Механические накопители энергии

Содержание
  1. Механические накопители энергии
  2. Разнообразие механических накопителей энергии
  3. Гравитационные механические накопители
  4. Кинетические накопители энергии
  5. Механические накопители энергии, использующие силы упругости
  6. Какие бывают накопители энергии
  7. Накопление потенциальной энергии
  8. Накопители, использующие энергию гироскопа
  9. Механические накопители, использующие силы упругости
  10. Механические накопители, использующие энергию пружины
  11. Механические накопители, использующие энергию сжатых газов
  12. Накопление тепловой энергии
  13. Накопление за счет теплоемкости
  14. Аккумулирование электрической энергии
  15. Конденсаторы
  16. Ионисторы
  17. Силовые аккумуляторы
  18. Аккумуляторы для маломощных устройств
  19. Накопители химической энергии
  20. Накопление энергии наработкой топлива
  21. Безтопливное химическое накопление энергии
  22. Накопители энергии: очевидные и невероятные
  23. Самый эффективный способ накопления энергии стар как мир
  24. Что такое маховик?
  25. Где применяются маховики?
  26. Супермаховик Гулиа
  27. Эффективность супермаховиков
  28. Где применяются супермаховики?

Механические накопители энергии

Механические накопители энергии

Замечание 1

Накопителем энергии можно назвать систему, которая дает возможность аккумулирования энергии какого-либо вида за время заряда, и передачи этой энергии спустя время ее потребителю за период разряда для совершения полезной работы.

Аккумуляторы энергии бывают:

  • электрическими,
  • тепловыми,
  • механическими.

Изобрел прибор для накопления механической энергии Армстронг. Его прибор был основан на поднимании на высоту груза или на воздухе под высоким давлением.

Основными направлениями применения накопителей энергии считают:

  • аккумулирование лишней на какой-то момент времени энергии и использование ее при необходимости;
  • трансформирования одного вида энергии в другую, преобразование характеристик энергии.

Механическая энергия – это энергия перемещения (поступательного движения и вращения) и энергия взаимодействия тел или их частей, то есть кинетическая и потенциальная энергия.

Для механических накопителей (как и любого другого вида накопителей энергии) характерными режимами работы стали:

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

  • накопление энергии (заряд),
  • отдача энергии (разряд),
  • хранение энергии – промежуточный режим.

В режиме заряда к механическому накопителю подводится механическая энергия от внешнего источника. Конкретный тип реализации источника определен типом механического накопителя.

В состоянии разряда большая часть запасенной энергии отдается накопителем потребителю. Небольшая доля накопленной энергии теряется в режиме хранения и имеются потери в режиме разряда.

Разнообразие механических накопителей энергии

Механические накопители энергии применяются с древних времен. Их несомненными плюсами являются:

  • конструктивная простота;
  • неограниченный срок хранения запасенной энергии;
  • большая надежность;
  • исключительно длительный срок эксплуатации.

Основным недостатком механических накопителей считают малую удельную плотность запасаемой ими энергии.

Выделим следующие группы механических аккумуляторов энергии:

  1. Гравитационные механические накопители.
  2. Кинетические механические накопители
  3. Накопители, использующие силы упругости.

Механические накопители можно разделить на:

  • статические,
  • динамические,
  • комбинированные.

Статические накопители механической энергии аккумулируют энергию:

  • при упругом изменении формы (объема) рабочего тела;
  • при его движении против сил тяжести в поле гравитации.

Рабочее тело данных накопителей статично в режиме хранения, в состоянии заряда и разряда рабочее тело движется.

Динамические накопители копят кинетическую энергию (в основном) в массивных твердых телах, находящихся во вращении. Примером динамических механических аккумуляторов энергии можно считать накопительные устройства ускорителей элементарных частиц, запасающих кинетическую энергию заряженных частиц, циклически перемещающихся по замкнутым траекториям.

Комбинированные накопители механической энергии аккумулируют и кинетическую, и потенциальную энергию. Таким накопителем считают супермаховик из сверхпрочного волокнистого материала с малым модулем упругости. В этом маховике аккумулируется кинетическая энергия и потенциальная энергия упругой деформации.

Гравитационные механические накопители

Эти накопители используют тот факт, что каждое тело, поднятое на некоторую высоту $h$ над Землей, обладает потенциальной энергией, которая способна переходить в кинетическую энергию этого тела при его опускании. При этом потенциальную энергию вычисляют при помощи формулы:

$E_p=mgh (1),$

где $m$ — масса тела, поднятого над уровнем земли; $g$ — ускорение свободного падения.

В среде гравитационных механических накопителей выделяют:

  • жидкостные накопители;
  • твердотельные накопители.

В жидкостных гравитационных накопителях в качестве рабочего тела используют жидкость, в этой связи у накопителей данного вида имеется ряд недостатков, например:

  • жидкость может быстро испаряться;
  • малая плотность рабочего тела, которая приводит к росту конструктивных размеров.

К преимуществам твердотельных накопителей относят небольшую стоимость. Существенным недостатком можно считать большую массу накопителя и большой размер. Как пример твердотельного гравитационного накопителя можно рассматривать каждый груз, поднятый выше, чем находится уровень избранной поверхности.

Кинетические накопители энергии

Среди кинетических механических накопителей энергии можно выделить:

  • колебательные накопители,
  • гироскопические накопители.

Колебательные накопители кинетической энергии аккумулируют энергию возвратно – поступательном движении груза в состоянии резонанса. Движения груза могут быть как поступательные, так и вращение.

В этих накопителях энергия поступает и расходуется порционно, совпадая с движениями груза. Необходимость создания условий резонанса ведет к существенному усложнению механизма и делает его зависимым от настройки.

