Накопители энергии

Современные конструкции  маховиков с вакуумной камерой  вращения и магнитным подвесом супермаховика из кевларового волокна обеспечивают плотность запасённой энергии более 5 МДж/кг, причём могут сохранять кинетическую энергию неделями и месяцами. Однако пока они существуют лишь в виде экспериментальных экземпляров или опытных партий. По оптимистичным оценкам, использование для навивки сверхпрочного «суперкарбонового» волокна позволит увеличить скорость вращения и удельную плотность запасаемой энергии ещё во много раз — до 2-3 ГДж/кг (обещают, что одной раскрутки такого маховика весом 100-150 кг хватит для пробега в миллион километров и более, т.е. на фактически на всё время жизни автомобиля!). Однако стоимость этого волокна пока также во много раз превышает стоимость золота.

3. Гирорезонансные накопители энергии

Эти накопители представляют собой тот же самый маховик, но выполненный из эластичного материала (например, резины). В результате у  него появляются принципиально новые  свойства. По мере нарастания оборотов на таком маховике начинают образовываться «выросты»-«лепестки» — сначала он превращается в эллипс, затем в «цветок» с тремя, четырьмя и более «лепестками»... При этом после начала образования «лепестков» скорость вращения маховика уже практически не меняется, а энергия запасается в резонансной волне упругой деформации материала маховика, формирующей эти «лепестки».

Такими конструкциями  в конце 1970-х и начале 1980-х годов  в Донецке занимался Н.З.Гармаш. Полученные им результаты впечатляют — по его оценкам, при рабочей скорости маховика, составляющей всего 7—8 тысяч об/мин, запасённой энергии было достаточно для того, чтобы автомобиль мог проехать 1500 км против 30 км с обычным маховиком тех же размеров.

4. Механические накопители с использованием сил упругости

Этот класс устройств  обладает очень большой удельной ёмкостью запасаемой энергии. При необходимости  соблюдения небольших габаритов (несколько  сантиметров) его энергоёмкость  — наибольшая среди механических накопителей. Если требования к массогабаритным  характеристикам не столь жёсткие, то большие сверхскоростные маховики превосходят его по энергоёмкости, но они гораздо более чувствительны к внешним факторам и обладают намного меньшим временем хранения энергии.

1. Пружинные механические накопители

Сжатие и распрямление пружины способно обеспечить очень  большой расход и поступление  энергии в единицу времени  — пожалуй, наибольшую механическую мощность среди всех типов накопителей  энергии. Как и в маховиках, она  ограничена лишь пределом прочноcти материалов, но пружины обычно реализуют рабочее поступательное движение непосредственно, а в маховиках без довольно сложной передачи не обойтись (не случайно в пневматическом оружии используются либо механические боевые пружины, либо баллончики с газом, которые по своей сути являются предварительно заряженными пневматическими пружинами; до появления огнестрельного оружия для боя на дистанции применялось также именно пружинное оружие — луки и арбалеты, ещё задолго до новой эры полностью вытеснившие в профессиональных войсках пращу с её кинетическим накоплением энергии).

Срок хранения накопленной  энергии в сжатой пружине может  составлять многие годы. Однако следует  учитывать, что под действием  постоянной деформации любой материал с течением времени накапливает  усталость, а кристаллическая решётка  металла пружины потихоньку изменяется, причём чем больше внутренние напряжения и чем выше окружающая температура, тем скорее и в большей степени это произойдёт. Поэтому через несколько десятилетий сжатая пружина, не изменившись внешне, может оказаться «разряженной» полностью или частично. Тем не менее, качественные стальные пружины, если они не подвергаются перегреву или переохлаждению, способны работать веками без видимой потери ёмкости.

При необходимости постепенной  равномерной «зарядки» и «разрядки» пружины обеспечивающий это механизм может оказаться весьма сложным  и капризным (загляните в те же механические часы — по сути, множество  шестерёнок и других деталей служат именно этой цели). Упростить ситуацию может электромеханическая передача, но она обычно накладывает существенные ограничения на мгновенную мощность такого устройства, а при работе с малыми мощностями (несколько сот  ватт и менее) её КПД слишком низок. Отдельной задачей является накопление максимальной энергии в минимальном  объёме, так как при этом возникают  механические напряжения, близкие к  пределу прочности используемых материалов, что требует особо  тщательных расчётов и безупречного качества изготовления.

Говоря здесь о пружинах, имеется в виду не только металлические, но и другие упругие цельнотелые элементы. Самые распространённые среди них — это резиновые жгуты. Кстати, по энергии, запасаемой на единицу массы, резина превосходит сталь в десятки раз, зато и служит она примерно во столько же раз меньше, причём, в отличии от стали, теряет свои свойства уже через несколько лет даже без активного использования и при идеальных внешних условиях — в силу относительно быстрого химического старения и деградации материала.

