Энергию какого вида может запасать емкость

Электронная протонная. Основы электротехники и электроники тестовые вопросы

Единственный в мире Музей Смайликов

Самая яркая достопримечательность Крыма
Скачать 2.24 Mb.

1. По какому параметру участки электрической цепи классифицируются на активные и пассивные?

1. Для какого элемента электрической цепи статическое и динамическое сопротивление равны?

1. Для какого пассивного элемента сопротивление по постоянному току равно нулю?

1. Какой пассивный элемент представляет собой разрыв цепи или имеет бесконечно большое сопротивление по постоянному току?

1. Энергию какого вида может запасать емкость?

1. Энергию какого вида может запасать индуктивность?

1. Какой активный элемент теоретически может отдавать в нагрузку бесконечную мощность?

1. Какие виды схем замещения существуют для реального источника энергии?

1. Какие оси пересекает внешняя характеристика реального источника?

1. Схема представляет собой условно графическое изображение элементов реальной электрической цепи и их соединения

1. Схема представляет собой изображение основных функциональных блоков реальной цепи и связей между ними

1. Схема представляет собой изображение моделирующей цепи, составленной только из идеализированных элементов

1. Какие величины между собой связывает такой элемент электрической цепи как емкость?

1. Какие величины между собой связывает такой элемент электрической цепи как сопротивление?

1. Какие величины между собой связывает такой элемент электрической цепи как индуктивность?

1. Какие уравнения являются компонентными?

1. Какие уравнения являются топологическими?

1. На основании какого закона составляется полная матрица узлов (структурная матрица)?

1. На основании какого закона составляется матрица главных контуров?

1. Какие элементы входят в состав линейной электрической цепи?

1. Какую электрическую цепь называют нелинейной?

1. По типу дифференциального уравнения электрические цепи классифицируют на

1. Как соотносятся между собой частота f и угловая (круговая) частота ω гармонической функции?

1. Как связаны между собой амплитуда Am и действующее значение A гармонической функции?

1. Чему равна активная мощность резистивного элемента?

1. Чему равна активная мощность емкостного элемента?

1. Чему равна активная мощность индуктивного элемента?

1. Чему равен аргумент комплексного сопротивления резистивного элемента?

1. Чему равен аргумент комплексного сопротивления емкостного элемента?

1. Чему равен аргумент комплексного сопротивления индуктивного элемента?

1. Чему равно полное сопротивление емкостного элемента?

1. Чему равно полное сопротивление индуктивного элемента?

1. Определить активное сопротивление пассивного двухполюсника, если ток I˙=4−j2 А и напряжение U˙=30+j10 В . Результат вычислений округлить до целого и записать в Омах.

1. Определить угол сдвига фаз между током и напряжением пассивного двухполюсника, если ток I˙=4−j2 А и напряжение U˙=30+j10 В. Результат вычислений округлить до целого и записать в градусах.

1. Определить активную мощность пассивного двухполюсника, если ток I˙=4−j2 А и напряжение U˙=30+j10 В . Результат вычислений округлить до целого и записать в ваттах.

1. Определить реактивную мощность пассивного двухполюсника, если ток I˙=4−j2 А и напряжение U˙=30+j10 В . Результат вычислений округлить до целого и записать в Вар

1. Определить полную мощность пассивного двухполюсника, если ток I˙=4+j2 А и напряжение U˙=30+j10 В . Результат вычислений округлить до целого и записать в ВА.

1. Чему равен угол сдвига фаз между гармоническим током и напряжением в последовательной RC-цепи, если активное сопротивление R=100 Ом , а реактивное сопротивление X=1003 Ом . Результат вычислений округлить до целого и записать в градусах.

1. Чему равно полное сопротивление последовательной RC-цепи, если активное сопротивление R=300 Ом , а реактивное сопротивление X=400 Ом . Результат вычислений округлить до целого и записать в омах.

1. Чему равен угол сдвига фаз между гармоническим током и напряжением в последовательной RL-цепи, если активное сопротивление R=1003 Ом , а реактивное сопротивление X=100 Ом . Результат вычислений округлить до целого и записать в градусах.

1. Чему равно полное сопротивление последовательной RL-цепи, если активное сопротивление R=400 Ом , а реактивное сопротивление X=300 Ом . Результат вычислений округлить до целого и записать в омах.

1. Чему равен угол сдвига фаз между гармоническим током и напряжением в последовательной RL- или RC-цепи, если полное сопротивление |Z|=3002 Ом , а реактивное сопротивление X=300 Ом . Результат вычислений округлить до целого и записать в градусах.

1. Какие числовые значения может принимать коэффициент мощности?

1. Какой характер имеет комплексное входное сопротивление двухполюсника, если он содержит только резистивные и индуктивные элементы?

1. Какой характер имеет комплексное входное сопротивление двухполюсника, если он содержит только резистивные и емкостные элементы?

1. Может ли входное комплексное сопротивление последовательной и параллельной RL C-цепи иметь чисто резистивный характер?

Продолжите фразу. В методе контурных токов переходят от токов в ветвях к …

токам в контурах
Как задаются направления контурных токов?

произвольно
Продолжите фразу. В методе контурных токов переходят от …

источников тока к источникам ЭДС
Чем определяется размер матрицы сопротивлений в методе контурных токов?

количеством главных контуров в электрической цепи
Продолжите фразу. В методе контурных токов матрица сопротивлений …

квадратная и симметричная

Чем определяется размер матрицы-столбца контурных ЭДС в методе контурных токов?

числом главных контуров в электрической цепи верно

Схема электрической цепи № 1

Укажите число главных контуров для электрической цепи № 1. верно
Укажите число строк и число столбцов в матрице сопротивлений для электрической цепи № 1. верно

верно
Пусть для электрической цепи № 1 контурный ток I11 протекает через ветви с сопротивлениями иR1иR2 по часовой стрелке (первый контур), а контурный ток I22 протекает через ветви с сопротивлениями иR2, R3иR4 также по часовой стрелке (второй контур). Чему равно взаимное контурное сопротивление первого и второго контура?

