La natura va donar a l'home una varietat de fonts d'energia: el sol, el vent, els rius i altres. El desavantatge d'aquests generadors d'energia lliure és la manca d'estabilitat. Per tant, durant els períodes d'excés d'energia, s'emmagatzema en dispositius d'emmagatzematge i es gasta durant els períodes de recessió temporal. Els dispositius d'emmagatzematge d'energia es caracteritzen pels paràmetres següents:
- quantitat d'energia emmagatzemada;
- velocitat de la seva acumulació i retorns;
- gravetat específica;
- temps d'emmagatzematge d'energia;
- fiabilitat;
- cost de fabricació i manteniment i altres.
Hi ha moltes maneres d'organitzar les unitats. Una de les més convenients és la classificació segons el tipus d'energia utilitzada en el dispositiu d'emmagatzematge, i segons el mètode d'acumulació i retorn. Els dispositius d'emmagatzematge d'energia es divideixen en els següents tipus principals:
- mecànic;
- tèrmica;
- elèctric;
- químic.
Acumulació d'energia potencial
L'essència d'aquests dispositius és senzilla. Quan s'aixeca una càrrega, s'acumula energia potencial; quan es baixa, realitza un treball útil. Les característiques del disseny depenen del tipus de càrrega. Pot ser sòlid, líquid osubstància solta. Com a regla general, els dissenys dels dispositius d'aquest tipus són extremadament senzills, d'aquí l' alta fiabilitat i la llarga vida útil. El temps d'emmagatzematge de l'energia emmagatzemada depèn de la durabilitat dels materials i pot arribar a mil·lennis. Malauradament, aquests dispositius tenen poca densitat d'energia.
Emmagatzematge mecànic d'energia cinètica
En aquests dispositius, l'energia s'emmagatzema en el moviment d'un cos. Normalment es tracta d'un moviment oscil·latori o de translació.
L'energia cinètica en els sistemes oscil·latoris es concentra en el moviment alternatiu del cos. L'energia es subministra i es consumeix en porcions, en el temps amb el moviment del cos. El mecanisme és bastant complex i capritxós en la configuració. Àmpliament utilitzat en rellotges mecànics. La quantitat d'energia emmagatzemada sol ser petita i només és adequada per al funcionament del propi dispositiu.
Dispositius d'emmagatzematge amb giroscopi
La reserva d'energia cinètica es concentra en un volant giratori. L'energia específica d'un volant supera significativament l'energia d'una càrrega estàtica similar. És possible rebre o emetre una potència significativa en un curt període de temps. El temps d'emmagatzematge d'energia és curt, i per a la majoria de dissenys es limita a unes poques hores. Les tecnologies modernes permeten augmentar el temps d'emmagatzematge d'energia a diversos mesos. Els volants són molt sensibles als cops. L'energia del dispositiu depèn directament de la velocitat de la seva rotació. Per tant, en el procés d'acumulació i retorn d'energia, es produeix un canvi en la velocitat de rotació del volant. I per una càrrega comper regla general, es requereix una velocitat de rotació baixa i constant.
Els dispositius més prometedors són els superflywheels. Estan fets de cinta d'acer, fibra sintètica o filferro. El disseny pot ser dens o tenir un espai buit. Si hi ha espai lliure, les bobines de la cinta es mouen a la perifèria de rotació, el moment d'inèrcia del volant d'inèrcia canvia, part de l'energia s'emmagatzema a la molla deformada. En aquests dispositius, la velocitat de rotació és més estable que en les estructures sòlides i el seu consum d'energia és molt més gran. També són més segurs.
Els súper volants moderns estan fets de fibra de Kevlar. Giren en una cambra de buit sobre una suspensió magnètica. Capaç d'emmagatzemar energia durant diversos mesos.
Emmagatzematge mecànic mitjançant forces elàstiques
Aquest tipus de dispositiu és capaç d'emmagatzemar una gran energia específica. Dels accionaments mecànics, té la intensitat energètica més alta per a dispositius amb unes dimensions de diversos centímetres. Els volants grans amb velocitats de rotació molt altes tenen un contingut energètic molt més elevat, però són molt vulnerables a influències externes i tenen un temps d'emmagatzematge d'energia més curt.
Emgatzematge mecànic d'energia de primavera
Capaç d'oferir la potència mecànica més alta de qualsevol classe d'emmagatzematge d'energia. Només està limitat per la resistència a la tracció de la molla. L'energia d'una molla comprimida es pot emmagatzemar durant diverses dècades. Tanmateix, a causa de la deformació constant, la fatiga s'acumula al metall i la capacitat de la molladisminueix. Al mateix temps, les molles d'acer d' alta qualitat, en condicions de funcionament adequades, poden funcionar durant centenars d'anys sense pèrdua apreciable de capacitat.
