Какие бывают накопители энергии. Какие существуют накопители энергии

Концепции рационального расхода энергии становятся все более актуальными на общем фоне технологического развития. Связано это с тем, что энергоэффективность как таковая перешла из разряда дополнительных и зачастую эксклюзивных свойств в ранг одной из ключевых потребительских характеристик продукта. Достаточно вспомнить простейшие аккумуляторы, которые используются в цифровой технике, электрооборудовании, оснащении силового инструмента и т. д. Существуют и более масштабные сферы применения аккумулирующих энергию систем, для которых особенно важна экономность энергопотребления. И этот запрос находит отклик у специализированных производителей, которые выпускают накопители энергии с улучшенными эксплуатационными качествами.

Общие сведения об энергетических накопителях

В природе немало постоянных и неисчерпаемых источников энергии, которая и применяется для обслуживания различных потребностей человечества. Но для конечного ее использования она должна пройти много этапов переработки и аккумуляции. Эту функцию выполняют энергостанции и подстанции. В список их непосредственных задач входит генерация энергии с приемлемыми для использования характеристиками, а также ее преобразование и распределение. Основная инфраструктура энергообеспечения жилых домов, объектов промышленности, инженерного оборудования и других ответственных потребителей реализуется через стационарные электросети. В них осуществляется постоянное снабжение, но сегодня стабильно растет спрос на автономное оборудование, устройства и электроприборы. Специально для таких потребителей используется емкостной накопитель энергии, который является независимым но условно - с определенными интервалами он должен и сам заряжаться от тех же стационарных сетей. Простейшим примером такого накопителя является телефонная батарея. К примеру, элемент Li-Ion может иметь емкость порядка 2000-3000 мАч. Ее будет достаточно на несколько часов или дней автономной работы обслуживаемого устройства в зависимости от его модели. Но после исчерпания этого объема аккумулятор должен подключаться к розетке на 220 В для восстановления.

Механические накопители

Данная категория накопителей имеет самую долгую историю существования. Для иллюстрации таких устройств можно привести в пример гравитационные системы. Сегодня уже почти не используются, но прежде были широко распространены подъемно-поворотные ворота с противовесами. В них используется энергия груза, которая аккумулируется и в нужный момент возвращается в той или иной форме - это зависит от конструкционного исполнения накопителя. Помимо обычных грузов, в качестве активного аккумулирующего элемента выступает и жидкость. К достоинствам таких систем можно отнести конструкционную гибкость. Инженеры могли использовать разветвленные сети трубопроводов, проходя через которые вода отдавала энергию сопряженным резервуарам. В наше время подобные накопители энергии представлены в виде гидроаккумулирующих станций. Правда, жидкостные накапливающие устройства характеризуются небольшим временем хранения, так как вода испаряется и требует регулярного обновления.

Кинетические накопители

Эту группу в основном представляют колебательные механизмы, в которых процесс аккумуляции реализуется через возвратно-поступательные, вращательные или линейные движения того же груза. Особенностью таких конструкций является то, что при необходимости возврат энергии будет осуществляться так же не беспрерывно, а порциями - тактами. Классическим примером кинетического накопителя являются механические часы. В данном случае «заряд» производится посредством завода механизма, после чего следует постепенная отдача энергии от пружинного маятника. Более современную интерпретацию кинетических механизмов представляет гироскопический аккумулятор. Накопитель энергии в этом случае базируется на вращающемся маховике с ударной функцией. Такие системы находят применение в гидравлической и пневматической технике.

Тепловые накопители

С технологической точки зрения это простейший пример аккумуляции энергии, с процессами которого человек встречается повсюду. Нагретый под прямыми лучами солнца металлический забор уже становится аккумулятором тепла, так как сохраняет его в своей структуре. Также и другие материалы могут выступать накопителями тепла. Эффективность их работы в этом качестве будет зависеть от удельной и объемной теплоемкости. К примеру, теплоемкость воды составляет 4,2 кДж, а у стали она небольшая - лишь 0,46 кДж. И все же когда речь идет о целенаправленной аккумуляции, то чаще используют металлические накопители тепловой энергии или масляные. Это решение оправдано стремлением к оптимизации конструкции. Современные конвекторы и радиаторы преимущественно изготавливаются из стали и алюминия. Опять же, некоторые модели наполняются более выгодными в показателях удержания тепловой энергии материалами.

Электрические накопители энергии

Самый массовый вид энергии - электричество. Поэтому данная категория развивается наиболее активно, предлагая все новые и более совершенные решения. На данный момент самым распространенным аккумулятором электроэнергии является радиотехнический конденсатор. Он характеризуется высокой скоростью отдачи и накопления энергии, не ограничивая рабочие процессы окружающими условиями. Например, большинство моделей могут использоваться в условиях повышенных или крайне низких температур. И опять же, в целях оптимизации электрические накопители энергии наполняются специальными электролитическими элементами с высокой удельной емкостью.

