1.3. Особенности различных способов аккумуляции энергии

Классификация по способу накопления и отдачи и по типу энергии, «закачиваемой» в накопитель и «выкачиваемой» оттуда была отмечена как наиболее подходящая. Поэтому особенности способов аккумуляции энергии будут рассмотрены подробнее на примере именно этой классификации.

1) Механические накопители энергии. Они стали применяться очень давно, когда доисторический человек впервые затащил камень на гору, чтобы обрушить его на мамонта. Вот еще пример – в древности накопление энергии в скрученных пучках тетивы использовалось в катапультах для метания снарядов. Дальнобойность таких машин доходила до 350 м при массе ядра до 1,5 кг. ¹ Многие виды таких конструкций отличаются предельной простотой и практически неограниченным сроком службы и хранения запасенной энергии. Однако удельная плотность запасенной энергии часто очень мала, и когда возникает необходимость запасти энергии побольше, то это сразу приводит к необходимости создания громоздких и, следовательно, дорогих сооружений.

1. Гравитационные механические накопители. Суть гравитационных накопителей проста. На этапе накопления энергии груз поднимается на нужную высоту, а затем опускается обратно, возвращая эту энергию. Использование в качестве груза твердых тел или жидкостей вносит свои особенности в конструкции каждого типа. Промежуточное положение между ними занимает использование сыпучих веществ (песка, мелких стальных шариков и т.п.). Практически все накопители этого типа отличаются простотой конструкции, а, следовательно, высокой надежностью и большим сроком службы. Время хранения однажды запасенной энергии также ограниченно лишь долговечностью использованных материалов и может исчисляться тысячелетиями. Однако удельная емкость таких устройств невелика и определяется формулой E = m · g · h. Поэтому, чтобы запасти энергию для нагрева 1 литра воды от 20°С до 100°С, надо поднять тонну груза как минимум на высоту 35 метров. ²

Гравитационные механические накопители, в свою очередь, подразделяются на гравитационные твердотельные механические накопители и гравитационные жидкостные механические накопители.

1.1. Гравитационные твердотельные механические накопители.

Энергию, запасенную при поднятии твердых тел, можно высвободить за очень короткое время. Ограничение на получаемую с помощью таких устройств мощность накладывает только ускорение свободного падения, определяющее максимальный темп нарастания скорости падающего груза. Время хранения однажды запасенной энергии практически неограниченно, если только груз или элементы конструкции с течением времени не рассыплются от старости или коррозии. Недостаток таких систем – необходимость в вертикальной или наклонной шахте на всю высоту подъема груза, причем размеры шахты на всем ее протяжении должны обеспечивать проход этого груза по габаритам. ¹

Пример: ворота с противовесом.

1.2. Гравитационные жидкостные механические накопители.

В отличие от твердотельных грузов, при использовании жидкостей нет необходимости в создании прямых шахт большого сечения на всю высоту подъема – жидкость перемещается и по изогнутым трубам, сечение которых должно быть лишь достаточным для прохождения по ним максимального расчетного потока. Поэтому верхний и нижний резервуары необязательно должны размещаться друг под другом, а могут отстоять один от другого на достаточно большом расстоянии.

Однако срок хранения «заряженной» энергии в жидкостных накопителях обычно гораздо меньше и на практике обычно составляет от нескольких дней до нескольких лет. Это связано с испарением рабочей жидкости из резервуаров, а также с большей чувствительностью системы к техническому состоянию всех ее частей, прежде всего это касается герметичности резервуаров и трубопроводов и исправности запорного и перекачивающего оборудования. Кроме того, 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.

В некоторых случаях в подобных накопителях возможно и получение дополнительной даровой энергии, – например, при пополнении верхнего резервуара талыми или дождевыми водами. ²

Пример: гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) – используется для выравнивания суточной неоднородности графика электрической нагрузки. Во время ночного провала энергопотребления ГАЭС получает из энергосети дешевую электроэнергию и расходует ее на перекачку воды в верхний бьеф (насосный режим). Во время утреннего и вечернего пиков энергопотребления ГАЭС сбрасывает воду из верхнего бьефа в нижний, вырабатывая при этом дорогую пиковую электроэнергию, которую отдает в энергосеть. ³

2. Кинетические механические накопители. В кинетических накопителях энергия запасается в движении рабочего тела. Возможны два типа движения – колебательное и поступательное (обычно вращательное).

