На uCrazy 12 лет 6 месяцев
Новые технологии накопления энергии
Сегодня, когда развитие альтернативной энергетики становится все более активным, а также все больше энергии требуется для мобильных потребителей - крайне актуальным является вопрос аккумулирования электроэнергии. Давайте рассмотрим новые направления в области аккумулирования энергии.
Ambri
Ambri - одна из самых известных новинок в области аккумулирования энергии. Ранее этот аккумуляторный стартап назывался Liquid Battery Metal. Компанию-разработчика основал профессор Don Sadoway (Массачусетский технологический институт). Этот проект получал инвестиции от таких филантропов как Винод Хосл и Билл Гейтс. Технология Ambri основана на использовании расплава солей, который размещается между двумя слоями жидкого металла. Батареи выполнены в виде модульной системы, ячейки которой размещены в контейнере длиной чуть больше 12 метров. Максимальная мощность, выдаваемая этим аккумулятором, составляет 500 кВт, а емкость аккумулятора - 2 МВт. Для увеличения мощности/емкости можно включать несколько систем совместно. Планируемая дата промышленной реализации - 2й квартал 2014 года.
Imprint Energy
Использовав цинк вместо лития и применив технологию трафаретной печати, компания Imprint Energy предложила ультратонкую батарею, при этом еще и гибкую. Батарея имеет относительно высокую емкость при достаточно низкой стоимости производства.
Благодаря малой толщине и гибкости батарей, компания-разработчик надеется заинтересовать своей технологией производителей мобильных устройств. При этом уже осуществляются поставки батарей первым клиентам, а дальше планируется значительное увеличение производства.
Alveo energy
Почти год назад компания Alveo energy предложила разработку и коммерциализацию батарей сделанных из обычной воды и берлинской глазури, краски, которая используется для окрашивания одежды (например, джинсов). Предложенные аккумуляторы имеют очень низкую стоимость, однако при этом служат длительное время. Исследователи, которые предложили данную технологию (студент Стэнфордского университета Колин Вессел и профессор Роберт Хаггинс), получили грант на 4 млн. долларов от Департамента энергетики США.
Pellion
Компания Pellion сконцентрировала усилия на поиске идеального химического состава для аккумулятора. Используя самые современные алгоритмы и компьютерные модели, разработчики протестировали более 10.000 потенциальных катодных материалов, подбирая наиболее подходящий вариант для магниевых анодов своих батарей. Gerbrand Ceder (профессор Массачусетского технологического института и сооснователь Pellion), принимал участие в проекте по разработке материалов генома в родном институте, программа которого, основана на использовании компьютерного и виртуального моделирования. Промышленная реализация этих аккумуляторов также осуществляется при поддержке Департамента энергетики США, а также Khosla Ventures.
QuantumScape
QuantumScape - молодой стартап, разработанный в Кремниевой долине. При разработке этих аккумуляторов используются материалы исследований Стэндфордского университета. Это принципиально новый тип батарей, которые используют энергию движущихся электронов, а не ионов. Планируется широкое применение подобных аккумуляторов в электромобилях и системах автономного энергоснабжения.
Envia Systems
В феврале 2012 г. американской компанией Envia Systems была представлена батарея с повышенной энергетической емкостью - до 400 ватт-часов на килограмм. Используя такой аккумулятор, электромобиль может проехать в среднем около 500 км. Цена такого аккумулятора будет составлять от $ 25000 до $ 30000. Разработчиков поддерживают: General Motors, Pangaea Ventures, Redpoint Ventures, японский гигант Asahi Kasei, и Министерство энергетики США.
Sila Nanotechnologies
В 2011 году была основана компания Sila Nanotechnologies. Ее специалисты разрабатывают легкий и максимально компактный литий-ионный аккумулятор, имеющий емкость, превышающую емкость сегодняшних литий-ионных батарей как минимум в два раза. Sila Nanotechnologies получила грант на $ 1,73 млн. Данные аккумуляторы ориентируют на использование в переносных устройствах, однако не исключена разработка подобных батарей для электромобилей.