2. Газовые механические накопители

В этом классе устройств  энергия накапливается за счёт упругости  сжатого газа. При избытке энергии  компрессор закачивает газ в баллон. Когда требуется использовать запасённую энергию, сжатый газ подаётся в турбину, непосредственно выполняющую необходимую  механическую работу или вращающую  электрогенератор. Вместо турбины можно  использовать поршневой двигатель, который более эффективен при  небольших мощностях (кстати, существуют и обратимые поршневые двигатели-компрессоры).

Практически каждый современный  промышленный компрессор оснащён подобным аккумулятором — ресивером. Правда, давление там редко превышает 10 атм, и потому запас энергии в таком ресивере не очень большой, но и это обычно позволяет в несколько раз увеличить ресурс установки и сэкономить энергию.

Газ, сжатый до давления в  десятки и сотни атмосфер, может  обеспечить достаточно высокую удельную плотность запасённой энергии в  течение практически неограниченного  времени (месяцы, годы, а при высоком  качестве ресивера и запорной арматуры — десятки лет, — недаром пневматическое оружие, использующее баллончики со сжатым газом, получило такое широкое распространение). Однако входящие в состав установки компрессор с турбиной или поршневой двигатель, — устройства достаточно сложные, капризные и имеющие весьма ограниченный ресурс (в том же пневматическом оружии из-за резких скачков высокого давления и ударов клапаны или поршни обычно требуют ремонта уже через несколько тысяч, а то и через несколько сот рабочих циклов-выстрелов).

5. Тепловые накопители энергии

В наших климатических  условиях очень существенная (зачастую — основная) часть потребляемой энергии расходуется на обогрев. Поэтому было бы очень удобно аккумулировать в накопителе непосредственно тепло  и затем получать его обратно. На самом деле такой процесс не просто возможен, но и происходит повсюду  и постоянно, просто обычно на это  не обращают внимания. К сожалению, в большинстве случаев плотность  запасённой энергии очень мала, а  сроки её сохранения весьма ограничены.

Однако существуют и более  эффективные устройства. Правда, многие из них в силу своих особенностей, и в первую очередь стоимости, малопригодны для широкого использования, но есть очень интересные варианты, которые достаточно недороги, просты и эффективны. Информацию о них найти непросто, — вероятно, по той причине, что в их пропаганде никто не заинтересован, поскольку много денег на их изготовлении и установке заработать не удастся, а сроки окупаемости, даже с учётом минимальной стоимости материалов самого теплоаккумулятора, достаточно долгие (необходима хорошая теплоизоляция больших объёмов, а также система управляемого подвода и отвода теплоносителя — всё это стоит приличных денег). Кроме того, масса и габариты таких теплоаккумуляторов всё равно слишком велики для типовой квартиры (впрочем, считать городскую квартиру с централизованными коммуникациями полноценным домом я не могу — это всё же помещение для временного пребывания, вроде гостиничного номера, и тот факт, что огромная часть населения живёт в таких условиях всю жизнь, сути не меняет, поскольку жизнеобеспечение такой квартиры зависит от нескольких систем, управляемых разными организациями, и отказ любой из них сделает квартиру непригодной для проживания). Зато для этих теплоаккумуляторов вполне подойдёт подвал или чердак загородного дома и даже пространство под полом садового домика.

1. Накопление за счёт теплоёмкости

Этот способ древний, как  сам мир. Любое вещество при нагревании накапливает тепловую энергию, а  при охлаждении отдаёт её обратно  в окружающую среду. Поэтому стоит  окружить помещение массивными каменными  стенами, и их теплоёмкости хватит, чтобы сгладить наружный суточный перепад  температуры в 20-30 градусов до колебания  температуры внутри помещения в  течении тех же суток всего на 2–3 градуса. К сожалению, этого недостаточно, чтобы оставаться в рамках комфортных условий тогда, когда колебания наружной температуры длятся хотя бы несколько суток — при временном похолодании или в течении нескольких особо жарких дней, — и тем более это не может сгладить годичные колебания температуры. В последнем случае толщина стен должна измеряться десятками метров, а их масса — десятками тысяч тонн. Впрочем, есть естественные помещения, в которых температура в течение всего года практически не меняется — это глубокие пещеры.

Хрестоматийный пример массивного теплоаккумулятора, созданного руками человека, — широко известная железная колонна в Дели (Индия), наземная часть которой за более чем полторы тысячи лет на открытом воздухе практически не испытала ржавчины. Одно из объяснений этого факта заключается в том, что её масса (6.5 тонн при высоте 7.2 м) достаточна, чтобы накопленное днём солнечное тепло не позволило ночью выпасть росе-конденсату и быстро просушило колонну даже в период муссонных дождей, не слишком интенсивных в тех засушливых краях. Кстати, подземная часть этой колонны корродирует «как положено».

