13. Аккумулирование и передача энергии на расстояние.

В противоположность энергетике на традиционном топливе получаемая из окружающей среды мощность возобновляемых источников нам не подконтрольна. Энергию необходимо накапливать для последующего использования. Способы аккумулирования самые различные: химические, тепловые, электрические, в форме потенциальной или кинетической энергии.

Химическое аккумулирование.

Водород. Может быть получен путём электролиза воды с помощью любого источника тока. В виде газа он может быть накоплен, передан на расстояние и сожжён для получения тепловой энергии. Единственным продуктом сгорания водорода является вода.

Аккумулирование тепла.

Использование низкотемпературного тепла составляет существенную часть мирового потребления энергии. Для обогрева жилищ больше подходят пассивные приёмники солнечного тепла в сочетании с тепловыми аккумуляторами. Тепловой баланс аккумулятора определяется соотношением:

m*c*∂T_s/∂T= - (T_s–T_a)/R, (12.6.)

где с – теплоёмкость;

R– термическое сопротивление между аккумулятором и окружающей средой. Решение имеет вид:

(Т_s–T_a)/(T_s(o) –T_a) =exp( -t/(m*c*R)), (12.7.)

откуда следует, что

t= 1.3m*c*R. (12.8.)

Свинцово – кислотные батареи.

Устройство, допускающее как поглощение, так и выдачу электроэнергии, называют электрическим аккумулятором. Электрические аккумуляторы являются существенной частью почти всех небольших ветроэнергетических установок. Обычно напряжение отдельного элемента свинцово – кислотного аккумулятора равно 2 В. На практике нельзя допускать разряда аккумулятора более, чем на 50% от запасённой энергии, в противном случае он будет разрушаться.

Механическое аккумулирование.

Вода. Гидроаккумулирующие станции (ГАЭС) используют два резервуара – верхний 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.

Маховики.

Кинетическая энергия вращающегося тела:

Е = J*ω²/2, (12.9.)

где J– момент инерции тела относительно его оси вращения, см⁴;

ω – угловая скорость, рад/с.

В простейшем случае, когда масса сконцентрирована на ободе радиусом г=a,

J=m*a². Для однородного диска той же массы момент инерции в два раза меньше, так как масса распределена ближе к оси. Плотность энергии, запасаемая однородным диском:

W_m=E/m=a²*ω²/2. (12.10.)

Для того, чтобы использовать маховик в качестве аккумулятора энергии, 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 ρ максимальное разрывающее напряжение:

_{σмакс = ρ*ω2*а2. (12.11.)}

_{Для маховика обычной формы момент инерции чаще всего описывается выражением J=K*m*a2/2, где К – константа, примерно равная 1. Т.о.}

_{Wm=K*a2*ω2/2, (12.12.)}

_{и Wmмакс=К*σмакс/(2ρ) (12.13.)}

Широко используемая для этого сталь не позволяет получить высокую плотность энергии. Более высокую плотность энергии можно получить при использовании стеклокомпозитных материалов. Подобные устройства позволяют получить плотность энергии до 0,5 МДж/кг (лучше, чем у свинцово – кислотного аккумулятора).