5РЬ0₂ + 2Sb + 6H₂S0₄-4Sb0₂)₂S0₄ + 5PbS0₄ + 6H₂0, (16.12)

которая достаточно медленно, но необратимо уничтожает актив­ный материал аккумулятора.

В аккумуляторах для стационарного использования (напри­мер, для фотоэлектрических осветительных систем) можно приме­нять электроды без сурьмы, что в отсутствие чрезмерного разряда увеличивает жизнь аккумуляторов до 7 лет.

Работоспособность аккумулятора зависит и от значения токов, при которых он разряжается и заряжается, глубины его регуляр­ного разряда. На рис. 16.4 приведена разрядная характеристика типичного свинцово-кислотного аккумулятора для автомобиля. Его номинальная емкость Q₂₀=100 А-ч, электроэнергия может быть извлечена в процессе разряда при постоянном токе за 20 ч. При разряде до 60% от Q₂₀ напряжение на элементах аккуму­лятора падает незначительно: от 2,07 до 1,97 В. Если этот акку­мулятор разряжать за 1 ч, то напряжение на нем падает быстрее, а полный заряд, который может быть из него извлечен, снижается до 0,5 Q₂о. Это связано с тем, что скорость реакции на электродах ог­раничена скоростью диффузии реагентов, в процессе которой они вступают в контакт. Быстрое образование продуктов реакции (осо­бенно PbS0₄) может блокировать этот контакт. Более того, внут­реннее сопротивление слоя PbSC>4 снижает напряжение, которое может развить элемент.

На рис. 16.4, б показан пример зарядной характеристики того же аккумулятора. Чтобы зарядка началась, требуется к элементу подвести ЭДС не менее 2,1 В. По мере заряда напряжение на эле­менте медленно повышается, а затем делает резкий скачок вверх примерно до 2,6 В. Это происходит вблизи полного заряда при ра­боте с постоянным зарядным током. Подъем напряжения связан с началом электролиза в элементе. При чрезмерной зарядке в эле­менте может образоваться значительное количество Н₂, способного привести к механическому разрушению его, одновременно концент­рация кислоты может подняться до значения, при котором ионы в электролите теряют подвижность, делая аккумулятор неработо­способным. Эти негативные явления можно устранить, проводя за­рядку при постоянном напряжении.

2. Топливные элементы

Топливный элемент преобразует химическую энергию топлива непосредственно в электрическую, минуя промежуточную стадию сжигания. Так как преобразование тепло-работа здесь отсутствует, эффективность топливных элементов не подпадает под ограниче­ния второго закона термодинамики, как это происходит в обычных системах топливо — тепло — работа — электроэнергия. Теорети­чески КПД преобразования химической энергии в электрическую может достигать 100%. Хотя топливные элементы, как уже отмеча-

373

Рис. 16.5. Схема топливного элемента. В результате соединения водорода и кислорода получаются вода и электро- энергия. Пористые электроды про- пускают ионы водорода

лось выше (§ 16.5), строго го- воря, не относятся к аккумули- рующим устройствам, но здесь имеет смысл их рассматривать из-за их схожести с электри- ческими аккумуляторами и воз- можности с их помощью исполь-

зовать водород (§ 16.3). Именно поэтому мы описываем только топливные элементы, работающие на водороде, хотя существуют и другие типы подобных устройств.

Аналогично аккумулятору топливный элемент имеет два элек- трода, разделенных электролитом, переносящим ионы, а не элект- роны. Водород (или другой преобразуемый компонент) подводится к отрицательному электроду, а кислород (или воздух) — к поло- жительному (рис. 16.5). В результате катализа на пористом аноде молекулы водорода разлагаются на водородные ионы и электроны. Ионы Н⁺ мигрируют через электролит (обычно кислота) к катоду, где соединяются с электронами, поступающими через внешнюю цепь, и с кислородом, образуя воду.

Эффективность реального топливного элемента значительно ниже теоретических 100% во многом по тем же причинам, что и у электрического аккумулятора. Однако эта величина — вероятное, значение для преобразования химической энергии в электрическую (40%) — не зависит от того, работает топливный элемент на пол- ную мощность или нет (в отличие от дизельных двигателей, газо- вых турбин и т. д.).

Крупномасштабные топливные элементы не дают существенной экономии. Это связано с тем, что соединенные в батареи отдельные топливные элементы имеют примерно такой же КПД. В связи с этим считается предпочтительным создание сравнительно неболь- ших станций местного значения мощностью до 100 кВт. Интересно, что отдельное здание можно было бы с помощью топливных эле- ментов обеспечивать и электроэнергией, и теплом (оно выделяется при работе топливных элементов) при том же расходе топлива, ко- торое в обычных условиях тратится только на обогрев. Основной причиной, по которой топливные элементы не находят пока широ- кого применения, является их высокая стоимость (более 2000 долл/кВт).

