Priroda je čovjeku dala razne izvore energije: sunce, vjetar, rijeke i druge. Nedostatak ovih generatora besplatne energije je nedostatak stabilnosti. Stoga se u razdobljima viška energije pohranjuje u skladišne uređaje i troši tijekom razdoblja privremene recesije. Uređaje za pohranu energije karakteriziraju sljedeći parametri:
- količina pohranjene energije;
- brzina njegovog nakupljanja i povrata;
- specifična težina;
- vrijeme skladištenja energije;
- pouzdanost;
- troškovi proizvodnje i održavanja i ostalo.
Postoji mnogo načina za organiziranje pogona. Jedna od najprikladnijih je klasifikacija prema vrsti energije koja se koristi u uređaju za pohranu, te prema načinu njezina akumulacije i povrata. Uređaji za pohranu energije podijeljeni su u sljedeće glavne vrste:
- mehanički;
- termalni;
- električni;
- kemijska.
Akumulacija potencijalne energije
Suština ovih uređaja je jednostavna. Kada se teret podigne, potencijalna energija se akumulira, a kada se spusti, obavlja koristan rad. Značajke dizajna ovise o vrsti tereta. Može biti čvrsta, tečna ilirastresita tvar. Dizajn uređaja ove vrste u pravilu je iznimno jednostavan, a time i visoka pouzdanost i dug radni vijek. Vrijeme skladištenja pohranjene energije ovisi o trajnosti materijala i može doseći tisućljeća. Nažalost, takvi uređaji imaju nisku gustoću energije.
Mehaničko skladištenje kinetičke energije
U ovim uređajima energija se pohranjuje u kretanju tijela. Obično je to oscilatorno ili translacijsko kretanje.
Kinetička energija u oscilatornim sustavima koncentrirana je u povratnom kretanju tijela. Energija se opskrbljuje i troši u porcijama, u vremenu s kretanjem tijela. Mehanizam je prilično složen i hirovit u postavljanju. Široko se koristi u mehaničkim satovima. Količina pohranjene energije je obično mala i prikladna je samo za rad samog uređaja.
Uređaji za pohranu na žiroskop
Skladište kinetičke energije koncentrirano je u rotirajućem zamašnjaku. Specifična energija zamašnjaka znatno premašuje energiju sličnog statičkog opterećenja. Moguće je primiti ili proizvesti značajnu snagu u kratkom vremenskom razdoblju. Vrijeme skladištenja energije je kratko, a za većinu dizajna ograničeno je na nekoliko sati. Suvremene tehnologije omogućuju da se vrijeme skladištenja energije svede na nekoliko mjeseci. Zamašnjaci su vrlo osjetljivi na udarce. Energija uređaja izravno ovisi o brzini njegove rotacije. Stoga u procesu akumulacije i povrata energije dolazi do promjene brzine vrtnje zamašnjaka. I za opterećenje kaou pravilu je potrebna konstantna, niska brzina vrtnje.
Uređaji koji više obećavaju su superzamašnjaci. Izrađuju se od čelične trake, sintetičkih vlakana ili žice. Dizajn može biti gust ili imati prazan prostor. Ako ima slobodnog prostora, zavojnice trake pomiču se na periferiju rotacije, mijenja se moment inercije zamašnjaka, dio energije se pohranjuje u deformiranoj oprugi. U takvim uređajima brzina vrtnje je stabilnija nego u čvrstim konstrukcijama, a njihova potrošnja energije je mnogo veća. Oni su također sigurniji.
Moderni super zamašnjaci izrađeni su od kevlarskog vlakna. Rotiraju se u vakuumskoj komori na magnetskoj suspenziji. Može pohraniti energiju nekoliko mjeseci.
Mehaničko skladištenje pomoću elastičnih sila
Ova vrsta uređaja je sposobna pohraniti ogromnu specifičnu energiju. Od mehaničkih pogona, ima najveći energetski intenzitet za uređaje s dimenzijama od nekoliko centimetara. Veliki zamašnjaci s vrlo visokim brzinama vrtnje imaju puno veći sadržaj energije, ali su vrlo osjetljivi na vanjske utjecaje i imaju kraće vrijeme skladištenja energije.
Mehaničko skladištenje opružne energije
Mogućnost isporuke najveće mehaničke snage bilo koje klase pohranjivanja energije. Ograničena je samo vlačnom čvrstoćom opruge. Energija u komprimiranoj oprugi može se pohraniti nekoliko desetljeća. Međutim, zbog stalne deformacije, umor se nakuplja u metalu i kapacitet oprugesmanjuje se. U isto vrijeme, visokokvalitetne čelične opruge, pod ispravnim radnim uvjetima, mogu raditi stotinama godina bez značajnog gubitka kapaciteta.
