Пневматические аккумуляторы.

Compressed Air Energy Storage (CAES) – аккумулирование энергии с помощью сжатого воздуха: CAES использует непиковую энергию для сжатия и хранения воздуха в воздухонепроницаемом подземном резервуаре или пещере. При пиковой нагрузке запасенный воздух выпускается из пещеры и пропускается через турбину с генератором. В 1991, первые в США CAES мощностью 110 МВТ был построен в Mclntosh, Штате Алабама, Алабамским Электрическим Обществом и EPRI. В настоящее время, изготовители могут создать CAES системы в пределах от 5–350 МВТ. EPRI оценил, что больше чем 85% пещер США имеют геологические характеристики, которые можно приспособить для CAES.

Пневмоаккумуляторы – устройства, накапливающие газ и отдающие ее в моменты наибольшего расходования с преобразованием в другие виды энергии или без этого преобразования. В ракетной технике есть почти забытый (из-за того, что само устройство давно уже не применяется) термин воздушный аккумулятор давления (ВАД). [http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=print&sid=811]

Электрохимические аккумуляторы – источники электроэнергии, в которых имеют место обратимые процессы преобразования электроэнергии в химическую и, обратно, — химической в электрическую. Другими словами, аккумуляторы способны сначала накопить электрическую энергию от постороннего источника тока и затем отдать ее потребителю. Электрические аккумуляторы по роду электролита разделяются на две основные группы: кислотные и щелочные аккумуляторы. [http://el-line.ru/articles_akkumulyator.shtml]

Рассмотрим подробнее виды электрохимических накопителей энергии.

1. Свинцово-кислотные аккумуляторы. Данная электрохимическая система является одной из самых распространенных среди аккумуляторов в виду своей дешевизны, отработанной технологии производства и большому опыту эксплуатации. В свинцово-кислотных аккумуляторных батареях (СКА) электролитом является раствор серной кислоты, активным веществом положительных пластин – двуокись свинца РbО₂, отрицательных пластин – губчатый свинец Рb. В процессе заряда и разряда аккумулятора на электродах происходят электрохимические окислительно-восстановительные реакции, а электролит является средой для транспорта ионов между электродами. Необходимо отметить, что любой электрохимический аккумулятор имеет в своем составе указанные элементы, выполняющие аналогичные функции, меняются только применяемые вещества.

Недостатки СКА – малая энергоемкость (на уровне 10–30 Вт·ч/кг), использование в них токсичного свинца, малое количество циклов заряд/разряд и низкая допустимая глубина разряда у большинства их разновидностей.

В настоящее время доступны аккумуляторы с улучшенными ресурсными характеристиками, достигающими 3000 циклов при глубине разряда 50 %. Однако и цена таких аккумуляторов выше, чем у стандартных систем.

2. Никель-кадмиевые аккумуляторы также известны достаточно давно. Принцип действия основан на формировании гидроокиси кадмия на аноде и гидроокиси никеля – на катоде. Их энергоемкость почти в два раза выше, чем у СКА, они работоспособны при низких температурах, при этом допустимые токи заряда и разряда также существенно выше. В то же время никель-кадмиевым аккумуляторам присущ такой недостаток как эффект памяти – их энергоемкость резко падает при не полном разряде или заряде, для ее восстановления требуются специальные алгоритмы заряда. Также они наиболее критичны из всех типов электрохимических аккумуляторов к точному соблюдению требований по правильной эксплуатации.

3. Натрий-серные аккумуляторы. Теоретическая энергоемкость данной системы может достигать 925 Вт·ч/кг, однако в реальности достигнуты гораздо меньшие цифры, 100–150 Вт·ч/кг. Есть ряд существенных нюансов – электролит в данной системе керамический, что обуславливает высокую рабочую температуру аккумулятора (290–360 °С)

Достигнутые на практике ресурсные характеристики натрий-серных аккумуляторов демонстрируют значения от 2000 до 4000 циклов при глубине разряда до 80-90 %. Несмотря на неспособность хранить запасенную энергию в течение длительного времени, натрий-серные аккумуляторы оказались востребованы для регулирования графиков выдачи мощности и поддержания частоты переменного тока в крупных сетях. Следует отметить широкое применение подобных систем в Японии и США, как для возобновляемой, так и централизованной энергетики. Отсутствие дорогостоящих материалов привело к тому, что стоимость запасенной энергии для данной системы находится на уровне СКА.

4. Литий-ионные аккумуляторы. В них анод состоит из лития, а катод – из оксидов металлов.