−R2 верно
Пусть для электрической цепи № 1 контурный ток I11 протекает через ветви с сопротивлениями иR1иR2 по часовой стрелке (первый контур), а контурный ток I22 протекает через ветви с сопротивлениями иR2, R3иR4 также по часовой стрелке (второй контур). Чему равно контурное сопротивление второго контура?

R3+R4+R2 верно
Пусть для электрической цепи № 1 контурный ток I11 протекает через ветви с сопротивлениями иR1иR2 по часовой стрелке (первый контур), а контурный ток I22 протекает через ветви с сопротивлениями иR2, R3иR4 также по часовой стрелке (второй контур). Чему равна контурная ЭДС первого контура?

E1 верно
Пусть для электрической цепи № 1 контурный ток I11 протекает через ветви с сопротивлениями иR1иR2 по часовой стрелке (первый контур), а контурный ток I22 протекает через ветви с сопротивлениями иR2, R3иR4 также по часовой стрелке (второй контур). Чему равна контурная ЭДС второго контура?

0 верно
Пусть для электрической цепи № 1 контурный ток I11 протекает через ветви с сопротивлениями иR1иR2 по часовой стрелке (первый контур), а контурный ток I22 протекает через ветви с сопротивлениями иR2, R3иR4 также по часовой стрелке (второй контур). Чему равен ток через сопротивление R1 ?

I11 верно
Пусть для электрической цепи № 1 контурный ток I11 протекает через ветви с сопротивлениями иR1иR2 по часовой стрелке (первый контур), а контурный ток I22 протекает через ветви с сопротивлениями иR2, R3иR4 также по часовой стрелке (второй контур). Чему равен ток через сопротивление R2 ?

I11−I22 верно
Продолжите фразу. В методе узловых напряжений переходят от напряжений в ветвях к …

напряжениям в узлах верно
Как выбирается узел с нулевым потенциалом в методе узловых напряжений?

произвольно верно
Продолжите фразу. В методе узловых напряжений переходят от …

источников ЭДС к источникам тока верно
Чем определяется размер матрицы проводимостей в методе узловых напряжений?

количеством узлов в электрической цепи минус один верно
Продолжите фразу. В методе узловых напряжений матрица проводимостей …

квадратная и симметричная верно
Чем определяется размер матрицы-столбца узловых токов в методе узловых напряжений?

числом узлов в электрической цепи минус один верно

Схема электрической цепи № 2

Являются ли электрические цепи №1 и №2 эквивалентными?

являются при условии, что J1=E1/R1 и J5=E5/R5 верно
Укажите число невырожденных узлов для электрической цепи № 2. верно
Укажите число строк и число столбцов в матрице проводимостей для электрической цепи № 2. верно

верно
В электрической цепи № 2 все сопротивления равны 1 кОм , а токи источников равны 100 мА. Определите ЭДС эквивалентного источника напряжения относительно ветви с сопротивлением R3 . Результат запишите в В. верно
В электрической цепи № 2 все сопротивления равны 1 кОм, а токи источников равны 100 мА. Определите внутреннее сопротивление эквивалентного источника напряжения относительно ветви с сопротивлением R3 . Результат запишите в кОм. верно
В электрической цепи № 1 все сопротивления равны 1 кОм, а напряжения источников ЭДС равны 100 В. По принципу наложения определите величину тока в ветви с сопротивлением R3, вызываемого

источником ЭДС E1 . Результат запишите в мА. верно
В электрической цепи № 1 все сопротивления равны 1 кОм, а напряжения источников ЭДС равны 100 В. По принципу наложения определите величину тока в ветви с сопротивлением R3, вызываемого источником ЭДС E2 . Результат запишите в мА. верно

Какой накопитель энергии самый энергоемкий

Экология познания.Наука и техника: В условиях активного развития новых технологий в сфере энергетики достаточно известным трендом являются накопители электроэнергии. Это качественное решение проблемы перебоев питания или полного отсутствия энергии.

Существует вопрос: «Какой способ хранения энергии предпочтителен в той или иной ситуации?». К примеру, какой способ аккумулирования энергии выбрать для частного дома или дачи, оборудованных солнечной или ветровой установкой? Очевидно, что крупную гидроаккумулирующую станцию в этом случае строить никто не будет, однако установить большую емкость, подняв ее на высоту 10 метров, возможно. Но будет ли такая установка достаточна для поддержания постоянного электроснабжения при отсутствии солнца?

Чтобы ответить на возникающие вопросы, необходимо выработать какие-то критерии оценки аккумуляторов, позволяющие получить объективные оценки. А для этого нужно рассмотреть различные параметры накопителей, позволяющие получить числовые оценки.

Емкость или накопленный заряд?

Когда говорят или пишут об автомобильных аккумуляторах, часто упоминают величину, которую называют емкостью аккумулятора и выражают в ампер-часах (для небольших аккумуляторов — в миллиампер-часах). Но, строго говоря, ампер-час не является единицей емкости. Емкость в теории электричества измеряют в фарадах. А ампер-час — это единица измерения заряда! То есть характеристикой аккумулятора нужно считать (и так это и называть) накопленный заряд.

В физике заряд измеряют в кулонах. Кулон — это величина заряда, прошедшего через проводник при силе тока 1 ампер за одну секунду. Поскольку 1 Кл/c равен 1 А, то, переведя часы в секунды, получаем, что один ампер-час будет равен 3600 Кл.

Следует обратить внимание, что даже из определения кулона видно, что заряд характеризует некий процесс, а именно процесс прохождения тока по проводнику. То же самое следует даже из названия другой величины: один ампер-час — это когда ток силой в один ампер протекает по проводнику в течение часа.

