Naturen gav människan en mängd olika energikällor: solen, vinden, floder och andra. Nackdelen med dessa gratis energigeneratorer är bristen på stabilitet. Under perioder av överskottsenergi lagras den därför i lagringsenheter och förbrukas under perioder av tillfällig lågkonjunktur. Energilagringsenheter kännetecknas av följande parametrar:
- mängd lagrad energi;
- hastigheten för dess ackumulering och returer;
- specifik vikt;
- energilagringstid;
- tillförlitlighet;
- tillverknings- och underhållskostnader och annat.
Det finns många sätt att organisera enheter. En av de mest bekväma är klassificeringen enligt den typ av energi som används i lagringsenheten och enligt metoden för dess ackumulering och retur. Energilagringsenheter är indelade i följande huvudtyper:
- mekanisk;
- termisk;
- elektrisk;
- kemikalie.
Ansamling av potentiell energi
Käran i dessa enheter är okomplicerad. När en last lyfts ackumuleras potentiell energi, när den sänks utför den ett användbart arbete. Designegenskaper beror på typen av last. Det kan vara fast, flytande ellerlöst ämne. Som regel är designen av enheter av denna typ extremt enkla, därav den höga tillförlitligheten och långa livslängden. Lagringstiden för den lagrade energin beror på materialens hållbarhet och kan nå årtusenden. Tyvärr har sådana enheter låg energitäthet.
Mekanisk lagring av kinetisk energi
I dessa enheter lagras energi i en kropps rörelse. Vanligtvis är detta en oscillerande eller translationell rörelse.
Kinetisk energi i oscillerande system är koncentrerad i kroppens fram- och återgående rörelse. Energi tillförs och förbrukas i portioner, i takt med kroppens rörelser. Mekanismen är ganska komplex och nyckfull i inställningen. Används ofta i mekaniska klockor. Mängden lagrad energi är vanligtvis liten och lämpar sig endast för driften av själva enheten.
Gyroskopdrivna lagringsenheter
Förrådet av kinetisk energi är koncentrerat i ett roterande svänghjul. Den specifika energin hos ett svänghjul överstiger avsevärt energin för en liknande statisk belastning. Det är möjligt att ta emot eller mata ut betydande effekt på kort tid. Energilagringstiden är kort och för de flesta konstruktioner begränsad till några timmar. Modern teknik gör det möjligt att föra energilagringstiden till flera månader. Svänghjul är mycket känsliga för stötar. Enhetens energi är direkt beroende av dess rotationshastighet. Därför inträffar en förändring i svänghjulets rotationshastighet i processen med ackumulering och återgång av energi. Och för en belastning somsom regel krävs ett konstant, lågt varvtal.
Fler lovande enheter är supersvänghjul. De är gjorda av ståltejp, syntetfiber eller tråd. Designen kan vara tät eller ha tomt utrymme. Om det finns ledigt utrymme, rör sig bandets spolar till rotationsperiferin, svänghjulets tröghetsmoment ändras, en del av energin lagras i den deformerade fjädern. I sådana enheter är rotationshastigheten mer stabil än i solida strukturer, och deras energiförbrukning är mycket högre. De är också säkrare.
Moderne supersvänghjul är gjorda av kevlarfiber. De roterar i en vakuumkammare på en magnetisk suspension. Kan lagra energi i flera månader.
Mekanisk förvaring med elastiska krafter
Den här typen av enhet kan lagra en enorm specifik energi. Av de mekaniska drivenheterna har den den högsta energiintensiteten för enheter med dimensioner på flera centimeter. Stora svänghjul med mycket höga rotationshastigheter har ett mycket högre energiinnehåll, men de är mycket känsliga för yttre påverkan och har kortare energilagringstid.
Mekanisk vårenergilagring
Kan leverera den högsta mekaniska effekten av alla energilagringsklasser. Den begränsas endast av fjäderns draghållfasthet. Energin i en komprimerad fjäder kan lagras i flera decennier. Men på grund av konstant deformation ackumuleras trötthet i metallen och fjäderkapacitetenminskar. Samtidigt kan högkvalitativa stålfjädrar, under korrekta driftsförhållanden, arbeta i hundratals år utan nämnvärd förlust av kapacitet.
Fjäderfunktioner kan utföras av alla elastiska element. Gummiband, till exempel, är dussintals gånger överlägsna stålprodukter när det gäller lagrad energi per massenhet. Men livslängden för gummi på grund av kemisk åldring är bara några år.
