Gamta žmogui suteikė įvairių energijos š altinių: saulę, vėją, upes ir kitus. Šių nemokamos energijos generatorių trūkumas yra stabilumo trūkumas. Todėl energijos pertekliaus laikotarpiais ji kaupiama saugojimo įrenginiuose ir išleidžiama laikinojo nuosmukio laikotarpiais. Energijos kaupimo įrenginiai pasižymi šiais parametrais:
- sukauptos energijos kiekis;
- sukaupimo ir grąžinimo greitis;
- savitasis sunkumas;
- energijos saugojimo laikas;
- patikimumas;
- gamybos ir priežiūros išlaidos ir kt.
Yra daug būdų organizuoti važiavimus. Vienas iš patogiausių – klasifikavimas pagal energijos kaupimo įrenginyje naudojamą rūšį ir pagal jos kaupimo bei grąžinimo būdą. Energijos kaupimo įrenginiai skirstomi į šiuos pagrindinius tipus:
- mechaninis;
- terminis;
- elektrinis;
- cheminė.
Potencialios energijos kaupimas
Šių įrenginių esmė yra paprasta. Pakėlus krovinį, kaupiasi potencinė energija, nuleidus atlieka naudingą darbą. Dizaino ypatybės priklauso nuo krovinio tipo. Jis gali būti kietas, skystas arbabiri medžiaga. Paprastai tokio tipo prietaisų dizainas yra labai paprastas, todėl didelis patikimumas ir ilgas tarnavimo laikas. Sukauptos energijos saugojimo laikas priklauso nuo medžiagų ilgaamžiškumo ir gali siekti tūkstantmečius. Deja, tokie įrenginiai turi mažą energijos tankį.
Mechaninis kinetinės energijos kaupimas
Šiuose įrenginiuose energija kaupiama judant kūną. Paprastai tai yra svyruojantis arba transliacinis judesys.
Kinetinė energija virpesių sistemose yra sutelkta kūno judesyje atgal. Energija tiekiama ir suvartojama dalimis, kūno judėjimo metu. Mechanizmas yra gana sudėtingas ir kaprizingas. Plačiai naudojamas mechaniniuose laikrodžiuose. Sukauptos energijos kiekis paprastai yra nedidelis ir tinka tik pačiam įrenginiui veikti.
Giroskopu maitinami saugojimo įrenginiai
Kinetinės energijos saugykla yra sutelkta besisukančiame smagrate. Savitoji smagračio energija žymiai viršija panašios statinės apkrovos energiją. Per trumpą laiką galima gauti arba išvesti didelę galią. Energijos saugojimo laikas yra trumpas, o daugumai dizainų – iki kelių valandų. Šiuolaikinės technologijos leidžia pailginti energijos kaupimo laiką iki kelių mėnesių. Smagračiai labai jautrūs smūgiams. Prietaiso energija tiesiogiai priklauso nuo jo sukimosi greičio. Todėl energijos kaupimo ir grąžinimo procese keičiasi smagračio sukimosi greitis. Ir tokiam krūviui kaipkaip taisyklė, reikalingas pastovus, mažas sukimosi greitis.
Perspektyvesni įrenginiai yra supersmagračiai. Jie pagaminti iš plieninės juostos, sintetinio pluošto arba vielos. Dizainas gali būti tankus arba turėti tuščią erdvę. Jei yra laisvos vietos, juostos ritės pasislenka į sukimosi periferiją, keičiasi smagračio inercijos momentas, dalis energijos kaupiama deformuotoje spyruoklėje. Tokiuose įrenginiuose sukimosi greitis yra stabilesnis nei kietose konstrukcijose, o jų energijos sąnaudos yra daug didesnės. Jie taip pat yra saugesni.
Šiuolaikiniai super smagračiai pagaminti iš kevlaro pluošto. Jie sukasi vakuuminėje kameroje ant magnetinės suspensijos. Gali kaupti energiją kelis mėnesius.