Химические накопители

В процессе работы таких накопителей происходит химическая реакция. Источником энергии в данном случае будет сама организация условий для этой реакции и обеспечение активности задействованных компонентов. Причем на выходе может образовываться энергия разных типов. Например, из воды может выделяться водород в ходе прямого электролиза. Чаще всего при таких способах накопления выделяется именно топливо. Оно может быть преобразовано внутри комплекса обеспечения химической реакции или же передаваться потребителю в первоначальном виде. Поэтому накопители энергии могут выступать и преобразователями, хотя подобное расширение функций технически усложняет систему.

Электрохимические накопители

Этот вид накопителей, как видно из названия, является комбинированным или гибридным. Поскольку химические реакции отличаются высокой степенью эффективности и дешевизной, их логично объединили с задачей выработки наиболее востребованного типа энергии - электричеством. Активным элементом в таких устройствах выступает электролит. В частности, накопитель энергии для телефона обычно изготавливается на основе литий-ионных или литий-полимерных элементов. Это же касается аккумуляторных блоков для электроинструмента. По характеристикам это вполне выгодные элементы питания, отличающиеся достойной производительностью, высокой емкостью и небольшими размерами. Но электрохимические батареи имеют ограниченное число циклов заряда-разряда, в чем и заключается их главный минус.

Современные решения

Передовые компании, занимающиеся разработкой высоких технологий, продвигают и направление емкостных аккумуляторов. Так, например, инженеры Tesla создали блок Powerwall 2 массой 122 кг, основанный на тех же литий-ионных батареях. Данная установка является модульной и способна хранить порядка 13,5 кВт*ч. Аналогичные разработки предлагает LG. Например, система Chem RESU вмещает порядка 10 кВт*ч, но в остальных эксплуатационных качествах не уступает блоку Tesla. Данный аккумулятор является универсальным накопителем энергии, который можно использовать как в быту, так и в промышленности на производствах. Главное, чтобы мощности соответствовали требованиям к потребляющим системам.

Заключение

В сегменте энергетических накопителей также выделяются разные направления технологического развития. Объединяются они лишь одним - соответствием требованиям конечных потребителей. К примеру, накопители электрической энергии для малогабаритной аппаратуры и оборудования должны отвечать требованиям надежности и безотказности. Широкий рынок цифровой техники скорее ориентирован на компактные размеры накопителей и повышение их емкости. Очевидно, что совместить в одном устройстве все перечисленные качества непросто, поэтому разработчики все же стремятся изначально ориентировать свою продукцию на конкретные области применения.

Накопитель энергии – устройство, с которым большинство из людей постоянно сталкивается в быту. Всем знаком аккумулятор мобильного телефона, автомобиля, пальчиковые батарейки, которые не предусматривают повторной зарядки. Однако понятие энергетического накопления гораздо шире представлений среднестатистического индивидуума. Есть множество теорий, футуристических проектов и изысканий. Но интересно посмотреть, что реально может накапливать энергию и уже используется в самых разных областях деятельности человека.

Потенциальная энергия

Самый неочевидный накопитель собирает показатель потенциала, поднятого на высоту тела. Это устройство знакомо многим. Часы-ходики с массивными грузиками используют именно физический потенциал. Пока одна из гирь опускается, механизм работает. Для накопления запаса энергии требуется завести часы – переместить грузы определенным способом. Другие аккумуляторы потенциала работают не таким очевидным способом.

Гидроэлектростанции

Гидроэлектростанция – самый большой энергетический накопитель потенциального типа. Работает это следующим образом:

• главная часть гидроэлектрической станции – огромная плотина. Она замыкает большую территорию, создавая водохранилище, которое наполняется рекой или другим источником воды;
• в основании железобетонной стены станции находится основное инженерное решение для производства электричества. Падающая с большой высоты вода преобразует свою потенциальную энергию в кинетическую;
• при воздействии потока воды на лопатки турбины кинетика преобразуется в электричество.

Гидроэлектростанции классического типа, а точнее, их водохранилища – накопители энергии потенциального типа. Этот источник относится к возобновляемому. Поток воды постоянно пополняет искусственное озеро, при этом предусмотрены методики отвода жидкости в период, когда объем водохранилища на максимуме, а потребности в производстве электричества нет.