На первый взгляд может показаться, что тут какая-то нестыковка. Ведь если мы говорим о сохранении энергии, то накопленная в любом аккумуляторе энергия должна измеряться в джоулях, поскольку именно джоуль в физике служит единицей измерения энергии. Но давайте вспомним, что ток в проводнике возникает только тогда, когда имеется разность потенциалов на концах проводника, то есть к проводнику приложено напряжение. Если напряжение на клеммах аккумулятора равно 1 вольту и по проводнику протекает заряд в один ампер-час, мы и получаем, что аккумулятор отдал 1 В · 1 А·ч = 1 Вт·ч энергии.

Таким образом, применительно к аккумуляторам правильнее говорить о накопленной энергии (запасенной энергии) или о накопленном (запасенном) заряде. Тем не менее, поскольку термин «емкость аккумулятора» широко распространен и как-то более привычен, будем использовать и его, но с некоторым уточнением, а именно, будем говорить про энергетическую емкость.

Ёмкость энергетическая — энергия, отдаваемая полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого значения.

Используя это понятие, попытаемся приблизительно посчитать и сравнить энергетическую емкость различных типов накопителей энергии.

Энергетическая емкость химических аккумуляторов

Полностью заряженный электрический аккумулятор с заявленной ёмкостью (зарядом) в 1 А·ч теоретически способен обеспечить силу тока 1 ампер в течение одного часа (или, например, 10 А в течение 0,1 часа, или 0,1 А в течение 10 часов). Но слишком большой ток разряда аккумулятора приводит к менее эффективной отдаче электроэнергии, что нелинейно уменьшает время его работы с таким током и может приводить к перегреву. На практике ёмкость аккумуляторов приводят, исходя из 20-часового цикла разряда до конечного напряжения. Для автомобильных аккумуляторов оно составляет 10,8 В. Например, надпись на маркировке аккумулятора «55 А·ч» означает, что он способен выдавать ток 2,75 ампер на протяжении 20 часов, и при этом напряжение на клеммах не опустится ниже 10,8 В.

Производители аккумуляторов часто указывают в технических характеристиках своих изделий запасаемую энергию в Вт·ч (Wh), а не запасаемый заряд в мА·ч (mAh), что, вообще говоря, не правильно. Вычислить запасаемую энергию по запасаемому заряду в общем случае непросто: требуется интегрирование мгновенной мощности, выдаваемой аккумулятором за всё время его разряда. Если большая точность не нужна, можно вместо интегрирования воспользоваться средними значениями напряжения и потребляемого тока и воспользоваться формулой:

1 Вт·ч = 1 В · 1 А·ч.

То есть запасаемая энергия (в Вт·ч) приблизительно равна произведению запасаемого заряда (в А·ч) на среднее напряжение (в Вольтах): E = q · U. Например, если указано, что емкость (в обычном смысле) 12-вольтового аккумулятора равна 60 А·ч, то запасаемая энергия, то есть его энергетическая ёмкость, составит 720 Вт · часов.

Энергетическая емкость накопителей гравитационной энергии

В любом учебнике физики вы можете прочитать, что работа A, совершаемая некоторой силой F при подъеме тела массы m на высоту h вычисляется по формуле A = m · g · h, где g — ускорение свободного падения. Эта формула имеет место в том случае, когда движение тела происходит медленно и силами трения можно пренебречь. Работа против силы тяжести не зависит от того, как мы поднимаем тело: по вертикали (как гирю в часах), по наклонной плоскости (как при втаскивании санок в гору) или еще каким-либо способом.

Во всех случаях работа A = m · g · h. При опускании тела на первоначальный уровень сила тяжести произведет такую же работу, какая была затрачена силой F на подъем тела. Значит, поднимая тело, мы запасли работу, равную m · g · h, т. е. поднятое тело обладает энергией, равной произведению силы тяжести, действующей на это тело, и высоты, на которую оно поднято. Эта энергия не зависит от того, по какому пути происходил подъем, а определяется лишь положением тела (высотой на которую оно поднято или разностью высот между первоначальным и окончательным положением тела) и называется потенциальной энергией.

Оценим по этой формуле энергетическую емкость массы воды, закачанной в цистерну емкостью 1000 литров, поднятую на 10 метров над уровнем земли (или уровнем турбины гидрогенератора). Будем считать, что цистерна имеет форму куба с длиной ребра 1 м. Тогда, согласно формуле в учебнике Ландсберга, A = 1000 кг · (9,8 м/с2) · 10,5 м = 102900 кг · м2/с2. Но 1 кг · м2/с2 равен 1 джоулю, а переводя в ватт-часы, получим всего 28,583 ватт-часов. То есть, чтобы получить энергетическую емкость, равную емкости обычного электроаккумулятора 720 ватт-часов, нужно увеличить объем воды в цистерне в 25,2 раза.

Цистерна должна будет иметь длину ребра примерно 3 метра. При этом ее энергетическая емкость будет равна 845 ватт-часам. Это больше емкости одного аккумулятора, но зато и объем установки существенно больше, чем размер обычного свинцово-цинкового автомобильного аккумулятора. Это сравнение подсказывает, что имеет смысл рассматривать не запасенную энергию в некоторой системе энергию саму по себе, а по отношению к массе или объему рассматриваемой системы.

Удельная энергетическая емкость

Итак мы пришли к заключению, что энергетическую емкость целесообразно соотносить с массой или объемом накопителя, или собственно носителя, например, воды, залитой в цистерну. Можно рассмотреть два показателя этого рода.

Массовой удельной энергоемкостью будем называть энергетическую емкость накопителя, отнесенную к массе этого накопителя.

Объемной удельной энергоемкостью будем называть энергетическую емкость накопителя, отнесенную к объему этого накопителя.

Рассмотрим еще несколько примеров накопителей энергии и оценим их удельные энергоемкости.