Данные накопители применяются в механических часах, имеющих пружинный или гравитационный маятник.

Гироскопические накопители аккумулируют энергию маховика, который находится во вращении с большой скоростью. В настоящее время запасаемая при помощи маховика энергия достигла 3 ГДж/кг. Удельная энергия данного накопителя существенно выше, чем она же у гравитационного накопителя. К преимуществам маховиков относят возможность передачи и получения почти неограниченную мощность.

К недостаткам этих накопителей относят:

  • их высокую стоимость;
  • сложность изготовления;
  • высокая скорость вращения маховика требует наличие сложной системы трансформации крутящего момента.

Механические накопители энергии, использующие силы упругости

Удельная емкость аккумулируемой энергии этих накопителей очень велика. Учитывая малые габариты накопителей, их энергетическая емкость обладает самым большим значением в среде механических накопителей. Массивные маховики, имеющие большие скорости вращения обладают большей энергетической емкостью в сравнении с накопителями, использующими силы упругости. Однако последние:

  • могут иметь гораздо меньшую массу;
  • меньше чувствительны к факторам окружающей среды;
  • имеют большее время хранения энергии.

Существуют накопители энергии на основе сжатого воздуха. Данные аккумулятора накапливают энергию за счет упругости сжатого газа. Газ закачивают в баллон. В случае необходимости получения электрической энергии, газ под давлением из баллона подают на турбину, которая выполняет механическую работу или вращает электрический генератор.

Если необходима небольшая мощность, то вместо турбины пользуются поршневым двигателем, который оказывается в этом случае более эффективным. Почти любой компрессор в настоящее время имеет подобный накопитель, который называют ресивером. С увеличением давления воздуха, больше энергии запасают в одном и том же объеме.

Так получают большие потоки энергии.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/mehanicheskie_nakopiteli_energii/

Какие бывают накопители энергии

Механические накопители энергии

Природа подарила человеку разнообразные источники энергии: солнце, ветер, реки и другие. Недостатком этих генераторов бесплатной энергии является отсутствие стабильности. Поэтому в периоды избытка энергии ее запасают в накопителях и расходуют в периоды временного спада. Накопители энергии характеризуют следующие параметры:

  • объем запасаемой энергии;
  • скорость ее накопления и отдачи;
  • удельная плотность;
  • сроки хранения энергии;
  • надежность;
  • стоимость изготовления и обслуживания и другие.

Методов систематизации накопителей множество. Одним из самых удобных является классификация по типу энергии, используемой в накопителе, и по способу ее накопления и отдачи. Накопители энергии подразделяются на следующие основные виды:

  • механические;
  • тепловые;
  • электрические;
  • химические.

Накопление потенциальной энергии

Суть этих устройств незамысловата. При подъеме груза происходит накопление потенциальной энергии, при опускании она совершает полезную работу. Особенности конструкции зависят от вида груза. Это может быть твердое тело, жидкость или сыпучее вещество.

Как правило, конструкции устройств этого типа предельно просты, отсюда высокая надежность и длительный срок службы. Время хранения запасенной энергии зависит от долговечности материалов и может достигать тысячелетий.

К сожалению, такие устройства обладают низкой удельной энергоемкостью.

В этих устройствах энергия хранится в движении какого-либо тела. Обычно это колебательное или поступательное движение.

Кинетическая энергия в колебательных системах сосредоточена в возвратно-поступательном движении тела. Энергия подается и расходуется порциями, в такт с движением тела. Механизм достаточно сложный и капризный в настройке. Широко используется в механических часах. Количество запасаемой энергии обычно невелико и годится только для работы самого устройства.

Накопители, использующие энергию гироскопа

Запас кинетической энергии сосредоточен во вращающемся маховике. Удельная энергия маховика значительно превосходит энергию аналогичного статического груза. Имеется возможность в короткий промежуток времени производить прием или отдачу значительной мощности. Время хранения энергии невелико, и для большинства конструкций ограничено несколькими часами.

Современные технологии позволяют довести время хранения энергии до нескольких месяцев. Маховики очень чувствительны к сотрясениям. Энергия устройства находится в прямой зависимости от скорости его вращения. Поэтому в процессе накопления и отдачи энергии происходит изменение скорости вращения маховика.

А для нагрузки, как правило, требуется постоянная, невысокая скорость вращения.

Более перспективными устройствами являются супермаховики. Их изготавливают из стальной ленты, синтетического волокна или проволоки. Конструкция может быть плотной или иметь пустое пространство.

При наличии свободного места витки ленты перемещаются к периферии вращения, момент инерции маховика изменяется, часть энергии запасается в подвергшейся деформации пружине.

В таких устройствах скорость вращения более стабильна, чем в цельнотелых конструкциях, а их энергоемкость гораздо выше. Кроме того, они более безопасны.

Современные супермаховики изготовляют из кевларового волокна. Они вращаются в вакуумной камере на магнитном подвесе. Способны сохранять энергию несколько месяцев.

Механические накопители, использующие силы упругости

Этот тип устройств способен запасать огромную удельную энергию. Из механических накопителей он обладает наибольшей энергоемкостью для устройств с габаритами в несколько сантиметров. Большие маховики с очень высокой скоростью вращения имеют гораздо большую энергоемкость, но они очень уязвимы от внешних факторов и имеют меньшее время хранения энергии.

Механические накопители, использующие энергию пружины

Способны обеспечить самую большую механическую мощность из всех классов накопителей энергии. Она ограничена лишь пределом прочности пружины. Энергия в сжатой пружине может храниться несколько десятилетий.

Однако из-за постоянной деформации в металле накапливается усталость, и емкость пружины снижается.