Mechaninis saugojimas naudojant elastines jėgas
Šio tipo įrenginiai gali kaupti didžiulę specifinę energiją. Iš mechaninių pavarų jis turi didžiausią energijos intensyvumą prietaisams, kurių matmenys yra keli centimetrai. Dideli smagračiai su labai dideliu sukimosi greičiu turi daug didesnį energijos kiekį, tačiau jie yra labai pažeidžiami išorinių poveikių ir turi trumpesnį energijos kaupimo laiką.
Pavasario energijos mechaninis saugojimas
Gali užtikrinti didžiausią mechaninę galią iš bet kurios energijos kaupimo klasės. Jį riboja tik spyruoklės atsparumas tempimui. Energija suspaustoje spyruoklėje gali būti saugoma kelis dešimtmečius. Tačiau dėl nuolatinės deformacijos metale kaupiasi nuovargis, o spyruoklės talpamažėja. Tuo pačiu metu aukštos kokybės plieninės spyruoklės tinkamomis eksploatavimo sąlygomis gali veikti šimtus metų be pastebimo galios praradimo.
Spyruoklės funkcijas gali atlikti bet kokie elastingi elementai. Pavyzdžiui, guminės juostos yra dešimtis kartų pranašesnės už plieno gaminius pagal sukauptą energiją masės vienetui. Tačiau gumos tarnavimo laikas dėl cheminio senėjimo yra tik keleri metai.
Mechaniniai saugojimo įrenginiai, naudojantys suslėgtų dujų energiją
Šio tipo įrenginyje energija kaupiama suspaudžiant dujas. Esant energijos pertekliui, dujos su slėgiu pumpuojamos į cilindrą naudojant kompresorių. Pagal poreikį suspaustos dujos naudojamos turbinai ar elektros generatoriui sukti. Esant mažam pajėgumui, vietoj turbinos patartina naudoti stūmoklinį variklį. Dujos inde, veikiant šimtų atmosferų slėgiui, turi didelį savitąjį energijos tankį kelerius metus, o su aukštos kokybės jungiamosiomis detalėmis – dešimtmečius.
Šilumos energijos kaupimas
Didžioji dalis mūsų šalies teritorijos yra šiauriniuose regionuose, todėl nemaža dalis energijos yra priversta išleisti šildymui. Šiuo atžvilgiu būtina reguliariai spręsti šilumos palaikymo pavaroje ir prireikus iš jos ištraukimo problemą.
Daugeliu atvejų neįmanoma pasiekti didelio sukauptos šiluminės energijos tankio ir reikšmingų jos išsaugojimo laikotarpių. Esami veiksmingi įrenginiaidėl kai kurių savybių ir didelės kainos netinka plačiam naudojimui.
Sandėliavimas dėl šilumos talpos
Tai vienas iš seniausių būdų. Jis pagrįstas šiluminės energijos kaupimosi, kai medžiaga kaitinama, ir šilumos perdavimo, kai ji aušinama, principu. Tokių diskų dizainas yra labai paprastas. Tai gali būti bet kokios kietos medžiagos gabalas arba uždaras indas su skystu aušinimo skysčiu. Šiluminės energijos akumuliatoriai turi labai ilgą tarnavimo laiką, beveik neribotą energijos kaupimo ir išleidimo ciklų skaičių. Tačiau saugojimo laikas neviršija kelių dienų.
Elektros energijos kaupimas
Elektros energija yra patogiausia jos forma šiuolaikiniame pasaulyje. Štai kodėl elektros saugojimo įrenginiai yra plačiai naudojami ir labiausiai išvystyti. Deja, pigių įrenginių specifinė talpa nedidelė, o didelės specifinės talpos įrenginiai yra per brangūs ir trumpalaikiai. Elektros energijos kaupimo įrenginiai yra kondensatoriai, jonistoriai, baterijos.