Funkcije opruge mogu se izvoditi bilo kojim elastičnim elementima. Gumene trake su, na primjer, desetke puta superiornije od čeličnih proizvoda u smislu pohranjene energije po jedinici mase. Ali vijek trajanja gume zbog kemijskog starenja je samo nekoliko godina.
Mehanički uređaji za skladištenje koji koriste energiju komprimiranih plinova
U ovom tipu uređaja energija se pohranjuje kompresijom plina. U prisutnosti viška energije, plin se pumpa pod pritiskom u cilindar pomoću kompresora. Prema potrebi, komprimirani plin se koristi za okretanje turbine ili električnog generatora. Kod malih kapaciteta preporučljivo je umjesto turbine koristiti klipni motor. Plin u posudi pod pritiskom stotina atmosfera ima visoku specifičnu gustoću energije nekoliko godina, a uz visokokvalitetne armature - desetljećima.
Skladištenje toplinske energije
Većina teritorija naše zemlje nalazi se u sjevernim krajevima, pa se značajan dio energije prisilno troši na grijanje. S tim u vezi, potrebno je redovito rješavati problem održavanja topline u pogonu i odatle izvlačenja po potrebi.
U većini slučajeva nije moguće postići visoku gustoću pohranjene toplinske energije i značajna razdoblja njenog očuvanja. Postojeći učinkoviti uređaji uzbog nekih svojih karakteristika i visoke cijene nisu prikladni za široku primjenu.
Skladištenje zbog toplinskog kapaciteta
Ovo je jedan od najstarijih načina. Temelji se na principu akumulacije toplinske energije kada se tvar zagrijava i prijenosa topline kada se ohladi. Dizajn takvih pogona je iznimno jednostavan. To može biti komad bilo koje čvrste tvari ili zatvoreni spremnik s tekućim rashladnim sredstvom. Akumulatori toplinske energije imaju vrlo dug radni vijek, gotovo neograničen broj ciklusa akumulacije i oslobađanja energije. Ali vrijeme skladištenja ne prelazi nekoliko dana.
Skladištenje električne energije
Električna energija je najprikladniji njezin oblik u modernom svijetu. Zato su električni uređaji za pohranu podataka naširoko korišteni i najrazvijeniji. Nažalost, specifični kapacitet jeftinih uređaja je mali, a uređaji s visokim specifičnim kapacitetom preskupi i kratkotrajni. Uređaji za pohranu električne energije su kondenzatori, ionisti, baterije.
Kondenzatori
Ovo je najmasovniji tip skladištenja energije. Kondenzatori mogu raditi na temperaturama od -50 do +150 stupnjeva. Broj ciklusa akumulacije-povrata energije je nekoliko desetaka milijardi u sekundi. Spajanjem nekoliko kondenzatora paralelno možete lako dobiti potrebnu kapacitivnost. Osim toga, postoje varijabilni kondenzatori. Promjena kapaciteta takvih kondenzatora može se vršiti mehanički ili električno ili temperaturom. Najčešće se mogu naći promjenjivi kondenzatorioscilatorni krugovi.
Kondenzatori se dijele u dvije klase - polarne i nepolarne. Vijek trajanja polarnih (elektrolitičkih) je kraći od nepolarnih, više ovise o vanjskim uvjetima, ali u isto vrijeme imaju i veći specifični kapacitet.
Kao što kondenzatori za pohranu energije nisu baš uspješni uređaji. Imaju mali kapacitet i neznatnu specifičnu gustoću pohranjene energije, a vrijeme skladištenja računa se u sekundama, minutama, rijetko satima. Kondenzatori su našli primjenu uglavnom u elektronici i energetskoj elektrotehnici.
Proračun kondenzatora, u pravilu, ne uzrokuje poteškoće. Sve potrebne informacije o različitim vrstama kondenzatora prikazane su u tehničkim priručnicima.
Ionistors
Ovi uređaji zauzimaju međupoložaj između polarnih kondenzatora i baterija. Ponekad se nazivaju "superkondenzatori". Sukladno tome, imaju ogroman broj stupnjeva punjenja-pražnjenja, kapacitet je veći od kondenzatora, ali nešto manji od onih malih baterija. Vrijeme skladištenja energije je do nekoliko tjedana. Ionistori su vrlo osjetljivi na temperaturu.
Baterije
Elektrokemijske baterije se koriste ako trebate pohraniti puno energije. U tu svrhu najprikladniji su uređaji s olovnom kiselinom. Izmišljeni su prije otprilike 150 godina. I od tada u baterijski uređaj nije uvedeno ništa bitno novo. Pojavili su se mnogi specijalizirani modeli, kvaliteta komponenti značajno se povećala,pouzdanost baterije. Važno je napomenuti da se uređaj baterije koji su izradili različiti proizvođači razlikuje samo u manjim detaljima za različite svrhe.