Энергетические накопители потенциального типа несколько другого принципа действия используются в аккумулирующих резервуарах гидроэлектростанций. Такой тип инженерных решений относится к вспомогательному и применяется в совокупности с другим источником. Часто – в солнечных электростанциях, построенных в местностях с мягким климатом. Работает все следующим образом:

• в период максимальной солнечной активности электроэнергия, которую производит солнечная станция, не нужна, потребности городов и энергосети, в общем, малы;
• электричество направляется на работу насосов, которые закачивают воду в огромный искусственный резервуар;
• в темное время суток, если нужно направить дополнительный поток электрической мощности в общую систему, включается механика гидроэлектростанции. Потенциал накопленной воды используется для работы турбин.

Станции, которые используют накопители энергии воды, становятся все более популярными. К достоинствам такого решения относится способность не только полностью использовать мощности основного производителя, но и гарантировать круглосуточный режим отдачи электричества в общую сеть.

Существуют и решения, оперирующие твердым грузом. К ним относятся системы, построенные на простой идее:

• во время работы солнечных батарей или ветрогенераторов излишек их мощности направляется на двигатели, которые перемещают вагоны по рельсовому пути вверх, по наклонной поверхности;
• в то время, когда солнца или ветра нет, тележки двигаются вниз, на их осях расположены генераторы, производящие электричество.

Достоинств у механического решения предостаточно. Здесь малые требования к мощности двигателей, используемых для подъема груза. Для перекачки воды нужно несравненно большие величины как токов, так и давления.

Накопители потенциальной энергии имеют одно неоспоримое достоинство: запасенное можно хранить практически без потерь крайне долго. Потери воды в огромном резервуаре из-за испарения почти незаметны, а если идет речь о поднятии груза, его легко зафиксировать механически в верхней точке.

Недостаток сбора потенциальной энергии также очевиден. Чтобы получить промышленные объемы использования или долговременную работу устройства в быту, нужно или оперировать огромными массами, так сказать, энергоносителя, или гарантировать низкое потребление преобразованной энергии.

Накопители тепловой энергии

Тепловые накопители – распространенные устройства. Самый знакомый рядовому потребителю – электрический нагревательный котел. Он накапливает тепло, которое затем используется для бытовых нужд, отопления.

Менее понятный класс – тепловые накопители энергии, выполняющие роль стабилизаторов. К ним относятся:

• водонагреватели, построенные на вторичной схеме передачи тепла;
• расширительные емкости солнечных коллекторов, которые не допускают перегрева теплоносителя и стабилизируют режим работы батареи;
• теплоаккумулятор может строиться на принципе фазового перехода. Расплав нагревается до высокой температуры, при этом теплоноситель переходит из твердого состояния в жидкое.

Проблем у накопителей тепловой энергии достаточно много. К примеру:

• энергию нужно использовать быстро. С течением времени содержимое накопителя просто теряет энергию, отдавая ее в окружающую среду;
• построенные на фазовом переходе накопители сложны в эксплуатации. Здесь наблюдается изменение объема: если жидкость переводят в пар, приходится бороться с огромным давлением.

Современные системы тепловой защиты позволяют долго сохранять характеристики накопителя тепловой энергии. Но здесь играет роль баланса стоимости защиты и целевого использования энергии. Поэтому накопители тепла идеальны в роли компенсаторов. В это же время их эффективность в качестве мощного источника энергии со стабильными показателями отдачи весьма спорна.

Аккумуляторы энергии сжатого газа

Пневматический инструмент, газопоршневые генераторы, небольшие кары – вот краткий список устройств, которые используют энергию сжатого газа. Устройство накопителя энергии знакомо практически всем. Это надежная, прочная колба из стали, в которую под огромным давлением закачивается газ.

Уровень выхода энергии накопителя сжатого газа нестабилен. Он велик, пока давление внутри баллона близко к максимуму. И снижается по мере расходования газа. Для стабилизации выхода используются редукторы. Они обеспечивают постоянное давление на выходе, что не только создает оптимальные условия работы потребителя, но и продлевает срок эффективного расходования запаса газа.

Накопители энергии сжатого газа применяются и в роли компенсаторов. Стабилизация работы компрессора производится при помощи расширительной емкости. В нее закачивается газ основным двигателем, поддерживается конкретное давление. При использовании энергии пневмоинструментом, компрессор может включаться периодически, поддерживая стабильное состояние системы. Основная мощность поступает именно из накопителя, расширительного баллона, совмещенного с редуктором.

Главное достоинство аккумулятора сжатого газа – простота манипулирования. Соблюдается некий термический баланс, когда в режиме компенсатора выделенное тепло при сжатии газа соответствует количеству энергии при расширении рабочего тела. К другому плюсу относится надежность инженерного решения. Прочность баллона такова, что он может заправляться неоднократно, служить на протяжении десятков лет. Третий плюс – при наличии надежной перекрывающей арматуры или запайки емкости, газ может сохранять свои параметры и энергетику очень долго.

Накопители электрической энергии

Аккумуляцию электроэнергии можно проводить разными способами. Сегодня к самым распространенным и широко используемым средствам относятся конденсатор, ионистор, химические преобразователи, накопители заряда активных частиц.