Les funcions de molla les poden realitzar qualsevol element elàstic. Les bandes de goma, per exemple, són desenes de vegades superiors als productes d'acer pel que fa a l'energia emmagatzemada per unitat de massa. Però la vida útil del cautxú a causa de l'envelliment químic és de només uns quants anys.
Dispositius d'emmagatzematge mecànic que utilitzen l'energia dels gasos comprimits
En aquest tipus de dispositius, l'energia s'emmagatzema comprimint el gas. En presència d'un excés d'energia, el gas es bombeja a pressió al cilindre mitjançant un compressor. Segons calgui, s'utilitza gas comprimit per encendre una turbina o un generador elèctric. A baixes capacitats, s'aconsella utilitzar un motor de pistó en comptes d'una turbina. El gas en un recipient sota pressió de centenars d'atmosferes té una alta densitat d'energia específica durant diversos anys i amb accessoris d' alta qualitat durant dècades.
Emmagatzematge d'energia tèrmica
La major part del territori del nostre país es troba a les regions del nord, per la qual cosa una part important de l'energia es veu obligada a destinar-se a la calefacció. En aquest sentit, cal resoldre regularment el problema de mantenir la calor a la unitat i extreure-la si cal.
En la majoria dels casos, no és possible aconseguir una alta densitat d'energia tèrmica emmagatzemada ni períodes significatius de conservació. Dispositius efectius existents aa causa d'algunes de les seves característiques i el preu elevat, no són adequats per a una aplicació àmplia.
Emmagatzematge a causa de la capacitat de calor
Aquesta és una de les maneres més antigues. Es basa en el principi d'acumulació d'energia tèrmica quan s'escalfa una substància i de transferència de calor quan es refreda. El disseny d'aquestes unitats és extremadament senzill. Pot ser un tros de qualsevol substància sòlida o un recipient tancat amb un refrigerant líquid. Els acumuladors d'energia tèrmica tenen una vida útil molt llarga, un nombre gairebé il·limitat de cicles d'acumulació i alliberament d'energia. Però el temps d'emmagatzematge no supera diversos dies.
Emmagatzematge d'energia elèctrica
L'energia elèctrica és la forma més convenient d'aquesta al món modern. És per això que els dispositius d'emmagatzematge elèctric són molt utilitzats i més desenvolupats. Malauradament, la capacitat específica dels dispositius barats és petita, i els dispositius amb una gran capacitat específica són massa cars i de curta durada. Els dispositius d'emmagatzematge d'energia elèctrica són condensadors, ionistors i bateries.
Condensadors
Aquest és el tipus d'emmagatzematge d'energia més massiu. Els condensadors poden funcionar a temperatures de -50 a +150 graus. El nombre de cicles d'acumulació-retorn d'energia és de desenes de milers de milions per segon. Connectant diversos condensadors en paral·lel, podeu obtenir fàcilment la capacitat necessària. A més, hi ha condensadors variables. El canvi de la capacitat d'aquests condensadors es pot fer mecànicament, elèctricament o per temperatura. Molt sovint, es poden trobar condensadors variablescircuits oscil·latoris.
Els condensadors es divideixen en dues classes: polars i no polars. La vida útil dels polars (electrolítics) és més curta que la dels no polars, depenen més de les condicions externes, però al mateix temps tenen una capacitat específica més gran.
Com que els condensadors d'emmagatzematge d'energia no són dispositius molt reeixits. Tenen una capacitat baixa i una densitat específica insignificant d'energia emmagatzemada, i el seu temps d'emmagatzematge es calcula en segons, minuts, rarament hores. Els condensadors han trobat aplicació principalment en electrònica i enginyeria elèctrica d'energia.
El càlcul del condensador, per regla general, no causa dificultats. Tota la informació necessària sobre diferents tipus de condensadors es presenta als manuals tècnics.
Ionistors
Aquests dispositius ocupen una posició intermèdia entre els condensadors polars i les bateries. De vegades s'anomenen "supercondensadors". En conseqüència, tenen un gran nombre d'etapes de càrrega-descàrrega, la capacitat és més gran que la dels condensadors, però una mica menor que la de les bateries petites. El temps d'emmagatzematge d'energia és de fins a diverses setmanes. Els ionistors són molt sensibles a la temperatura.
Bateria elèctrica
S'utilitzen piles electroquímiques si necessiteu emmagatzemar molta energia. Els dispositius de plom-àcid són els més adequats per a aquest propòsit. Es van inventar fa uns 150 anys. I des de llavors, no s'ha introduït res fonamentalment nou al dispositiu de bateria. Han aparegut molts models especialitzats, la qualitat dels components ha augmentat significativament,fiabilitat de la bateria. Cal destacar que el dispositiu d'una bateria creat per diferents fabricants només difereix en detalls menors per a diferents finalitats.