Boulder Ionics
Компания разрабатывает электролиты из ионных жидкостей со специальными свойствами. Аккумуляторы, изготовленные с использованием разработок Boulder Ionics, могут функционировать при более высоких температурах и напряжениях, обладая при этом более низкой стоимости.
Prieto Battery
Главным разработчиком Prieto Battery является профессор химии Эми Прието. Компания планирует выпуск литий-ионного аккумулятора, который можно зарядить за пять минут! При этом время разрядки - в пять раз дольше, чем у стандартных на сегодня литий-ионных батарей. Для достижения таких показателей используются нанотехнологии - крошечные медные нанопроволоки, из которых изготавливают анод батарею. Электролит же сделан в виде твердого полимера.
Sakti3
Sakti3 - детище компании из Мичигана, которая разрабатывает инновационный литий-ионный аккумулятор. Электролит такого аккумулятора находится в полностью твердом состоянии, и имеет высокую плотность энергии. Использование твердых полимеров подразумевает отсутствие легковоспламеняющихся жидкостей в конструкции аккумулятора. А это гораздо безопаснее для электрических автомобилей. Компанию поддерживают: GM Ventures, Khosla Ventures и Itochu.
Xilectric
В основе работы аккумуляторов Xilectric лежит принцип "Батареи Эдисона" (которая традиционно изготавливается из никеля и железа). Но при изготовлении Xilectric используется магний и алюминий. Аккумулятор Xilectric способен заряжаться и разряжаться почти в 1000 раз эффективней. Прототип сверхбыстрого аккумулятора заряжается за 2 минуты!
Однако емкость прототипа пока слишком мала для использования в качестве автономного источника энергии. Но такие батареи уже сейчас можно использовать в качестве "помощи" литий-ионным аккумуляторам, давая им реальный прирост мощности в моменты быстрого ускорения и торможения. Кроме того, такие аккумуляторы, используя в своей конструкции дешевые и безопасные материалы, привлекательны для электрохимического хранения энергии.
Amprius
Исследователь Yi Cui из Стэнфорда предложил использовать для литий-ионной батареи Amprius наноструктурированный кремний в качестве анода. Наноструктурированный кремний позволяет уменьшить размеры анода в четыре раза, при четырехкратном увеличении емкости. Компания уже получила 25 миллионов долларов от инвесторов.
Теперь рассмотрим Аккумуляторы различных видов
Цепочка технологического цикла производства электроэнергии с необходимостью включает такое звено, как накопитель (аккумулятор). В традиционных способах генерации электроэнергии энергетические запасы накапливаются в предварительном, "не электрическом" виде, и это звено - накопитель энергии, находится непосредственно перед электрогенератором.
Водохранилище гидроэлектростанции призвано накапливать потенциальную энергию речной воды в гравитационном поле Земли, поднимая ее на некоторую высоту при помощи плотины. Тепловая электростанция аккумулирует в своих хранилищах необходимые для бесперебойной работы запасы твердого или жидкого топлива, либо осуществляет поставку по трубопроводу природного газа, теплотворная способность которого гарантирует требуемый запас энергии. Стержни реакторов атомных электростанций представляют собой запас ядерного топлива, обладающего определенным ресурсом доступной для использования ядерной энергии.
Режим постоянной мощности доступен для всех приведенных типов генераторов электроэнергии. Количество производимой энергии регулируется при этом в широких пределах в зависимости от уровня насущного энергопотребления. Альтернативные источники (энергия ветра, приливов, геотермальных источников, солнечная энергия) не могут обеспечить гарантированную постоянную мощность генератора на требуемом в данный момент уровне. Накопитель, поэтому, является здесь не столько хранилищем ресурсов, сколько демпфирующим устройством, делающим энергопотребление менее зависимым от колебаний мощности источника . Энергия источника аккумулируется в накопителе, а позже расходуется, по мере надобности, в виде электрической энергии. При этом ее цена во многом зависит от стоимости накопителя.