Конденсатор

Данный класс аккумулятора электрической энергии – знакомое всем устройство, конструкцию, так называемой, лейденской банки проходят еще в школьном курсе физики. Заряд накапливается на двух пластинах. Современные конденсаторы имеют прокладку, изготовленную из полимера с высокими показателями пробоя. Это позволяет:

• накапливать большое количество энергии;
• работать большими значениями напряжения;
• гарантировать безопасность использования;
• обеспечить малые размеры накопителя.

Соединенные параллельно элементы позволяют построить батарею с нужным показателем емкости. Данный тип накопителя не может сохранять энергию долго без потерь. К тому же, собирается ее довольно мало. Но при малом потреблении конденсатор может быть достаточно эффективен. Сегодня именно такие накопители используют в аварийных светодиодных лампах.

Во время питания конденсатор заряжается, при отсутствии энергоснабжения светильник работает в течение получаса, чтобы люди могли принять меры к устранению причин перебоя, лечь спать или перевести оборудование в режим консервации.

Ионистор

Ионисторы, или, как их еще называют, суперконденсаторы, используют несколько другую схему накопления энергии. Здесь заряд распределяется в объеме рабочего тела в виде заряженных частиц. В результате достигаются огромный (по сравнению с конденсаторами) срок хранения энергии и емкость, но наблюдается крайняя чувствительность к температуре. Чем ниже температура рабочей среды, тем меньше отдача тока от накопителя энергии.

Аккумуляторы химического преобразования

Электрохимическая ячейка – основа большинства автомобильных, мотоциклетных и других привычных типов аккумуляторов. Схема работы накопителя проста:

• в результате взаимодействия пластины металла и кислоты образуются заряженные ионы;
• в ходе работы соли осаждаются на пластине из катализатора;
• по мере понижения насыщенности электролита аккумулятор истощается – уровень выдачи энергии снижается.

При зарядке происходит обратный процесс. Электролиз восстанавливает показатели электролита, переносит металл на пластину-донор. Достоинств у электрохимического аккумулятора множество. Можно получить стабильный и высокий выходной ток, что ценно для пуска мощного оборудования. Легко создать устройство с высокой емкостью, полезное для долгой работы различного оборудования.

К недостаткам электрохимической ячейки классического типа относится конечное число циклов заряда-разряда. Некоторое количество солей металла становятся инертными, пластины приходят в негодность, истощается электролит. Данные недостатки в большой степени нейтрализованы в гелевых батареях. Этот современный источник энергии содержит коллоидный электролит. В нем лучше проходят процессы образования ионов. Но есть и недостаток – повышается чувствительность к температуре. При ее понижении гель твердеет, показатель отдачи тока падает.

В качестве заключения

Накопители разного типа энергии можно рассматривать очень долго. Это механические – различные пружины. Кинетические – маховики большой массы, используемые, например, в троллейбусах. Аккумуляторы с разным типом носителя ионов – литиевые, никель-марганцевые, кадмиевые. Но использование любого типа накопителя, прежде всего, обуславливается балансом между его характеристиками и показателями потребления энергии.

Накопители электрической энергии большой емкости

Накопители электрической энергии являются важнейшим элементом будущих активно-адаптивных сетей. Накопители энергии выполняют ряд функций:

• выравнивание графиков нагрузки в сети (накопление электрической энергии в периоды наличия избыточной (дешевой) энергии и выдачу в сеть в периоды дефицита);
• обеспечение в сочетании с устройствами FACTS повышения пределов устойчивости;
• обеспечение бесперебойного питания особо важных объектов, собственных нужд электростанций и подстанций;
• демпфирование колебаний мощности, стабилизация работы малоинерционных децентрализованных источников электрической энергии.

Состав услуг АО «НТЦ ФСК ЕЭС» по внедрению накопителей электрической энергии большой емкости:

• технико-экономическое обоснование
• рекомендации по выбору мест установки
• проектирование гибридных накопителей
• рекомендации по структуре накопителей
• реализация систем управления накопителями

Справочная информация

Накопители энергии делятся на электростатические, к которым относятся аккумуляторные батареи большой энергоёмкости (АББЭ), накопители энергии на основе молекулярных конденсаторов, накопители энергии на основе низкотемпературных сверхпроводников.

Электростатические аккумуляторные батареи большой энергоёмкости (АББЭ)
Все типы электростатических накопителей связываются с сетью через устройства силовой электроники - преобразователи тока или напряжения.

В настоящее время рядом зарубежных компаний выпускается и осуществляется довольно масштабное практическое применение АББЭ.

