Luonto antoi ihmiselle erilaisia energialähteitä: auringon, tuulen, joet ja muut. Näiden ilmaisten energiantuottajien haittana on vakauden puute. Siksi ylimääräisen energian aikoina se varastoidaan varastolaitteisiin ja kulutetaan väliaikaisen taantuman aikana. Energian varastointilaitteille on ominaista seuraavat parametrit:
- varastoidun energian määrä;
- kertymän ja palautuksen nopeus;
- ominaispaino;
- energian varastointiaika;
- luotettavuus;
- valmistus- ja ylläpitokustannukset ja muut.
Ajoja voi järjestää monella tavalla. Yksi kätevimmistä on luokitus tallennuslaitteessa käytetyn energian tyypin ja sen keräämis- ja palautustavan mukaan. Energian varastointilaitteet on jaettu seuraaviin päätyyppeihin:
- mekaaninen;
- lämpö;
- sähkö;
- kemiallinen.
Potentiaalienergian kerääntyminen
Näiden laitteiden olemus on yksinkertainen. Kun kuormaa nostetaan, potentiaalienergia kertyy, laskettaessa se tekee hyödyllistä työtä. Suunnitteluominaisuudet riippuvat lastin tyypistä. Se voi olla kiinteää, nestemäistä tailöysää ainetta. Yleensä tämän tyyppisten laitteiden mallit ovat erittäin yksinkertaisia, mistä johtuu korkea luotettavuus ja pitkä käyttöikä. Varastoidun energian varastointiaika riippuu materiaalien kestävyydestä ja voi ulottua vuosituhansiin. Valitettavasti tällaisilla laitteilla on alhainen energiatiheys.
Kineettisen energian mekaaninen varastointi
Näissä laitteissa energia varastoituu kehon liikkeisiin. Yleensä tämä on värähtelevää tai translaatioliikettä.
Kineettinen energia värähtelyjärjestelmissä keskittyy kehon edestakaisin liikkeisiin. Energiaa syötetään ja kulutetaan annoksittain, kehon liikkeen mukana. Mekanismi on melko monimutkainen ja oikukas asetuksissa. Käytetään laajasti mekaanisissa kelloissa. Varastoituneen energian määrä on yleensä pieni ja sopii vain itse laitteen toimintaan.
Gyroskoopilla toimivat tallennuslaitteet
Kineettisen energian varasto on keskittynyt pyörivään vauhtipyörään. Vauhtipyörän ominaisenergia ylittää merkittävästi samanlaisen staattisen kuorman energian. On mahdollista vastaanottaa tai tuottaa merkittävää tehoa lyhyessä ajassa. Energian varastointiaika on lyhyt, ja useimmissa malleissa se on rajoitettu muutamaan tuntiin. Nykytekniikat mahdollistavat energian varastoinnin lyhentämisen useisiin kuukausiin. Vauhtipyörät ovat erittäin herkkiä iskuille. Laitteen energia riippuu suoraan sen pyörimisnopeudesta. Siksi energian kertymisen ja palautuksen aikana tapahtuu muutos vauhtipyörän pyörimisnopeudessa. Ja sellaiselle kuormalle kuinyleensä vaaditaan vakio, alhainen pyörimisnopeus.
Lupaavampia laitteita ovat supervauhtipyörät. Ne on valmistettu teräsnauhasta, synteettisestä kuidusta tai langasta. Suunnittelu voi olla tiheä tai siinä voi olla tyhjää tilaa. Jos tilaa on vapaana, nauhan kelat siirtyvät pyörimiskehälle, vauhtipyörän hitausmomentti muuttuu, osa energiasta varastoituu epämuodostuneeseen jouseen. Tällaisissa laitteissa pyörimisnopeus on vakaampi kuin kiinteissä rakenteissa, ja niiden energiankulutus on paljon suurempi. Ne ovat myös turvallisempia.
Modernit supervauhtipyörät on valmistettu Kevlar-kuidusta. Ne pyörivät tyhjiökammiossa magneettisella suspensiolla. Pystyy varastoimaan energiaa useita kuukausia.