Энергоёмкость теплоаккумулятора

Теплоёмкость — количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании его на 1 °С. В зависимости от того, к какой количественной единице относится теплоёмкость, различают массовую, объёмную и молярную теплоёмкость.

Массовая удельная теплоёмкость, также называемая просто удельной теплоёмкостью — это количество теплоты, которое необходимо подвести к единице массы вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. В СИ измеряется в джоулях, деленных на килограмм на кельвин (Дж·кг−1·К−1).

Объёмная теплоёмкость — это количество теплоты, которое необходимо подвести к единице объёма вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. В СИ измеряется в джоулях на кубический метр на кельвин (Дж·м−3·К−1).

Молярная теплоёмкость — это количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 молю вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. В СИ измеряется в джоулях на моль на кельвин (Дж/(моль·К)).

Моль — единица измерения количества вещества в Международной системе единиц. Моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг.

На значение удельной теплоёмкости влияет температура вещества и другие термодинамические параметры. К примеру, измерение удельной теплоёмкости воды даст разные результаты при 20 °C и 60 °C. Кроме того, удельная теплоёмкость зависит от того, каким образом позволено изменяться термодинамическим параметрам вещества (давлению, объёму и т. д.); например, удельная теплоёмкость при постоянном давлении (CP) и при постоянном объёме (CV), вообще говоря, различны.

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое сопровождается скачкообразным изменением теплоёмкости в конкретной для каждого вещества температурной точке превращения — температура плавления (переход твёрдого тела в жидкость), температура кипения (переход жидкости в газ) и, соответственно, температуры обратных превращений: замерзания и конденсации.

Удельные теплоёмкости многих веществ приведены в справочниках обычно для процесса при постоянном давлении. К примеру, удельная теплоёмкость жидкой воды при нормальных условиях — 4200 Дж/(кг·К); льда — 2100 Дж/(кг·К).

Исходя из приведенных данных можно попытаться оценить теплоемкость водяного теплоаккумулятора (абстрактного). Предположим, что масса воды в нем равна 1000 кг (литров). Нагреваем ее до 80 °C и пусть она отдает тепло, пока не остынет до 30 °C. Если не заморачиваться тем, что теплоемкость различна при разной температуре, можно считать, что теплоаккумулятор отдаст 4200 * 1000 * 50 Дж тепла. То есть энергетическая емкость такого теплоаккумулятора составляет 210 мегаджоулей или 58,333 киловатт-часов энергии.

Если сравнить эту величину с энергетическим зарядом обычного автомобильного аккумулятора (720 ватт-часов), то видим, что для энергетическая емкость рассматриваемого теплоаккумулятора равна энергетической емкости примерно 810 электрических аккумуляторов.

Удельная массовая энергоемкость такого теплоаккумулятора (даже без учета массы сосуда, в котором собственно будет храниться нагретая вода, и массы теплоизоляции) составит 58,3 кВт-ч/1000 кг = 58,3 Вт-ч/кг. Это уже получается поболее, чем массовая энергоемкость свинцово-цинкового аккумулятора, равная, как было подсчитано выше, 39 Вт-ч/кг.

По приблизительным подсчетам теплоаккумулятор сравним с обычным автомобильным аккумулятором и по объёмной удельной энергоёмкости, поскольку килограмм воды — это дециметр объема, следовательно его объемная удельная энергоемкость тоже равна 76,7 Вт-ч/кг., что в точности совпадает с объемной удельной теплоемкостью свинцово-кислотного аккумулятора. Правда, в расчете для теплоаккумулятора мы учитывали только объем воды, хотя нужно было бы учесть еще объем бака и теплоизоляции. Но в любом случае проигрыш будет уже не так велик, как для граыитационного накопителя.

Другие виды накопителей энергии

В статье «Обзор накопителей (аккумуляторов) энергии» приведены расчеты удельных энергоемкостей еще некоторых накопителей энергии. Позаимствуем оттуда некоторые примеры

Конденсаторный накопитель

При емкости конденсатора 1 Ф и напряжении 250 В запасенная энергия составит: E = CU2 /2 = 1 ∙ 2502 /2 = 31.25 кДж

8.69 Вт · час. Если использовать электролитические конденсаторы, то их масса может составить 120 кг. Удельная энергия накопителя при этом 0.26 кДж/кг или 0,072 Вт/кг. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 9 Вт. Срок службы электролитических конденсаторов может достигать 20 лет. Ионисторы по плотности запасаемой энергии приближаются к химическим аккумуляторным батареям. Достоинства: накопленная энергия может быть использована в течение короткого промежутка времени.

Гравитационные накопители копрового типа

Вначале поднимаем тело массой 2000 кг на высоту 5 м. Затем тело опускается под действием силы тяжести, вращая электрогенератор. E = mgh

2000 ∙ 10 ∙ 5 = 100 кДж

27.8 Вт · час. Удельная энергетическая ёмкость 0.0138 Вт · час/кг. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 28 Вт. Срок службы накопителя может составлять 20 и более лет.

Достоинства: накопленная энергия может быть использована в течение короткого промежутка времени.

Маховик

Энергия, запасаемая в маховике, может быть найдена по формуле E = 0.5 J w2 , где J — момент инерции вращающегося тела. Для цилиндра радиуса R и высотой H:

где r — плотность материала, из которого изготовлен цилиндр.

Предельная линейная скорость на периферии маховика Vmax (составляет примерно 200 м/с для стали).