Elektrokemijske baterije dijele se na vučne i startne. Trakcija se koristi u električnom transportu, neprekidnom napajanju, električnim alatima. Takve baterije karakteriziraju dugo ujednačeno pražnjenje i velika dubina. Starterske baterije mogu isporučiti veliku struju u kratkom vremenu, ali duboko pražnjenje za njih nije prihvatljivo.
Elektrokemijske baterije imaju ograničen broj ciklusa punjenja-pražnjenja, u prosjeku od 250 do 2000. Čak i ako se ne koriste, otkazuju nakon nekoliko godina. Elektrokemijske baterije su osjetljive na temperaturu, zahtijevaju dugo vrijeme punjenja i zahtijevaju strogo održavanje.
Uređaj je potrebno povremeno puniti. Akumulator instaliran na vozilu puni se u pokretu iz generatora. Zimi to nije dovoljno, hladna baterija ne prihvaća dobro punjenje, a povećava se i potrošnja električne energije za pokretanje motora. Stoga je potrebno dodatno napuniti bateriju u toploj prostoriji posebnim punjačem. Jedan od značajnih nedostataka uređaja s olovnom kiselinom je njihova velika težina.
Baterije za uređaje male snage
Ako su potrebni mobilni uređaji male težine, odaberite sljedeće vrste baterija: nikl-kadmijeve,litij-ion, metal-hibrid, polimer-ion. Imaju veći specifični kapacitet, ali je cijena puno veća. Koriste se u mobilnim telefonima, prijenosnim računalima, fotoaparatima, kamkorderima i drugim malim uređajima. Različite vrste baterija razlikuju se po svojim parametrima: broju ciklusa punjenja, vijeku trajanja, kapacitetu, veličini itd.
Litij-ionske baterije velike snage koriste se u električnim i hibridnim vozilima. Male su težine, visokog specifičnog kapaciteta i visoke pouzdanosti. Istodobno, litij-ionske baterije su vrlo zapaljive. Paljenje može nastati zbog kratkog spoja, mehaničke deformacije ili uništenja kućišta, kršenja načina punjenja ili pražnjenja baterije. Gašenje požara je prilično teško zbog visoke aktivnosti litija.
Baterije su okosnica mnogih uređaja. Na primjer, uređaj za pohranu energije za telefon je kompaktna vanjska baterija smještena u izdržljivo vodootporno kućište. Omogućuje vam punjenje ili napajanje vašeg mobitela. Snažni mobilni uređaji za pohranu energije sposobni su puniti sve digitalne uređaje, čak i prijenosna računala. U takvim se uređajima, u pravilu, ugrađuju litij-ionske baterije velikog kapaciteta. Skladištenje energije za dom također nije potpuno bez baterija. Ali to su mnogo složeniji uređaji. Uz bateriju uključuju punjač, upravljački sustav i inverter. Uređaji mogu raditi i iz fiksne mreže i iz drugih izvora. Izlazna snaga je u prosjeku 5 kW.
Pogonikemijska energija
Razlikujte pogone tipa "gorivo" i "bez goriva". Zahtijevaju posebne tehnologije i često glomaznu opremu visoke tehnologije. Korišteni procesi omogućuju dobivanje energije u različitim oblicima. Termokemijske reakcije se mogu odvijati i na niskim i na visokim temperaturama. Komponente za visokotemperaturne reakcije uvode se samo kada je potrebno dobiti energiju. Prije toga se pohranjuju odvojeno, na različitim mjestima. Komponente za reakcije na niskim temperaturama obično su u istom spremniku.
Skladištenje energije pomoću goriva
Ova metoda uključuje dvije potpuno neovisne faze: akumulaciju energije ("punjenje") i njezino korištenje ("pražnjenje"). Tradicionalno gorivo u pravilu ima veliki specifični energetski kapacitet, mogućnost dugotrajnog skladištenja i jednostavnost korištenja. Ali život ne miruje. Uvođenje novih tehnologija postavlja povećane zahtjeve za gorivom. Zadatak je riješen poboljšanjem postojećih i stvaranjem novih, visokoenergetskih goriva.
Široko uvođenje novih uzoraka ometa nedovoljna razvijenost tehnoloških procesa, velika opasnost od požara i eksplozija u radu, potreba za visokokvalificiranim osobljem i visoka cijena tehnologije.
Skladištenje kemijske energije bez goriva
U ovoj vrsti skladištenja energija se pohranjuje pretvaranjem nekih kemikalija u druge. Na primjer, gašeno vapno, kada se zagrije, prelazi u stanje živog vapna. Prilikom pražnjenja, pohranjena energijaoslobađaju se kao toplina i plin. Upravo to se događa kada se vapno gaši vodom. Da bi reakcija započela, obično je dovoljno spojiti komponente. U biti, ovo je neka vrsta termokemijske reakcije, samo što se odvija na temperaturi od stotina i tisuća stupnjeva. Stoga je oprema koja se koristi mnogo složenija i skuplja.
