Co jsou zařízení pro ukládání energie?

Příroda poskytla člověku různé zdroje energie: slunce, vítr, řeky a další. Nevýhodou těchto generátorů volné energie je nedostatek stability. Proto je během období přebytečné energie skladován v skladovacích nádržích a spotřebován během období dočasného poklesu. Energetické akumulátory charakterizují následující parametry:

• množství uložené energie;
• míra jeho akumulace a odrazu;
• měrná hmotnost;
• podmínky skladování energie;
• spolehlivost;
• náklady na výrobu a servis a další.

Existuje mnoho způsobů, jak uspořádat jednotky. Jednou z nejvhodnějších je klasifikace podle typu energie použité v zásobníku a způsobu jeho akumulace a recyklace. Energetické akumulátory jsou rozděleny do následujících hlavních typů:

• mechanické;
• tepelné;
• elektrické;
• chemické.

Akumulace potenciální energie

Podstata těchto zařízení je nekomplikovaná. Při zvedání nákladu dochází k akumulaci potenciální energie, při níž se spustí užitečná práce. Vlastnosti konstrukce závisí na druhu nákladu. Může to být pevná, kapalná nebo volná hmota. Návrh desek tohoto typu je zpravidla velmi jednoduchý, tudíž vysoká spolehlivost a dlouhá životnost. Doba skladování skladované energie závisí na životnosti materiálů a může dosáhnout tisíciletí. Bohužel tato zařízení mají nízkou specifickou energetickou náročnost.

Mechanické ukládání kinetické energie

V těchto zařízeních je energie uložena v pohybu těla. Obvykle je to oscilační nebo translační pohyb.

Kinetická energie v oscilačních systémech je soustředěno ve vratném pohybu těla. Energie se dodává a spotřebovává po částech, včas s pohybem těla. Mechanismus je poměrně složitý a vnímavý při ladění. Široce se používá v mechanických hodinkách. Množství uložené energie je obvykle malé a vhodné pouze pro provoz samotného zařízení.

Pohony, které využívají energii gyro

Rezerva kinetické energie je soustředěna v rotačním setrvačníku. Specifická energie setrvačníku výrazně převyšuje energii podobného statického zatížení. V krátkém čase je možné přijmout nebo vrátit značné množství energie. Doba skladování energie je krátká a pro většinu konstrukcí je omezena na několik hodin. Moderní technologie vám umožňují ušetřit energii až několik měsíců. Kolečka jsou velmi citlivá na otřesy. Energie zařízení je přímo závislá na rychlosti jeho otáčení. Proto se během akumulace a uvolňování energie mění rychlost otáčení setrvačníku. A pro zatížení je zpravidla konstantní, nízká rychlost otáčení je nutná.

Slibnějšími zařízeními jsou superzávěry. Jsou vyrobeny z ocelových pásů, syntetických vláken nebo drátu. Struktura může být hustá nebo má prázdný prostor. Za přítomnosti volného místa se otáčky pásky pohybují k okraji otáčení, moment setrvačnosti setrvačníku se mění, část energie je uložena v deformované pružině. V takových zařízeních je rychlost otáčení stabilnější než u pevných konstrukcí a jejich energetická náročnost je mnohem vyšší. Navíc jsou bezpečnější.

Moderní superswhely jsou vyrobeny z kevlarových vláken. Otáčejí se ve vakuové komoře na magnetickém závěsu. Jsou schopny šetřit energii po několik měsíců.

Mechanické úložné zařízení používající elastické síly

Tento typ zařízení může uložit obrovskou specifickou energii. Od mechanického ukládání má největší energetickou kapacitu pro zařízení o rozměrech několika centimetrů. Velké setrvačníky s velmi vysokými otáčkami mají mnohem vyšší energetickou náročnost, ale jsou velmi zranitelné vůči vnějším faktorům a mají kratší dobu skladování energie.

Mechanické skladování pomocí energie pružiny

Jsou schopny poskytnout největší mechanickou energii ze všech tříd zařízení pro ukládání energie. Je omezena pouze omezením pružnosti. Energii ve stlačené pružině lze skladovat několik desetiletí. Nicméně kvůli konstantní deformaci kovu se akumuluje únava a kapacita pružiny klesá. Současně mohou kvalitní ocelové pružiny za provozních podmínek pracovat po stovky let bez hmatatelné ztráty kapacity.

Funkce pružiny mohou být provedeny jakýmikoliv pružnými prvky. Gumové postroje, například desítkykrát překračují ocelové výrobky z hlediska skladované energie na jednotku hmotnosti. Životnost kaučuku v důsledku chemického stárnutí je však jen několik let.