Vmax = wmax R или wmax = Vmax /R

Тогда Emax = 0.5 J w2max = 0.25 p r R2 H V2max = 0.25 M V2max

Удельная энергия составит: Emax /M = 0.25 V2max

Для стального цилиндрического маховика максимальная удельная энергоемкость составляет приблизительно 10 кДж/кг. Для маховика массой 100 кг (R = 0.2 м, H = 0.1 м) максимальная накопленная энергия может составлять 0.25 ∙ 3.14 ∙ 8000 ∙ 0.22 ∙ 0.1 ∙ 2002

0.278 кВт · час. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 280 Вт. Срок службы маховика может составлять 20 и более лет. Достоинства: накопленная энергия может быть использована в течение короткого промежутка времени, характеристики могут быть существенно улучшены.

Супермаховик

Супермахови́к в отличие от обычных маховиков способен за счёт конструктивных особенностей теоретически хранить до 500 Вт·ч на килограмм веса. Однако разработки супермаховиков почему-то остановились.

Пневматический накопитель

В стальной резервуар емкостью 1 м3 закачивается воздух под давлением 50 атмосфер. Чтобы выдержать такое давление, стенки резервуара должны иметь толщину примерно 5 мм. Сжатый воздух используется для выполнения работы. При изотермическом процессе работа A, совершаемая идеальным газом при расширении в атмосферу, определяется формулой:

A = (M / m ) ∙ R ∙ T ∙ ln (V2 / V1 )

где M — масса газа, m — молярная масса газа, R — универсальная газовая постоянная, T — абсолютная температура, V1 — начальный объем газа, V2 — конечный объем газа. С учетом уравнения состояния для идеального газа (P1 ∙ V1 = P2 ∙ V2 ) для данной реализации накопителя V2 / V1 = 50, R = 8.31 Дж/(моль · град), T = 293 0K, M / m

2232, работа газа при расширении 2232 ∙ 8.31 ∙ 293 ∙ ln 50

5.56 кВт · час за цикл. Масса накопителя примерно равна 250 кг. Удельная энергия составит 80 кДж/кг. При работе пневматический накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 5.5 кВт. Срок службы пневматического накопителя может составлять 20 и более лет.

Достоинства: накопительный резервуар может быть расположен под землей, в качестве резервуара могут использоваться стандартные газовые баллоны в требуемом количестве с соответствующим оборудованием, при использовании ветродвигателя последний может непосредственно приводить в действие насос компрессора, имеется достаточно большое количество устройств, напрямую использующих энергию сжатого воздуха.

Сравнительная таблица некоторых накопителей энергии

Все полученные выше значения параметров накопителей энергии сведем в обобщающую таблицу. Но вначале заметим, что удельные энергоемкости позволяют сравнивать накопители с обычным топливом.

Основной характеристикой топлива является его теплота сгорания, т.е. количество теплоты, выделяющееся при полном его сгорании. Различают теплоту сгорания удельную (МДж/кг) и объемную (МДж/м3). Переводя МДж в кBт-часы получаем:

Топливо	Энергетическая ёмкость (кВт-ч /кг)
Дрова	2,33-4,32
Горючий сланец	2,33 – 5,82
Торф	2,33 – 4,66
Бурый уголь	2,92 -5,82
Каменный уголь	ок. 8,15
Антрацит	9,08 – 9,32
Нефть	11,63
Бензин	12,8 кВт-ч/кг, 9,08 кВт-ч/литр

Как видим, удельные энергоёмкости топлива значительно превосходят энергоемкость накопителей энергии. Поскольку в качестве резервного источника энергии часто используются дизельные генераторы, включим в итоговую таблицу энергоемкость дизельного топлива, которая равна 42624 кДж/кг или 11,84 кВт-часа/кг. И добавим для сравнения еще природный газ и водород, поскольку последний тоже может служить основой для создания накопителей энергии.

Удельная массовая энергоёмкость баллонного газа (пропан-бутан) составляет 36 мДж/кг. или 10 КВт-ч/кг., а у водорода — 33,58 КВт-ч/кг.

В результате получим следующую таблицу с параметрами рассмотренных накопителей энергии (последние две строки в этой таблице добавлены для сравнения с традиционными энерго-носителями):

Накопитель энергии	Характеристики возможной реализации накопителя	Запасенная энергия, КВт*ч	Удельная энергетическая ёмкость, Вт · час/кг	Максимальное время работы на нагрузку 100 Вт, минут	Объемная удельная энергоемкость, Вт · час/дм3	Срок службы, лет
Копровый	Масса копра 2 т, высота подъема 5 м	0,0278	0.0139	16,7	2,78/объем копра в дм	более 20
Гидравлический гравитационный	Масса воды 1000 кг, высота перекачки 10 м	0,0286	0,0286	16,7	0,0286	более 20
Конденсаторный	Батарея емкостью 1 Ф, напряжением 250 В, масса 120 кг	0,00868	0.072	5.2	0,0868	до 20
Маховик	Стальной маховик массой 100 кг, диаметр 0.4 м, толщина 0.1 м	0,278	2,78	166,8	69,5	более 20
Свинцово-кислотный аккумулятор	Емкость 190 А·час, выходное напряжение 12 В, масса 70 кг	1,083	15,47	650	60-75	3 … 5
Пневматический	Стальной резервуар объемом 1 м3массой 250 кг со сжатым воздухом под давлением 50 атмосфер	0,556	22,2	3330	0,556	более 20
Теплоаккумулятор	Объем воды 1000 л., нагретой до 80 °C,	58,33	58,33	34998	58,33	до 20
Баллон с водородом	Объем 50 л., плотность 0,09 кг/м³, степень сжатия 10:1 (масса 0,045 кг)	1,5	33580	906,66	671600	более 20
Баллон с пропан-бутаном	Объем газа 50 л, плотность 0,717 кг/м³, степень сжатия 10:1 (масса 0,36 кг)	3,6	10000	2160	200000	более 20
Канистра с дизельным топливом	Объем 50 л. (=40кг)	473,6	11840	284160	236800	более 20

Приведенные в этой таблице цифры очень приблизительны, в расчетах не учтено множество факторов, например, коэффициэнт полезного действия того генератора, который использует сохраненную энергию, объемы и веса необходимого оборудования и так далее. Тем не менее, эти цифры позволяют, на мой взгляд, дать первоначальную оценку потенциальной энергоемкости различных видов накопителей энергии.

