De natuur gaf de mens een verscheidenheid aan energiebronnen: de zon, wind, rivieren en andere. Het nadeel van deze vrije energieopwekkers is het gebrek aan stabiliteit. Daarom wordt het tijdens perioden van overtollige energie opgeslagen in opslagapparaten en uitgegeven tijdens perioden van tijdelijke recessie. Energieopslagapparaten worden gekenmerkt door de volgende parameters:
- hoeveelheid opgeslagen energie;
- snelheid van zijn accumulatie en rendement;
- soortelijk gewicht;
- energieopslagtijd;
- betrouwbaarheid;
- productie- en onderhoudskosten en andere.
Er zijn veel manieren om ritten te organiseren. Een van de handigste is de classificatie volgens het type energie dat in het opslagapparaat wordt gebruikt, en volgens de methode van accumulatie en terugkeer. Energieopslagapparaten zijn onderverdeeld in de volgende hoofdtypen:
- mechanisch;
- thermisch;
- elektrisch;
- chemical.
Ophoping van potentiële energie
De essentie van deze apparaten is eenvoudig. Wanneer een last wordt opgetild, wordt potentiële energie geaccumuleerd; wanneer deze wordt neergelaten, verricht het nuttig werk. Ontwerpkenmerken zijn afhankelijk van het type lading. Het kan vast, vloeibaar oflosse stof. In de regel zijn de constructies van dergelijke apparaten uiterst eenvoudig, vandaar de hoge betrouwbaarheid en lange levensduur. De opslagtijd van de opgeslagen energie is afhankelijk van de duurzaamheid van de materialen en kan millennia bereiken. Helaas hebben dergelijke apparaten een lage energiedichtheid.
Mechanische opslag van kinetische energie
In deze apparaten wordt energie opgeslagen in de beweging van een lichaam. Meestal is dit een oscillerende of translatiebeweging.
Kinetische energie in oscillerende systemen is geconcentreerd in de heen en weer gaande beweging van het lichaam. Energie wordt in porties toegevoerd en geconsumeerd, in de tijd met de beweging van het lichaam. Het mechanisme is vrij complex en grillig van opzet. Veel gebruikt in mechanische horloges. De hoeveelheid opgeslagen energie is meestal klein en is alleen geschikt voor de werking van het apparaat zelf.
Gyroscoop aangedreven opslagapparaten
De opslag van kinetische energie is geconcentreerd in een roterend vliegwiel. De specifieke energie van een vliegwiel is aanzienlijk groter dan de energie van een vergelijkbare statische belasting. Het is mogelijk om in korte tijd aanzienlijk vermogen te ontvangen of af te geven. De energieopslagtijd is kort en voor de meeste ontwerpen beperkt tot enkele uren. Moderne technologieën maken het mogelijk om de opslagtijd van energie op enkele maanden te brengen. Vliegwielen zijn erg gevoelig voor schokken. De energie van het apparaat is direct afhankelijk van de snelheid van zijn rotatie. Daarom treedt tijdens het proces van accumulatie en terugkeer van energie een verandering in de rotatiesnelheid van het vliegwiel op. En voor een lading alsin de regel is een constant, laag toerental vereist.
Belovendere apparaten zijn supervliegwielen. Ze zijn gemaakt van staalband, synthetische vezels of draad. Het ontwerp kan dicht zijn of lege ruimte hebben. Als er vrije ruimte is, bewegen de spoelen van de band naar de omtrek van rotatie, verandert het traagheidsmoment van het vliegwiel, een deel van de energie wordt opgeslagen in de vervormde veer. In dergelijke apparaten is de rotatiesnelheid stabieler dan in solide constructies en is hun energieverbruik veel hoger. Ze zijn ook veiliger.
Moderne supervliegwielen zijn gemaakt van Kevlar-vezel. Ze draaien in een vacuümkamer op een magnetische ophanging. In staat om energie enkele maanden op te slaan.
Mechanische opslag met elastische krachten
Dit type apparaat kan een enorme specifieke energie opslaan. Van de mechanische aandrijvingen heeft deze de hoogste energie-intensiteit voor apparaten met afmetingen van enkele centimeters. Grote vliegwielen met zeer hoge rotatiesnelheden hebben een veel hogere energie-inhoud, maar zijn erg kwetsbaar voor invloeden van buitenaf en hebben een kortere energieopslagtijd.
Lente energie mechanische opslag
In staat om het hoogste mechanische vermogen van elke energieopslagklasse te leveren. Het wordt alleen beperkt door de treksterkte van de veer. De energie in een samengedrukte veer kan tientallen jaren worden opgeslagen. Door constante vervorming hoopt zich echter vermoeidheid op in het metaal en de veercapaciteitneemt af. Tegelijkertijd kunnen hoogwaardige stalen veren, onder de juiste bedrijfsomstandigheden, honderden jaren meegaan zonder merkbaar capaciteitsverlies.
Springfuncties kunnen worden uitgevoerd door alle elastische elementen. Elastiekjes zijn bijvoorbeeld tientallen keren superieur aan staalproducten in termen van opgeslagen energie per massa-eenheid. Maar de levensduur van rubber door chemische veroudering is slechts enkele jaren.