2.1. Колебательные (резонансные) накопители энергии. В них кинетическая энергия накапливается в возвратно-поступательном движении груза за счет 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 сложным в настройке. Впрочем, такие узлы уже много веков используются во всех механических часах с балансирным или гравитационным маятником. Очень часто такие часы для начала работы надо слегка встряхнуть или толкнуть маятник рукой – в целях экономии завода пружины за один такт энергии подается на маятник лишь столько, чтобы ее 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 крайне малы и годятся только для «внутреннего потребления» при работе самого устройства. ¹

Пример: пружинный маятник в часах.

2.2. Гироскопические накопители энергии. В них энергия запасается в виде кинетической энергии быстро вращающегося маховика. Удельная энергия, запасаемая на каждый килограмм веса маховика, значительно больше той, что можно запасти в килограмме статического груза, даже подняв его на большую высоту. Еще одно достоинство маховика – возможность мгновенной передачи или приема практически любой мощности, которая не имеет принципиальных ограничений, кроме предела прочности материалов в случае механической передачи или «пропускной способности» электрической, пневматической и гидравлической передач.

Однако маховики чувствительны к сотрясениям и поворотам в плоскостях, отличных от плоскости вращения, поскольку при этом возникают огромные гироскопические нагрузки, стремящиеся погнуть ось. Кроме того, время хранения накопленной энергии относительно невелико и обычно составляет от нескольких секунд до нескольких часов.

И еще один недостаток – запасенная маховиком энергия прямо зависит от его скорости вращения, поэтому по мере накопления или отдачи энергии скорость вращения все время меняется и может достигать десятков тысяч оборотов в минуту. В то же время в нагрузке очень часто требуется стабильная скорость вращения, обычно не превышающая нескольких тысяч оборотов в минуту. Поэтому чисто механические системы передачи энергии на маховик и обратно могут оказаться слишком сложными. Упростить ситуацию может электромеханическая передача с использованием мотор-генератора, размещенного на одном валу с маховиком или связанного с ним жестким редуктором. Есть и другие, более экзотические, но и более эффективные методы передачи, в частности вариаторные. ¹

Особенно перспективны супермаховики. Супермаховик представляет собой барабан, намотанный из тонких витков стальной, пластиковой ленты, стекловолкна. За счет этого обеспечивается колоссальная прочность на разрыв, поэтому современные маховики, изготовленные из углеродных композитов, можно раскручивать до 22,5 тысяч оборотов в минуту при радиусе около полуметра. ² Помимо большей энергоемкости, они более безопасны в случае различных аварий, так как в отличие 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 счет трения о стенки корпуса.

Современные конструкции маховиков с вакуумной камерой вращения и магнитным подвесом супермаховика из кевларового волокна обеспечивают плотность запасенной энергии до 5 МДж/кг и более, причем могут сохранять кинетическую энергию неделями и месяцами. Однако пока они существуют лишь в виде экспериментальных экземпляров или опытных партий. Использование для навивки сверхпрочного «суперкарбонового» волокна позволит увеличить скорость вращения и удельную плотность запасаемой энергии до 2-3 ГДж/кг. Одной раскрутки такого маховика весом 100-150 кг хватит для пробега в миллион километров и более, т.е. фактически на все время жизни автомобиля. Однако стоимость такого волокна пока во много раз превышает стоимость золота. ³

Пример: инерционный аккумулятор Уфимцева с механическим приводом, или просто накопитель Уфимцева (Рисунок 1.3.1), который применяется на транспорте.

Рисунок 1.3.1. Накопитель Уфимцева. ¹

2.3. 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 «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 занимался Н.З. Гармаш. Полученные им результаты впечатляют – рабочая скорость маховика составляла всего 7-8 тысяч об/мин, а запасенной энергии было достаточно для того, чтобы автомобиль мог проехать 1500 км против 30 км с обычным маховиком тех же размеров. ²

3. Механические накопители с использованием сил упругости. Этот класс устройств обладает очень большой удельной емкостью запасаемой энергии. При необходимости соблюдения небольших габаритов (несколько сантиметров) его энергоемкость – наибольшая среди механических накопителей. Если требования к массогабаритным характеристикам не столь жесткие, то большие сверхскоростные маховики превосходят его по энергоемкости, но они гораздо более чувствительны к внешним факторам и обладают намного меньшим временем хранения энергии.

3.1. Пружинные механические накопители.