И, как следует из приведенной таблицы, наиболее эффективным видом накопителя представляется баллон с водородом. Если для получения водорода используется «дармовая» (избыточная) энергия из возобновляемых источников, то именно водородный накопитель может оказаться самым перспективным.

Чем отличается аккумулятор от накопителя энергии и зачем нам вообще ее хранить

Всякий раз, как люди осваивали способы качественно нового обращения с энергией, происходила техническая революция. На пути к современной цивилизации мы последовательно научились сначала использовать энергию в том же виде, в котором получили, затем — смогли превращать ее в работу, а потом и транспортировать.

Совсем недавно — по историческим меркам — появились широко применимые технологии накопления энергии. Связанные с ними технологические и социальные изменения только начались и в дальнейшем будут все масштабнее.

Чтобы не пересказывать учебник по физике целыми параграфами, для целей этого текста определим понятие энергии следующим образом: это измеримая величина, характеризующая максимальное количество работы, которое может выполнить тело или система. Энергию нельзя создать или уничтожить (согласно закону сохранения энергии), только передать между телами либо конвертировать из одной формы в другую. Количество энергии во Вселенной конечно, а ее полное использование невозможно — часть все равно будет рассеяна из-за неизбежности потерь при выполнении любой работы (это энтропия).

Чудо превращения

Для Земли в целом источником энергии служит Солнце, выделяющее эту самую энергию в форме электромагнитного излучения. Излучение согревает все живое, а также используется фотосинтезирующими организмами для превращения неорганических веществ в органику. Последняя, в свою очередь, становится основой всей пищевой цепочки, которая с физической точки зрения представляет собой череду преобразований энергии.

Люди пошли дальше и научились не только утолять голод, но и повышать эффективность своей жизнедеятельности. То есть более полно использовать доступную энергию, что и определило облик современной цивилизации. Началось это свыше миллиона лет назад — существуют надежные свидетельства того, что к этому моменту представители нашего с вами рода Homo уже умели пользоваться как минимум природными очагами возгораний. А 400 тысяч лет назад кострища встречались на стоянках древних людей по всему миру.

Дрова стали первым доступным человечеству первичным источником энергии. Этот термин особенно важен — так называется любая форма энергии, которая еще не была преобразована или использована для выполнения работы. В этом случае первичная энергия применялась практически в неизменном виде (с минимальным числом преобразований): горючее превращалось в тепло, которое использовалось для обогрева, приготовления пищи, а также обработки инструментов.

Это очень примитивные способы освоения энергии свыше тех ее форм, что доступны при естественных процессах. Но даже они позволили нашим предкам стать самыми успешными млекопитающими на Земле и во многом подстегнули их эволюцию.

Тепловые машины

До конца XVII века человек мог выполнять полезную работу либо сам, либо использовать животных. Превращать энергию в работу получалось крайне ограниченно — лишь с помощью ветряных или водяных мельниц. Но их сфера применения была крайне узкой либо из-за территориальной привязки к реке, либо вследствие непостоянства погоды. Поэтому первичная энергия, за исключением гидро- и ветровой, использовалась исключительно в виде тепла.

Все изменилось в 1712 году, когда английский изобретатель Томас Ньюкомен (Thomas Newcomen) довел наконец свою пароатмосферную машину до более-менее товарного вида. Простое по конструкции устройство позволяло откачивать воду из шахт, что навсегда изменило горнодобывающую отрасль: появилась возможность осваивать ранее недоступные выработки.

Последующие усовершенствования шотландским инженером Джеймсом Уаттом (James Watt) привели к созданию парового двигателя двойного действия. Это, в свою очередь, послужило толчком к началу промышленной революции, поэтому имя легендарного ученого и увековечили в названии единицы мощности — ватте.

После массового внедрения паровых машин производительность труда в промышленности возросла на порядки. Это привело к индустриализации, которая стала причиной радикального изменения социально-экономического уклада по всему миру — всё благодаря изобретению широко применимого способа превращения энергии в работу.

Для питания транспорта и прочих нужд вне основной энергосистемы удобным оказалось углеводородное топливо — в широком смысле, тоже накопитель энергии. Ведь его вырабатывают из источника первичной энергии, а также с ее затратами. Но экологические проблемы и конечность ископаемых ресурсов в скором времени поставит на них крест.

По тем же причинам изменяется и структура генерирующих мощностей — все большая часть первичной энергии берется из возобновляемых источников. А они отличаются зависимостью от прихотей природы, и при их использовании важность резервных (пиковых) электростанций только возрастает. Скорее даже накопителей энергии, потому что, пиковая генерация, в среднем, «грязнее» и менее эффективна, чем базовая.

Что такое накопители и какие они бывают

Для инженера или физика понятия аккумулятора и накопителя энергии тождественны — это любое устройство (инженерное сооружение), позволяющее запасать энергию в той или иной форме. Поскольку форм энергии великое множество, способы ее запасать тоже весьма разнообразны и классифицировать их непросто. Можно за основу взять наличие или отсутствие преобразований энергии в самом накопителе. Тогда мы могли бы условно разделить все аккумуляторы на два класса:

• с внешним преобразованием энергии — кинетические (маховики), тепловые, гравитационные (поднятый груз), гидравлические;
• и с внутренним — обратимые электрохимические батареи (электрические аккумуляторы).

Различие между ними в том, что первые способны напрямую выполнять механическую работу за счет запасенной энергии, а вторые выдают электричество или тепло, которые еще нужно преобразовать в полезное действие. Тем не менее такое разделение интересно исключительно в теоретических целях, а на практике определяющими являются конкретные параметры аккумуляторов. Вот самые среди них важные: плотность энергии, удельная энергия (гравиметрическая плотность энергии), скорость накопления и отдачи (заряда и разряда), удельная и максимальная выходная мощности, доступность компонентов (себестоимость), эффективность (КПД преобразований), долговечность и скорость саморазряда (потери энергии).