В то же время высококачественные стальные пружины при соблюдении условий эксплуатации могут работать сотни лет без ощутимой потери емкости.

Функции пружины могут выполнять любые упругие элементы. Резиновые жгуты, например, в десятки раз превосходят стальные изделия по запасаемой энергии на единицу массы. Но срок службы резины из-за химического старения составляет всего несколько лет.

Механические накопители, использующие энергию сжатых газов

В этом типе устройств накопление энергии происходит за счет сжатия газа. При наличии избытка энергии газ при помощи компрессора закачивается под давлением в баллон.

По мере необходимости сжатый газ используется для вращения турбины или электрогенератора. При небольших мощностях вместо турбины целесообразно использовать поршневой мотор.

Газ в емкости под давлением в сотни атмосфер обладает высокой удельной плотностью энергии в течение нескольких лет, а при наличии качественной арматуры — и десятки лет.

Накопление тепловой энергии

Большая часть территории нашей страны расположена в северных районах, поэтому значительная часть энергии вынужденно расходуется для обогрева. В связи с этим приходится регулярно решать проблему сохранения тепла в накопителе и извлечении его оттуда при необходимости.

В большинстве случаев не удается достичь высокой плотности запасаемой тепловой энергии и сколько-нибудь значительных сроков ее сохранения. Существующие эффективные устройства в силу ряда своих особенностей и высокой цены не подходят для широкого применения.

Накопление за счет теплоемкости

Это один из самых древних способов. В его основе лежит принцип накопления тепловой энергии при нагревании вещества и отдачи тепла при его охлаждении. Конструкция таких накопителей чрезвычайно проста.

Им может быть кусок любого твердого вещества либо закрытая емкость с жидким теплоносителем. Накопители тепловой энергии имеют очень большой срок службы, практически неограниченное количество циклов накопления и отдачи энергии.

Но время хранения не превышает нескольких суток.

Аккумулирование электрической энергии

Электрическая энергия — это самая удобная ее форма в современном мире. Именно поэтому электрические накопители получили широкое распространение и наибольшее развитие. К сожалению, удельная емкость дешевых аппаратов невелика, а приборы с большой удельной емкостью слишком дороги и недолговечны. Накопители электрической энергии — это конденсаторы, ионисторы, аккумуляторы.

Конденсаторы

Это самый массовый вид накопителей энергии. Конденсаторы способны работать при температуре от -50 до +150 градусов. Количество циклов накопления-отдачи энергии – десятки миллиардов в секунду.

Соединяя несколько конденсаторов параллельно, можно легко получить емкость необходимой величины. Кроме того, существуют переменные конденсаторы.Изменение емкости таких конденсаторов может производиться механическим или электрическим способом либо воздействием температуры.

Чаще всего переменные конденсаторы можно встретить в колебательных контурах.

Конденсаторы делятся на два класса – полярные и неполярные. Срок службы полярных (электролитических) меньше, чем неполярных, они больше зависят от внешних условий, но в то же время обладают большей удельной емкостью.

Как накопители энергии конденсаторы — не очень удачные приборы. Они имеют малую емкость и незначительную удельную плотность запасаемой энергии, а время ее хранения исчисляется секундами, минутами, редко часами. Конденсаторы нашли применение в основном в электронике и силовой электротехнике.

Расчет конденсатора, как правило, не вызывает затруднений. Вся необходимая информация по разным типам конденсаторов представлена в технических справочниках.

Ионисторы

Эти приборы занимают промежуточное место между полярными конденсаторами и аккумуляторами. Иногда их называют «суперконденсаторами». Соответственно, они имеют огромное количество этапов заряда-разряда, емкость больше, чем у конденсаторов, но немного меньше, чем у небольших аккумуляторов. Время хранения энергии – до нескольких недель. Ионисторы очень чувствительны к температуре.

Силовые аккумуляторы

Электрохимические аккумуляторы используются, если требуется запасать достаточно много энергии. Лучше всего для этой цели подходят свинцово-кислотные приборы. Их изобрели около 150 лет назад. И с тех пор в устройство аккумулятора не внесли ничего принципиально нового.

Появилось много специализированных моделей, значительно возросло качество комплектующих изделий, повысилась надежность аккумуляторной батареи.

Примечательно, что устройство аккумулятора, созданного разными производителями, для разных целей отличается лишь в незначительных деталях.

Электрохимические аккумуляторы подразделяются на тяговые и стартовые. Тяговые используются в электротранспорте, источниках бесперебойного питания, электроинструментах. Для таких аккумуляторов характерны длительный равномерный разряд и большая его глубина. Стартовые аккумуляторы могут выдать большой ток в короткий промежуток времени, но глубокий разряд для них недопустим.

Электрохимические аккумуляторы имеют ограниченное количество циклов заряда-разряда, в среднем от 250 до 2000. Даже при отсутствии эксплуатации через несколько лет они выходят из строя. Электрохимические аккумуляторы чувствительны к температуре, требуют длительного времени заряда и строгого соблюдения правил эксплуатации.

Прибор необходимо периодически подзаряжать. Заряд аккумулятора, установленного на транспортное средство, производится в движении от генератора.

В зимнее время этого недостаточно, холодная батарея плохо принимает заряд, а потребление электроэнергии на запуск двигателя возрастает.

Поэтому необходимо дополнительно проводить заряд аккумулятора в теплом помещении специальным зарядным устройством. Одним из существенных недостатков свинцово-кислотных приборов является их большой вес.

Аккумуляторы для маломощных устройств

Если требуются мобильные устройства с малым весом, то выбирают следующие типы аккумуляторов: никель-кадмиевые, литий-ионные, металл-гибридные, полимер-ионные. У них выше удельная емкость, но и цена много больше.