Сжатие и распрямление пружины способно обеспечить очень большой расход и поступление энергии в единицу времени – пожалуй, наибольшую мощность среди механических (и не только) накопителей энергии. Как и в маховиках, она ограничена лишь пределом прочности материалов, но многие типы пружин могут реализовать 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 – по сути, это предварительно заряженные пневматические пружины. До появления огнестрельного оружия для боя на дистанции использовалось также пружинное оружие – луки и арбалеты.

Срок хранения накопленной энергии в сжатой пружине может составлять многие годы. Однако следует учитывать, что любой материал с течением времени накапливает усталость, а под действием постоянной деформации кристаллическая решетка металла пружины потихоньку изменяется, и чем больше внутреннее напряжение и выше окружающая температура, тем скорее и в большей степени это произойдет. Поэтому несколько десятилетий спустя сжатая пружина, не изменившись внешне, может оказаться «разряженной» полностью или частично. Тем не менее, качественные пружины способны работать веками без видимой потери емкости.

При необходимости постепенной равномерной «зарядки» и «разрядки» пружины обеспечивающий это механизм может оказаться весьма сложным и капризным. Например, механические часы – по сути, множество шестеренок и других деталей служат именно этой цели. Упростить ситуацию может электромеханическая передача, но она обычно накладывает существенные ограничения на мгновенную мощность такого устройства. ¹

Пример: часовая пружина.

3.2. Газовые механические накопители. В этом классе устройств энергия накапливается за счет упругости сжатого газа. При избытке энергии компрессор закачивает газ в баллон. Когда требуется использовать запасенную энергию, сжатый газ подается в турбину, непосредственно выполняющую механическую работу или вращающую генератор. Вместо турбины можно использовать поршневой двигатель, который более эффективен при небольших мощностях.

Практически каждый современный промышленный компрессор оснащен подобным аккумулятором – ресивером. Правда, давление там редко превышает 10 атмосфер, 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 сотни атмосфер, может обеспечить достаточно высокую удельную плотность запасенной энергии в течение практически неограниченного времени (месяцы, годы, а при высоком качестве металлического баллона и запорной арматуры – десятки лет). Однако входящие в состав установки компрессор и турбина (или поршневой двигатель) – устройства достаточно сложные, капризные и имеющие весьма ограниченный ресурс. Например, в пневматическом оружии из-за резких скачков высокого давления и ударов клапаны или поршни требуют ремонта уже через несколько тысяч рабочих циклов-выстрелов, а то и гораздо раньше. ¹

Пример: ресивер – резервуар, в который поступает пар или газ для последующей передачи его куда-либо. ²

2) Тепловые накопители энергии. В климатических условиях России очень существенная 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 выполняется повсюду и постоянно, просто обычно на это не обращают внимания. К сожалению, в большинстве случаев плотность запасенной энергии очень мала, а сроки ее сохранения весьма ограничены.

1. Накопление за счет теплоемкости. Этот способ довольно-таки древний. Любое вещество при нагревании накапливает тепловую энергию, а при охлаждении отдает ее обратно в окружающую среду. Поэтому стоит окружить помещение массивными каменными стенами, и их теплоемкости будет вполне достаточно, чтобы сгладить суточный перепад температуры от 20-30°С на улице до 2-3°С градусов колебания температуры внутри помещения в течение тех же суток. Однако этого недостаточно, чтобы компенсировать колебания температуры длительностью хотя бы несколько суток – временное похолодание или несколько особо жарких дней, – а тем более сгладить годичные колебания температуры. В последнем случае толщина стен должна измеряться десятками метров, а их масса – десятками тысяч тонн. Впрочем, есть и естественные помещения, в которых температура в течение всего года практически не меняется – глубокие пещеры. ³

Различные вещества обладают разной теплоемкостью. У большинства она находится в пределах от 0,1 до 2 кДж/(кгК). Аномально большой теплоемкостью обладает вода – ее теплоемкость в жидкой фазе составляет примерно 4,2 кДж/(кгК). Более высокой теплоемкостью обладает только литий – 4,4 кДж/(кгК). ¹

Помимо удельной теплоемкости существует и объемная теплоемкость, позволяющая определить, сколько тепла нужно, чтобы изменить на одну и ту же величину температуру одного и того же объема различных веществ. Она вычисляется из обычной (массовой) теплоемкости умножением ее на удельную плотность соответствующего вещества. На объемную теплоемкость следует ориентироваться тогда, когда важнее объем теплоаккумулятора, чем его вес. Например, удельная теплоемкость стали 0,46 кДж/(кгК), плотность 7800 кг/м², а, например, у полпропилена – 1,9 кДж/(кгК) – в 4 с лишним раза больше, однако плотность его составляет всего 900 кг/м². Поэтому при одинаковом объеме сталь сможет запасти в 2,1 раза больше тепла, чем полипропилен, хотя при этом и будет тяжелее почти в 9 раз. Впрочем, благодаря аномально большой теплоемкости воды ни один материал не может превзойти ее и по объемной теплоемкости.