Mechanische opslagapparaten die de energie van samengeperste gassen gebruiken
In dit type apparaat wordt energie opgeslagen door het gas samen te persen. Bij een overschot aan energie wordt het gas met een compressor onder druk in de cilinder gepompt. Indien nodig wordt gecomprimeerd gas gebruikt om een turbine of elektrische generator te laten draaien. Bij lage vermogens is het aan te raden om een zuigermotor te gebruiken in plaats van een turbine. Gas in een vat onder een druk van honderden atmosfeer heeft een hoge specifieke energiedichtheid voor meerdere jaren, en met hoogwaardige fittingen - voor tientallen jaren.
Warmte-energieopslag
Het grootste deel van het grondgebied van ons land ligt in de noordelijke regio's, dus een aanzienlijk deel van de energie moet worden besteed aan verwarming. In dit opzicht is het noodzakelijk om het probleem van het vasthouden van warmte in de aandrijving regelmatig op te lossen en indien nodig van daaruit te onttrekken.
In de meeste gevallen is het niet mogelijk om een hoge dichtheid van opgeslagen thermische energie te bereiken en geen significante perioden van instandhouding ervan. Bestaande effectieve apparaten invanwege enkele van zijn functies en hoge prijs zijn niet geschikt voor brede toepassing.
Opslag vanwege warmtecapaciteit
Dit is een van de oudste manieren. Het is gebaseerd op het principe van accumulatie van thermische energie wanneer een stof wordt verwarmd en warmteoverdracht wanneer deze wordt afgekoeld. Het ontwerp van dergelijke schijven is uiterst eenvoudig. Het kan een stuk vaste stof zijn of een gesloten container met vloeibaar koelmiddel. Thermische energieaccumulatoren hebben een zeer lange levensduur, een bijna onbeperkt aantal cycli van accumulatie en afgifte van energie. Maar de opslagtijd is niet langer dan enkele dagen.
Opslag elektrische energie
Elektrische energie is de handigste vorm ervan in de moderne wereld. Daarom worden elektrische opslagapparaten veel gebruikt en het meest ontwikkeld. Helaas is de specifieke capaciteit van goedkope apparaten klein en zijn apparaten met een hoge specifieke capaciteit te duur en van korte duur. Opslagapparaten voor elektrische energie zijn condensatoren, ionistoren, batterijen.
condensatoren
Dit is het meest massieve type energieopslag. Condensatoren kunnen werken bij temperaturen van -50 tot +150 graden. Het aantal energieaccumulatie-retourcycli is tientallen miljarden per seconde. Door meerdere condensatoren parallel aan te sluiten, kunt u eenvoudig de benodigde capaciteit verkrijgen. Daarnaast zijn er variabele condensatoren. Het veranderen van de capaciteit van dergelijke condensatoren kan mechanisch of elektrisch of door temperatuur worden gedaan. Meestal zijn variabele condensatoren te vinden in:oscillerende circuits.
Condensatoren zijn verdeeld in twee klassen - polair en niet-polair. De levensduur van polair (elektrolytisch) is korter dan niet-polair, ze zijn meer afhankelijk van externe omstandigheden, maar hebben tegelijkertijd een grotere specifieke capaciteit.
Omdat condensatoren voor energieopslag geen erg succesvolle apparaten zijn. Ze hebben een lage capaciteit en een onbeduidende specifieke dichtheid van opgeslagen energie, en de opslagtijd wordt berekend in seconden, minuten, zelden uren. Condensatoren zijn voornamelijk toegepast in de elektronica en elektrische energietechniek.
De berekening van de condensator veroorzaakt in de regel geen problemen. Alle benodigde informatie over verschillende soorten condensatoren wordt gepresenteerd in technische handleidingen.
Ionistors
Deze apparaten nemen een tussenpositie in tussen polaire condensatoren en batterijen. Ze worden soms "supercondensatoren" genoemd. Dienovereenkomstig hebben ze een enorm aantal laad-ontlaadtrappen, de capaciteit is groter dan die van condensatoren, maar iets minder dan die van kleine batterijen. De energieopslagtijd is maximaal enkele weken. Ionistors zijn erg temperatuurgevoelig.
Power batterijen
Elektrochemische batterijen worden gebruikt als je veel energie moet opslaan. Loodzuurapparaten zijn hiervoor het meest geschikt. Ze werden ongeveer 150 jaar geleden uitgevonden. En sindsdien is er niets fundamenteel nieuws in het batterijapparaat geïntroduceerd. Er zijn veel gespecialiseerde modellen verschenen, de kwaliteit van componenten is aanzienlijk toegenomen,betrouwbaarheid van de batterij. Het is opmerkelijk dat het apparaat van een batterij die door verschillende fabrikanten is gemaakt, slechts in kleine details verschilt voor verschillende doeleinden.
Elektrochemische batterijen zijn onderverdeeld in tractie en starten. Tractie wordt gebruikt in elektrisch vervoer, noodstroomvoorzieningen, elektrisch gereedschap. Dergelijke batterijen worden gekenmerkt door een lange uniforme ontlading en hun grote diepte. Startaccu's kunnen in korte tijd een hoge stroomsterkte leveren, maar diepe ontlading is voor hen niet acceptabel.