Их применяют в мобильных телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах, видеокамерах и других малогабаритных устройствах.

Разные типы аккумуляторов отличаются своими параметрами: количеством циклов зарядки, сроком хранения, емкостью, размером и т. п.

Литий-ионные аккумуляторы большой мощности применяют в электромобилях и гибридных машинах. Они имеют небольшой вес, большую удельную емкость и высокую надежность.

В то же время литий-ионные аккумуляторы очень пожароопасны. Возгорание может произойти от короткого замыкания, механической деформации или разрушения корпуса, нарушений режимов заряда или разряда аккумулятора.

Потушить пожар довольно трудно из-за высокой активности лития.

Аккумуляторы являются основой многих приборов. Например, накопитель энергии для телефона – это компактный внешний аккумулятор, помещенный в прочный, влагозащищенный корпус. Он позволяет зарядить или запитать сотовый телефон. Мощные мобильные накопители энергии способны заряжать любые цифровые аппараты, даже ноутбуки.

В таких устройствах устанавливают, как правило, литий-ионные аккумуляторы большой емкости. Накопители энергии для доматакже необходятся без аккумуляторных батарей. Но это гораздо более сложные устройства. Кроме аккумулятора в их состав входят зарядное устройство, система управления, инвертор. Аппараты могут работать как от стационарной сети, так и от других источников.

Выходная мощность в среднем составляет 5 кВт.

Накопители химической энергии

Различают «топливные» и «безтопливные» типы накопителей. Для них требуются специальные технологии и нередко громоздкое высокотехнологичное оборудование. Используемые процессы позволяют получать энергию в разных видах.

Термохимические реакции могут проходить как при низкой, так и при высокой температуре. Компоненты для высокотемпературных реакций вводят только тогда, когда необходимо получить энергию. До этого их хранят отдельно, в разных местах.

Компоненты для низкотемпературных реакций обычно находятся в одной емкости.

Накопление энергии наработкой топлива

Этот способ включает два совершенно независимых этапа: накопление энергии («зарядка») и ее использование («разрядка»).

Традиционное топливо, как правило, обладает большой удельной емкостью энергии, возможностью продолжительного хранения, удобством использования. Но жизнь не стоит на месте.

Внедрение новых технологий предъявляет повышенные требования к топливу. Задача решается путем улучшения существующих и создания новых, высокоэнергетических видов топлива.

Широкому внедрению новых образцов препятствует недостаточная отработанность технологических процессов, большая пожаро- и взрывоопасность в работе, необходимость высококвалифицированного персонала, высокая стоимость технологии.

Безтопливное химическое накопление энергии

В этом виде накопителей энергия запасается за счет преобразования одних химических веществ в другие. Например, гашеная известь при нагреве переходит в негашеное состояние. При «разрядке» запасенная энергия выделяется в виде тепла и газа.

Именно так происходит при гашении извести водой. Для того чтобы реакция началась, обычно достаточно соединить компоненты. В сущности, это вид термохимической реакции, только протекает она при температуре в сотни и тысячи градусов.

Поэтому используемое оборудование гораздо сложнее и дороже.

Источник: https://FB.ru/article/190701/kakie-byivayut-nakopiteli-energii

Накопители энергии: очевидные и невероятные

Механические накопители энергии

Штангисты знают, что поднять вес мало — важно его удержать. Сколько бы мы ни произвели чистой — или любой другой — энергии, от нее будет мало толка, если мы не умеем ее хранить.

Но что способно накапливать гигаватт- и тераватт-часы, а в нужный момент за секунды отдать их в сеть? Только что-нибудь по‑настоящему серьезное. Водохранилища и поезда, бетонные поплавки и даже лифты-многотонники, разработанные в Новосибирске.

О них мы и поговорим, вспомнив по пути школьную физику.

Профессор из Беркли Дэвид Каммен считает электросети самой сложной машиной, которую когда-либо создавало человечество: «Она самая большая, самая дорогая, включает больше всего компонентов и при этом элегантно проста.

В ее основе лежит единственный принцип — приток энергии должен постоянно равняться оттоку». Система работает как ресторан быстрого питания: сколько заказано блюд, столько и приготовлено, лишнее приходится выбрасывать.

Между тем потребление электроэнергии меняется постоянно и довольно ощутимо.

Взглянув на графики, легко заметить, что нагрузка на сеть следует суточным и недельным циклам и повышена во время зимних холодов. Работа солнечных электростанций с этими периодами согласуется плохо: излучение есть именно тогда, когда его энергия меньше всего нужна, — днем. А ярче всего солнце светит летом.

Производство электроэнергии ветряными станциями тоже подчиняется погодным условиям. Реакторы АЭС нельзя подстраивать под нужды потребителей: они выдают постоянное количество энергии, так как должны функционировать в стабильном режиме. Регулировать подачу тока в сеть приходится, меняя объемы сжигаемого топлива на газовых и угольных ТЭС.

Энергосеть постоянно балансирует между выработкой электростанций и нуждами потребителей.

Cравнение потребления и генерации электроэнергии различными источниками на примере декабря 2012 года (по данным BM Reports).

Если бы тепловые электростанции не приходилось регулировать и они могли работать всегда в оптимальном режиме, их ресурс был бы выше, а стоимость и потребление топлива — ниже.

Но для этого сеть должна иметь запас энергии, который накапливался бы в периоды избыточного производства и отдавался на пиках потребления.

Ну а если уж мы хотим вовсе отказаться от углеводородов и использовать только чистое электричество возобновляемых источников, то без средств для накопления энергии и стабилизации ее подачи в сеть никак не обойтись… Есть идеи?