Опыт применения АББЭ:

Тип электролита	Объект	Мощность, МВт	Время работы, мин	Год установки
Серно-кислотный	BEWAG, электроснабжение Зап. Берлина
	Резервирование и поддержание частоты маломощной сети Пуэрто-Рико
	Чинно (Калифорния), различные объекты для исследования возможностей регулирования нагрузки, частоты, напряжения и реактивной мощности
Никель-кадмиевый	GVEA, обеспечение бесперебойного электроснабжения прибрежных районов Аляски вблизи г. Анкоридж
Серно-натриевый	Ветряная станция Rokkacho, Япония. Всего внедрено – 100 объектов.			2008 (самый крупный)
Цинк-бромный	ПС Detroit Edison Site, Мичиган. Для поддержания напряжения собственных нужд
Ванадиум-редоксный	Один из крупных высокотехнологичных заводов в Японии. Выравнивание графика нагрузок

Накопители энергии на основе молекулярных конденсаторов
Молекулярные накопители проходят стадию создания и испытания опытных образцов. Сверпроводниковый Индуктивный Накопитель Энергии (СПИНЭ) - это одно из применений сверхпроводимости. Практическое применение в настоящее время нашли передвижные СПИНЭ сравнительно небольшой энергоемкости (до 106 Дж.), широкое применение СПИНЭ возможно после разработки и создания СПИНЭ на базе высокотемпературных сверхпроводников. СПИНЭ могут находить применение в электроэнергетике как одно из эффективных средств повышения режимной надежности и устойчивости электроэнергетических систем. При этом выделяются такие свойства индуктивных накопителей, как быстродействие, высокий КПД, возможность полной автоматизации ввода и вывода энергии, большая удельная энергоемкость, регулирование активной и реактивной мощности. Ожидается, что к 2016-2020 гг. будут созданы недорогие системы хранения энергии достаточной энергоемкости.

Электромагнитные накопители электроэнергии

К электромагнитным накопителям электроэнергии относятся два вида комплексов:

• синхронные машины с преобразователями частоты в первичной цепи с маховиками на валу;
• асинхронизированные машины с маховиками на валу.

В настоящее время нет практических ограничений по созданию агрегатов первого типа мощности до 300 – 400 МВт и второго типа мощности 800 – 1600 МВт. Первый тип агрегатов имеет больший диапазон изменения скорости и большую способность использования кинетической энергии вращающихся машин, второй тип способен работать в диапазоне регулирования частоты вращения 50% от синхронной, имеет меньшую мощность преобразовательного устройства, чем в первом случае (в первом случае мощность преобразователя равна мощности машин, во втором – пропорциональна глубине регулирования), обладает меньшей стоимостью и может быть выполнен на большую мощность. В России был разработан эскизный проект маховикового накопителя на основе асинхронизированной машины вертикального исполнения мощностью 200 МВт.

Возможно выполнение накопителя энергии на основе супермаховиков. Cупермаховик изготавливается из сверхпрочного углеродного волокна, получаемого на основе нанотехнологий, и имеет удельную энергоемкость 5–15 МДж/кг или 1,4–4,17кВт.час/кг, что недостижимо для всех известных накопителей энергии (электрохимические аккумуляторы, конденсаторы, пружины). Это объясняется тем, что супермаховик можно разогнать до огромных скоростей.

Механическим накопителем (МН), или аккумулятором ме­ханической энергии, называется устройство для запасания и хранения кинетической или потенциальной энергии с по­следующей отдачей ее для совершения полезной работы.

Как и для любого вида накопителей энергии (НЭ), харак­терными режимами работы МН являются заряд (накопление) и разряд (отдача энергии). Хранение энергии служит проме­жуточным режимом МН. В зарядном режиме к МН подводится механическая энергия от внешнего источника, причем конк­ретная техническая реализация источника энергии определяется типом МН. При разряде МН основная часть запасенной им энергии передается потребителю. Некоторая часть накопленной энергии расходуется на компенсацию потерь, имеющих место в разрядном режиме, а в большинстве видов МН - и в режимах хранения.

Поскольку в ряде накопительных установок время заряД3 может намного превосходить время разряда (г3»гр), ^ возможно существенное превышение среднеразрядяой мой" ности Р Р над средней мощностью Р3 заряда МН. Таким образом, в МН накапливать энергию допустимо с помощью сравнительно маломощных источников.

Основные разновидности МН подразделяются на статичес­кие, динамические и комбинированные устройства.

Статические МН запасают потенциальную энергию посред­ством упругого изменения формы или объема рабочего тела либо при его перемещении против направления силы тяжести в гравитационном поле. Твердое, жидкостное или газообразное рабочее тело этих МН имеет статическое состояние в режиме хранения энергии, а заряд и разряд НЭ сопровождаются движением рабочего тела.

