. Σε χαμηλές χωρητικότητες, συνιστάται η χρήση εμβολοφόρου κινητήρα αντί για τουρμπίνα. Το αέριο σε ένα δοχείο υπό πίεση εκατοντάδων ατμοσφαιρών έχει υψηλή ειδική ενεργειακή πυκνότητα για αρκετά χρόνια και με εξαρτήματα υψηλής ποιότητας - για δεκαετίες.
Αποθήκευση θερμικής ενέργειας
Το μεγαλύτερο μέρος της επικράτειας της χώρας μας βρίσκεται στις βόρειες περιοχές, επομένως σημαντικό μέρος της ενέργειας αναγκάζεται να δαπανηθεί για θέρμανση. Από αυτή την άποψη, είναι απαραίτητο να επιλύετε τακτικά το πρόβλημα της διατήρησης της θερμότητας στη μονάδα δίσκου και της εξαγωγής της από εκεί εάν είναι απαραίτητο.
Στις περισσότερες περιπτώσεις, δεν είναι δυνατό να επιτευχθεί υψηλή πυκνότητα αποθηκευμένης θερμικής ενέργειας και σημαντικές περίοδοι διατήρησής της. Υπάρχουσες αποτελεσματικές συσκευές σελόγω ορισμένων χαρακτηριστικών και της υψηλής τιμής του δεν είναι κατάλληλο για ευρεία εφαρμογή.
Αποθήκευση λόγω θερμοχωρητικότητας
Αυτός είναι ένας από τους πιο αρχαίους τρόπους. Βασίζεται στην αρχή της συσσώρευσης θερμικής ενέργειας όταν μια ουσία θερμαίνεται και της μεταφοράς θερμότητας όταν ψύχεται. Ο σχεδιασμός τέτοιων μονάδων δίσκου είναι εξαιρετικά απλός. Μπορεί να είναι ένα κομμάτι οποιασδήποτε στερεάς ουσίας ή ένα κλειστό δοχείο με υγρό ψυκτικό. Οι συσσωρευτές θερμικής ενέργειας έχουν πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής, σχεδόν απεριόριστο αριθμό κύκλων συσσώρευσης και απελευθέρωσης ενέργειας. Όμως ο χρόνος αποθήκευσης δεν υπερβαίνει τις αρκετές ημέρες.
Αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας
Η ηλεκτρική ενέργεια είναι η πιο βολική μορφή της στον σύγχρονο κόσμο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι ηλεκτρικές συσκευές αποθήκευσης χρησιμοποιούνται ευρέως και πιο ανεπτυγμένες. Δυστυχώς, η ειδική χωρητικότητα των φθηνών συσκευών είναι μικρή και οι συσκευές με υψηλή ειδική χωρητικότητα είναι πολύ ακριβές και βραχύβιες. Οι συσκευές αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας είναι πυκνωτές, ιονιστές, μπαταρίες.
Πυκνωτές
Αυτός είναι ο πιο μαζικός τύπος αποθήκευσης ενέργειας. Οι πυκνωτές είναι ικανοί να λειτουργούν σε θερμοκρασίες από -50 έως +150 βαθμούς. Ο αριθμός των κύκλων συσσώρευσης-επιστροφής ενέργειας είναι δεκάδες δισεκατομμύρια ανά δευτερόλεπτο. Συνδέοντας πολλούς πυκνωτές παράλληλα, μπορείτε εύκολα να αποκτήσετε την απαιτούμενη χωρητικότητα. Επιπλέον, υπάρχουν μεταβλητοί πυκνωτές. Η αλλαγή της χωρητικότητας τέτοιων πυκνωτών μπορεί να γίνει μηχανικά ή ηλεκτρικά ή με θερμοκρασία. Τις περισσότερες φορές, μεταβλητοί πυκνωτές μπορούν να βρεθούν σεταλαντευτικά κυκλώματα.
Οι πυκνωτές χωρίζονται σε δύο κατηγορίες - πολικούς και μη πολικούς. Η διάρκεια ζωής των πολικών (ηλεκτρολυτικών) είναι μικρότερη από τα μη πολικά, εξαρτώνται περισσότερο από εξωτερικές συνθήκες, αλλά ταυτόχρονα έχουν μεγαλύτερη ειδική χωρητικότητα.
Καθώς οι πυκνωτές αποθήκευσης ενέργειας δεν είναι πολύ επιτυχημένες συσκευές. Έχουν χαμηλή χωρητικότητα και ασήμαντη ειδική πυκνότητα αποθηκευμένης ενέργειας και ο χρόνος αποθήκευσης υπολογίζεται σε δευτερόλεπτα, λεπτά, σπάνια ώρες. Οι πυκνωτές έχουν βρει εφαρμογή κυρίως σε ηλεκτρονικά και ηλεκτρολογικά μηχανήματα ισχύος.
Ο υπολογισμός του πυκνωτή, κατά κανόνα, δεν προκαλεί δυσκολίες. Όλες οι απαραίτητες πληροφορίες για διαφορετικούς τύπους πυκνωτών παρουσιάζονται σε τεχνικά εγχειρίδια.