Kondensatoriai
Tai pati masiškiausia energijos kaupimo rūšis. Kondensatoriai gali veikti nuo -50 iki +150 laipsnių temperatūroje. Energijos kaupimo-grąžinimo ciklų skaičius yra dešimtys milijardų per sekundę. Lygiagrečiai sujungę kelis kondensatorius, nesunkiai gausite reikiamą talpą. Be to, yra kintamų kondensatorių. Tokių kondensatorių talpos keitimas gali būti atliekamas mechaniškai arba elektra arba temperatūra. Dažniausiai kintamuosius kondensatorius galima rastivirpesių grandinės.
Kondensatoriai skirstomi į dvi klases – polinius ir nepolinius. Polinių (elektrolitinių) tarnavimo laikas yra trumpesnis nei nepolinių, jie labiau priklauso nuo išorinių sąlygų, tačiau tuo pat metu turi didesnę specifinę talpą.
Kadangi energijos kaupimo kondensatoriai nėra labai sėkmingi įrenginiai. Jie turi mažą talpą ir nereikšmingą specifinį sukauptos energijos tankį, o jos saugojimo laikas skaičiuojamas sekundėmis, minutėmis, retai valandomis. Kondensatoriai buvo pritaikyti daugiausia elektronikos ir elektros energijos inžinerijos srityse.
Kondensatoriaus apskaičiavimas, kaip taisyklė, nesukelia sunkumų. Visa reikalinga informacija apie įvairių tipų kondensatorius pateikiama techniniuose vadovuose.
Ionistoriai
Šie įrenginiai užima tarpinę padėtį tarp polinių kondensatorių ir baterijų. Jie kartais vadinami „superkondensatoriais“. Atitinkamai, jie turi daugybę įkrovimo-iškrovimo etapų, talpa yra didesnė nei kondensatorių, bet šiek tiek mažesnė nei mažų baterijų. Energijos saugojimo laikas yra iki kelių savaičių. Jonizatoriai yra labai jautrūs temperatūrai.
Maitinimo baterijos
Jei reikia sukaupti daug energijos, naudojamos elektrocheminės baterijos. Šiam tikslui geriausiai tinka švino rūgšties prietaisai. Jie buvo išrasti maždaug prieš 150 metų. Ir nuo to laiko baterijos įrenginyje nebuvo įdiegta nieko iš esmės naujo. Atsirado daug specializuotų modelių, žymiai išaugo komponentų kokybė,akumuliatoriaus patikimumas. Pastebėtina, kad skirtingų gamintojų sukurtos baterijos įtaisas skiriasi tik nedidelėmis detalėmis įvairiems tikslams.
Elektrocheminiai akumuliatoriai skirstomi į traukos ir paleidimo. Traukos naudojamos elektriniame transporte, nepertraukiamo maitinimo š altiniuose, elektriniuose įrankiuose. Tokios baterijos pasižymi ilgu vienodu iškrovimu ir dideliu gyliu. Starterio akumuliatoriai gali tiekti didelę srovę per trumpą laiką, tačiau gilus iškrovimas jiems nepriimtinas.
Elektrocheminės baterijos turi ribotą įkrovimo ir iškrovimo ciklų skaičių, vidutiniškai nuo 250 iki 2000. Net jei nenaudojami, jie sugenda po kelerių metų. Elektrocheminės baterijos yra jautrios temperatūrai, reikalauja ilgo įkrovimo laiko ir reikalauja griežtos priežiūros.
Įrenginį reikia periodiškai įkrauti. Transporto priemonėje sumontuota baterija įkraunama judant iš generatoriaus. Žiemą to neužtenka, š altas akumuliatorius gerai nepriima įkrovimo, didėja elektros sąnaudos varikliui užvesti. Todėl būtina papildomai įkrauti akumuliatorių šiltoje patalpoje specialiu įkrovikliu. Vienas iš reikšmingų švino rūgšties prietaisų trūkumų yra didelis jų svoris.