Mekaaninen varastointi elastisilla voimilla
Tämäntyyppinen laite pystyy varastoimaan v altavan ominaisenergian. Mekaanisista käyttötavoista sillä on suurin energiaintensiteetti laitteissa, joiden mitat ovat useita senttejä. Suurilla vauhtipyörillä, joilla on erittäin suuri pyörimisnopeus, on paljon korkeampi energiasisältö, mutta ne ovat erittäin herkkiä ulkoisille vaikutuksille ja niillä on lyhyempi energian varastointiaika.
Kevätenergian mekaaninen varastointi
Voi tuottaa suurimman mekaanisen tehon kaikista energian varastointiluokista. Sitä rajoittaa vain jousen vetolujuus. Puristetun jousen energiaa voidaan varastoida useita vuosikymmeniä. Kuitenkin jatkuvan muodonmuutoksen vuoksi metalliin ja jousikapasiteettiin kertyy väsymysvähenee. Samaan aikaan korkealaatuiset teräsjouset voivat oikeissa käyttöolosuhteissa toimia satoja vuosia ilman huomattavaa kapasiteetin menetystä.
Jousitoiminnot voidaan suorittaa millä tahansa joustavilla elementeillä. Esimerkiksi kuminauhat ovat kymmeniä kertoja terästuotteita parempia varastoidun energian massayksikköä kohti. Mutta kumin käyttöikä kemiallisesta vanhenemisesta on vain muutaman vuoden.
Mekaaniset varastolaitteet, jotka käyttävät paineistettujen kaasujen energiaa
Tällaisissa laitteissa energia varastoidaan puristamalla kaasua. Ylimääräisen energian läsnäollessa kaasu pumpataan paineen alaisena sylinteriin kompressorin avulla. Tarvittaessa painekaasua käytetään turbiinin tai sähkögeneraattorin kääntämiseen. Pienillä tehoilla on suositeltavaa käyttää mäntämoottoria turbiinin sijaan. Satojen ilmakehän paineen alaisena olevalla kaasulla on korkea ominaisenergiatiheys useiden vuosien ajan ja laadukkailla liittimillä vuosikymmeniä.
Lämpöenergian varastointi
Suurin osa maamme alueesta sijaitsee pohjoisilla alueilla, joten merkittävä osa energiasta on pakko käyttää lämmitykseen. Tältä osin on tarpeen säännöllisesti ratkaista ongelma, joka liittyy lämmön pitämiseen taajuusmuuttajassa ja sen poistamiseen sieltä tarvittaessa.
Useimmissa tapauksissa ei ole mahdollista saavuttaa suurta varastoidun lämpöenergian tiheyttä ja sen merkittäviä säilymisjaksoja. Olemassa olevat tehokkaat laitteet sisäänjoidenkin ominaisuuksiensa ja korkean hinnan vuoksi eivät sovellu laajaan käyttöön.
Säilytys lämpökapasiteetin takia
Tämä on yksi vanhimmista tavoista. Se perustuu periaatteeseen lämpöenergian kertymisestä ainetta lämmitettäessä ja lämmönsiirrosta jäähdytettäessä. Tällaisten asemien suunnittelu on erittäin yksinkertainen. Se voi olla pala mitä tahansa kiinteää ainetta tai suljettu astia nestemäisellä jäähdytysnesteellä. Lämpöenergiaakuilla on erittäin pitkä käyttöikä, lähes rajoittamaton määrä energian kerääntymis- ja vapautumisjaksoja. Mutta säilytysaika ei ylitä useita päiviä.
Sähköenergian varastointi
Sähköenergia on sen kätevin muoto nykymaailmassa. Siksi sähköiset tallennuslaitteet ovat laaj alti käytettyjä ja kehittyneimpiä. Valitettavasti halpojen laitteiden ominaiskapasiteetti on pieni, ja suuren ominaiskapasiteetin omaavat laitteet ovat liian kalliita ja lyhytikäisiä. Sähköenergian varastointilaitteita ovat kondensaattorit, ionistorit, akut.
