Príroda dala človeku rôzne zdroje energie: slnko, vietor, rieky a iné. Nevýhodou týchto generátorov voľnej energie je nedostatočná stabilita. Preto sa v období prebytku energie ukladá do zásobníkov a míňa sa v obdobiach dočasnej recesie. Zariadenia na ukladanie energie sa vyznačujú nasledujúcimi parametrami:
- množstvo uloženej energie;
- rýchlosť jeho akumulácie a návratnosti;
- špecifická hmotnosť;
- doba skladovania energie;
- spoľahlivosť;
- náklady na výrobu a údržbu a iné.
Existuje mnoho spôsobov, ako organizovať jazdy. Jednou z najpohodlnejších je klasifikácia podľa druhu energie použitej v akumulačnom zariadení a podľa spôsobu jej akumulácie a návratu. Zariadenia na ukladanie energie sú rozdelené do nasledujúcich hlavných typov:
- mechanické;
- termálne;
- elektrický;
- chemical.
Akumulácia potenciálnej energie
Podstata týchto zariadení je jednoduchá. Pri zdvíhaní bremena sa akumuluje potenciálna energia, pri spúšťaní vykonáva užitočnú prácu. Dizajnové prvky závisia od typu nákladu. Môže byť pevná, tekutá respsypká látka. Konštrukcia zariadení tohto typu je spravidla mimoriadne jednoduchá, a preto je vysoká spoľahlivosť a dlhá životnosť. Doba skladovania akumulovanej energie závisí od trvanlivosti materiálov a môže dosiahnuť tisícročia. Bohužiaľ, takéto zariadenia majú nízku hustotu energie.
Mechanické ukladanie kinetickej energie
V týchto zariadeniach sa energia ukladá pri pohybe tela. Zvyčajne ide o oscilačný alebo translačný pohyb.
Kinetická energia v oscilačných systémoch sa sústreďuje pri vratnom pohybe tela. Energia je dodávaná a spotrebovaná po častiach, v čase s pohybom tela. Mechanizmus je pomerne zložitý a rozmarný v nastavení. Široko používaný v mechanických hodinkách. Množstvo akumulovanej energie je zvyčajne malé a je vhodné len na prevádzku samotného zariadenia.
Úložné zariadenia poháňané gyroskopom
Zásobník kinetickej energie je sústredený v rotujúcom zotrvačníku. Merná energia zotrvačníka výrazne prevyšuje energiu podobného statického zaťaženia. Je možné prijímať alebo vydávať významný výkon v krátkom čase. Čas skladovania energie je krátky a pre väčšinu dizajnov je obmedzený na niekoľko hodín. Moderné technológie umožňujú predĺžiť dobu skladovania energie na niekoľko mesiacov. Zotrvačníky sú veľmi citlivé na otrasy. Energia zariadenia je priamo závislá od rýchlosti jeho otáčania. Preto v procese akumulácie a návratu energie dochádza k zmene rýchlosti otáčania zotrvačníka. A pre náklad akospravidla sa vyžaduje konštantná nízka rýchlosť otáčania.
Sľubnejšími zariadeniami sú superzotrvačníky. Sú vyrobené z oceľovej pásky, syntetického vlákna alebo drôtu. Dizajn môže byť hustý alebo má prázdny priestor. Ak je voľný priestor, cievky pásky sa posúvajú na perifériu rotácie, mení sa moment zotrvačnosti zotrvačníka, časť energie sa ukladá do deformovanej pružiny. V takýchto zariadeniach je rýchlosť otáčania stabilnejšia ako v pevných konštrukciách a ich spotreba energie je oveľa vyššia. Sú tiež bezpečnejšie.
Moderné super zotrvačníky sú vyrobené z kevlarových vlákien. Otáčajú sa vo vákuovej komore na magnetickom závese. Dokáže uchovávať energiu niekoľko mesiacov.
Mechanické skladovanie pomocou elastických síl
Tento typ zariadenia je schopný akumulovať obrovskú špecifickú energiu. Z mechanických pohonov má najvyššiu energetickú náročnosť pre zariadenia s rozmermi niekoľko centimetrov. Veľké zotrvačníky s veľmi vysokou rýchlosťou otáčania majú oveľa vyšší obsah energie, ale sú veľmi citlivé na vonkajšie vplyvy a majú kratší čas akumulácie energie.
Mechanický zásobník pružinovej energie
Schopný dodať najvyšší mechanický výkon zo všetkých tried skladovania energie. Je obmedzená len pevnosťou pružiny v ťahu. Energia v stlačenej pružine môže byť uložená na niekoľko desaťročí. V dôsledku neustálej deformácie sa však v kove akumuluje únava a kapacita pružinyklesá. Zároveň vysokokvalitné oceľové pružiny môžu za správnych prevádzkových podmienok pracovať stovky rokov bez výraznej straty kapacity.
Funkcie pružín môžu vykonávať akékoľvek elastické prvky. Napríklad gumové pásy sú niekoľkonásobne lepšie ako oceľové výrobky, pokiaľ ide o uloženú energiu na jednotku hmotnosti. Ale životnosť gumy v dôsledku chemického starnutia je len niekoľko rokov.