Для простоты рассмотрим основные классы накопителей энергии, сравнивая их только по соотношению времени ее хранения и доступной емкости.

Надежно, эффективно, оперативно и просто, но недолго

Уже знакомые нам по гончарному кругу маховики, если выполнены на современном технологическом уровне — невероятно эффективны (КПД до 95-97%). По сравнению с прочими решениями для накопления энергии, они отличаются простотой конструкции, долговечностью и надежностью. Из минусов стоит отметить их высокую опасность при разрушении. Вероятность такого события очень мала, но оно чревато катастрофой. Частично проблему решают супермаховики — их изготавливают не из монолитного материала, а намоткой металлических или композитных лент. При разрушении они расслаиваются и тормозят сами себя о стенки кожуха.

В середине XX века маховики пробовали использовать на транспорте, но успехом затея не увенчалась. Гироскопический момент от тела вращения затруднял управление такой машиной, а его большой вес и малый запас хода поставили крест на массовом использовании технологии. Некоторый потенциал у маховиков есть только на железнодорожном транспорте, где колебания и вибрации во время движения меньше, поэтому и потери в результате трения на подвесе и гироскопическом эффекте меньше.

Зато в качестве накопителей энергии для электросетей маховики показали себя отлично. Они позволяют запасать на периоды порядка часа десятки или сотни киловатт-часов электричества (есть проекты мегаваттного класса). Современные решения используют керамические или магнитные подшипники в подвесе, композитные материалы для тела вращения и разгоняют его до нескольких десятков тысяч оборотов внутри вакуумной камеры. Удельная энергоемкость коммерческих маховичных накопителей варьируется в пределах 10-20 ватт-часов на килограмм веса конструкции (хотя теоретический максимум на порядок выше). Это обусловлено необходимостью снабжать такое устройство массивным корпусом, который должен защитить окружающих на случай разрушения. Тем не менее для энергетической инфраструктуры этот недостаток не существенен и с лихвой компенсируется скоростью накопления полной емкости (минуты) и длительным сроком эксплуатации (десятилетия без обслуживания).

Строго электрическая альтернатива

У маховика есть аналог среди электронных компонентов — электрический конденсатор. С точки зрения строгой классификации только их можно назвать истинными накопителями энергии в форме электричества. Потому что в отличие от химических источников тока (о которых далее), в конденсаторах не происходит преобразования энергии из одного вида в другой. Она хранится в виде электрического поля за счет поляризации диэлектрика, разделяющего катод с анодом.

Конденсаторы незаменимы в современной технике, но в качестве долговременных накопителей их используют редко. Виной всему низкая удельная емкость и высокая стоимость в пересчете на киловатт-час запасаемой энергии. Если абстрагироваться от недостатков, достоинства конденсаторов впечатляют: крайне быстрые зарядка и разрядка (считанные секунды даже для большой емкости), высокая выходная мощность и предельная простота конструкции, а также большой ресурс. Некоторые перспективы есть у суперконденсаторов — от «обычных» они отличаются конструкцией, оптимизированной под емкость в ущерб максимальному напряжению (следовательно и выходной мощности).

Иногда суперконденсаторы объединяют в одном корпусе с электрохимической батареей, как это сделано в одной австралийской разработке. Теоретически она воплощает в себе все плюсы свинцово-кислотного аккумулятора и суперконденсатора, частично нивелируя их недостатки. Долговечность и пиковая отдаваемая мощность батареи возрастает, а также сохраняется высокая удельная емкость.

Бесконечное разнообразие ХИТов

Химические источники тока (ХИТ) — наиболее часто встречающийся в быту тип накопителей энергии. Они бывают одноразовыми (первичные) и перезаряжаемыми (вторичные). Разница между ними в том, что используемые для накопления энергии химические реакции могут быть либо легко обратимыми, либо нет. Принципиально любой ХИТ представляет собой одну или несколько (тогда это уже батарея) электрохимических ячеек: катод с анодом (электроды), пространство между которыми заполнено электролитом (источник носителей заряда — ионов). Электроды помещаются каждый в свою часть ячейки и разделяются мембраной, которая пропускает только ионы (простейший гальванический элемент мембраны не требует).

При разряде ячейки работают, как гальванические, то есть вещество катода присоединяет электроны от атомов электролита (окисляет), а вещество анода восстанавливается (отдает электроны). Когда идет зарядка, происходит электролиз и химическая реакция обращается. Свойства ХИТов напрямую зависят от выбора материалов электродов и электролита, чем и обусловлено невероятное их разнообразие.

Старейший тип широко используемых электрических аккумуляторов — свинцово-кислотные (АКБ). В них пары электродов – один из свинца, другой – из оксида свинца) погружены в раствор серной кислоты и разделены сепаратором. Если подключить такую ячейку к нагрузке, свинец начнет окисляться до сульфата свинца, а диоксид свинца — восстанавливаться до того же соединения. За полтора века в эту конструкцию вносилось множество усовершенствований, но принципиальных изменений не было. Главные достоинства АКБ — высокая выходная мощность и дешевизна, а недостатки — малая удельная емкость и токсичность.

Второй распространенный тип электрических аккумуляторов — с катодом на базе метагидроксида никеля (NiO(OH)) и щелочным электролитом. Для анода могут использоваться кадмий, железо или сложный сплав с высокой способностью к присоединению водорода (металл-гидрид). По энергетической плотности такие батареи значительно превосходят свинцово-кислотные, но и цена выше. Кроме того, с токсичностью все не лучше (кадмий — яд), а начиная с середины 2000-х по экологическим соображениям используются только металл-гидридные варианты (NiMH).