Варианты очевидные

Электросети начали проектировать больше века назад с учетом технологий того времени, и сегодня даже в самых развитых странах они нуждаются в модернизации, в том числе во введении «амортизирующего» компонента, накопителей соответствующей мощности.

Пока что такими проектами не могут похвастаться даже США: по данным за 2017 год, все имевшиеся в стране промышленные накопители имели мощность лишь около 24,2 ГВт, тогда как генерирующие мощности составили 1081 ГВт.

Текущие возможности России в области накопления — чуть больше 2 ГВт, а всего мира — 175,8 ГВт.

Почасовое потребление в Великобритании в течение одного зимнего и одного летнего месяцев 2009 года. Максимум потребления пришелся на шесть часов январского утра (58,9 ГВт), минимум — на теплый субботний вечер в июле (22,3 ГВт), разница более чем вдвое.

Почти весь этот объем приходится на гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). Самая большая в России Загорская ГАЭС имеет мощность 1,2 ГВт, а самая мощная в мире работает в Вирджинии.

Станция Bath County мощностью 3 ГВт и высотой 380 м способна накачивать воду в верхний резервуар и спускать в нижний со скоростью около 50 тыс. т в минуту. Такие накопители превращают электричество в потенциальную энергию воды и вырабатывают его обратно с потерями лишь 30%.

Однако их недостатки вполне очевидны: водохранилища требуют сложного рельефа, обширной и часто нужной площади и связаны с неизбежными потерями на испарение.

Сегодня больше 98% мировых мощностей накопителей приходится на ГАЭС, а из оставшегося количества около трети используется в химических аккумуляторах.

Прежде всего, это обычные литий-ионные батареи: крошечные размеры ионов лития делают их отличными носителями заряда, позволяя добиться высокой плотности энергии.

По оценке Джорджа Крабтри из Аргоннской национальной лаборатории министерства энергетики США, литий-ионным аккумуляторам для широкого применения необходимо стать как минимум впятеро более емкими и на столько же более дешевыми. Но даже в этом случае они останутся токсичными и взрывоопасными.

Некоторых их недостатков лишены альтернативные проекты: сегодня создан целый «зоопарк» электрохимических элементов.

Например, аккумуляторы профессора Дональда Садоуэя на основе жидких металлических электродов и расплава соли требуют для работы высоких температур, зато они безопасны и намного дешевле литий-ионных.

Однако любые батареи со временем неизбежно деградируют и уже лет через десять потребуют серьезных и регулярных вложений в обновление… Что нам остается, помимо этого?

Школьная физика

Инженеры любят простые и остроумные решения, и многие проекты накопителей основаны на довольно простой физике. Базовые формулы, позволяющие оценить энергию таких систем, проходят еще в средней школе.

Скажем, вращательная кинетическая энергия пропорциональна массе и квадрату скорости, что позволяет сохранять электрическую энергию во вращении тяжелого маховика. Такие накопители отличаются великолепной управляемостью и надежностью, они используются на транспорте и даже в космосе.

Однако самые мощные из них способны обеспечить разве что небольшую электростанцию, стабилизируя выдачу тока, и эффективны лишь на небольших промежутках времени — не больше четверти часа.

Из той же школьной физики мы помним, что энергия идеального газа пропорциональна его давлению, что дает возможность накопить ее в виде сжатого воздуха.

Емкостью для него могут служить герметичные цистерны, как у 9-мегаваттного накопителя Next Gen CAES на одной из электростанций в Нью-Йорке, штольни заброшенных шахт или естественные пещеры-каверны. На том же принципе разницы давлений работает предложенный немецкими инженерами концепт ORES.

Полые бетонные емкости погружаются на дно и подключаются к офшорной электростанции: избыток энергии они накапливают, закачивая внутрь воду, а при необходимости она под давлением сжатого внутри воздуха выбрасывается наружу, запуская генератор.

Баланс на масштабах от секунд до недель

Накопители энергии, работающие на разных принципах, имеют свои преимущества и недостатки, и могут подходить для различных задач. Одни оптимальны в поддержке электростанций, другие — на этапе передачи и распределения энергии, третьи — для крупных потребителей, четвертые — для конечных пользователей, в их домах и мобильных гаджетах.

Пригодится нам и энергия тепловая: например, концерн Siemens уже сооружает для одной из ветряных электростанций под Гамбургом накопитель, запасающий энергию в тепле 100 тонн камня. Избыток выработки будет направляться на их нагрев, чтобы затем груз, остывая, превращал воду в пар, вращающий турбину генератора.

Впрочем, чаще энергию градиента температуры используют для накопителей энергии на солнечных электростанциях.

Зеркала концентраторов фокусируют свет, раскаляя теплоноситель (обычно расплавленный солевой раствор), который продолжает отдавать тепло и днем, и ночью, когда солнце уже не светит, — в полном согласии с изученными в школе началами термодинамики.

Еще ближе нам элементарная формула потенциальной энергии тела в поле тяжести Земли: E = mgh (где m — масса груза, h — высота его подъема, g — ускорение свободного падения).

Именно в таком виде запасают ее мощные и надежные ГАЭС или проект немецкой компании Heindl Energy, поднимающий водным столбом внутри цилиндра цельный гранитный поршень диаметром до 250 м.

Потенциальную энергию накапливают и тяжелые железнодорожные составы проекта ARES, которые буксируют бетонные грузы вверх и вырабатывают ток, когда спускаются с ними. Но для всего этого нужно иметь наготове холм высотой в несколько сотен метров и — как в случае с ГАЭС — большую площадь под строительство… Есть ли другие возможности?

Гравитационный накопитель

Проект профессора Эдварда Хейндля обещает мощность до 8 ГВт — этого достаточно для того, чтобы обеспечивать энергией 2 млн потребителей в течение суток.

