Еще раз о накопителях энергии

Тема альтернативной энергетики сейчас популярна. Разработано много оригинальных способов извлечения энергии ветра, солнца, приливов, тепловой энергии Земли. Но помимо получения энергии необходимо ее как-то накопить и сохранить. Это особенно актуально для источников, которые не действуют постоянно. Рассмотрим ряд способов накопления энергии с точки зрения типа энергии и запасаемого количества, высвобождаемой мощности, габаритов и обслуживания.

АККУМУЛЯТОРЫ

Наиболее очевидный и привычный обывателю способ накопления электрической энергии реализуется с использованием готовых блоков, которые подключаются к источнику. Промышленно выпускаемые аккумуляторы практически не требуют обслуживания и удобны с точки зрения потребления накопленной энергии. Высвобождаемая единичным блоком мощность ограничена, но суммарная может быть очень большой. При использовании литиевых батарей показатели значительно лучше (та же емкость обеспечивается при массе батареи около 2 кг), но они существенно дороже.

КОНДЕНСАТОРЫ

Конденсаторы не требуют обслуживания и весьма долговечны. Запасаемая энергия сравнительно невелика, но режим ее высвобождения позволяет получать огромную мощность.

РОТОР (МАХОВИК)

Суть данного метода состоит в накоплении кинетической энергии, которая запасается в массивном вращающемся роторе. Чем больше масса и скорость вращения ротора, тем больше энергии он запасает, и при определенных параметрах его «энергоемкость» превосходит аккумуляторы. Энергия легко преобразуется в механическую (например, вращение узлов станка) или электрическую. Высвобождаемая мощность, в принципе, ограничена только пределом прочности конструкции и может быть очень большой. Обслуживания ротор не требует, но он должен иметь очень надежные механизмы самоконтроля и системы торможения. Важной особенностью изготовления ротора является тщательная балансировка, что может быть трудно реализуемо при его больших размерах и массе. Серьезным недостатком является то, что в случае аварии ротор мгновенно остановить невозможно – и вся запасенная энергия выделится либо в виде одного мощнейшего удара, либо в виде серии ударов меньшей мощности.

ГЭС (БАССЕЙН)

Этот тип накопителя запасает энергию в виде потенциальной энергии воды, поднятой на высоту. Количество запасаемой энергии на единицу массы мало: при массе 1 кг, поднятой на высоту 10 метров, система запасает всего 98.1 Дж энергии. В качестве рабочего тела чаще всего используется вода. Подобные накопители обычно используются на крупных электростанциях как системы утилизации/накопления избыточной электроэнергии, которая появляется на спаде пика потребления энергии, например, городом. Система имеет очень большие размеры и является малоэффективной. Обслуживания требуют только механизмы преобразования энергии (турбины) и насосы, закачивающие воду на высоту.

ВОДОРОД + ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Очень популярный и широко обсуждаемый способ накопления энергии. Запасается химическая энергия, которая при работе элемента конвертируется в электрическую. Для безопасности вся система должна работать при низком давлении и иметь немалые размеры. КПД данной системы ниже, чем аккумулятора или конденсатора, она сложнее в эксплуатации и требует драгметаллов. Количество запасаемой энергии на единицу массы очень велико, на единицу объема – достаточно мало. Принципиально реализуема без движущихся частей, что является несомненным плюсом. Мощность системы может быть большой.

СЖАТЫЙ ВОЗДУХ

Редко применяемый и достаточно неудобный способ накопления механической энергии, которая может быть конвертирована в кинетическую и затем в электрическую. Для эффективной работы требует высокого давления и, следовательно, громоздкой системы хранения. Компрессоры высокого давления требуют присмотра и регулярных профилактических работ. Запасаемая энергия невелика и очень сильно зависит от температуры. Высвобождаемая мощность может быть очень большой, но при этом работа устройства нестабильна, так как расширяющийся газ сильно охлаждается и содержащиеся пары воды могут замерзнуть.

СБРОС В ОБЩУЮ ЭНЕРГЕТИЧЕСКУЮ СЕТЬ

Реализуемый и пропагандируемый способ, но он очень плох с точки зрения стабильного энергоснабжения. Связано это с тем, что альтернативные источники энергии непостоянны и на случай прекращения их работы необходимо иметь стабильную резервную мощность, равную соответствующему альтернативному источнику. Необходимость содержания одновременно и тепловой энергостанции, и альтернативной системы сильно снижает ценность последней.

РАСХОД ЭНЕРГИИ И НАКОПЛЕНИЕ НЕОБХОДИМОГО В БЫТУ ПРОДУКТА ИЛИ СОЗДАНИЕ СПЕЦИФИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

Помимо традиционных способов накопления и утилизации энергии можно развивать и нетрадиционные. Это может быть накопление тепла или холода, накопление конденсата, выполнение определенной работы, изготовление востребованного продукта, освещение или вентиляция теплиц. Некоторый недостаток заключается в том, что эти способы не запасают энергию, которую затем можно использовать, но производят продукты или условия, которые могут требовать обычной энергии.

В вопросе альтернативных накопителей готовых решений еще мало, и есть масса вариантов полета фантазии…

Первоисточник: приложение к журналу «Российские нанотехнологии» – «В мире нано» № 6 2010 год.

Источник(и):

1. nanojournal.ru

http://www.nanonewsnet.ru/news/2011/eshche-raz-o-nakopitelyakh-energii