В силу простоты устройства 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 твердотельных 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. ²

Наконец, следует подчеркнуть еще одно обстоятельство, – для эффективной работы важна не только теплоемкость, но и теплопроводность вещества теплоаккумулятора. При высокой теплопроводности даже на достаточно быстрые изменения наружных условий теплоаккумулятор отреагирует всей своей массой, а, следовательно, и всей запасенной энергией – максимально эффективно. В случае же плохой теплопроводности среагировать успеет только поверхностная часть теплоаккумулятора, а до глубинных слоев кратковременные изменения внешних условий просто не успеют дойти, и существенная часть вещества такого теплоаккумулятора будет фактически исключена из работы. Полипропилен имеет теплопроводность почти в 200 раз меньше чем сталь и потому, невзирая на большую удельную теплоемкость, 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 ее надежность и энергоемкость и к тому же будет требовать периодического техобслуживания, которое вряд ли нужно монолитному куску вещества. ¹

2. Накопление энергии при смене агрегатного состояния вещества.

Если посмотреть параметры различных веществ, то можно увидеть, что при смене агрегатного состояния (плавлении-твердении, испарении-конденсации) происходит значительное поглощение или выделение тепла. Для большинства веществ энергии таких превращений достаточно, чтобы изменить температуру того же количества вещества на многие сотни, а то и тысячи градусов при условии неизменного агрегатного состояния. А, как известно, пока агрегатное состояние всего объема вещества не станет одним и тем же, его температура практически не изменяется. Поэтому неплохо было бы накапливать энергию за счет смены агрегатного состояния – энергии накапливается много, а температура изменяется мало, поэтому при хорошей емкости такого теплоаккумулятора не потребуется решать проблемы, неизбежные при нагреве до высоких температур.

Однако в настоящее время неизвестны дешевые, безопасные и устойчивые к разложению вещества с большой энергией фазового перехода, температура плавления которых лежала бы в наиболее актуальном диапазоне – примерно от +25°С до +50°С (максимум +70°С – еще 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 – к примеру, нафталин. Впрочем, можно вспомнить о классическом сплаве Вуда², имеющем температуру плавления 65,5°С, однако входящие в его состав олово (12,5%), висмут (50%), свинец (25%) и кадмий (12,5%) отнюдь не дешевы и не слишком экологичны, да и теплота плавления 35 кДж/кг невелика – обычная вода запасает столько же тепла при нагреве всего на 8,5°С.

Теплота испарения и конденсации, как правило, в несколько раз превышает теплоту плавления. И вроде бы есть не так уж мало веществ, испаряющихся в нужном диапазоне температур. Помимо ядовитых сероуглерода, ацетона, этилового эфира и т.п., есть и этиловый спирт. Он испаряется в нормальных условиях при 78,3°С, а его теплота испарения в 2,5 раза больше теплоты плавления воды (льда) и эквивалентна нагреву того же количества жидкой воды на 200°. Однако в отличии от плавления, когда объем вещества обычно изменяется лишь на несколько процентов, при испарении пар занимает весь предоставленный ему объем. И если этот объем будет неограничен, то пар улетучится, безвозвратно унося с собой всю накопленную энергию. В замкнутом же объеме сразу начнет расти давление, препятствуя испарению новых порций рабочего тела, как это имеет место в самой обычной скороварке, поэтому смену агрегатного состояния испытывает лишь небольшой процент рабочего вещества, остальное же продолжает нагреваться, находясь в жидкой фазе.

Помимо изменения агрегатного состояния, некоторые вещества могут находиться в нескольких фазовых состояниях в рамках одного агрегатного состояния (например, для многих твердых тел разные фазовые состояния характеризуются различными типами кристаллических решеток). Смена таких фазовых состояний, как правило, также сопровождается заметным выделением или поглощением энергии, хотя обычно гораздо менее значительным, чем при изменении агрегатного состояния вещества. ¹

3. Накопление энергии с термохимическими реакциями.