Вариант почти невероятный

Накопитель в новосибирском Академгородке много места не занимает. За самым обыкновенным забором стоит новенькое здание размером с пятиэтажку — шоу-рум, в котором размещен действующий прототип твердотельной аккумулирующей электростанции (ТАЭС) высотой 20 м и мощностью 10 кВт. Внутри здания вдоль стен расположены две узкие ячейки ТАЭС шириной около 2 м и длиной около 12.

Принцип работы их основан на накоплении потенциальной энергии: двигатель потребляет электроэнергию из сети и с помощью каната поднимает наполненные грунтом полимерные мешки.

Они крепятся наверху и в любой момент готовы начать спуск, вращая вал генератора.

По словам основателя проекта «Энергозапас» Андрея Брызгалова, инженеры изучили почти сотню идей для промышленных накопителей энергии, но не нашли подходящего варианта и создали собственный.

Твердотельный накопитель

Полномасштабная ТАЭС будет достигать 300 м в высоту и сможет накапливать до 10 ГВт·ч. При грузообороте до 14 млн т в сутки она будет производить на грунт давление до 4 кг/см2 — меньше, чем обычная пятиэтажка. Расчетный срок службы: 50 лет.

В самом деле, Россия — страна богатая, но не рельефом. «Это практически ровный стол, — рассказывает Андрей Брызгалов, — возводить ГАЭС можно лишь в отдельных районах, остальное — равнинная плоскость».

В отличие от водохранилища, ТАЭС можно установить где угодно: для строительства не требуется водохранилищ и естественного перепада высот.

Мешки заполняются местным грунтом, который добывают при строительстве фундамента, а строить можно в чистом поле, которого в России достаточно.

Оптимальная мощность ТАЭС при высоте 300 м будет порядка 1 ГВт, а емкость определяется площадью накопителя и при застройке 1 км² составит 10 ГВт·ч, то есть станция займет примерно в пять раз меньше места, чем аналогичная ГАЭС.

Тысячи специальных многошахтных лифтов, снабженных системой рекуперации, будут перемещать за сутки около 15 млн т груза. «Ежедневный грузооборот одной такой ТАЭС будет всемеро больше, чем у крупнейшего мирового порта, Шанхайского, — объясняет Андрей Брызгалов.

— Вы представляете себе уровень задачи?» Неудивительно, что дальше начинается физика уже отнюдь не школьного уровня.

«Мы не можем позволить себе строить сразу 300-метровую башню, — говорит Андрей Брызгалов, — это по меньшей мере легкомысленно. Поэтому мы делаем конструкцию минимальных размеров, при которых она обладает свойствами полноразмерной ТАЭС».

Как только проект получит господдержку в рамках Национальной технологической инициативы, в «Энергозапасе» приступят к работе.

Возведение 80-метровой башни мощностью более 3 МВт позволит испытать строительные решения, которые на данный момент прошли только модельные испытания на многоядерных компьютерных кластерах.

Сложная наука

В самом деле, какой бы простой ни была высотная конструкция, ей предстоит столкнуться с опасностью землетрясений и нагрузкой ветра. Но вместо обычных решений с применением все более мощных и тяжелых несущих элементов из стали и бетона ТАЭС использует массу инженерных находок.

Для борьбы с ветром ее окружат защитной «юбкой», которая раскинется на ширину примерно в четверть радиуса самой станции. Она будет превращать горизонтальное давление ветра в вертикальную нагрузку, на которую рассчитана конструкция.

«Это позволяет значительно сократить расходы на металл, который применяют для компенсации изгибных нагрузок, снизить себестоимость ТАЭС и тем самым поднять ее конкурентоспособность», — объясняют разработчики.

Сейсмические колебания демпфирует сама конструкция — матрица вертикальных колонн, к каждой четверке которых подвешено до девяти 40-тонных грузов. «В любой конкретный момент перемещается лишь небольшое количество груза, остальное действует как отвес, подавляя раскачивание.

Несмотря на огромную массу, даже благодаря ей мы получили самое сейсмостойкое здание в мире, — уверяет Андрей Брызгалов, — причем практически без дополнительных расходов».

Легкая, простая, лишенная перекрытий, такая башня будет в несколько раз дешевле обычного здания тех же размеров.

Несмотря на внешнюю простоту, разработка накопителя потребовала не только знаний сложной физики и материаловедения, но даже аэродинамики и программирования. «Возьмите, например, провод, — объясняет Андрей Брызгалов.

— Ни один не выдержит десятки миллионов циклов сгибания-разгибания, а мы рассчитываем на полвека бесперебойной работы. Поэтому передача энергии между подвижными частями ТАЭС будет реализована без проводов».

Накопитель ТАЭС буквально нашпигован новыми технологиями, и десятки инженерных находок уже запатентованы.

Матричные преобразователи частоты тока позволяют мягко и точно управлять работой моторов и сглаживать выдачу энергии. Сложный алгоритм автоматически координирует параллельную работу нескольких тележек-подъемников и требует лишь удаленного присмотра со стороны оператора.

«У нас есть специалисты десятков направлений, — говорит Андрей Брызгалов, — и все они работают, не ожидая моментального результата и окупаемости проекта в ближайшие 2−3 года. При этом создано решение, равного которому нет нигде в мире.

Теперь его можно лишь повторить, но сделать такое с нуля было возможно только в России, только в Сибири, где есть такие люди».

Впрочем, без уверенности в том, что проект рано или поздно станет прибыльным, ничего бы не состоялось. «Проблема российской энергосистемы — избыток мощностей, — продолжает Андрей Брызгалов.