Mažai galios įrenginių akumuliatoriai
Jei reikalingi mažo svorio mobilieji įrenginiai, pasirinkite šių tipų baterijas: nikelio-kadmio,ličio jonų, metalo hibridų, polimero jonų. Jie turi didesnį specifinį pajėgumą, tačiau kaina yra daug didesnė. Jie naudojami mobiliuosiuose telefonuose, nešiojamuosiuose kompiuteriuose, fotoaparatuose, vaizdo kamerose ir kituose mažuose įrenginiuose. Įvairių tipų baterijos skiriasi savo parametrais: įkrovimo ciklų skaičiumi, galiojimo laiku, talpa, dydžiu ir kt.
Didelės galios ličio jonų akumuliatoriai naudojami elektrinėse ir hibridinėse transporto priemonėse. Jie yra mažo svorio, didelio specifinio pajėgumo ir didelio patikimumo. Tuo pačiu metu ličio jonų baterijos yra labai degios. Uždegimas gali atsirasti dėl trumpojo jungimo, mechaninės deformacijos ar korpuso sunaikinimo, akumuliatoriaus įkrovimo ar iškrovimo režimų pažeidimų. Gaisrą gesinti gana sunku dėl didelio ličio aktyvumo.
Baterijos yra daugelio prietaisų pagrindas. Pavyzdžiui, energijos kaupiklis telefonui yra kompaktiška išorinė baterija, įdėta į patvarų, vandeniui atsparų dėklą. Tai leidžia įkrauti arba maitinti savo mobilųjį telefoną. Galingi mobilieji energijos kaupikliai gali įkrauti bet kokius skaitmeninius įrenginius, net nešiojamus kompiuterius. Tokiuose įrenginiuose paprastai montuojami didelės talpos ličio jonų akumuliatoriai. Energijos kaupimas namams taip pat neapsieina be baterijų. Tačiau tai yra daug sudėtingesni įrenginiai. Be akumuliatoriaus, juose yra įkroviklis, valdymo sistema ir keitiklis. Įrenginiai gali veikti tiek iš fiksuoto tinklo, tiek iš kitų š altinių. Vidutinė išėjimo galia yra 5 kW.
Pavaroscheminė energija
Atskirkite „kuro“ir „nekuro“pavarų tipus. Jiems reikalingos specialios technologijos ir dažnai didelės apimties aukštųjų technologijų įranga. Naudojami procesai leidžia gauti įvairių formų energijos. Termocheminės reakcijos gali vykti tiek žemoje, tiek aukštoje temperatūroje. Aukštos temperatūros reakcijų komponentai įvedami tik tada, kai reikia gauti energijos. Prieš tai jie laikomi atskirai, skirtingose vietose. Žemos temperatūros reakcijų komponentai paprastai yra toje pačioje talpykloje.
Energijos kaupimas naudojant degalus
Šis metodas apima du visiškai nepriklausomus etapus: energijos kaupimą ("įkrovimą") ir jos naudojimą ("iškrovimą"). Tradicinis kuras, kaip taisyklė, turi didelę specifinę energijos talpą, ilgalaikio saugojimo galimybę ir naudojimo paprastumą. Tačiau gyvenimas nestovi vietoje. Naujų technologijų diegimas kelia didesnius reikalavimus kurui. Užduotis išspręsta tobulinant esamus ir kuriant naujus, daug energijos sunaudojančius degalus.
Plačiai diegti naujus pavyzdžius trukdo nepakankamas technologinių procesų išvystymas, didelis gaisro ir sprogimo pavojus darbe, aukštos kvalifikacijos personalo poreikis ir didelės technologijų kainos.
Be kuro cheminės energijos kaupimas
Šio tipo saugykloje energija kaupiama paverčiant kai kurias chemines medžiagas kitomis. Pavyzdžiui, gesintos kalkės kaitinamos pereina į negesintos kalkės būseną. Iškraunant sukaupta energijaišsiskiria kaip šiluma ir dujos. Būtent taip atsitinka, kai kalkės gesinamos vandeniu. Kad reakcija prasidėtų, dažniausiai pakanka sujungti komponentus. Iš esmės tai yra tam tikra termocheminė reakcija, tik ji vyksta šimtų ir tūkstančių laipsnių temperatūroje. Todėl naudojama įranga yra daug sudėtingesnė ir brangesnė.
