La natura ha dato all'uomo una varietà di fonti di energia: il sole, il vento, i fiumi e altri. Lo svantaggio di questi generatori di energia gratuiti è la mancanza di stabilità. Pertanto, durante i periodi di eccesso di energia, viene immagazzinata in dispositivi di accumulo e spesa durante i periodi di temporanea recessione. I dispositivi di accumulo di energia sono caratterizzati dai seguenti parametri:
- quantità di energia immagazzinata;
- velocità del suo accumulo e ritorni;
- peso specifico;
- tempo di accumulo di energia;
- affidabilità;
- Costi di produzione e manutenzione e altro.
Ci sono molti modi per organizzare le unità. Una delle più convenienti è la classificazione in base al tipo di energia utilizzata nel dispositivo di accumulo e in base al metodo di accumulo e restituzione. I dispositivi di accumulo di energia sono suddivisi nei seguenti tipi principali:
- meccanico;
- termico;
- elettrico;
- chimico.
Accumulo di energia potenziale
L'essenza di questi dispositivi è semplice. Quando un carico viene sollevato, si accumula energia potenziale; quando viene abbassato, svolge un lavoro utile. Le caratteristiche del design dipendono dal tipo di carico. Può essere solido, liquido osostanza sciolta. Di norma, i progetti di dispositivi di questo tipo sono estremamente semplici, da qui l'elevata affidabilità e la lunga durata. Il tempo di immagazzinamento dell'energia immagazzinata dipende dalla durabilità dei materiali e può raggiungere i millenni. Sfortunatamente, tali dispositivi hanno una bassa densità di energia.
Stoccaggio meccanico dell'energia cinetica
In questi dispositivi, l'energia viene immagazzinata nel movimento di un corpo. Di solito si tratta di un movimento oscillatorio o traslatorio.
L'energia cinetica nei sistemi oscillatori è concentrata nel movimento alternativo del corpo. L'energia viene fornita e consumata in porzioni, a tempo con il movimento del corpo. Il meccanismo è piuttosto complesso e capriccioso nell'ambientazione. Ampiamente usato negli orologi meccanici. La quantità di energia immagazzinata è generalmente piccola ed è adatta solo per il funzionamento del dispositivo stesso.
Dispositivi di archiviazione alimentati da giroscopio
La riserva di energia cinetica è concentrata in un volano rotante. L'energia specifica di un volano supera significativamente l'energia di un carico statico simile. È possibile ricevere o emettere una potenza significativa in un breve periodo di tempo. Il tempo di accumulo dell'energia è breve e per la maggior parte dei progetti è limitato a poche ore. Le moderne tecnologie consentono di portare il tempo di accumulo di energia a diversi mesi. I volani sono molto sensibili agli urti. L'energia del dispositivo dipende direttamente dalla velocità della sua rotazione. Pertanto, nel processo di accumulo e ritorno di energia, si verifica una variazione della velocità di rotazione del volano. E per un carico similedi norma è richiesta una velocità di rotazione costante e bassa.
I dispositivi più promettenti sono i superflywheel. Sono realizzati in nastro d'acciaio, fibra sintetica o filo. Il design può essere denso o avere uno spazio vuoto. Se c'è spazio libero, le bobine del nastro si spostano verso la periferia della rotazione, il momento di inerzia del volano cambia, parte dell'energia viene immagazzinata nella molla deformata. In tali dispositivi, la velocità di rotazione è più stabile rispetto alle strutture solide e il loro consumo energetico è molto più elevato. Sono anche più sicuri.
I super volani moderni sono realizzati in fibra di Kevlar. Ruotano in una camera a vuoto su una sospensione magnetica. In grado di immagazzinare energia per diversi mesi.
Stoccaggio meccanico mediante forze elastiche
Questo tipo di dispositivo è in grado di immagazzinare un'enorme energia specifica. Tra gli azionamenti meccanici, ha la più alta intensità di energia per dispositivi con dimensioni di diversi centimetri. Volani di grandi dimensioni con velocità di rotazione molto elevate hanno un contenuto energetico molto più elevato, ma sono molto vulnerabili alle influenze esterne e hanno un tempo di accumulo di energia più breve.
Accumulo meccanico di energia primaverile
Capace di fornire la più alta potenza meccanica di qualsiasi classe di accumulo di energia. È limitato solo dalla resistenza alla trazione della molla. L'energia in una molla compressa può essere immagazzinata per diversi decenni. Tuttavia, a causa della costante deformazione, la fatica si accumula nel metallo e nella capacità della molladiminuisce. Allo stesso tempo, le molle in acciaio di alta qualità, in condizioni operative adeguate, possono funzionare per centinaia di anni senza apprezzabili perdite di capacità.
Le funzioni primaverili possono essere eseguite da qualsiasi elemento elastico. Gli elastici, ad esempio, sono decine di volte superiori ai prodotti in acciaio in termini di energia immagazzinata per unità di massa. Ma la durata della gomma a causa dell'invecchiamento chimico è di pochi anni.