Mekaniska lagringsenheter som använder energin från komprimerade gaser
I denna typ av enhet lagras energi genom att komprimera gasen. I närvaro av ett överskott av energi pumpas gasen under tryck in i cylindern med hjälp av en kompressor. Vid behov används komprimerad gas för att vända en turbin eller elektrisk generator. Vid låga kapaciteter är det lämpligt att använda en kolvmotor istället för en turbin. Gas i ett kärl under tryck av hundratals atmosfärer har en hög specifik energitäthet under flera år och med högkvalitativa kopplingar - i årtionden.
Värmeenergilagring
Det mesta av vårt lands territorium ligger i de norra regionerna, så en betydande del av energin tvingas användas för uppvärmning. I detta avseende är det nödvändigt att regelbundet lösa problemet med att hålla värmen i frekvensomriktaren och ta ut den därifrån vid behov.
I de flesta fall är det inte möjligt att uppnå en hög täthet av lagrad termisk energi och några betydande perioder av dess bevarande. Befintliga effektiva enheter ipå grund av några av dess funktioner och höga pris är inte lämpliga för bred användning.
Lagring på grund av värmekapacitet
Detta är ett av de äldsta sätten. Den bygger på principen om ackumulering av termisk energi när ett ämne värms upp och värmeöverföring när det kyls. Utformningen av sådana enheter är extremt enkel. Det kan vara en bit av vilken fast substans som helst eller en sluten behållare med flytande kylvätska. Termiska energiackumulatorer har en mycket lång livslängd, ett nästan obegränsat antal cykler av ackumulering och frigöring av energi. Men lagringstiden överstiger inte flera dagar.
Elektrisk energilagring
Elektrisk energi är den mest bekväma formen av det i den moderna världen. Det är därför elektriska lagringsenheter är mycket använda och mest utvecklade. Tyvärr är den specifika kapaciteten för billiga enheter liten, och enheter med en hög specifik kapacitet är för dyra och kortlivade. Lagringsanordningar för elektrisk energi är kondensatorer, jonistorer, batterier.
Kondensatorer
Detta är den mest massiva typen av energilagring. Kondensatorer kan arbeta vid temperaturer från -50 till +150 grader. Antalet energiackumulering-returcykler är tiotals miljarder per sekund. Genom att parallellkoppla flera kondensatorer får du enkelt den erforderliga kapacitansen. Dessutom finns variabla kondensatorer. Ändring av kapacitansen hos sådana kondensatorer kan göras mekaniskt eller elektriskt eller genom temperatur. Oftast finns variabla kondensatorer ioscillerande kretsar.
Kondensatorer är indelade i två klasser - polära och icke-polära. Livslängden för polära (elektrolytiska) är kortare än icke-polära, de är mer beroende av yttre förhållanden, men samtidigt har de en större specifik kapacitet.
Som energilagringskondensatorer inte är särskilt framgångsrika enheter. De har en låg kapacitet och en obetydlig specifik densitet av lagrad energi, och dess lagringstid beräknas i sekunder, minuter, sällan timmar. Kondensatorer har funnits främst inom elektronik och kraftteknik.
Beräkningen av kondensatorn orsakar som regel inga svårigheter. All nödvändig information om olika typer av kondensatorer finns i tekniska manualer.
Ionistors
Dessa enheter upptar en mellanposition mellan polära kondensatorer och batterier. De kallas ibland för "superkondensatorer". Följaktligen har de ett stort antal laddnings-urladdningssteg, kapaciteten är större än kondensatorernas, men något mindre än den för små batterier. Energilagringstiden är upp till flera veckor. Jonistorer är mycket känsliga för temperatur.
Strömbatterier
Elektrokemiska batterier används om du behöver lagra mycket energi. Blysyraanordningar är bäst lämpade för detta ändamål. De uppfanns för cirka 150 år sedan. Och sedan dess har inget fundament alt nytt introducerats i batterienheten. Många specialiserade modeller har dykt upp, kvaliteten på komponenterna har ökat avsevärt,batteritillförlitlighet. Det är anmärkningsvärt att enheten för ett batteri som skapats av olika tillverkare endast skiljer sig i mindre detaljer för olika ändamål.