— Исторически сложилось так, что мы генерируем больше, чем надо, и это позволяет немало экспортировать, но и создает серьезный запрос на аккумулирующие мощности». По оценкам Navigant Research, к 2025 году этот рынок будет расти средними темпами в 60% ежегодно и достигнет 80 млрд долларов.

Возможно, эти деньги преобразуют типичный российский пейзаж, и где-то у горизонта обычной бесконечной плоскости появятся и станут привычными гигантские гравитационные накопители.

Статья «Накопители: очевидные и невероятные» опубликована в журнале «Популярная механика» (№4, Апрель 2018).

Источник: https://pikabu.ru/story/nakopiteli_yenergii_ochevidnyie_i_neveroyatnyie_6605520

Самый эффективный способ накопления энергии стар как мир

Механические накопители энергии

Когда речь заходит о том, что надо как-то накопить энергию, многие сразу начинают думать об аккумуляторной батарее. Конечно, что же это может быть еще. Тем не менее, есть еще один способ, который используется не очень часто, но при этом имеет очень хорошие перспективы. Особенно, на фоне развития других технологий.

Такие разработки даже применялись при производстве общественного и грузового транспорта. Их начало берет свои корни еще в Советском Союзе, но в последнее время технология начинает применяться все чаще. Несколько лет назад, когда позволял регламент, это использовалось даже в Формуле-1.

Откроем завесу тайны и расскажем, как работает это достаточно простое, но гениальное изобретение, и о человеке, который посвятил этому жизнь.

Древний маховик тоже был своего рода аккумулятором.

Что такое маховик?

Говорить мы сегодня будем о супермаховиках и об их создателе Нурбее Гулиа. Хоть и кажется, что маховик это что-то устаревшее и чисто техническое, но и в новом электрическом мире ему есть место.

Маховик (маховое колесо) — массивное вращающееся колесо, использующееся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии или для создания инерционного момента, как это используется на космических аппаратах.

Сами маховики были изобретены очень давно и даже успешно применялись в промышленности тех лет. Есть даже находки в Междуречье и древнем Китае, которые подтверждают использование подобных устройств. Правда, тогда они делались из обожженной глины или из дерева и выполняли иные функции.

Где применяются маховики?

Благодаря своей массивности и законам физики, которые сопровождают движение маховика, он нашел применение во многих современных механизмах — от транспорта до промышленности.

Самое простое применение заключается в сохранении скорости вращения вала, на котором установлен маховик. Это может пригодиться во время работы какого-нибудь станка. Особенно, в те моменты, когда он испытывает резкие нагрузки и надо не допустить падения частоты вращения. Получается такой своего рода демпфер.

Наверное, самым частым местом, где встречаются маховики, является двигатель внутреннего сгорания автомобиля. Он позволяет сохранить скорость вращения двигателя при выключении сцепления.

Тем самым снижается воздействие на трансмиссию, так как переключение передачи происходит в то время, когда двигатель работает на оборотах выше оборотов холостого хода. Кроме этого, так достигается больший комфорт и плавность движения.

Правда, на гоночных машинах маховик очень сильно облегчается для снижения веса и увеличения скорости, с которой раскручивается двигатель.

Маховик легкового автомобиля.

Также маховики часто используются для стабилизации движения. Происходит это за счет того, что колесо, которым и является маховик, при вращении создает гироскопический эффект. Он создает сильное сопротивление при попытке наклонить его. Этот эффект легко ощутить, например, раскрутив колесо велосипеда и попытавшись его наклонить, или взяв в руки работающий жесткий диск.

Есть развитие и обычнх аккумуляторов: Новый тип аккумулятора позволит электромобилям проехать почти 2400 километров без подзарядки

Такая сила мешает при управлении мотоциклом, заставляя прибегать к контррулению, особенно на большой скорости, но очень помогает, например, для стабилизации корабля во время качки.

Также подвесив такой маховик и учитывая, что он всегда находится в одном положении относительно горизонта, можно фиксировать его отклонения от корпуса объекта и понимать его положение в пространстве. Применение таких свойств маховика актуально в авиации.

Именно вращающийся маховик позволит определить положение фюзеляжа самолета в пространстве.

Супермаховик Гулиа

Теперь, после достаточно долгого введения и предысторий, поговорим непосредственно о супермаховиках и о том, как они помогают сохранять энергию, не имея в составе каких-либо химических соединения для этого.

Нурбей Гулиа — создал и продвигает идею супермаховика, как накопителя энергии.

Супермаховик представляет собой один из типов маховиков, предназначенный для накопления энергии. Он специально сделан так, чтобы накапливать как можно больше энергии без необходимости применения по другому назначению.

Такие маховики тяжелые и очень быстро крутятся. Из-за того, что скорость вращения очень высокая, есть риск разрежения конструкции, но это тоже продумано. Сам маховик состоит из намотанных витков стальной пластичной ленты или из композитных материалов.

Кроме того, что такая конструкция прочнее монолитной, она еще разрушается постепенно. То есть, при отслоениях маховик просто будет тормозиться и запутается в своих же частях.

Думаю, не стоит объяснять, что разрыв маховика, который вращается со скоростью в десятки тысяч оборотов в минуту и весит минимум десятки килограмм, чреват очень серьезными последствиями.

Кроме этого, для обеспечения еще большей безопасности можно поместить систему с таким маховиком в бронекапсулу и закопать ее на несколько метров в землю. В этом случае движущиеся элементы точно никак не смогут навредить человеку.

Дополнительным плюсом использования бронекапсулы будет создание в ней вакуума, который позволит существенно снизить воздействие внешних сил на движение. Проще говоря, так можно свести к минимуму или вообще убрать сопротивление газовой среды (в обычном случае воздуха).