Принцип действия данной электрохимической системы основан на интеркаляции (Интеркаляция — это обратимое включение молекулы или группы между другими молекулами или группами. – сделать сноску) ионов лития в различные соединения при разных электрохимических потенциалах. Транспорт ионов лития между электродами осуществляется посредством органического электролита, включающего в себя смесь органических растворителей и соли лития. Применение органических электролитов позволяет повысить напряжение на единичном элементе до 3–4,5 В по сравнению с 1–1,5 для кислотных и щелочных систем. При заряде аккумулятора происходит интеркаляция ионов лития в анодный материал (обычно используется углеродный анод). При разряде ионы лития деинтеркалируются и переносятся на катод, а высвободившиеся электроны формируют электрический ток во внешней цепи.

Для данного типа аккумуляторов характерны высокая энергоемкость, глубокие циклы заряда разряда (70–80 %), отсутствие эффекта памяти. В то же время ресурс и стоимость таких аккумуляторов зависят от типа электрохимических систем, применяемых на катоде и аноде, а также от температуры и режимов эксплуатации.

Однако огромный потенциал литий-ионных аккумуляторов поддерживал постоянный интерес ученых к их усовершенствованию, и в 2003 году в Массачусетском технологическом институте впервые было предложено использовать ферро-фосфат лития (LiFePO₄) в качестве катодного материала. Это доступное и нетоксичное соединение, в отличие от использующихся в аккумуляторах кадмия и никеля, всегда считалось очень перспективным для промышленности.

Рис. №№. Устройство литий-ионного аккумулятора с литий-ферро-фосфатным катодом

Ферро-фосфат лития оказался очень удачным материалом для использования в аккумуляторах. Он способен отдать практически весь накопленный литий, оставаясь устойчивым. При этом сохраняется главное свойство литий-ионных аккумуляторов – большая удельная емкость. Таким образом, третье поколение литий-ионных аккумуляторов стало безопасным, высокоэнергоэффективным и экологичным.

[http://www.smartgrid.su/2012/02/14/obzor-akkumulyatornykh-nakopitelejj/#.UEb3SVIenMx ]

 

Маховики и супермаховики. Маховик состоит из махового колеса, которое вращается с очень высокой скоростью и имеет связь с электрическим аппаратом, который может работать или как двигатель или как генератор. Использование магнитных подшипников и вакуумной камеры позволяет уменьшить потери энергии (не более 2%). Основные проблемы в прочности материала колеса, способного выдержать сверхвысокие скорости вращения.

В развитых странах (США, Англия, Германия, Япония) развернуты обширные исследования различных устройств аккумулирования энергии с использованием супермаховиков, однако приоритет в разработках супермаховиков и вариаторов принадлежит профессору, доктору технических наук Нурбею Гулиа, заведующему кафедрой Московского государственного индустриального университета МГИА (бывший автомобилестроительный ВТУЗ ЗИЛ – МАСИ), которому принадлежат десятки патентов в этой области.

На практике маховики как аккумуляторы уже неоднократно применялись:

В 1860 году российский изобретатель, инженер-порутчик З.Шуберский опубликовал идею использования мощных маховиков на железнодорожном транспорте, новый вид транспорта назвали «маховозом» [«Современная летопись» 1862, июль].

В 1918 году изобретатель-самоучка Анатолий Г. Уфимцев получил патент на идею маховикового аккумулятора, в 1920-х годах предложил использовать инерционные аккумуляторы для приведения в движение трамваев в г.Курске, но проект не был воплощен в жизнь. По неподтвержденным данным, маховик Уфимцева, возможно, испытывали на Кольском полуострове.

Американский ученый, изобретатель Дэвид Рабенхорст сумел даже построить и испытать 2-местный махомобиль. В 1990-х годах западные автомобилестроительные фирмы испытали, по крайней мере, еще одну модель, но на серийный выпуск никто не решился.

Так или иначе, если не считать создания нескольких экспериментальных моделей маховичных автомобилей, работа по созданию и испытанию супермаховиков в мире, а тем более в России, практически не ведется, хотя это направление и обещает большие открывающиеся перед конструкторами перспективы.