Mechanické skladování pomocí energie stlačeného plynu

V tomto typu zařízení je energie skladována kompresí plynu. Pokud je nadbytek energie, je plyn čerpán pomocí kompresoru pod tlakem do válce. Podle potřeby se stlačený plyn používá k otáčení turbíny nebo elektrického generátoru. Při malých kapacitách místo turbíny doporučujeme použít pístový motor. Plyn v tlakové nádobě stovky atmosfér má vysokou měrnou hustotu energie po dobu několika let a za přítomnosti vysoce kvalitní výztuže - a desítky let.

Akumulace tepelné energie

Většina území naší země se nachází v severních oblastech, takže velká část energie je spotřebována na vytápění. V této souvislosti je třeba pravidelně vyřešit problém ukládání tepla v zásobní nádrži a případně ji odvést.

Ve většině případů není možné dosáhnout vysoké hustoty skladované tepelné energie a jakýkoli významný časový rámec pro její zachování. Stávající efektivní zařízení díky řadě vlastností a vysokým cenám nejsou vhodné pro široké použití.

Akumulace z důvodu tepelné kapacity

Jedná se o jeden z nejstarších způsobů. Je založen na principu akumulace tepelné energie, když se látka zahřívá a teplo se uvolňuje, když je chlazeno. Konstrukce těchto pohonů je velmi jednoduchá. Mohou to být kus jakékoli pevné látky nebo uzavřené nádoby s kapalnou chladicí kapalinou. Skladování tepelné energie má velmi dlouhou životnost, prakticky neomezený počet cyklů skladování a uvolňování energie. Doba skladování však nepřesahuje několik dní.

Akumulace elektrické energie

Elektrická energie je nejpohodlnější formou v moderním světě. To je důvod, proč jsou elektrické akumulátory široce používány a vyvinuty nejvíce. Bohužel specifická kapacita levných zařízení je nízká a zařízení s velkou specifickou kapacitou jsou příliš drahá a krátkodobá. Akumulátory elektrické energie jsou kondenzátory, ionizátory, akumulátory.

Kondenzátory

Jedná se o nejhmotnější typ skladování energie. Kondenzátory jsou schopny pracovat při teplotách od -50 do +150 stupňů. Počet cyklů akumulace a uvolňování energie je desítky miliard za sekundu. Připojením několika kondenzátorů paralelně je možné snadno získat kapacitu požadované hodnoty. Kromě toho existují variabilní kondenzátory. Kapacita takových kondenzátorů může být měněna mechanicky nebo elektricky nebo vystavena teplotě. Nejčastěji se v oscilačních obvodech nacházejí variabilní kondenzátory.

Kondenzátory jsou rozděleny do dvou tříd - polární a nepolární. Životnost polárních (elektrolytických) je méně než nepolární, jsou více závislé na vnějších podmínkách, ale zároveň mají větší specifickou kapacitu.

Jako energetické akumulátory nejsou kondenzátory velmi úspěšné zařízení. Mají malou kapacitu a nevýznamnou specifickou hustotu skladované energie a doba jejího skladování se počítá v sekundách, minutách, zřídka po celé hodiny. Kondenzátory nalezly uplatnění zejména v elektronice a elektrotechnice.

Výpočet kondenzátoru zpravidla nezpůsobuje potíže. Všechny potřebné informace o různých typech kondenzátorů jsou uvedeny v technických příručkách.

Ionistory

Tato zařízení zaujímají mezilehlé místo mezi polárními kondenzátory a bateriemi. Někdy se nazývají "superkondenzátory". Proto mají obrovské množství nabíjecích stupňů, kapacita je větší než kondenzátory, ale o něco menší než kapacita baterií. Doba skladování energie je až několik týdnů. Ionistory jsou velmi citlivé na teplotu.

Napájecí baterie

Elektrochemické baterie se používají, pokud potřebujete dostatek energie. Zařízení s olověnými kyselinami jsou pro tento účel nejvhodnější. Byly vynalezeny před 150 lety. A od té doby nebylo do přístroje baterie vloženo nic zásadně nového. Mnoho specializovaných modelů se objevilo, kvalita součástí se výrazně zvýšila, spolehlivost baterie se zvýšila. Je třeba poznamenat, že baterie zařízení, vytvořená různými výrobci, pro různé účely se liší pouze v malých detailech.

Elektrochemické baterie jsou rozděleny na trakční a spouštěcí baterie. Trakční traktory se používají v elektrické dopravě, nepřerušitelných napájecích zdrojích, elektrických nástrojích. Takové baterie jsou charakterizovány dlouhým, rovnoměrným výbojem a velkou hloubkou. Spouštěcí baterie mohou v krátkém čase vytvářet velký proud, ale hluboký výboj je pro ně nepřijatelný.