Elektrokemiska batterier är uppdelade i dragkraft och start. Dragkraft används i elektriska transporter, avbrottsfri strömförsörjning, elverktyg. Sådana batterier kännetecknas av en lång enhetlig urladdning och dess stora djup. Startbatterier kan leverera hög ström på kort tid, men djupurladdning är inte acceptabelt för dem.
Elektrokemiska batterier har ett begränsat antal laddnings-urladdningscykler, i genomsnitt från 250 till 2000. Även om de inte används, misslyckas de efter några år. Elektrokemiska batterier är temperaturkänsliga, kräver långa laddningstider och kräver strikt underhåll.
Enheten måste laddas med jämna mellanrum. Batteriet som är installerat på fordonet laddas i rörelse från generatorn. På vintern är detta inte tillräckligt, ett kallt batteri tar inte emot en laddning bra, och förbrukningen av el för att starta motorn ökar. Därför är det nödvändigt att ytterligare ladda batteriet i ett varmt rum med en speciell laddare. En av de betydande nackdelarna med blysyraenheter är deras tunga vikt.
Batterier för lågströmsenheter
Om mobila enheter med låg vikt krävs, välj då följande typer av batterier: nickel-kadmium,litium-jon, metall-hybrid, polymer-jon. De har en högre specifik kapacitet, men priset är mycket högre. De används i mobiltelefoner, bärbara datorer, kameror, videokameror och andra små enheter. Olika typer av batterier skiljer sig åt i sina parametrar: antal laddningscykler, hållbarhet, kapacitet, storlek etc.
Högeffektlitiumjonbatterier används i elfordon och hybridfordon. De har låg vikt, hög specifik kapacitet och hög tillförlitlighet. Samtidigt är litiumjonbatterier mycket brandfarliga. Tändning kan uppstå från en kortslutning, mekanisk deformation eller förstörelse av höljet, brott mot batteriets laddnings- eller urladdningslägen. Att släcka en brand är ganska svårt på grund av litiums höga aktivitet.
Batterier är ryggraden i många apparater. Till exempel är en energilagringsenhet för en telefon ett kompakt externt batteri placerat i ett hållbart, vattentätt fodral. Den låter dig ladda eller driva din mobiltelefon. Kraftfulla mobila energilagringsenheter kan ladda alla digitala enheter, även bärbara datorer. I sådana enheter är som regel litiumjonbatterier med hög kapacitet installerade. Energilagring för hemmet är inte heller komplett utan batterier. Men dessa är mycket mer komplexa enheter. Förutom batteriet innehåller de en laddare, ett kontrollsystem och en växelriktare. Enheterna kan fungera både från ett fast nätverk och från andra källor. Uteffekten är i genomsnitt 5 kW.
Driveskemisk energi
Skillnad mellan drivenheter av typen "bränsle" och "icke-bränsle". De kräver speciell teknik och ofta skrymmande högteknologisk utrustning. De processer som används gör det möjligt att få energi i olika former. Termokemiska reaktioner kan ske vid både låga och höga temperaturer. Komponenter för högtemperaturreaktioner introduceras endast när det är nödvändigt att få energi. Innan dess förvaras de separat, på olika platser. Komponenter för lågtemperaturreaktioner är vanligtvis i samma behållare.
Energilagring genom att köra bränsle
Denna metod inkluderar två helt oberoende steg: ackumulering av energi ("laddning") och dess användning ("urladdning"). Traditionellt bränsle har som regel en stor specifik energikapacitet, möjlighet till långtidslagring och enkel användning. Men livet står inte stilla. Införandet av ny teknik ställer ökade krav på bränsle. Uppgiften löses genom att förbättra befintliga och skapa nya högenergibränslen.
Den breda introduktionen av nya prover hindras av otillräcklig utveckling av tekniska processer, höga brand- och explosionsrisker i arbetet, behovet av högt kvalificerad personal och de höga kostnaderna för teknik.
Bränslefri kemisk energilagring
I den här typen av lagring lagras energi genom att vissa kemikalier omvandlas till andra. Till exempel går släckt kalk, när den upphettas, i ett tillstånd av bränd kalk. Vid urladdning, den lagrade energinfrigörs som värme och gas. Det är precis vad som händer när kalk släcks med vatten. För att reaktionen ska starta räcker det vanligtvis med att kombinera komponenterna. I huvudsak är detta en slags termokemisk reaktion, bara den fortsätter vid en temperatur på hundratals och tusentals grader. Därför är utrustningen som används mycket mer komplex och dyrare.