Различные вещества обладают разной теплоёмкостью. У большинства она находится в пределах от 0.1 до 2 кДж/(кг·К). Аномально большой теплоёмкостью обладает вода — её теплоёмкость в жидкой фазе составляет примерно 4.2 кДж/(кг·К). Более высокую теплоёмкость имеет только весьма экзотический литий — 4.4 кДж/(кг·К).

Однако помимо удельной теплоёмкости (по массе) надо учитывать и объёмную теплоёмкость, позволяющую определить, сколько тепла нужно, чтобы изменить на одну и ту же величину температуру одного и того же объёма различных веществ. Она вычисляется из обычной удельной (массовой) теплоёмкости умножением её на удельную плотность соответствующего вещества. На объёмную теплоёмкость следует ориентироваться тогда, когда важнее объём теплоаккумулятора, чем его вес. Например, удельная теплоёмкость стали всего 0.46 кДж/(кг·К), но плотность 7800 кг/куб.м, а, скажем, у полипропилена — 1.9 кДж/(кг·К) — в 4 с лишним раза больше, однако плотность его составляет всего 900 кг/куб.м. Поэтому при одинаковом объёме сталь сможет запасти в 2.1 раза больше тепла, чем полипропилен, хотя и будет тяжелее почти в 9 раз. Впрочем, благодаря аномально большой теплоёмкости воды ни один материал не может превзойти её и по объёмной теплоёмкости. Однако объёмная теплоемкость железа и его сплавов (сталь, чугун) отличается от воды менее, чем на 20% — в одном кубическом метре они могут запасти более 3.5 МДж тепла на каждый градус изменения температуры, чуть-чуть меньше объёмная теплоёмкость у меди — 3.48 МДж/(куб.м·К). Теплоёмкость воздуха в нормальных условиях составляет примерно 1 кДж/кг, или 1.3 кДж/куб.м, поэтому чтобы нагреть кубометр воздуха на 1°, достаточно охладить на тот же градус чуть менее 1/3 литра воды (естественно, более горячей, чем воздух).

В силу простоты устройства (что может быть проще неподвижного сплошного куска твёрдого вещества либо закрытого резервуара с жидким теплоносителем?) подобные накопители энергии имеют практически неограниченное число циклов накопления-отдачи энергии  и очень длительный срок службы —  для жидких теплоносителей до высыхания  жидкости либо до повреждения резервуара от коррозии или других причин, для  твёрдотельных отсутствуют и  эти ограничения. Но вот время хранения весьма ограничено и, как правило, составляет от нескольких часов до нескольких суток — на больший срок обычная теплоизоляция удержать тепло уже не способна, да и удельная плотность запасаемой энергии невелика.

Наконец, следует подчеркнуть  ещё одно обстоятельство, — для  эффективной работы важна не только теплоёмкость, но и теплопроводность вещества теплоаккумулятора. При высокой теплопроводности даже на достаточно быстрые изменения наружных условий теплоаккумулятор отреагирует всей своей массой, а следовательно и всей запасённой энергией — то есть максимально эффективно. В случае же плохой теплопроводности среагировать успеет только поверхностная часть теплоаккумулятора, а до глубинных слоёв кратковременные изменения внешних условий просто не успеют дойти, и существенная часть вещества такого теплоаккумулятора будет фактически исключена из работы. Полипропилен, упомянутый в рассмотренном чуть выше примере, имеет теплопроводность почти в 200 раз меньше, чем сталь, и потому, невзирая на достаточно большую удельную теплоёмкость, эффективным теплоаккумулятором быть не может. Впрочем, технически проблема легко решается организацией специальных каналов для циркуляции теплоносителя внутри теплоаккумулятора, но очевидно, что такое решение существенно усложняет конструкцию, снижает её надёжность и энергоёмкость и непременно будет требовать периодического техобслуживания, которое вряд ли нужно монолитному куску вещества.

2. Плавление и кристаллизация

К сожалению, в настоящее  время практически нет дешёвых, безопасных и устойчивых к разложению веществ с большой энергией фазового перехода, температура плавления  которых лежала бы в наиболее актуальном диапазоне — примерно от +20°С до +50°С (максимум +70°С — это ещё относительно безопасная и легко достижимая температура). Как правило, в этом диапазоне температур плавятся сложные органические соединения, отнюдь не полезные для здоровья и зачастую быстро окисляющиеся на воздухе, скажем, нафталин. Впрочем, можно вспомнить о классическом сплаве Вуда, имеющем температуру плавления 65.5°С, однако входящие в его состав олово, висмут, свинец и кадмий отнюдь не дёшевы и не слишком экологичны, да и теплота плавления 35 кДж/кг невелика — обыкновенная вода запасает столько же тепла при нагреве всего на 8.5°!