Сверхпроводящие аккумуляторы – электронакопительные системы, состоящие из бесконечно длинного (замкнутого) проводника с нулевым сопротивлением. Очевидный плюс этой системы – компактность, энергоемкость, способность хранить энергию без потерь на протяжении сколь угодно долгого времени, пока в проводнике будет сохраняться состояние сверхпроводимости. Учитывая, что в настоящее время широко производятся только холодные и теплые сверхпроводники (с хладагентами гелием и азотом соответственно), надо добавить, что при длительном использовании такого аккумулятора понадобятся дополнительные расходы энергии на охлаждение сверхпроводников. Наилучшим вариантом, конечно же, было бы создание сверхпроводящего аккумулятора из горячих сверхпроводников, сохраняющих свои свойства при температурах +100-200 и выше градусов Цельсия. Работы по созданию таких материалов в настоящее время усиленно ведутся во всем мире.

Конденсаторные аккумуляторы – системы, накапливающие электрические заряды, состоящие из двух и более подвижных или неподвижных электродов (обкладок), разделенных диэлектриком (бумагой, слюдой, воздухом и др.).

Один из несомненных «плюсов» конденсаторов – способность выдать всю или часть запасенной энергии в самые короткие сроки, один из «минусов» – опасность непредвиденного пробоя, который при мгновенном выделении всей запасенной энергии будет сравним со взрывом. В перспективе конденсаторные батареи вполне могут значительно повысить свои энергомассовые характеристики – настолько, что станут вполне конкурентоспособными с любыми применяющимися аккумуляторами или даже превзойти их. Все зависит от того – сумеют ли современные ученые значительно повысить емкость конденсаторов за счет применения новых технологий, материалов и конструкций.

Суперконденсаторы находятся на самой ранней стадии развития в качестве технологии хранения энергии. Электрохимический конденсатор состоит из двух противоположно заряженных электродов, сепаратора, электролита и сборки. В настоящее время только маленькие суперконденсаторы в диапазоне семи – десяти ватт широко доступны для домашних электрических устройств. Развитие конденсаторов большего масштаба было сосредоточено на электрических транспортных средствах. В настоящее время, для мощностей smal-масштаба (<250 kW), суперконденсатор является одним из самых многообещающих аккумуляторов. [http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=print&sid=811]

Тепловые аккумуляторы – устройства, накапливающие тепло, предназначенное для покрытия пиков тепловой нагрузки или для получения других видов энергии. Устройства такого типа эффективны в прямой зависимости от существующей в агрегате и вокруг его разницы температур. Тепловые аккумуляторы уже использовались на спускаемых аппаратах АМС «Венера-9» и других автоматических зондах для охлаждения аппаратуры.

[http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=print&sid=811]

Теплонакопитель – это электрический отопительный прибор аккумуляторного типа. Основное отличие теплонакопителя от традиционных нагревательных устройств заключается в том, что при его использовании возможно автоматическое управление процессом накопления и отдачи тепла. При монтаже автоматика настраивается таким образом, что теплонакопитель подключается к сети для накопления тепла только во время действия льготного ночного тарифа. Процесс теплоотдачи также регулируется автоматически датчиком комнатной температуры, с помощью которого в каждом помещении можно установить желаемую температуру.

В корпусе из листовой стали, покрытом жаропрочным лаком, находится теплонакопительное ядро, снабженное теплоизоляционной защитой. Внутри теплонакопительного ядра располагаются нагревательные элементы.

Рис. №№. Устройство теплонакопителя.

Теплоотдачу в помещение обеспечивает вентилятор, создающий поток воздуха из помещения через систему каналов теплонакопительного ядра, где воздух нагревается, непосредственно к отверстию выхода воздуха.

Смешивание потоков воздуха происходит с помощью смесительного клапана, связанного с биметаллическим датчиком, что обеспечивает постоянную температуру выходящего воздуха независимо от уровня заряда прибора. Суточный цикл работы теплонакопителя состоит из двух автономных режимов:

· режима заряда или накопления тепла в ночное время;

· режим разрядки или теплоотдачи.

Режим заряда управляется таймером, режим теплоотдачи – комнатным термостатом, который дает команды на включение-выключение микровентилятора. Теплонакопитель работает практически со стопроцентным коэффициентом полезного действия. Выделяемое ТЭНами тепло аккумулируется теплоемкими брикетами и через систему изолированных воздушных каналов передается в обогреваемое помещение.

Все процессы регулируются автоматически, что позволяет выбрать наиболее эффективный режим обогрева помещений и рационально использовать тепловую и электрическую энергию.

[http://www.energosovet.ru/bul_stat.php?idd=3]

Плазмоидные аккумуляторы для хранения большого количества энергии используют свойства и способность плазмы создавать долгоживущие сгустки энергии в виде шаровой молнии. Несмотря на возможно многообещающие перспективы этого способа аккумуляции, до сих пор не было выделено финансирования для широкомасштабных исследований в этом направлении.

[http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=print&sid=811]