Kondensaattorit
Tämä on massiivisin energian varastointityyppi. Kondensaattorit pystyvät toimimaan lämpötiloissa -50 - +150 astetta. Energian kertymis-palautusjaksojen määrä on kymmeniä miljardeja sekunnissa. Kytkemällä useita kondensaattoreita rinnan, saat helposti tarvittavan kapasitanssin. Lisäksi on säädettäviä kondensaattoreita. Tällaisten kondensaattorien kapasitanssin muuttaminen voidaan tehdä mekaanisesti tai sähköisesti tai lämpötilan avulla. Useimmiten säädettävät kondensaattorit löytyvätvärähtelevät piirit.
Kondensaattorit on jaettu kahteen luokkaan - napaisiin ja ei-polaarisiin. Polaaristen (elektrolyyttisten) käyttöikä on lyhyempi kuin ei-polaaristen, ne ovat enemmän riippuvaisia ulkoisista olosuhteista, mutta samalla niillä on suurempi ominaiskapasiteetti.
Koska energiaa varastoivat kondensaattorit eivät ole kovin menestyviä laitteita. Niillä on pieni kapasiteetti ja merkityksetön varastoidun energian ominaistiheys, ja sen varastointiaika lasketaan sekunneissa, minuuteissa, harvoin tunneissa. Kondensaattoreita on käytetty pääasiassa elektroniikassa ja tehosähkötekniikassa.
Kondensaattorin laskeminen ei pääsääntöisesti aiheuta vaikeuksia. Kaikki tarvittavat tiedot erityyppisistä kondensaattoreista on esitetty teknisissä käsikirjoissa.
Ionistorit
Nämä laitteet ovat napakondensaattorien ja paristojen välissä. Niitä kutsutaan joskus "superkondensaattoreiksi". Näin ollen niillä on v altava määrä lataus-purkausvaiheita, kapasiteetti on suurempi kuin kondensaattoreiden, mutta hieman pienempi kuin pienten akkujen. Energian varastointiaika on jopa useita viikkoja. Ionistorit ovat erittäin herkkiä lämpötilalle.
Akut
Sähkökemiallisia akkuja käytetään, jos haluat varastoida paljon energiaa. Lyijyhappolaitteet sopivat parhaiten tähän tarkoitukseen. Ne keksittiin noin 150 vuotta sitten. Ja sen jälkeen akkulaitteeseen ei ole otettu mitään perustavanlaatuista uutta. Monia erikoismalleja on ilmestynyt, komponenttien laatu on parantunut merkittävästi,akun luotettavuus. On huomionarvoista, että eri valmistajien valmistaman akun laite eroaa vain pienissä yksityiskohdissa eri tarkoituksiin.
Sähkökemialliset akut on jaettu veto- ja käynnistysakkuihin. Vetoa käytetään sähköliikenteessä, keskeytymättömissä virtalähteissä, sähkötyökaluissa. Tällaisille akuille on ominaista pitkä tasainen purkaus ja sen suuri syvyys. Käynnistysakut voivat tuottaa suurta virtaa lyhyessä ajassa, mutta syväpurkaus ei ole niille hyväksyttävää.
Sähkökemiallisissa akuissa on rajoitettu määrä lataus-purkausjaksoja, keskimäärin 250 - 2000. Vaikka niitä ei käytetä, ne hajoavat muutaman vuoden kuluttua. Sähkökemialliset akut ovat lämpötilaherkkiä, vaativat pitkiä latausaikoja ja vaativat tiukkaa huoltoa.
Laite on ladattava säännöllisesti. Ajoneuvoon asennettu akku latautuu liikkeessä generaattorista. Talvella tämä ei riitä, kylmä akku ei ota latausta hyvin vastaan ja sähkönkulutus moottorin käynnistämiseen kasvaa. Siksi akku on lisäksi ladattava lämpimässä huoneessa erityisellä laturilla. Yksi lyijyhappolaitteiden merkittävistä haitoista on niiden raskas paino.
Akut pienitehoisille laitteille
Jos tarvitaan kevyitä mobiililaitteita, valitse seuraavat akut: nikkelikadmium,litium-ioni, metalli-hybridi, polymeeri-ioni. Niiden ominaiskapasiteetti on suurempi, mutta hinta on paljon korkeampi. Niitä käytetään matkapuhelimissa, kannettavissa tietokoneissa, kameroissa, videokameroissa ja muissa pienissä laitteissa. Erityyppisten akkujen parametrit eroavat toisistaan: latauskertojen lukumäärä, säilyvyys, kapasiteetti, koko jne.