Динамические МН аккумулируют кинетическую энергию преимущественно во вращающихся массах твердых тел. Усло­вно - к динамическим МН можно отнести также накопительные- устройства ускорителей заряженных элементарных частиц, в которых запасается кинетическая энергия электронов или протонов, циклически движущихся по замкнутым траекториям.

Комбинированные МН запасают одновременно кинетическую и потенциальную энергию. Примером комбинированного МН может служить супермаховик из высокопрочного волокнистого материала, имеющего относительно малый модуль упругости. При вращении данного МН в нем наряду с кинетической энергией запасается потенциальная энергия упругой дефор­мации. При извлечении накопленной энергии из такого МН достигается использование обоих ее видов.

По уровню удельной накопленной энергии, приходящейся на единицу массы или объема аккумулирующего элемента, динамические инерционные МН существенно превосходят не­которые другие разновидности НЭ (например, индуктивные и емкостные накопители). Поэтому МН представляют большой практический интерес для многообразных применений в раз­личных отраслях техники и научных исследований.

Отдельные виды МН нашли к настоящему времени круп­номасштабное применение в электроэнергетике, например гид - Роаккумулирующие установки электрических станций. Зарядно - Разрядный цикл их работы достигает десятков часов.

Для инерционных МН характерны кратковременные раз- Рядные режимы. Отбор энергии от МН сопровождается Уменьшением угловой скорости маховика до допустимого Уровня. В отдельных случаях торможение может происходить вплоть до полной остановки маховика. Возможны «ударные» Разряды, отличающиеся одноразовым или циклическим от­бором запасенной энергии, причем вследствие большого ки­нетического момента и малого времени разряда МН снижение Угловой скорости его ротора относительно невелико, хотя 0тДаваемая мощность может достигать достаточно высоких значений. В таком режиме МН особые требования предъяв­ляются к обеспечению прочности вала. Под воздействием крутящего момента в вале возникают опасные касательные напряжения, ча. сть кинетической энергии ротора переходит в потенциальную энергию упругих деформаций кручения вала. Для преодоления указанных затруднений в отдельных конст­рукциях МН предусматриваются упругие или фрикционные муфты .

Статические МН сохраняют запасенную энергию, находясь в неподвижном состоянии. Носителями потенциальной энергии в них служат упруго деформированные твердые тела или сжатые газы, находящиеся под избыточным давлением, а также массы, поднятые на высоту относительно земной поверхности. Типичными примерами статических МН являются: растянутые или сжатые пружины, резины; газобаллонные аккумуляторы и пневмоаккумуляторы; ударные устройства различных копров, например для забивания свай, использующие энергию масс в поднятом состоянии; водохранилища гидроаккумулирующих электростанций, баки водонапорных установок. Приведем ос­новные энергетические соотношения и характерные параметры некоторых типовых устройств.

Рассмотрим МН с упругими элементами.

Полагаем твердотельную систему линейной, тогда упругий накопительный элемент имеет постоянную жесткость (или упругость) N = Const. Действующая на него сила F =Nx пропор­циональна линейной деформации х. Совершенная при заряде МН элементарная работа dW =Fdx . Полная запасенная энергия

W = J Fdx= J Nxdx = NAh2/2-FaAh/2, Oo

Где Ah - результирующая деформация, ограниченная, например, Допустимым напряжением ар материала; Fn = NAh -приложен­ная сила.

Оценим удельную энергию Wya = Wj М, приходящуюся на единицу массы M = yV =ySh пружины или стержня объемом V и сечением S , материал которых имеет плотность у и работа­ет на разрыв в пределах закона Гука a = xfE , причем X *=xfh - относительная деформация, Е -модуль упругости (Юнга), G^Gp. Введя da = Edx „ можем записать DW =Fhdx *=Fhdo /Е и dWya = dW /ySh = Fda /ySE , откуда при C = F /S находим

Wya=](aljE)da = a2J(2jE). О

Для стальных пружин примем с„ = 8 108 Н/м " Е= 2 ,1-1011 Н/м2, у = 7800 кг/м3, тогда Wya ^200 Дж /кг. Ана­ Логичный расчет для технической резины дает ^уд^350 Дж/кг, однако из-за гистерезисного характера зависимости F = F (X ) В цикле «заряд-разряд» возникающие потери и нагрев приводят К постепенному старению (разрушению) резины, нестабильности й ухудшению ее упругих свойств.