Dispositivi di accumulo meccanici che utilizzano l'energia dei gas compressi
In questo tipo di dispositivo, l'energia viene immagazzinata comprimendo il gas. In presenza di un eccesso di energia, il gas viene pompato sotto pressione nella bombola tramite un compressore. Se necessario, il gas compresso viene utilizzato per far girare una turbina o un generatore elettrico. A basse portate si consiglia di utilizzare un motore a pistoni al posto della turbina. Il gas in un recipiente sotto pressione di centinaia di atmosfere ha un'elevata densità di energia specifica per diversi anni e con raccordi di alta qualità - per decenni.
Accumulo di energia termica
La maggior parte del territorio del nostro Paese si trova nelle regioni settentrionali, quindi una parte significativa dell'energia è costretta a essere spesa per il riscaldamento. A questo proposito, è necessario risolvere regolarmente il problema di trattenere il calore nel drive e di estrarlo da lì se necessario.
Nella maggior parte dei casi, non è possibile raggiungere un'elevata densità di energia termica immagazzinata e periodi significativi della sua conservazione. Dispositivi efficaci esistenti ina causa di alcune delle sue caratteristiche e del prezzo elevato non sono adatti per un'ampia applicazione.
Stoccaggio dovuto alla capacità termica
Questo è uno dei modi più antichi. Si basa sul principio dell'accumulo di energia termica quando una sostanza viene riscaldata e del trasferimento di calore quando viene raffreddata. La progettazione di tali unità è estremamente semplice. Può essere un pezzo di qualsiasi sostanza solida o un contenitore chiuso con un liquido di raffreddamento. Gli accumulatori di energia termica hanno una vita utile molto lunga, un numero quasi illimitato di cicli di accumulo e rilascio di energia. Ma il tempo di conservazione non supera diversi giorni.
Accumulo di energia elettrica
L'energia elettrica è la sua forma più conveniente nel mondo moderno. Ecco perché i dispositivi di accumulo elettrico sono ampiamente utilizzati e più sviluppati. Sfortunatamente, la capacità specifica dei dispositivi economici è piccola e i dispositivi con una capacità specifica elevata sono troppo costosi e di breve durata. I dispositivi di accumulo dell'energia elettrica sono condensatori, ionizzatori, batterie.
Condensatori
Questo è il tipo più massiccio di accumulo di energia. I condensatori sono in grado di funzionare a temperature da -50 a +150 gradi. Il numero di cicli di accumulo-ritorno di energia è di decine di miliardi al secondo. Collegando più condensatori in parallelo, è possibile ottenere facilmente la capacità richiesta. Inoltre, ci sono condensatori variabili. La modifica della capacità di tali condensatori può essere eseguita meccanicamente o elettricamente o in base alla temperatura. Molto spesso, si possono trovare condensatori variabilicircuiti oscillatori.
I condensatori sono divisi in due classi: polari e non polari. La vita utile dei polari (elettrolitici) è più breve di quelli non polari, dipendono maggiormente dalle condizioni esterne, ma allo stesso tempo hanno una capacità specifica maggiore.
Poiché i condensatori di accumulo di energia non sono dispositivi di grande successo. Hanno una bassa capacità e una densità specifica insignificante di energia immagazzinata e il suo tempo di conservazione è calcolato in secondi, minuti, raramente ore. I condensatori hanno trovato applicazione principalmente nell'elettronica e nell'ingegneria elettrica.
Il calcolo del condensatore, di regola, non crea difficoltà. Tutte le informazioni necessarie sui diversi tipi di condensatori sono presentate nei manuali tecnici.
Ionistori
Questi dispositivi occupano una posizione intermedia tra i condensatori polari e le batterie. A volte sono indicati come "supercondensatori". Di conseguenza, hanno un numero enorme di stadi di carica-scarica, la capacità è maggiore di quella dei condensatori, ma leggermente inferiore a quella delle piccole batterie. Il tempo di accumulo di energia è fino a diverse settimane. Gli ionisti sono molto sensibili alla temperatura.
Alimentazione batterie
Le batterie elettrochimiche vengono utilizzate se è necessario immagazzinare molta energia. I dispositivi al piombo sono più adatti a questo scopo. Sono stati inventati circa 150 anni fa. E da allora, non è stato introdotto nulla di fondamentalmente nuovo nel dispositivo a batteria. Sono comparsi molti modelli specializzati, la qualità dei componenti è aumentata in modo significativo,affidabilità della batteria. È interessante notare che il dispositivo di una batteria creata da diversi produttori differisce solo in piccoli dettagli per scopi diversi.