Ionistors
Αυτές οι συσκευές καταλαμβάνουν μια ενδιάμεση θέση μεταξύ των πολικών πυκνωτών και των μπαταριών. Μερικές φορές αναφέρονται ως «υπερπυκνωτές». Κατά συνέπεια, έχουν τεράστιο αριθμό σταδίων φόρτισης-εκφόρτισης, η χωρητικότητα είναι μεγαλύτερη από αυτή των πυκνωτών, αλλά ελαφρώς μικρότερη από αυτή των μικρών μπαταριών. Ο χρόνος αποθήκευσης ενέργειας είναι έως και αρκετές εβδομάδες. Οι ιονιστές είναι πολύ ευαίσθητοι στη θερμοκρασία.
Μπαταρίες τροφοδοσίας
Οι ηλεκτροχημικές μπαταρίες χρησιμοποιούνται εάν χρειάζεται να αποθηκεύσετε πολλή ενέργεια. Οι συσκευές μολύβδου-οξέος είναι οι πλέον κατάλληλες για το σκοπό αυτό. Εφευρέθηκαν πριν από περίπου 150 χρόνια. Και από τότε, τίποτα ουσιαστικά νέο δεν έχει εισαχθεί στη συσκευή μπαταρίας. Έχουν εμφανιστεί πολλά εξειδικευμένα μοντέλα, η ποιότητα των εξαρτημάτων έχει αυξηθεί σημαντικά,αξιοπιστία μπαταρίας. Αξίζει να σημειωθεί ότι η συσκευή μιας μπαταρίας που δημιουργείται από διαφορετικούς κατασκευαστές διαφέρει μόνο σε μικρές λεπτομέρειες για διαφορετικούς σκοπούς.
Οι ηλεκτροχημικές μπαταρίες χωρίζονται σε έλξη και εκκίνηση. Η έλξη χρησιμοποιείται σε ηλεκτρικές μεταφορές, αδιάλειπτα τροφοδοτικά, ηλεκτρικά εργαλεία. Τέτοιες μπαταρίες χαρακτηρίζονται από μακρά ομοιόμορφη εκφόρτιση και μεγάλο βάθος. Οι μπαταρίες εκκίνησης μπορούν να παρέχουν υψηλό ρεύμα σε σύντομο χρονικό διάστημα, αλλά η βαθιά εκφόρτιση δεν είναι αποδεκτή για αυτές.
Οι ηλεκτροχημικές μπαταρίες έχουν περιορισμένο αριθμό κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης, κατά μέσο όρο από 250 έως 2000. Ακόμα κι αν δεν χρησιμοποιηθούν, αποτυγχάνουν μετά από μερικά χρόνια. Οι ηλεκτροχημικές μπαταρίες είναι ευαίσθητες στη θερμοκρασία, απαιτούν μεγάλους χρόνους φόρτισης και απαιτούν αυστηρή συντήρηση.
Η συσκευή πρέπει να επαναφορτίζεται περιοδικά. Η μπαταρία που είναι εγκατεστημένη στο όχημα φορτίζεται εν κινήσει από τη γεννήτρια. Το χειμώνα, αυτό δεν είναι αρκετό, μια κρύα μπαταρία δεν δέχεται καλά τη φόρτιση και η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας για την εκκίνηση του κινητήρα αυξάνεται. Επομένως, είναι απαραίτητο να φορτίσετε επιπλέον την μπαταρία σε ένα ζεστό δωμάτιο με ειδικό φορτιστή. Ένα από τα σημαντικά μειονεκτήματα των συσκευών μολύβδου-οξέος είναι το μεγάλο τους βάρος.
Μπαταρίες για συσκευές χαμηλής κατανάλωσης
Εάν απαιτούνται κινητές συσκευές με χαμηλό βάρος, τότε επιλέξτε τους ακόλουθους τύπους μπαταριών: νικέλιο-κάδμιο,ιόν λιθίου, μέταλλο-υβρίδιο, πολυμερές-ιόν. Έχουν μεγαλύτερη ειδική χωρητικότητα, αλλά η τιμή είναι πολύ υψηλότερη. Χρησιμοποιούνται σε κινητά τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές, κάμερες, βιντεοκάμερες και άλλες μικρές συσκευές. Οι διαφορετικοί τύποι μπαταριών διαφέρουν ως προς τις παραμέτρους τους: τον αριθμό των κύκλων φόρτισης, τη διάρκεια ζωής, τη χωρητικότητα, το μέγεθος κ.λπ.
Μπαταρίες ιόντων λιθίου υψηλής ισχύος χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικά οχήματα και υβριδικά οχήματα. Έχουν μικρό βάρος, υψηλή ειδική χωρητικότητα και υψηλή αξιοπιστία. Ταυτόχρονα, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι πολύ εύφλεκτες. Η ανάφλεξη μπορεί να συμβεί από βραχυκύκλωμα, μηχανική παραμόρφωση ή καταστροφή της θήκης, παραβιάσεις των τρόπων φόρτισης ή εκφόρτισης της μπαταρίας. Η κατάσβεση της φωτιάς είναι αρκετά δύσκολη λόγω της υψηλής δραστηριότητας του λιθίου.