Давно и широко известна большая группа химических реакций, которые в закрытом сосуде при нагревании идут в одну сторону с поглощением энергии, а при охлаждении – в обратную с выделением энергии. Такие реакции часто называют термохимическими. Энергетическая эффективность таких реакций, как правило, меньше, чем при смене агрегатного состояния вещества, однако тоже весьма заметна.

В некотором роде термохимические реакции можно рассматривать как смену фазового состояния смеси реагентов, и проблемы здесь возникают примерно те же – пока не найдено дешевой, безопасной и эффективной смеси веществ, успешно действующей подобным образом в диапазоне температур от +25°С до +70°С.

Зато существуют аналогичные высокоэффективные высокотемпературные процессы. Но они требуют специального оборудования и технологий, а также особой осторожности, поскольку, как правило, связаны с легковоспламеняющимися веществами и другими опасностями. Поэтому они рассматриваются в отдельном разделе химических накопителей энергии.²

3) Химические накопители энергии. Этот класс накопления энергии стоит рассмотреть отдельно, поскольку такие процессы часто позволяют получать энергию как в том виде, из которого она запасалась, так и в любом другом. Можно выделить «топливные» и «бестопливные» разновидности. В отличие от низкотемпературных термохимических накопителей, которые могут запасать энергию, всего лишь находясь в достаточно теплом месте, здесь не обойтись без специальных технологий и высокотехнологичного оборудования.

1. Накопление энергии наработкой топлива. На этапе накопления энергии происходит химическая реакция, в результате которой восстанавливается топливо. Например, из воды выделяется водород прямым электролизом, в электрохимических ячейках с использованием катализатора или прямым термическим разложением с помощью, скажем, сконцентрированного солнечного света. «Освободившийся» окислитель может быть собран отдельно (для кислорода это необходимо в условиях замкнутого изолированного объекта – под водой или в космосе) либо за ненадобностью «выброшен», поскольку в момент использования топлива этого окислителя будет вполне достаточно в окружающей среде.

На этапе извлечения энергии наработанное топливо окисляется с выделением энергии непосредственно в нужной форме, независимо от того, каким способом было получено это топливо. Например, водород может дать сразу тепло (при сжигании в горелке), механическую энергию (при подаче его в качестве топлива в двигатель внутреннего сгорания или турбину) или электричество (при его окислении в топливной ячейке).

Этот способ очень привлекателен независимостью этапов накопления энергии («зарядки») и ее использования («разрядки»), высокой удельной емкостью запасаемой в топливе энергии и возможностью длительного ее хранения. А при обеспечении должной герметичности емкостей энергия может храниться многие годы. Однако широкому распространению данного способа препятствует неполная отработанность и дороговизна технологии, высокая пожаро- и взрывоопасность на всех стадиях работы с таким топливом, и, как следствие, необходимость высокой квалификации персонала при обслуживании и эксплуатации этих систем. ¹

Пример накопителя энергии: электролизер (аппарат для электролиза, состоящий из наполненного электролитом сосуда и расположенных в нем электродов). ²

2. Бестопливное химическое накопление энергии. В данном случае на этапе «зарядки» из одних химических веществ образуются другие, и в ходе этого процесса в образующихся новых химических связях запасается энергия (скажем, гашеная известь при помощи нагрева переводится в негашеное состояние). При «разрядке» происходит обратная реакция, сопровождаемая выделением ранее запасенной энергии (обычно в виде тепла, иногда дополнительно в виде газа, который можно подать в турбину) – в частности, именно это имеет место при «гашении» извести водой.

По сути, это разновидность термохимической реакции, однако в отличие от низкотемпературных реакций, описанных при рассмотрении тепловых накопителей энергии и не требующих каких-то особых условий, здесь речь идет о температурах во многие сотни, а то и тысячи градусов. В результате количество энергии, запасаемой в каждом килограмме рабочего вещества, существенно возрастает, однако и оборудование во много раз сложнее, объемнее и дороже, чем простой бак для реагентов.

Необходимость расхода дополнительного вещества – в данном случае воды для гашения извести – не является существенным недостатком (при необходимости можно собрать воду, выделяющуюся из рабочего вещества при переводе извести в негашеное состояние). А вот особые условия хранения этой самой негашеной извести, нарушение которых может привести к взрыву, окончательно переводят этот и ему подобные способы в разряд тех, которые вряд ли найдут широкое применение. ¹

Пример: саморазогревающаяся банка кофе. Стоит только удалить защитную пленку, нажать кнопку в торце банки, и ее содержимое нагреется до 63°С. Нагрев займет 3 минуты, а горячим напиток останется минут тридцать. ²

4) Электрические накопители энергии.