Mechanické skladovacie zariadenia využívajúce energiu stlačených plynov
V tomto type zariadenia sa energia ukladá stláčaním plynu. V prítomnosti prebytku energie sa plyn čerpá pod tlakom do valca pomocou kompresora. Podľa potreby sa stlačený plyn používa na otáčanie turbíny alebo elektrického generátora. Pri nízkych výkonoch je vhodné použiť namiesto turbíny piestový motor. Plyn v nádobe pod tlakom stoviek atmosfér má vysokú mernú hustotu energie niekoľko rokov as kvalitným príslušenstvom - celé desaťročia.
Akumulácia tepelnej energie
Väčšina územia našej krajiny sa nachádza v severných regiónoch, preto je značná časť energie nútená minúť na vykurovanie. V tejto súvislosti je potrebné pravidelne riešiť problém udržania tepla v pohone a jeho v prípade potreby odtiaľ odvádzať.
Vo väčšine prípadov nie je možné dosiahnuť vysokú hustotu uloženej tepelnej energie a významné doby jej uchovávania. Existujúce efektívne zariadenia vkvôli niektorým svojim vlastnostiam a vysokej cene nie sú vhodné na široké použitie.
Skladovanie vďaka tepelnej kapacite
Toto je jeden z najstarších spôsobov. Je založená na princípe akumulácie tepelnej energie pri zahrievaní látky a odovzdávania tepla pri ochladzovaní. Konštrukcia takýchto pohonov je mimoriadne jednoduchá. Môže to byť kus akejkoľvek pevnej látky alebo uzavretá nádoba s kvapalným chladivom. Akumulátory tepelnej energie majú veľmi dlhú životnosť, takmer neobmedzený počet cyklov akumulácie a výdaja energie. Doba skladovania však nepresiahne niekoľko dní.
Akumulácia elektrickej energie
Elektrická energia je jej najpohodlnejšou formou v modernom svete. Preto sú elektrické úložné zariadenia široko používané a najrozvinutejšie. Bohužiaľ, špecifická kapacita lacných zariadení je malá a zariadenia s vysokou špecifickou kapacitou sú príliš drahé a majú krátku životnosť. Zariadenia na uchovávanie elektrickej energie sú kondenzátory, ionistory, batérie.
Kondenzátory
Toto je najmasovejší typ skladovania energie. Kondenzátory sú schopné pracovať pri teplotách od -50 do +150 stupňov. Počet cyklov akumulácie a návratu energie je desiatky miliárd za sekundu. Paralelným zapojením niekoľkých kondenzátorov ľahko získate požadovanú kapacitu. Okrem toho existujú variabilné kondenzátory. Zmena kapacity takýchto kondenzátorov môže byť vykonaná mechanicky alebo elektricky alebo teplotou. Najčastejšie možno nájsť variabilné kondenzátoryoscilačné obvody.
Kondenzátory sú rozdelené do dvoch tried – polárne a nepolárne. Životnosť polárnych (elektrolytických) je kratšia ako nepolárnych, sú viac závislé od vonkajších podmienok, no zároveň majú väčšiu špecifickú kapacitu.
Akumulačné kondenzátory nie sú veľmi úspešné zariadenia. Majú nízku kapacitu a nevýznamnú mernú hustotu uloženej energie a doba jej uskladnenia sa počíta v sekundách, minútach, zriedkavo hodinách. Kondenzátory našli uplatnenie hlavne v elektronike a silovej elektrotechnike.
Výpočet kondenzátora spravidla nespôsobuje ťažkosti. Všetky potrebné informácie o rôznych typoch kondenzátorov sú uvedené v technických príručkách.
Ionistory
Tieto zariadenia zaberajú medzipolohu medzi polárnymi kondenzátormi a batériami. Niekedy sa označujú ako "superkondenzátory". V súlade s tým majú obrovský počet fáz nabíjania a vybíjania, kapacita je väčšia ako kapacita kondenzátorov, ale o niečo menšia ako kapacita malých batérií. Doba skladovania energie je až niekoľko týždňov. Ionistory sú veľmi citlivé na teplotu.
Napájacie batérie
Elektrochemické batérie sa používajú, ak potrebujete skladovať veľa energie. Na tento účel sú najvhodnejšie olovené zariadenia. Boli vynájdené asi pred 150 rokmi. A odvtedy nebolo do batériového zariadenia zavedené nič zásadne nové. Objavilo sa veľa špecializovaných modelov, kvalita komponentov sa výrazne zvýšila,spoľahlivosť batérie. Je pozoruhodné, že zariadenie batérie vytvorené rôznymi výrobcami sa na rôzne účely líši iba v malých detailoch.
Elektrochemické batérie sa delia na trakčné a štartovacie. Trakcia sa používa v elektrickej doprave, neprerušiteľné zdroje energie, elektrické náradie. Takéto batérie sa vyznačujú dlhým rovnomerným vybíjaním a veľkou hĺbkou. Štartovacie batérie môžu dodať vysoký prúd v krátkom čase, ale hlboké vybitie nie je pre ne prijateľné.
