31. Электрические накопители энергии.

Емкостные накопители энергии (ЕНЭ) относятся к разряду наиболее мощных энергоисточников. Они надежны в работе, обладают высокой эффективностью передачи накопленной энергии в нагрузку, допускают возможность изменения в широких пределах параметров импульса. Для зарядки ЕНЭ могут быть использованы маломощные зарядные устройства. Вследствие малой удельной энергоемкости (наиболее распространенные конденсаторы имеют удельные параметры всего ~0,1 Дж/г, ~0,3 Дж/см3) создание ЕНЭ с запасаемой энергией более 10 МДж затруднительно. Увеличение удельной энергоемкости возможно за счет применения более совершенных компонентов при изготовлении конденсаторов, совершенствования технологии их сборки, уменьшения ресурса (числа пусков), работы конденсаторов в апериодическом режиме разряда.

Молекулярные накопители энергии (суперконденсаторы) представляют собой конденсаторы с двойным электрическим слоем. Они отличаются от обычных импульсных конденсаторов тем, что для пространственного разделения разноименных зарядов, создающих рабочее электрическое поле, используются не макроскопический диэлектрический слой между проводящими обкладками, а микроскопический поляризованный слой на границе поверхности раздела двух сред. Исследованиями установлено, что максимальная плотность энер- гии в пределах 10^2-10^3 Дж/см3 при минимальной утечке тока от 10-3 до 10-5 А/Ф может быть достигнута, если осуществляется контакт полупроводника или металла с диэлектрической (электронно-изолирующей) молекулярной жидкостью, содержащей парные подвижные ионы.

Индуктивные накопители энергии (ИНЭ) характеризуются высокими выходными параметрами электрическогй импульса (более 10^5 В, 10^11 Вт), а также высокими удельными и экономическими показателями. Освоен уровень накапливаемых энергий ~10^8 Дж. Ближайшей перспективой является практическая реализация параметров ~10^9 Дж и ~10^12 Вт. Широкое практическое использование ИНЭ ограничивается надеж-ностью коммутирующей аппаратуры многоразового действия с уровнем разрывной мощности 10^11-10^12 Вт.

Сверхпроводящие индуктивные накопители энергии (СПИНЭ) имеют широкие перспективы использования, обусловленные возможностью длительного хранения энергии в форме магнитной энергии, что позволяет создавать системы с высоким уровнем времени готовности (время от подачи команды до выдачи энергии в нагрузку ~1 мс). Важной в практическом отношении особенностью СПИНЭ является возможность его запитки от источника с малой электрической мощностью.

32. Инерционные накопители энергии.

К этому виду накопителей энергии следует отнести любые движущиеся поступательно или вращательно материальные объекты.

Самый простой инерционный накопитель вращательного действия представляет собой врезающуюся вокруг центральной оси распределенную массу. При этом, накопленная таким маховиком энергия зависит от массы вращающейся массы, диаметра и числа оборотов. Чем больше масса, радиус вращения и число оборотов, тем больше накопленная энергия.

В этом случае мы сталкиваемся с серьезной проблемой, когда возникают значительные центробежные силы инерции, стремящиеся разорвать маховик. Именно эта проблема сдерживает на сегодняшний день широкое применение инерционных маховиков в различных областях техники.

Однако, были предприняты различные пути решения этой проблемы:

Создание маховиков из сверхпрочных материалов (легированные стали, композиционные материалы, витые обода маховиков из ленточной высокопрочной стали, изменения формы вращающейся массы с целью придания маховику равной прочности и т.д.. Эти попытки улучшали основные характеристики маховиков , но не снимали проблему в целом. В 60-х годах были изобретены сверхмаховики, которые представляли собой вращающуюся в вакуумной камере, подвешенную на магнитных опорах сверхпрочную массу. Разгонялся такой сверх маховик с помощью внешнего вращающегося магнитного поля. Это позволяло разогнать такой маховик до частоты вращения, составляющей несколько сотен тысяч оборотов в минуту. По оценкам специалистов, такой маховик мог находиться в раскрученном состоянии несколько лет.

Однако, в таком маховике, в момент его раскручивания и остановки возникает противоречие. Суть в следующем. Маховик должен быть легким, чтоб быстро раскрутиться до нужных чисел оборотов и маховик не должен быть легким, чтоб накапливать в себе значительную энергию.

Разрешение этого противоречия мы видим во времени. А именно, в момент раскрутки, маховик должен быть легким, а когда уже раскрутился – стать тяжелым.

Для реализации принципа разрешения противоречия во времени конструкция маховика должна иметь возможность изменять свою массу в зависимости от чисел оборотов. В идеале, управляющим воздействием на маховик должны стать центробежные силы, величина которых зависит от чисел оборотов.

Была разработана конструкция маховика с изменяемой массой вращения. Маховик состоит из вакуумной камеры, магнитов раскрутки, магнитных опор оси вращения и вращающейся массы. Сама вращающаяся масса состоит из герметично закрытого конусообразного корпуса, имеющего массивную периферийную часть, а в нижней части – емкость, заполненную ртутью и направляющими перегородками.

Маховик работает следующим образом. При его раскручивании внешним, вращающимся магнитным полем вся ртуть под действием силы тяжести находится в нижней части конусообразной полости маховика. Так как вся масса при этом расположена максимально у центра, маховик при той же подведенной мощности раскрутки раскручивается быстро. По мере набора чисел оборотов, близких к максимальному значению, ртуть под действием центробежных сил, двигаясь по направляющим перегородкам, начинает подниматься по конусообразным образующим в верхнюю часть маховика, заполняя при этом его периферийную часть. За счет возрастания массы, вращающейся вокруг оси, маховик аккумулирует в себе максимальную энергию вращения. В момент съема энергии, числа оборотов начинают падать и ртуть, двигаясь вдоль направляющих перегородок, спускается в нижнюю часть маховика. При этом, числа оборотов маховика начинают вновь увеличиваться, удерживаясь некоторое время, на постоянном значении (эффект вращающейся фигуристки с прижатыми руками).

33. 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.

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.

• Гравитационные твердотельные механические накопители

• Гравитационные жидкостные механические накопители

(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.)

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.

• 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 (недаром в пневматическом оружии используются либо механические боевые пружины, либо баллончики с газом, которые по своей сути являются предварительно заряженными пневматическими пружинами;).

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 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.

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).