Les bateries electroquímiques es divideixen en tracció i arrencada. La tracció s'utilitza en transport elèctric, fonts d'alimentació ininterrompuda, eines elèctriques. Aquestes bateries es caracteritzen per una llarga descàrrega uniforme i la seva gran profunditat. Les bateries d'arrencada poden oferir un corrent elevat en poc temps, però la descàrrega profunda no és acceptable.
Les bateries electroquímiques tenen un nombre limitat de cicles de càrrega-descàrrega, de mitjana entre 250 i 2000. Encara que no s'utilitzin, fallen al cap d'uns quants anys. Les bateries electroquímiques són sensibles a la temperatura, requereixen temps de càrrega llargs i requereixen un manteniment estricte.
El dispositiu s'ha de recarregar periòdicament. La bateria instal·lada al vehicle es carrega en moviment des del generador. A l'hivern, això no és suficient, una bateria freda no accepta bé una càrrega i augmenta el consum d'electricitat per engegar el motor. Per tant, cal carregar addicionalment la bateria en una habitació càlida amb un carregador especial. Un dels desavantatges importants dels dispositius de plom-àcid és el seu gran pes.
Bateries per a dispositius de poca potència
Si es necessiten dispositius mòbils amb un pes baix, trieu els tipus de bateries següents: níquel-cadmi,ió de liti, híbrid metàl·lic, ió polímer. Tenen una capacitat específica més alta, però el preu és molt més elevat. S'utilitzen en telèfons mòbils, ordinadors portàtils, càmeres, càmeres de vídeo i altres dispositius petits. Els diferents tipus de bateries es diferencien en els seus paràmetres: el nombre de cicles de càrrega, la vida útil, la capacitat, la mida, etc.
Les bateries d'ió de liti d' alta potència s'utilitzen en vehicles elèctrics i vehicles híbrids. Són lleugers, d' alta capacitat específica i d' alta fiabilitat. Al mateix temps, les bateries d'ions de liti són molt inflamables. L'encesa pot produir-se per un curtcircuit, deformació mecànica o destrucció de la caixa, violacions dels modes de càrrega o descàrrega de la bateria. Apagar un foc és bastant difícil a causa de l' alta activitat del liti.
Les bateries són la columna vertebral de molts aparells. Per exemple, un dispositiu d'emmagatzematge d'energia per a un telèfon és una bateria externa compacta col·locada en una funda duradora i impermeable. Et permet carregar o alimentar el teu mòbil. Els potents dispositius mòbils d'emmagatzematge d'energia són capaços de carregar qualsevol dispositiu digital, fins i tot ordinadors portàtils. En aquests dispositius, per regla general, s'instal·len bateries d'ió de liti d' alta capacitat. L'emmagatzematge d'energia per a la llar tampoc està complet sense piles. Però aquests són dispositius molt més complexos. A més de la bateria, inclouen un carregador, un sistema de control i un inversor. Els dispositius poden funcionar tant des d'una xarxa fixa com des d' altres fonts. La potència de sortida és de 5 kW de mitjana.
Unitatsenergia química
Distingeix entre els tipus de unitats "combustible" i "no combustible". Requereixen tecnologies especials i equipaments d' alta tecnologia sovint voluminosos. Els processos utilitzats permeten obtenir energia de diferents formes. Les reaccions termoquímiques poden tenir lloc tant a baixes com a altes temperatures. Els components per a reaccions a alta temperatura només s'introdueixen quan cal obtenir energia. Abans d'això, s'emmagatzemen per separat, en llocs diferents. Els components per a reaccions a baixa temperatura solen estar al mateix recipient.
Emmagatzematge d'energia utilitzant combustible
Aquest mètode inclou dues etapes completament independents: l'acumulació d'energia ("càrrega") i el seu ús ("descàrrega"). El combustible tradicional, per regla general, té una gran capacitat energètica específica, la possibilitat d'emmagatzemar a llarg termini i la facilitat d'ús. Però la vida no s'atura. La introducció de noves tecnologies augmenta la demanda de combustible. La tasca es resol millorant els existents i creant nous combustibles d' alta energia.
L'àmplia introducció de noves mostres es veu obstaculitzada pel desenvolupament insuficient dels processos tecnològics, els alts riscos d'incendi i explosió en el treball, la necessitat de personal altament qualificat i l' alt cost de la tecnologia.
Emmagatzematge d'energia química sense combustible
En aquest tipus d'emmagatzematge, l'energia s'emmagatzema convertint algunes substàncies químiques en altres. Per exemple, la calç apagada, quan s'escalfa, passa a un estat de calç viva. Quan es descarrega, l'energia emmagatzemadaalliberat en forma de calor i gas. Això és exactament el que passa quan s'apaga la calç amb aigua. Perquè la reacció comenci, normalment n'hi ha prou de combinar els components. En essència, es tracta d'una mena de reacció termoquímica, només que es produeix a una temperatura de centenars i milers de graus. Per tant, l'equip utilitzat és molt més complex i car.
