Накопители энергии

Содержание

1. Введение

Как правило, источники даровой энергии не отличаются стабильностью. Солнце, ярко светившее днём, вечером заходит, безветрие может длиться несколько дней подряд, и даже реки — самый стабильный из массовых источников даровой энергии — летом могут существенно мельчать или вовсе пересыхать, а зимой — замерзать. Поэтому любой генератор даровой энергии обычно комплектуется тем или иным накопителем, призванным запасать излишки энергии в периоды её избытка и компенсировать нехватку тогда, когда источник даровой энергии временно иссякает или оказывается недоступным.

Типы, размеры и возможности  таких накопителей могут быть самыми разными — от мельчайших электрических конденсаторов и  механических пружин весом в доли грамма, запасающих минимум энергии  на короткое время, до огромных водохранилищ, изменяющих географию и климат целых  областей и способных обеспечить свой регион энергией в течение многих месяцев — от паводка до паводка. Различные типы накопителей отличаются не только объёмом запасаемой энергии, но и скоростью её накопления и  отдачи («зарядки» и «разрядки»), удельной плотностью накопленной энергии, возможными сроками её хранения и  многими другими параметрами, включая  надёжность и стоимость изготовления и обслуживания. Правильный выбор  накопителя подчёркивает достоинства  генератора даровой энергии и  способен скрыть многие его недостатки, ошибка же в выборе может сделать  эксплуатацию даже самого лучшего такого источника практически невозможной...

Методов классификации накопителей  может быть множество. Однако наиболее удобным с практической точки  зрения является классификация по способу накопления и отдачи, а также по типу энергии, «закачиваемой» в накопитель и «выкачиваемой» оттуда. 
 

2. Механические накопители энергии

Механические накопители энергии являются самым древним  классом таких устройств. Многие виды этих конструкций отличаются предельной простотой и практически неограниченным сроком службы и хранения запасённой энергии.

1. Гравитационные механические накопители

Суть гравитационных накопителей  проста. На этапе накопления энергии  груз поднимается вверх, накапливая потенциальную энергию, а в нужный момент опускается обратно, возвращая  эту энергию с пользой. Применение в качестве груза твёрдых тел  или жидкостей вносит свои особенности  в конструкции каждого типа. Промежуточное  положение между ними занимает использование  сыпучих веществ (песка, свинцовой  дроби, мелких стальных шариков и  т.п.).

Практически все накопители этого класса имеют очень простую  конструкцию, а следовательно высокую надёжность и большой срок службы. Время хранения однажды запасённой энергии также ограниченно лишь долговечностью использованных материалов и может исчисляться тысячелетиями.

К сожалению, удельная энергоёмкость  таких устройств невелика и определяется классической формулой  E = m · g · h. Таким образом, чтобы запасти энергию для нагрева 1 литра воды от 20°С до 100°С, надо поднять тонну груза как минимум на высоту 35 метров (или 10 тонн на 3.5 метра). Поэтому, когда возникает необходимость запасти энергии побольше, то это сразу приводит к необходимости создания громоздких и, как неизбежное следствие, дорогих сооружений, наподобие циклопических плотин ГЭС и «рукотворных морей» при них.

2. Гравитационные твердотельные механические накопители

Энергию, запасённую при  поднятии твёрдых тел, можно высвободить  за очень короткое время. Ограничение  на получаемую с таких устройств  мощность накладывает только ускорение  свободного падения, определяющее максимальный темп нарастания скорости падающего  груза. При этом время хранения однажды  запасённой энергии практически  неограничено, если только груз и элементы конструкции с течением времени не рассыплются от старости или коррозии.

Недостатком таких систем является необходимость создания вертикальной или наклонной шахты на всю  высоту подъёма груза, причём размеры  шахты на всём её протяжении должны обеспечивать проход этого груза  по габаритам. Конечно, необязательно делать отдельную шахту, для движения груза можно выделить часть более обширного помещения — но путь, по которому движется груз, должен быть свободным и достаточно прямым, а также необходимо исключить возможность случайного попадания в эту область вещей, людей и животных (во-первых, груз застрянет, а во-вторых, мало удовольствия получить по голове или другой части тела гирей весом даже в несколько килограммов; если же груз может набрать приличную скорость, то для получения серьёзных повреждений хватит и массы в несколько десятков граммов).

3. Гравитационные жидкостные механические накопители

В отличие от твердотельных  грузов, при использовании жидкостей  нет необходимости в создании прямых шахт большого сечения на всю  высоту подъёма — жидкость отлично  перемещается и по изогнутым трубам, сечение которых должно быть лишь достаточным для прохождения  по ним максимального расчётного потока. Поэтому верхний и нижний резервуары необязательно должны размещаться друг под другом, а могут быть разнесены на достаточно большое расстояние.

Именно к этому классу относятся гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).

К сожалению, срок хранения «заряженной» энергии в жидкостных гравитационных накопителях гораздо  меньше, чем в твердотельных, и на практике обычно составляет от нескольких дней до нескольких лет. Это связано с испарением рабочей жидкости из резервуаров. Кроме того, такие системы имеют гораздо больше частей, и их труднее поддерживать в должном техническом состоянии, — прежде всего это касается герметичности резервуаров и трубопроводов и исправности запорного и перекачивающего оборудования.

И ещё одно важное условие  — в моменты накопления и использования  энергии рабочее тело (по крайней  мере, его достаточно большая часть) должно находиться в жидком агрегатном состоянии, а не пребывать в виде льда или пара. Зато иногда в подобных накопителях возможно получение  дополнительной даровой энергии, —  скажем, при пополнении верхнего резервуара талыми или дождевыми водами.