Газоаккумулирующая система находится в механически не­равновесном состоянии по отношению к окружающей среде: при равенстве температур системы и окружающей среды (Т=Т0С) давление системы р>р0,с, поэтому система может совершать работу. Запас упругой энергии сжатого в баллоне объемом V газа составляет

W =P{ vdp=v{p2-pi).. (4.1)

На единицу массы М любого сжатого газа согласно (4.1) приходится удельная энергия

Wya=W/M=V(p2-Pl)IM=Aply. (4.2)

На основании (4.2) при К=1м3 значение W - WysM чис­ленно равно перепаду давления Ар=р1-р1. Например, если А/? = 250 105 Па (начальное давление р! = Ю5Па), то ИЛ=25-106 Дж независимо от химического состава газа. Мак­симальное значение Wya при расширении сжатого газа до нулевого давления при данной температуре согласно уравнению Менделеева - Клапейрона PV - MvRyT составляет

Wya =WlM=RyTI», (4.3)

Где ц = М/Мц - молярная масса (кг/кмоль); Ry& ~8,314 кДж/(кмоль К) - универсальная газовая постоянная при Тх273 К; /?«105Па; Мм - количество киломолей в газе массой М.

Из (4.3) видно, что наиболее эффективно применение в МН легких газов. Для самого легкого газа - водорода (ц = 2 кг/кмоль) при Г=300 К удельная энергия ~1250 кДж/кг (или 1250 Дж/г). В (4.3) давление в явном виде не входит, так как Wya определяется по (4.2) отношением избыточного давления газа к его плотности. Последняя при повышении давления и Г= const возрастает по линейному закону (в изотермическом процессе PV = Const). Следует заме­тить, что целесообразные для эффективного применения рас­сматриваемых МН высокие давления обусловливают по сооб­ражениям прочности существенную массу газовых баллонов, с учетом которой значение Wya установки в целом может снижаться почти на порядок по сравнению с fVya из (4.2), (4.3). Оценку прочности баллонов можно провести, пользуясь Расчетными соотношениями § 4.5.7.

Рассмотрим гравитационные накопители энергии.

Гравистатическая энергия притяжения Земли (на уровне оря) оценивается достаточно высоким показателем "уд = 61,6 МДж/кг, который характеризует работу, необходи­мую для равномерного перемещения тела массой Мх = Кг с земной поверхности в космическое пространство (для срав­нения укажем, что это значение PVya приблизительно в раза больше химической энергии 1 кг керосина). При подъеме груза массой М на высоту h = x 2 - xl запасенная потенциальная энергия

W =jgMdx=gMh, (4.4)

Где M = const, g=9,8l м/с2. Согласно (4.4) удельная энергия Wya =Wj M =gh зависит только от высоты h . Запасенная энергия высвобождается при падении груза и совершении соответствующей полезной работы в результате перехода потенциальной энергии в кинетическую. Наибольшую удельную кинетическую энергию в природе при падении могут развивать метеориты, для которых Wya^60 МДж/кг (без учета затрат энергии на трение в атмосфере).

Непосредственное использование гравистатических сил, со - здабаемых природными массами, практически невозможно. Однако, перекачивая воду в поднятые искусственные водо­хранилища или из подземных водохранилищ на поверхность, можно накопить достаточно большое количество потенциаль­ной энергии для крупномасштабных применений в электроэнер­гетических системах. Если разность уровней h = 200 м, то в расчете на массу воды М=103кг запасенная энергия по (4.4) равна И>"=1962 кДж, удельная энергия Wya = WjM = 1,962 кДж/кг.

Рассмотрим инерционные кинетические МН.

Кинетическую энергию в принципе можно запасать при любом движении массы. Для равномерного поступательного движения тела массой М со скоростью v кинетическая энергия W =Mv 2 / 2. Удельная энергия Wya =W / M = v 2 j 2 зависит (квад­ратично) только от линейной скорости тела. Тело, движущееся с первой космической скоростью км/с, имеет удельную

Энергию Wyax32 МДж/кг.

Для разнообразных энергетических и транспортных примене­ний рациональны МН вращательного движения - инерционные МН (маховики). Запасенная кинетическая энергия W=J& / ~ определяется квадратом угловой скорости Q = 2nn (П - частота вращения) и моментом инерции J маховика относительно оси вращения. Если дисковый маховик имеет радиус г и массу М = yV (V -объем, у - плотность материала), т°

J^Mr2/2 = yVr2j2 и W=n2Mr2n2 = n2yVr2n2. Соответствующая удельная энергия (на единицу М или V) составляет FV /M =n *r 2n 2 , Дж/кг и lV 0ya =W /V =n 2yr 2n 2 , Дж/м3. Значения Q и п при заданном размере г ограничиваются линейной окружной скоростью v = Q .r = 2mr , связанной с до­пустимым разрывающим напряжением материала ар. Известно, что напряжение а в дисковом или цилиндрическом роторе МН зависит от v2. В зависимости от геометрической формы металлических маховиков для них характерны допустимые предельные скорости на периферии приблизительно от 200 до 500 м/с.