Elektrochemische batterijen hebben een beperkt aantal laad-ontlaadcycli, gemiddeld van 250 tot 2000. Zelfs als ze niet worden gebruikt, gaan ze na een paar jaar kapot. Elektrochemische batterijen zijn temperatuurgevoelig, vereisen lange oplaadtijden en vereisen strikt onderhoud.
Het apparaat moet regelmatig worden opgeladen. De batterij die op het voertuig is geïnstalleerd, wordt in beweging opgeladen door de generator. In de winter is dit niet genoeg, een koude accu accepteert een lading niet goed en het elektriciteitsverbruik om de motor te starten neemt toe. Daarom is het noodzakelijk om de batterij extra op te laden in een warme kamer met een speciale oplader. Een van de belangrijke nadelen van loodzuurapparaten is hun hoge gewicht.
Batterijen voor apparaten met een laag stroomverbruik
Als mobiele apparaten met een laag gewicht nodig zijn, kies dan de volgende soorten batterijen: nikkel-cadmium,lithium-ion, metaal-hybride, polymeer-ion. Ze hebben een hogere specifieke capaciteit, maar de prijs is veel hoger. Ze worden gebruikt in mobiele telefoons, laptops, camera's, camcorders en andere kleine apparaten. Verschillende soorten batterijen verschillen in hun parameters: het aantal oplaadcycli, houdbaarheid, capaciteit, grootte, enz.
Lithium-ionbatterijen met hoog vermogen worden gebruikt in elektrische voertuigen en hybride voertuigen. Ze zijn licht van gewicht, hoge specifieke capaciteit en hoge betrouwbaarheid. Tegelijkertijd zijn lithium-ionbatterijen zeer ontvlambaar. Ontsteking kan optreden door kortsluiting, mechanische vervorming of vernietiging van de behuizing, schendingen van de laad- of ontlaadmodus van de batterij. Een brand blussen is vrij moeilijk vanwege de hoge activiteit van lithium.
Batterijen vormen de ruggengraat van veel apparaten. Een energieopslagapparaat voor een telefoon is bijvoorbeeld een compacte externe batterij die in een duurzame, waterdichte behuizing is geplaatst. Hiermee kunt u uw mobiele telefoon opladen of van stroom voorzien. Krachtige mobiele apparaten voor energieopslag kunnen alle digitale apparaten opladen, zelfs laptops. In dergelijke apparaten zijn in de regel lithium-ionbatterijen met hoge capaciteit geïnstalleerd. Energieopslag voor in huis is ook niet compleet zonder batterijen. Maar dit zijn veel complexere apparaten. Naast de batterij bevatten ze een oplader, een besturingssysteem en een omvormer. De apparaten kunnen zowel vanuit een vast netwerk als vanuit andere bronnen werken. Het uitgangsvermogen is gemiddeld 5 kW.
Driveschemische energie
Onderscheid maken tussen "brandstof" en "niet-brandstof" typen aandrijvingen. Ze vereisen speciale technologieën en vaak omvangrijke hightech-apparatuur. De gebruikte processen maken het mogelijk om energie in verschillende vormen te verkrijgen. Thermochemische reacties kunnen plaatsvinden bij zowel lage als hoge temperaturen. Componenten voor reacties op hoge temperatuur worden alleen geïntroduceerd wanneer het nodig is om energie te verkrijgen. Daarvoor worden ze apart opgeslagen, op verschillende plaatsen. Componenten voor reacties bij lage temperaturen bevinden zich meestal in dezelfde container.
Energieopslag door brandstof te laten lopen
Deze methode omvat twee volledig onafhankelijke fasen: de accumulatie van energie ("opladen") en het gebruik ("ontladen"). Traditionele brandstof heeft in de regel een grote specifieke energiecapaciteit, de mogelijkheid tot langdurige opslag en gebruiksgemak. Maar het leven staat niet stil. De introductie van nieuwe technologieën stelt hogere eisen aan brandstof. De taak wordt opgelost door bestaande te verbeteren en nieuwe, energierijke brandstoffen te creëren.
De brede introductie van nieuwe monsters wordt belemmerd door onvoldoende ontwikkeling van technologische processen, hoge brand- en explosiegevaren op het werk, de behoefte aan hooggekwalificeerd personeel en de hoge kosten van technologie.
Fuelless chemische energieopslag
In dit type opslag wordt energie opgeslagen door sommige chemicaliën om te zetten in andere. Gebluste kalk bijvoorbeeld, gaat bij verhitting in een toestand van ongebluste kalk. Bij het ontladen wordt de opgeslagen energievrijkomt als warmte en gas. Dit is precies wat er gebeurt als kalk wordt geblust met water. Om de reactie te laten beginnen, is het meestal voldoende om de componenten te combineren. In wezen is dit een soort thermochemische reactie, alleen verloopt deze bij een temperatuur van honderden en duizenden graden. Daarom is de gebruikte apparatuur veel complexer en duurder.