Le batterie elettrochimiche si dividono in trazione e avviamento. La trazione è utilizzata nel trasporto elettrico, nei gruppi di continuità, negli utensili elettrici. Tali batterie sono caratterizzate da una scarica lunga e uniforme e dalla sua grande profondità. Le batterie di avviamento possono fornire corrente elevata in un breve lasso di tempo, ma una scarica profonda non è accettabile per loro.
Le batterie elettrochimiche hanno un numero limitato di cicli di carica-scarica, in media da 250 a 2000. Anche se non utilizzate, si guastano dopo alcuni anni. Le batterie elettrochimiche sono sensibili alla temperatura, richiedono lunghi tempi di ricarica e richiedono una manutenzione rigorosa.
Il dispositivo deve essere ricaricato periodicamente. La batteria installata sul veicolo viene caricata in moto dal generatore. In inverno questo non basta, una batteria fredda non accetta bene una carica e il consumo di energia elettrica per avviare il motore aumenta. Pertanto, è necessario caricare ulteriormente la batteria in una stanza calda con un caricabatterie speciale. Uno degli svantaggi significativi dei dispositivi piombo-acido è il loro peso elevato.
Batterie per dispositivi a basso consumo
Se sono necessari dispositivi mobili con peso ridotto, scegliere i seguenti tipi di batterie: nichel-cadmio,ioni di litio, ibridi metallici, ioni polimerici. Hanno una capacità specifica maggiore, ma il prezzo è molto più alto. Sono utilizzati in telefoni cellulari, laptop, fotocamere, videocamere e altri piccoli dispositivi. Diversi tipi di batterie differiscono nei loro parametri: numero di cicli di carica, durata, capacità, dimensioni, ecc.
Le batterie agli ioni di litio ad alta potenza sono utilizzate nei veicoli elettrici e nei veicoli ibridi. Sono leggeri, ad alta capacità specifica e ad alta affidabilità. Allo stesso tempo, le batterie agli ioni di litio sono molto infiammabili. L'accensione può verificarsi a causa di un cortocircuito, deformazione meccanica o distruzione della custodia, violazioni delle modalità di carica o scarica della batteria. Spegnere un incendio è piuttosto difficile a causa dell'elevata attività del litio.
Le batterie sono la spina dorsale di molti elettrodomestici. Ad esempio, un dispositivo di accumulo di energia per un telefono è una batteria esterna compatta inserita in una custodia resistente e impermeabile. Ti permette di caricare o alimentare il tuo cellulare. I potenti dispositivi mobili di accumulo di energia sono in grado di caricare qualsiasi dispositivo digitale, anche laptop. In tali dispositivi, di norma, sono installate batterie agli ioni di litio ad alta capacità. Anche l'accumulo di energia per la casa non è completo senza batterie. Ma questi sono dispositivi molto più complessi. Oltre alla batteria, includono un caricabatterie, un sistema di controllo e un inverter. I dispositivi possono funzionare sia da rete fissa che da altre sorgenti. La potenza di uscita è in media di 5 kW.
Azionamentienergia chimica
Distinguere tra tipi di unità "a carburante" e "non a carburante". Richiedono tecnologie speciali e apparecchiature high-tech spesso ingombranti. I processi utilizzati consentono di ottenere energia in diverse forme. Le reazioni termochimiche possono avvenire sia a basse che ad alte temperature. I componenti per reazioni ad alta temperatura vengono introdotti solo quando è necessario ottenere energia. Prima di ciò, vengono archiviati separatamente, in luoghi diversi. I componenti per le reazioni a bassa temperatura sono generalmente nello stesso contenitore.
Stoccaggio di energia facendo funzionare il carburante
Questo metodo prevede due fasi completamente indipendenti: l'accumulo di energia ("ricarica") e il suo utilizzo ("scarica"). Il carburante tradizionale, di regola, ha una grande capacità energetica specifica, la possibilità di stoccaggio a lungo termine e la facilità d'uso. Ma la vita non si ferma. L'introduzione di nuove tecnologie comporta un aumento della domanda di carburante. Il compito viene risolto migliorando i combustibili esistenti e creando nuovi combustibili ad alta energia.
L'ampia introduzione di nuovi campioni è ostacolata dallo sviluppo insufficiente dei processi tecnologici, dall' alto rischio di incendi ed esplosioni sul lavoro, dalla necessità di personale altamente qualificato e dall' alto costo della tecnologia.
Accumulo di energia chimica senza combustibile
In questo tipo di accumulo, l'energia viene immagazzinata convertendo alcune sostanze chimiche in altre. Ad esempio, la calce spenta, una volta riscaldata, passa allo stato di calce viva. Quando si scarica, l'energia immagazzinataliberato sotto forma di calore e gas. Questo è esattamente ciò che accade quando la calce viene spenta con acqua. Affinché la reazione inizi, di solito è sufficiente combinare i componenti. In sostanza, questa è una specie di reazione termochimica, solo che procede a una temperatura di centinaia e migliaia di gradi. Pertanto, l'attrezzatura utilizzata è molto più complessa e costosa.