Накопленная энергия, в частности для тонкого ободкового маховика, W =Mv /2 (М -масса вращающегося кольца). Удельная энергия Wya =W /M = v 2 /2 не зависит от размеров кольца и определяется соотношением параметров Ор/у его материала (см. § 4.5.1, где показано, что v 2 = opj У). Следует отметить, что аналогичная закономерность для Wya~avjу имеет место также в индуктивных накопителях энергии (см. гл. 2), хотя они существенно отличаются от МН по физической природе. В общем случае при изготовлении накопительных элементов МН необходимо применять материалы с повышен­ными значениями Gp/y> 105 Дж/кг. Наиболее подходящими материалами являются высокопрочные легированные стали, титановые сплавы, а также легкие алюминиевые сплавы (типа «дюраль») и магниевые сплавы (типа «электрон»). Применяя металлические материалы, можно получить удельную энергию МН до Wm = 200-300 к Дж/кг .

Предназначенные длй создания маховиков с особо боль­шими удельными энергиями (супермаховиков) тонковолокнис­тые материалы теоретически могут обеспечить следующие уровни показателя Wya: стеклянные нити-650 кДж/кг, квар­цевые нити - 5000 кДж/кг, углеродные волокна (со структурой алмаза)-15000 кДж/кг . Нити (или выполненные из них ленты) и клеющие смолы образуют композитную конструкцию, прочность которой ниже, чем у исходных волокон. С учетом элементов крепления в реальных супер - маховиках практически достигаются значения Жуд меньше Указанных, но все же относительно более высокие, чем в других Разновидностях МН. Супермаховики допускают окружные скорости до v «1000 м/с. Техническая реализация таких Устройств требует обеспечения специальных условий. Например, Необходима установка маховика в вакуумированном кожухе, так как указанные значения v соответствуют сверхзвуковым скоростям в воздухе (число Маха Ма>1), которые в общем СлУчае могут вызывать целый ряд недопустимых эффектов: Появление скачков уплотнения воздуха и ударных волн, резкое Повышение аэродинамического сопротивления и температуры.

А -масса на жесткой струне; б -упругий обод

Многослойные волокнистые супермаховики обладают достаточ­но высокой надежностью и безопаснее в эксплуатации, чем сплошные маховики. При недопустимых нагрузках, обуслов­ленных инерционными силами, разрушаются" только наиболее напряженные наружные слои волоконной композитной конст­рукции супермаховика, тогда как разрушение массивного маховика сопровождается разлетом его разорвавшихся частей.

Сочетание свойств статического и динамического МН имеет место в различных устройствах. Простейшим из них является колеблющийся маятник. Циклический процесс взаимного преоб­разования потенциальной энергии в кинетическую может под­держиваться достаточно длительно, если компенсировать по­тери в маятниковом механизме.

Рассмотрим иллюстративные примеры МН, запасающих при заряде одновременно кинетическую и потенциальную энергию . Они демонстрируют принципиальные возмож­ности совместного практического использования обоих видов накопленной механической энергии. На рис. 4.1, а показан груз массой М, вращающийся вокруг центра О на абсолютно жесткой струне длиной /, отклоненной от вертикального положения на угол ср. Линейная скорость v соответствует вращательному движению М по окружности радиуса г. Потен­циальная энергия груза Wn =gMh обусловлена его подъемом на высоту h в результате отклонения. Кинетическая энергия груза составляет 1FK = 0,5 Mv 2 . На груз действует сила F = F„ + Fr. Ее инерционная компонента равна FK = Mv lr> значение гравитационнои компоненты F T = gM . Поскольку F„/Fr = r2/rg = tg(D, постольку Wn /WK = 2h /rtg ^>. Если Учест^! что A = /(l - coscp) и r = /sincp, то /г/г = (1 - coscp)/sinср. Таким образом, W „l lFK = 2coscp/(l +cos(p), и в случае ср->0 получаем Wn/WK->1. Следовательно, при малых углах ср запасенная энергия fV=JVK+Wn может распределяться на равные част (WЗначение Wn можно увеличить, если закрепить груз на упругом подвесе (прутке или струне).

Другим примером совместного накопления W „ и WK служит вращающийся тонкоободковый маховик (рис. 4.1, б), облада­вший упругостью (жесткостью) N. Натяжение в ободе ^р = NAI пропорционально упругому удлинению А/=2л(г -г0), вызванному инерционными силами AFr = AMv 2 /г, распределен­Ными по окружности обода радиусом г. Равновесие элемента обода массой 2ДМ=2(Л//2л;)Д(р определяется соотношением 2A/v = 2A/7(()sinAcp^Ai^Acp, откуда 0,5 Mv 2 = 2K 2 (r - r 0 )N . Сле­довательно, кинетическая энергия обода lVK = 2n 2 (r - r 0 )N . По­скольку запасенная потенциальная энергия }