3. Кинетические механические накопители

В кинетических накопителях  энергия запасается в движении рабочего тела. Возможны два типа движения —  колебательное и поступательное (обычно это движение по замкнутому контуру, чаще всего обычное вращение).

1. Колебательные (резонансные) накопители энергии

В колебательных накопителях  кинетическая энергия накапливается  в возвратно-поступательном (линейном или вращательном) движении груза  за счёт резонанса. При этом энергия  должна как подаваться, так и расходоваться  порциями, попадая «в такт» с движением  груза. Это сразу усложняет механизм и делает его достаточно капризным  в настройке. Впрочем, эти узлы уже  много веков используются во всех механических часах с пружинным  или гравитационным маятником (Рисунок 1). Очень часто такие часы для начала работы надо слегка встряхнуть или толкнуть маятник рукой — в целях экономии завода пружины за один такт на маятник подаётся лишь минимум энергии, чтобы её хватило для компенсации потерь во время работы, но не для запуска «с нуля», из неподвижного состояния.

Как правило, основная цель подобных устройств — не собственно накопление энергии, а стабилизация во времени работы каких-либо приборов, поскольку абсолютные значения запасаемой энергии обычно весьма малы и годятся  только для «внутреннего потребления» при работе самого устройства. Кстати, если внимательно разобраться, то сам по себе резонанс не увеличивает накопленной энергии по сравнению со «статическими» вариантами — скажем, в случае гравитационного маятника ту же энергию можно запасти, просто отклонив маятник на угол, соответствующий максимальному отклонению при колебаниях, и зафиксировав его там (для пружинного балансира ситуация аналогична). Зато резонансные накопители позволяют постепенно аккумулировать малые порции энергии, которые при подаче «в лоб» почти не отклонили бы маятник от точки равновесия, не говоря уже о тех углах поворота, которых он достигает в резонансе.

2. Гироскопические накопители энергии

В гироскопических накопителях  энергия запасается в виде кинетической энергии быстро вращающегося маховика (Рисунок 2). Удельная энергия, запасаемая на каждый килограмм веса маховика, значительно больше той, что можно запасти в килограмме статического груза, даже подняв его на большую высоту, а последние высокотехнологичные разработки обещают плотность накопленной энергии, сравнимую с запасом химической энергии в единице массы наиболее эффективных видов химического топлива. Другой огромный плюс маховика — это возможность быстрой отдачи или приёма очень большой мощности, ограниченной лишь пределом прочности материалов в случае механической передачи или «пропускной способностью» электрической, пневматической либо гидравлической передач.

К сожалению, маховики чувствительны  к сотрясениям и поворотам  в плоскостях, отличных от плоскости  вращения, поскольку при этом возникают  огромные гироскопические нагрузки, стремящиеся погнуть ось. К тому же время хранения накопленной маховиком  энергии относительно невелико и  для традиционных конструкций обычно составляет от нескольких секунд до нескольких часов. Далее потери энергии на трение становятся слишком заметными... Впрочем, современные технологии позволяют  кардинально увеличить время  хранения — вплоть до нескольких месяцев.

Наконец, ещё один неприятный момент — запасённая маховиком энергия  прямо зависит от его скорости вращения, поэтому по мере накопления или отдачи энергии скорость вращения всё время меняется и может достигать десятков тысяч оборотов в минуту. В то же время в нагрузке очень часто требуется стабильная скорость вращения, не превышающая нескольких тысяч оборотов в минуту. По этой причине чисто механические системы передачи энергии на маховик и обратно могут оказаться слишком сложными в изготовлении, как, например, многие конструкции вариаторов, позволяющих передавать большую мощность (несколько киловатт и более, для передачи меньших мощностей конструкция вариатора существенно упрощается — вплоть до ремня с раздвижными конусными шкивами). Иногда упростить ситуацию может электромеханическая передача с использованием мотор-генератора, размещённого на одном валу с маховиком или связанного с ним жёстким редуктором. Но тогда неизбежны потери энергии на нагрев проводов и обмоток, которые могут быть гораздо выше, чем потери на трение и проскальзывание в хороших вариаторах.

Особенно перспективны так  называемые супермаховики (Рисунок 3), состоящие из витков стальной ленты, проволоки или высокопрочного синтетического волокна. Навивка может быть плотной, а может иметь специально оставленное пустое пространство. В последнем случае по мере раскручивания маховика витки ленты перемещаются от его центра к периферии вращения, изменяя момент инерции маховика, а если лента пружинная, то и запасая часть энергии в энергии упругой деформации пружины. В результате в таких маховиках скорость вращения не так прямо связана с накопленной энергией и гораздо стабильнее, чем в простейших цельнотелых конструкциях, а их энергоёмкость заметно больше. Помимо большей энергоёмкости, они более безопасны в случае различных аварий, так как в отличии от осколков монолитного маховика, по своей энергии и разрушительной силе сравнимых с пушечными ядрами, обломки пружины обладают гораздо меньшей «поражающей способностью» и обычно достаточно эффективно тормозят лопнувший маховик за счёт трения о стенки корпуса. По этой же причине и современные цельнотелые маховики, рассчитанные на работу в режимах, близких к переделу прочности материала, часто изготавливаются не монолитными, а сплетёнными из тросов или волокон, пропитанных связующим веществом.