Sähköajoneuvoissa ja hybridiajoneuvoissa käytetään suuritehoisia litiumioniakkuja. Ne ovat kevyitä, korkea ominaiskapasiteetti ja korkea luotettavuus. Samaan aikaan litiumioniakut ovat erittäin syttyviä. Syttyminen voi johtua oikosulusta, kotelon mekaanisesta muodonmuutoksesta tai tuhoutumisesta, akun lataus- tai purkaustilojen rikkomisesta. Tulipalon sammuttaminen on melko vaikeaa litiumin korkean aktiivisuuden vuoksi.
Akut ovat monien laitteiden selkäranka. Esimerkiksi puhelimen energian varastointilaite on kompakti ulkoinen akku, joka on sijoitettu kestävään, vedenpitävään koteloon. Sen avulla voit ladata tai ladata matkapuhelimesi virtaa. Tehokkaat mobiilienergian varastointilaitteet pystyvät lataamaan mitä tahansa digitaalisia laitteita, jopa kannettavia tietokoneita. Tällaisiin laitteisiin asennetaan yleensä suuren kapasiteetin litiumioniakut. Kodin energian varastointi ei myöskään ole täydellinen ilman akkuja. Mutta nämä ovat paljon monimutkaisempia laitteita. Ne sisältävät akun lisäksi laturin, ohjausjärjestelmän ja invertterin. Laitteet voivat toimia sekä kiinteästä verkosta että muista lähteistä. Lähtöteho on keskimäärin 5 kW.
Asematkemiallinen energia
Erottele "polttoaine" ja "ei-polttoaine" käyttötyypit. Ne vaativat erikoisteknologiaa ja usein tilaa vieviä korkean teknologian laitteita. Käytetyt prosessit mahdollistavat energian saamisen eri muodoissa. Termokemiallisia reaktioita voi tapahtua sekä matalissa että korkeissa lämpötiloissa. Korkean lämpötilan reaktioiden komponentit otetaan käyttöön vain, kun se on tarpeen energian saamiseksi. Sitä ennen niitä varastoidaan erikseen, eri paikoissa. Matalan lämpötilan reaktioiden komponentit ovat yleensä samassa säiliössä.
Energian varastointia käyttämällä polttoainetta
Tässä menetelmässä on kaksi täysin riippumatonta vaihetta: energian kerääntyminen ("lataus") ja sen käyttö ("purkaus"). Perinteisellä polttoaineella on pääsääntöisesti suuri ominaisenergiakapasiteetti, mahdollisuus pitkäaikaiseen varastointiin ja helppokäyttöisyyteen. Mutta elämä ei pysy paikallaan. Uusien teknologioiden käyttöönotto lisää polttoainevaatimuksia. Tehtävä ratkaistaan parantamalla olemassa olevia ja luomalla uusia, korkeaenergisiä polttoaineita.
Uusien näytteiden laajaa käyttöönottoa haittaavat teknisten prosessien riittämätön kehitys, korkea palo- ja räjähdysvaara työssä, korkeasti koulutetun henkilöstön tarve ja korkea teknologian hinta.
Kemiallinen energian varastointi ilman polttoainetta
Tällaisissa varastointityypeissä energiaa varastoidaan muuntamalla jotkin kemikaalit toisiksi. Esimerkiksi sammutettu kalkki menee kuumennettaessa poltetun kalkin tilaan. Purkaessaan varastoitu energiavapautuu lämpönä ja kaasuna. Juuri näin tapahtuu, kun kalkki sammutetaan vedellä. Reaktion alkamiseksi riittää yleensä komponenttien yhdistäminen. Pohjimmiltaan tämä on eräänlainen termokemiallinen reaktio, vain se etenee satojen ja tuhansien asteiden lämpötilassa. Siksi käytetyt laitteet ovat paljon monimutkaisempia ja kalliimpia.