Elektrochemické batérie majú obmedzený počet cyklov nabitia a vybitia, v priemere od 250 do 2 000. Aj keď sa nepoužívajú, po niekoľkých rokoch zlyhajú. Elektrochemické batérie sú citlivé na teplotu, vyžadujú si dlhý čas nabíjania a vyžadujú si prísnu údržbu.
Zariadenie je potrebné pravidelne nabíjať. Batéria nainštalovaná vo vozidle sa nabíja v pohybe z generátora. V zime to nestačí, studená batéria zle prijíma náboj a zvyšuje sa spotreba elektriny na naštartovanie motora. Preto je potrebné dodatočne nabíjať batériu v teplej miestnosti pomocou špeciálnej nabíjačky. Jednou z významných nevýhod olovených zariadení je ich veľká hmotnosť.
Batérie pre nízkoenergetické zariadenia
Ak sú potrebné mobilné zariadenia s nízkou hmotnosťou, vyberte nasledujúce typy batérií: nikel-kadmium,lítium-iónový, kov-hybrid, polymér-ión. Majú vyššiu špecifickú kapacitu, ale cena je oveľa vyššia. Používajú sa v mobilných telefónoch, notebookoch, fotoaparátoch, videokamerách a iných malých zariadeniach. Rôzne typy batérií sa líšia svojimi parametrami: počtom nabíjacích cyklov, skladovateľnosťou, kapacitou, veľkosťou atď.
V elektrických vozidlách a hybridných vozidlách sa používajú vysokovýkonné lítium-iónové batérie. Vyznačujú sa nízkou hmotnosťou, vysokou špecifickou kapacitou a vysokou spoľahlivosťou. Lítium-iónové batérie sú zároveň veľmi horľavé. K zapáleniu môže dôjsť v dôsledku skratu, mechanickej deformácie alebo zničenia puzdra, porušenia režimov nabíjania alebo vybíjania batérie. Uhasenie požiaru je dosť ťažké kvôli vysokej aktivite lítia.
Batérie sú chrbtovou kosťou mnohých spotrebičov. Napríklad zásobník energie pre telefón je kompaktná externá batéria umiestnená v odolnom vodotesnom obale. Umožňuje vám nabíjať alebo napájať váš mobilný telefón. Výkonné mobilné zariadenia na ukladanie energie sú schopné nabíjať akékoľvek digitálne zariadenia, dokonca aj notebooky. V takýchto zariadeniach sú spravidla inštalované vysokokapacitné lítium-iónové batérie. Skladovanie energie pre domácnosť sa tiež nezaobíde bez batérií. Ale to sú oveľa zložitejšie zariadenia. Okrem batérie obsahujú nabíjačku, riadiaci systém a menič. Zariadenia môžu fungovať ako z pevnej siete, tak aj z iných zdrojov. Výstupný výkon je v priemere 5 kW.
Pohonychemická energia
Rozlišujte medzi „palivovými“a „nepalivovými“typmi pohonov. Vyžadujú špeciálne technológie a často objemné high-tech vybavenie. Použité procesy umožňujú získavať energiu v rôznych formách. Termochemické reakcie môžu prebiehať pri nízkych aj vysokých teplotách. Komponenty pre vysokoteplotné reakcie sa zavádzajú iba vtedy, keď je potrebné získať energiu. Predtým sú uložené oddelene, na rôznych miestach. Komponenty pre nízkoteplotné reakcie sú zvyčajne v rovnakej nádobe.
Ukladanie energie spustením paliva
Táto metóda zahŕňa dve úplne nezávislé etapy: akumuláciu energie ("nabíjanie") a jej využitie ("vybíjanie"). Tradičné palivo má spravidla veľkú mernú energetickú kapacitu, možnosť dlhodobého skladovania a jednoduché použitie. Ale život nestojí na mieste. Zavádzanie nových technológií kladie zvýšené nároky na palivo. Úloha je vyriešená zlepšovaním existujúcich a vytváraním nových vysokoenergetických palív.
Širokému zavedeniu nových vzoriek bráni nedostatočný rozvoj technologických procesov, vysoké nebezpečenstvo požiaru a výbuchu pri práci, potreba vysokokvalifikovaného personálu a vysoké náklady na technológiu.
Bezpalivové skladovanie chemickej energie
Pri tomto type skladovania sa energia ukladá premenou niektorých chemikálií na iné. Napríklad hasené vápno pri zahriatí prechádza do stavu nehaseného vápna. Pri vybíjaní sa ukladá energiauvoľnené ako teplo a plyn. To je presne to, čo sa stane, keď sa vápno hasí vodou. Na to, aby sa reakcia rozbehla, zvyčajne stačí komponenty spojiť. V podstate ide o druh termochemickej reakcie, len prebieha pri teplote stoviek a tisícok stupňov. Preto je použité zariadenie oveľa zložitejšie a drahšie.