2. Механическое аккумулирование

Вода. Гидроэнергетические системы приводятся в действие при­родными потоками, мощность которых P = pgQ₀H_y где Qo — рас-

374

ход воды в заданном сечении, а Я—• высота падения потрка (§ 8.2). Так как Qo потока зависит от выпадения осадков, что не всегда соответствует по ритму потребности в энергии, все крупные гидро­энергетические системы имеют водохранилища, обеспечивающие аккумулирование энергии (см. рис. 1.5, в и 8.7). Вода накапливает­ся при высоте подъема Н и срабатывается через турбины при управляемом расходе. Потенциальная энергия, запасаемая с по­мощью дамбы высотой 100 м, обладает плотностью W_v = = 1,0 Мдж/м³. Хотя эта величина сравнительно невелика, полная энергия, накапливаемая в водохранилищах, может быть огромной.

Работающие в двух режимах гидроаккумулирующие станции (ГАЭС) используют два резервуара — берхний и нижний. Когда в энергосети имеется избыток мощности, вода закачивается в верхний бассейн. При увеличении потребности в энергии воду пропускают через турбины в нижний бассейн, обеспечивая гене­рирование электроэнергии. На практике в ГАЭС используют агрегаты, работающие в двух режимах: и как насосы, и как тур­бины. Уже построено несколько достаточно крупных станций это­го типа для выравнивания колебаний потребностей энергетики. Это обеспечивает работу традиционных АЭС и ТЭС с постоянной нагрузкой в наиболее эффективном режиме.

В связи с тем что около 15% подводимой энергии в ГАЭС идет на обеспечение быстрого переключения агрегатов с одного режима на другой, а еще около 15% тратится на трение и пере­распределение потоков, наилучшие экономические показатели такие станции давали бы при автоматическом управлении наг­рузкой (см. § 1.4).

Маховики. Кинетическая энергия вращающегося тела

где J — момент инерции тела относительно его оси вращения, а со — угловая скорость, рад/с. В простейшем случае, когда мас­са сконцентрирована на ободе радиусом r = a, I = ma². Для однородного диска той же массы момент инерции в 2 раза мень­ше (та²/2), так как масса распределена ближе к оси. Из (16.13) следует, что плотность энергии, запасаемой однородным диском,

Для того чтобы использовать маховик в качестве аккумулятора энергии (а не просто выравнивающего ход устройства), ему необходимо сообщить по возможности большую скорость. Одна­ко угловая скорость ограничивается напряжениями, разрываю­щими маховик при вращении под действием центробежных сил. Для однородного диска из материала с плотностью р максималь­ное разрывающее напряжение

E = J со²/2,

(16.13)

W_m = Е/т = а²о)²/2.

(16.14)

(16.15)

375

Для маховика обычной формы момент инерции чаще всего опи­сывается выражением 1 = Кта²/2, где К — константа, примерно равная 1. Таким образом,

W_m = /Са²о)²/2 (16.16)

и

Wm^ax = /Са^мах/ (2р). (16.17)

Широко используемая для этого сталь не позволяет получить высокую плотность энергии.

Пример 16.3. Максимальная плотность энергии вращающегося стального диска. Для наиболее прочной стали из (16.17) при /С = 1 имеем

U?“^ax= (1000-10⁶ Н/м²)/(2-7800 кг/м³) =0,06 МДж/м³.

Значительно более высокую плотность энергии можно получить при использовании легких стеклокомпозитных материалов. Таков, например, композит на основе стекловолокна и эпоксидной смолы в качестве связующего, имеющий значительно более высокую а^мах при меньшей плотности р. Чтобы наилучшим образом ис­пользовать подобные материалы, маховикам придают необычную форму с волокнами, вытянутыми в направлении действия макси­мальных напряжений. Подобные устройства позволяют получить плотность энергии до 0,5 МДж/кг (лучше, чем у свинцово-кис­лотного аккумулятора) или даже выше (задача 16.3).

Для использования с целью выравнивания потребления энер­гии в крупных энергосетях маховики могут быть установлены где угодно, так как занимают сравнительно мало места. Блок с маховиком массой 100 т имел бы аккумулирующую способность примерно 10 Мв-ч. При еще больших потребностях достаточно создать каскад из нескольких подобных «мини»-блоков.

Маховики, кроме того, представляют интересную альтернати­ву традиционным аккумуляторным батареям для питаемых элект­роэнергией транспортных средств (см. задачу 16.2), особенно в связи с тем, что их подзарядка требует значительно меньше времени.

Сжатый воздух. Воздух может быть быстро сжат и медленно расширен. За счет этого легко выравнивать большие флуктуации давления в гидравлических системах. В § 8.7 приведен пример работающего на этом принципе гидравлического клапанного насоса.

Допустимая плотность энергии с использованием сжатого воз­духа умеренно высока. Предположим для примера, что воздух в объеме 1Л = 1 м³ медленно сжимается при давлении 2 -10⁵ Н/м² до объема 0,4 м³ при постоянной температуре. Для п молей идеального газа

pV = nR₀T, (16.18)

376