Так устроен супермаховик Гулиа.

В качестве дополнительных сил, мешающих вращению, еще выступает сопротивление подшипников, на которых установлен маховик. Но его можно установить на магнитный подвес.

В этом случае силы воздействия сведены к такому минимуму, которым можно пренебречь. Именно по этой причине такие маховики способны крутиться месяцами.

Кроме этого, магнитный подвес позволяет не задумываться об износе системы. Изнашивается только генератор.

Именно генератор и является тем элементом, который позволяет выработать электричество. Он просто подключается к маховику, и получая переданное им вращение вырабатывает электричество. Получается аналог обычного генератора, только для этого не надо сжигать топливо.

Чтобы получать еще больше интересной информации из мира высоких технологий, подписывайся на наш новостной канал в Telegram.

Для накопления энергии в то время, когда нет нагрузки, маховик раскручивается и тем самым “держит заряд”. Собственно, возможен и комбинированный вариант по аналогии с обычными аккумуляторами, которые могут одновременно отдавать энергию и заряжаться сами. Для раскрутки маховика используется мотор-генератор, который может как раскручивать маховик, так и забирать энергию его вращения.

Такие системы актуальны для накопления энергии в домохозяйствах и в системах зарядки. Например, подобная система по задумке инженеров Skoda должна использоваться для зарядки автомобилей.

Днем маховик раскручивается, а вечером отдает заряд в электромобили, не нагружая городскую сеть в вечернее и ночное время.

При этом можно заряжаться медленно от одного маховика или быстро от нескольких, с которых будет “сниматься” больше электричества.

Эффективность супермаховиков

Эффективность супермаховиков при всей их кажущейся архаичности достигает очень высоких значений. Их КПД доходит до 98 процентов, что даже не снилось обычным аккумуляторным батареям. Кстати, саморазряд таких батарей тоже происходит быстрее, чем потеря скорости хорошо сделанного маховика в вакууме и на магнитном подвесе.

Можно вспомнить старые времена, когда люди начали запасать энергию посредством маховиков. Самым простым примером являются гончарные круги, которые раскручивались и крутили, пока ремесленник работал над очередным сосудом.

Мы уже определись, что конструкция супермаховика достаточно проста, он имеет высокий КПД и при этом стоит относительно недорого, но есть у него один минус, который сказывается на эффективности его использования и стоит на пути массового внедрения. Точнее, таких минусов два.

Ленточный маховик.

Главным из них будет тот самый гироскопический эффект. Если на кораблях это полезное побочное свойство, то на автомобильном транспорте это будет очень сильно мешать и надо будет использовать сложные системы подвеса. Вторым минусом будет пожароопасность в случае разрушения.

Из-за большой скорости разрушения даже композитные маховики будут выделять большое количество тепла за счет трения о внутреннюю часть бронекапсулы. На стационарном объекте это не будет большой проблемой, так как можно сделать систему пожаротушения, но на транспорте может создать очень много трудностей.

Тем более, на транспорте риск разрушения выше за счет вибраций во время движения.

Где применяются супермаховики?

В первую очередь, Н.В. Гулия хотел использовать свое изобретение именно на транспорте. Даже было построено несколько образцов, которые проходили испытания. Несмотря на это, системы дальше испытаний не пошли. Зато применение такому способу накопления энергии нашлось в другой сфере.

Так в США в 1997 году компания Beacon Power сделала большой шаг в разработке супермаховиков для применения их в электростанциях на промышленном уровне. Эти супермаховики могли запасать энергию до 25 кВт⋅ч и имели мощность до 200 кВт. Строительство станции мощностью 20 МВт началось в 2009 году. Она должна была нивелировать пики нагрузки на электрическую сеть.

В России тоже есть подобные проекты. Например, под научным руководством самого Н. В. Гулиа компания Kinetic Power создала собственную версию стационарных накопителей кинетической энергии на базе супермаховика.

Один накопитель может запасать до 100 кВт⋅ч энергии и обеспечивать мощность до 300 кВт. Система таких маховиков может обеспечивать выравнивание суточной неоднородности электрической нагрузки целого региона.

Так можно полностью отказаться от очень дорогих гидроаккумулирующих электростанций.

Возможно использование супермаховиков и на объектах, где нужна независимость от электрических сетей и резервное питание. Эти системы имеют очень высокую скорость отклика. Она составляет буквально доли секунд и позволяет обеспечить действительно бесперебойное питание.

Такая идея «не зашла». Может получится с поездами?

Еще одним местом, где возможно применение Супермаховик, является железнодорожный транспорт. На торможение составов тратится очень много энергии и, если не тратить ее впустую, нагревая тормозные механизмы, а раскрутить маховик, накопленную энергию потом можно потратить на набор скорости.

Вы скажете, что система на подвесе будет очень хрупкой для транспорта и будете правы, но в таком случае можно говорить и о подшипниках, так как запасать энергию надолго просто нет необходимости и потери от подшипников будут не такими большими на таком промежутке времени.

Зато такой способ позволяет экономить 30 процентов энергии потребляемой поездом для движения.

Как видим, системы на супермаховиках имеют очень много плюсов и совсем немного минусов. Из этого можно сделать вывод, что они будут набирать популярность, становиться более дешевыми и массовыми.

Это тот самый случай, когда свойства вещества и законы физики, знакомые людям с древних времен, позволяют придумать что-то новое.

В итоге вы получили удивительным симбиозом механики и электрики, потенциал которого до конца еще не раскрыт.

Источник: https://Hi-News.ru/technology/samyj-effektivnyj-sposob-nakopleniya-energii-star-kak-mir.html

Booksm
Добавить комментарий