Οι μπαταρίες είναι η ραχοκοκαλιά πολλών συσκευών. Για παράδειγμα, μια συσκευή αποθήκευσης ενέργειας για ένα τηλέφωνο είναι μια συμπαγής εξωτερική μπαταρία τοποθετημένη σε μια ανθεκτική, αδιάβροχη θήκη. Σας επιτρέπει να φορτίζετε ή να τροφοδοτείτε το κινητό σας τηλέφωνο. Οι ισχυρές φορητές συσκευές αποθήκευσης ενέργειας είναι ικανές να φορτίζουν όλες τις ψηφιακές συσκευές, ακόμη και φορητούς υπολογιστές. Σε τέτοιες συσκευές, κατά κανόνα, εγκαθίστανται μπαταρίες ιόντων λιθίου υψηλής χωρητικότητας. Η αποθήκευση ενέργειας για το σπίτι δεν είναι επίσης πλήρης χωρίς μπαταρίες. Αλλά αυτές είναι πολύ πιο σύνθετες συσκευές. Εκτός από την μπαταρία, περιλαμβάνουν φορτιστή, σύστημα ελέγχου και μετατροπέα. Οι συσκευές μπορούν να λειτουργούν τόσο από σταθερό δίκτυο όσο και από άλλες πηγές. Η ισχύς εξόδου είναι 5 kW κατά μέσο όρο.
Drivesχημική ενέργεια
Κάντε διάκριση μεταξύ τύπων ηλεκτροκινητήρων "καυσίμου" και "μη καυσίμου". Απαιτούν ειδικές τεχνολογίες και συχνά ογκώδη εξοπλισμό υψηλής τεχνολογίας. Οι διαδικασίες που χρησιμοποιούνται καθιστούν δυνατή την απόκτηση ενέργειας σε διάφορες μορφές. Οι θερμοχημικές αντιδράσεις μπορούν να πραγματοποιηθούν τόσο σε χαμηλές όσο και σε υψηλές θερμοκρασίες. Τα συστατικά για αντιδράσεις υψηλής θερμοκρασίας εισάγονται μόνο όταν είναι απαραίτητο να ληφθεί ενέργεια. Πριν από αυτό, αποθηκεύονται χωριστά, σε διαφορετικά μέρη. Τα συστατικά για αντιδράσεις χαμηλής θερμοκρασίας βρίσκονται συνήθως στο ίδιο δοχείο.
Αποθήκευση ενέργειας με χρήση καυσίμου
Αυτή η μέθοδος περιλαμβάνει δύο εντελώς ανεξάρτητα στάδια: τη συσσώρευση ενέργειας ("φόρτιση") και τη χρήση της ("εκφόρτιση"). Το παραδοσιακό καύσιμο έχει κατά κανόνα μεγάλη ειδική ενεργειακή χωρητικότητα, δυνατότητα μακροχρόνιας αποθήκευσης και ευκολία χρήσης. Όμως η ζωή δεν μένει ακίνητη. Η εισαγωγή νέων τεχνολογιών δημιουργεί αυξημένες απαιτήσεις σε καύσιμα. Η εργασία επιλύεται με τη βελτίωση των υπαρχόντων και τη δημιουργία νέων καυσίμων υψηλής ενέργειας.
Η ευρεία εισαγωγή νέων δειγμάτων εμποδίζεται από την ανεπαρκή ανάπτυξη των τεχνολογικών διαδικασιών, τους υψηλούς κινδύνους πυρκαγιάς και έκρηξης στην εργασία, την ανάγκη για υψηλά καταρτισμένο προσωπικό και το υψηλό κόστος της τεχνολογίας.
Αποθήκευση χημικής ενέργειας χωρίς καύσιμα
Σε αυτόν τον τύπο αποθήκευσης, η ενέργεια αποθηκεύεται μετατρέποντας ορισμένες χημικές ουσίες σε άλλες. Για παράδειγμα, ο σβησμένος ασβέστης, όταν θερμαίνεται, μεταβαίνει σε κατάσταση άσβεστου. Κατά την εκφόρτιση, η αποθηκευμένη ενέργειααπελευθερώνεται ως θερμότητα και αέριο. Αυτό ακριβώς συμβαίνει όταν ο ασβέστης σβήνει με νερό. Για να ξεκινήσει η αντίδραση, συνήθως αρκεί να συνδυάσουμε τα συστατικά. Στην ουσία, αυτό είναι ένα είδος θερμοχημικής αντίδρασης, μόνο που προχωρά σε θερμοκρασία εκατοντάδων και χιλιάδων βαθμών. Επομένως, ο εξοπλισμός που χρησιμοποιείται είναι πολύ πιο περίπλοκος και ακριβός.