Наконец, главный хит последних десятилетий — литий, ставший основой широчайшего класса электрических аккумуляторов. Он используется в составе как анода, так и катода, а также электролита (в виде солей). Разнообразие применяемых соединений этого металла столь велико, что даже в общих чертах их описать довольно трудно — литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) разных типов, кроме лития в составе, имеют между собой мало общего. А их параметры отличаются в очень широких пределах. Наиболее эффективные варианты достигают энергетической плотности свыше 200 ватт-часов на килограмм массы (есть экспериментальные разработки в разы больше), что как минимум вдвое выше, чем у NiMH аккумуляторов.

Прочие параметры литиевых батарей либо сопоставимы, либо превышают таковые у других широко используемых типов электрических аккумуляторов. В результате Li-ion стал современным стандартом де-факто в портативной технике, транспорте и даже небольших энергосетях. Прорабатываются проекты накопителей емкостью вплоть до единиц мегаватт-часов, однако на текущем уровне экономический смысл имеют решения до нескольких десятков киловатт-часов емкости (автомобили, частные дома). Благодаря совокупности своих характеристик литиевые аккумуляторы завоевали высокую популярность в потребительской электронике. Это привело к массовому производству и совершенствованию технологий, следствием чего стало существенное удешевление таких батарей.

Созданы и ограниченно применяются в некоторых сферах еще несколько типов электрических аккумуляторов. Они отличаются какой-либо одной характеристикой в качестве преимущества, но проигрывают литиевым, никелевым или кислотным по остальным параметрам. Например, воздушно-цинковые батареи могут иметь рекордную удельную энергоемкость, но при этом недолговечны, сравнительно дороги и неэффективны (большие потери при заряде и разряде). Существует огромное множество экспериментальных или однажды опробованных и отброшенных комбинаций химических реакций. Какие-то из них имеют шансы на успех в будущем, какие-то бесперспективны из-за выявленных критических недостатков (токсичность компонентов, взрывоопасность или дороговизна).

Вместо подъема объектов вверх запасать энергию можно сжатием пружины или газа. Первый вариант давно опробован в часах и других заводных механизмах, а в промышленности последние десятилетия активно развивается второй. Подобные накопители энергии еще проще, чем ГАЭС или маховики. Главный недостаток таких накопителей заключается в необходимости отводить большое количество тепла, которое образуется при сжатии газов. В результате потери могут достигать 30%. Более того, расширяясь, газы остывают — и для максимальной эффективности необходимо добавлять в систему тепловой аккумулятор. На цикле сжатия газа в основном накопителе выработанное тепло отводится в расплав солей, а при отдаче энергии возвращается обратно, чтобы устранить переохлаждение рабочего тела.

Вместо баллонов могут использоваться естественные или искусственные пустоты в породах. Альтернативный вариант — подводные пневматические аккумуляторы. Их преимущество в постоянном давлении внутри гибкого баллона (перепады температуры минимальны), поскольку вытеснение рабочего тела происходит за счет массы воды, в толще которой он находится. Накопители на сжатом газе наиболее выгодны экономически при емкости от единиц мегаватт-часов до единиц гигаватт-часов.

Повторение за природой

Дальнейшее увеличение запасаемых объемов энергии свыше нескольких гигаватт-часов в одном накопителе наталкивается на практически непреодолимые технические трудности. Следовательно, необходимы иные решения — и они существовали задолго до появления человека на Земле. Речь о природных процессах, результатом которых стали залежи углеводородных полезных ископаемых: угля, нефти, природного газа. Электричество можно использовать для повторения этой механики. Например, проводя электролиз воды и запасая получившийся водород или связывая его с углеродом (на выходе получаем метан). То есть в роли накопителя энергии выступит синтезированный энергоноситель, который можно использовать как горючее, либо в топливных элементах.

Экономическая эффективность таких процессов зависит от используемых во всей цепочке производства, транспортировки и потребления энергоносителя технологий. Даже незначительные изменения КПД на каждом этапе вносят существенный вклад в общую привлекательность проекта. На текущем инженерном и научном уровне использование водорода вызывает большие вопросы. При прямом сравнении с электрическими аккумуляторами он проигрывает и по себестоимости киловатт-часа и по доле первичной энергии, доступной для выполнения полезной работы после всех преобразований. Кроме того, с хранением и транспортировкой водорода связан целый спектр проблем.

Существует альтернативный путь — производство синтетических углеводородов (в первую очередь — метана) или запасание водорода в форме аммиака. У каждого из них есть ограничения и минусы, включая низкую удельную эффективность. Главный плюс метана, как накопителя (опционально — в смеси с чистым водородом) — этот газ сразу можно использовать в существующих тепловых электростанциях или на ДВС-транспорте с минимальными доработками. А еще он легко хранится сколь угодно продолжительное время. Но при этом от первичной энергии в итоге на работу удастся потратить не более 30%, а энергосистема становится менее углеродно-положительной. Аммиак, в свою очередь, устраняет почти все трудности, связанные с хранением и транспортировкой чистого водорода, и к тому же запасает его с гораздо большей удельной плотностью. Но при этом и создает свои уникальные проблемы — он токсичен и вызывает коррозию.

И многие, многие другие

В силу ограничений по объему материала Naked Science был вынужден обойти вниманием целые классы накопителей, которые активно разрабатываются или уже применяются. Например, тепловые аккумуляторы — как следует из названия, они запасают энергию в форме тепла. Если рассматривать вопрос максимально широко, в роли аккумулятора может выступать любой химический или физический процесс, если он обратим. Именно поэтому существует так много разных технологий в этой области. Какие из них получат распространение, а какие канут в лету — покажет время, причем самое ближайшее.

Какие бывают 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.

Механические накопители кинетической энергии

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 дома также не обходятся 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.