Elektrochemické baterie mají omezený počet cyklů nabití a nabíjení, v průměru od 250 do 2000. I při nečinnosti po několika letech selhávají. Elektrochemické baterie jsou citlivé na teplotu, vyžadují dlouhou dobu nabíjení a přísné dodržování provozních pravidel.

Přístroj musí být periodicky nabíjen. Nabíjení baterie instalované na vozidle se provádí z generátoru. V zimě to nestačí, chladná baterie je špatně nabitá a spotřeby energie ke spuštění motoru se zvyšuje. Proto je nutné baterie dodatečně nabíjet v teplé místnosti se speciální nabíječkou. Jednou z významných nevýhod zařízení olova a kyselin je jejich velká váha.

Akumulátory pro nízkonapěťové zařízení

Pokud jsou vyžadována mobilní zařízení s nízkou hmotností, jsou vybrány následující typy baterií: nikl-kadmium, lithium-ion, metal-hybrid, polymer-iontové. Mají vyšší specifické kapacity, ale cena je mnohem vyšší. Používají se v mobilních telefonech, notebookech, fotoaparátech, videokamerách a jiných malých zařízeních. Různé typy baterií se liší podle parametrů: počet nabíjecích cyklů, doba trvanlivosti, kapacita, velikost atd.

Lithium-iontové baterie s vysokým výkonem se používají v elektrických vozidlech a hybridních automobilech. Mají nízkou hmotnost, vysokou specifickou kapacitu a vysokou spolehlivost. Současně jsou lithium-iontové baterie velmi nebezpečné pro požár. Může nastat požár zkrat, mechanická deformace nebo zničení pouzdra, porušení nabíjení nebo vybití akumulátoru. Vystavení ohně je poměrně obtížné kvůli vysoké aktivitě lithia.

Baterie jsou základem mnoha zařízení. Například zařízení pro ukládání energie pro telefon je kompaktní externí baterie, umístěný v odolném, voděodolném krytu. Umožňuje nabíjet nebo napájet mobilní telefon. Výkonné mobilní zařízení pro ukládání energie mohou nabíjet jakékoli digitální zařízení, dokonce i notebooky. V takových zařízeních jsou zpravidla instalovány lithium-iontové baterie s velkou kapacitou. Zásobování energie doma je také nutné bez baterií. Ale je to mnohem složitější zařízení. Kromě baterie obsahují nabíječku, řídicí systém a střídač. Zařízení mohou fungovat jak z pevných sítí, tak z jiných zdrojů. Výkon je v průměru 5 kW.

Skladování chemické energie

Existují "pohonné hmoty" a "bezmocné" typy pohonů. Vyžadují speciální technologie a často těžkopádné špičkové vybavení. Použité procesy umožňují získat energii v různých typech. Termochemické reakce mohou probíhat jak při nízkých, tak při vysokých teplotách. Komponenty pro vysokoteplotní reakce se uvádějí pouze tehdy, když je nutné získat energii. Předtím jsou uloženy samostatně na různých místech. Komponenty pro nízkoteplotní reakce se obvykle nacházejí ve stejné nádrži.

Akumulace energie produkcí paliva

Tato metoda zahrnuje dvě zcela nezávislé etapy: akumulaci energie ("nabíjení") a její použití ("vypouštění"). Tradiční palivo má zpravidla velkou specifickou energetickou kapacitu, možnost dlouhodobého skladování, pohodlné používání. Ale život nehybně stojí. Zavedení nových technologií představuje větší požadavky na palivo. Úloha je řešena zlepšením stávajících a vytvářením nových vysoce energetických paliv.

Rozsáhlé zavedení nových vzorků narušuje nedostatečná zpracovatelnost technologických procesů, velké nebezpečí požáru a výbuchu v práci, potřeba vysoce kvalifikovaných pracovníků, vysoké náklady na technologie.

Bezfosílní skladování chemické energie

V této formě skladování se energie ukládá konverzí určitých chemických látek na jiné. Například, hnědé vápno při zahřátí jde do rychlého stavu. Při "vybíjení" se uvolňuje uložená energie ve formě tepla a plynu. To je to, co se stane, když je vápno uhaseno vodou. Aby reakce začala, obvykle stačí připojit součásti. V podstatě jde o určitý druh termochemické reakce, ale pouze při teplotách stovek a tisíců stupňů. Proto je použité zařízení mnohem komplikovanější a nákladnější.