Электричество – наиболее удобная и универсальная форма энергии в современном мире. Поэтому именно накопители электрической энергии являются наиболее быстро развивающимся классом устройств накопления энергии. К сожалению, в большинстве случаев удельная емкость недорогих устройств невелика, а устройства с высокой удельной ёмкостью слишком дороги для хранения больших запасов энергии при массовом применении.

1. Накопление энергии в конденсаторах. Самые простые «электрические» накопители энергии – это обычные радиотехнические конденсаторы. Они обладают огромной скоростью накопления и отдачи энергии – как правило, от нескольких тысяч до многих миллиардов полных циклов в секунду, и способны в широком диапазоне температур работать в таком режиме многие годы, а то и десятилетия. Объединяя несколько конденсаторов параллельно, легко можно увеличить их суммарную емкость до нужной величины.

Однако есть у них и два недостатка – относительно малая удельная плотность запасаемой энергии и потому небольшая (относительно других видов накопителей) емкость и малое время хранения – максимум несколько часов, а для некоторых моделей – лишь доли секунды. В результате область применения конденсаторов ограничивается выпрямлением, коррекцией и фильтрацией тока в силовой электротехнике и различными электронными схемами.

2. Ионисторы. Их в некотором роде можно рассматривать как переходную ветвь от электролитических конденсаторов к электрохимическим аккумуляторам. От первых они унаследовали большое число циклов заряда-разряда, а от вторых – относительно невысокие токи зарядки и разрядки (цикл полной зарядки-разрядки обычно длится несколько секунд, а то и намного дольше). Емкость их также находится в диапазоне от наиболее емких конденсаторов до небольших аккумуляторов – обычно запас энергии составляет от единиц до нескольких сотен джоулей. Дополнительно следует отметить достаточно высокую чувствительность ионисторов к температуре и ограниченное время хранения заряда – несколько часов, максимум несколько суток.

3. Электрохимические аккумуляторы. Они были изобретены еще на этапе развития электротехники, и сейчас их можно встретить повсюду – мобильные телефоны, самолеты, корабли. Как правило, при необходимости запасать достаточно большую энергию – от нескольких сотен кДж и более – используются свинцовые аккумуляторы (пример – любой автомобиль). Однако они имеют немалые габариты и, главное, вес. Если же требуется относительно небольшая емкость и мобильность устройства, то используются более современные типы аккумуляторов – металл-гидридные, литий-ионные, полимер-ионные и другие. Они имеют гораздо более высокую удельную емкость, однако и удельная стоимость хранения энергии у них заметно выше, поэтому их применение обычно ограничивается относительно экономичными устройствами – мобильными телефонами, различными камерами и ноутбуками.

Недостатки аккумуляторов – ограниченное число циклов заряда-разряда (обычно 1-2 тысячи, а при несоблюдении рекомендаций производителей – гораздо меньше), чувствительность к температуре, длительное время заряда, обычно в несколько раз превышающее время разряда и необходимость соблюдения методики использования (недопущение глубокого разряда для свинцовых аккумуляторов и, наоборот, необходимость соблюдения полного цикла заряда-разряда для металл-гидридных аккумуляторов). Время хранения заряда также обычно довольно ограничено – от нескольких суток до нескольких месяцев. ¹

5) Другие типы накопителей энергии. Помимо описанных выше, есть и другие типы накопителей энергии. Однако в настоящее время они весьма ограничены по плотности запасаемой энергии и времени ее хранения при высокой удельной стоимости. Поэтому пока они применяются не столь широко, а их эксплуатация в сколько-нибудь серьезных целях не рассматривается. Примером являются фосфоресцирующие краски, запасающие энергию от яркого источника света и затем светящиеся в течение нескольких секунд, а то и долгих минут. Многие их современные модификации давно уже не содержат фосфора и вполне безопасны даже для использования в детских игрушках. ¹

Так, например, Lumen Fosfor - акриловая водорастворимая фосфоресцирующая краска, способная излучать поглощенный ранее свет. ² Также есть фосфоресцирующие изделия, представляющие собой полимеры, в которые введены фосфоресцирующие люминофоры. В качестве полимеров служат поликарбонат, полиэтилен, полипропилен, полистирол. Яркость послесвечения люминофора составляет не менее 0,3 мкд/м² и сохраняется в течение 420 минут и более. Данные изделия могут быть использованы в качестве светящихся указателей на плавающих предметах. ³