Характерной чертой накопителя в альтернативных источниках энергии является еще и то, что аккумулированная в нем энергия может расходоваться на другие цели. Так, например, при их помощи могут быть генерированы сильные и сверхсильные магнитные поля.
Принятые в физике и энергетике единицы измерения энергии и соотношения между ними:1 кВт * ч , или 1000 Вт * 3600 с - то же, что и 3.6 МДж. Соответственно 1 МДж эквивалентен 1/3,6 кВт * ч , или 0.278 кВт * ч
Некоторые распространенные накопители энергии:
Сразу оговоримся: приведенный обзор - не полная классификация применяемых в энергетике накопителей, помимо рассматриваемых здесь существуют тепловые, пружинные, индукционные, многообразные иные типы накопителей энергии.
Накопитель конденсаторного типа
Энергия, запасенная конденсатором емкостью 1 Ф при напряжении 220 В , составляет: E = CU2 /2 = 1 * 2202 /2 кДж = 24 200 Дж = 0,0242 МДж ~ 6.73 Вт * ч. Масса одного такого электролитического конденсатора может достигать 120 кг. Приходящаяся на единицу массы удельная энергия оказывается равной чуть более 0,2 кДж/кг. Часовая работа накопителя возможна при нагрузке в пределах 7 Вт. Электролитические конденсаторы могут прослужить до 20 лет. Ионисторы (суперконденсаторы) имеют большую плотность энергии и мощности (порядка 13 Вт * ч /л = 46,8 кДж/л и до 6 кВт/л соответственно) , при ресурсе около 1 млн. циклов подзарядки. Неоспоримым достоинством конденсаторного накопителя является возможность использования аккумулированной энергии за краткий промежуток времени.
Накопители гравитационного типа
Накопители энергии копрового типа запасают энергию при подъеме бабы копра массой 2т и более на высоту около 4 м. Движение подвижной части копра высвобождает потенциальную энергию тела, сообщая ее электрогенератору. Количество произведенной энергии E = mgh в идеальном случае (без учета потерь на трение) составит ~ 2000 * 10 * 4 кДж = 80 кДж ~ 22,24 Вт * ч. Приходящаяся на единицу массы бабы копра удельная энергия оказывается равной 0.04 кДж/кг. В течение часа накопитель способен обеспечить нагрузку до 22 Вт. Ожидаемый срок службы механической конструкции превосходит 20 лет. Накопленная телом в гравитационном поле энергия также может быть израсходована в короткий промежуток времени, что является достоинством данного варианта.
Гидравлический накопитель использует энергию воды (массой порядка 8-10 т) накачанной из колодца в емкость водонапорной башни. В обратном движении под действием силы тяжести вода вращает турбину электрогенератора. Обычный вакуумный насос без проблем позволяет закачать воду на высоту до 10 м. Запасенная при этом энергия E = mgh ~ 10000 * 8 * 10 Дж = 0,8 МДж = 0.223 кВт * час. Приходящаяся на единицу массы удельная энергия оказывается равной 0.08 кДж/кг. Нагрузка, обеспечиваемая накопителем в течение часа, находится в пределах 225 Вт. Накопитель может прослужить от 20 лет и дольше. Ветряной двигатель может напрямую приводить в действие насос (без преобразования энергии в электрическую, что сопряжено с определенными потерями), вода в емкости вышки при необходимости может быть использована в иных нуждах.
Накопитель на основе маховика
Кинетическая энергия вращающегося маховика определяется следующим образом: E = J w2/2, под J подразумевается собственный момент инерции металлического цилиндра (так как он вращается вокруг оси симметрии), w - угловая скорость вращения.
При радиусе R и высоте H цилиндр имеет момент инерции:
J = M R^2 /2 = pi * p R^4 H/2
где p - плотность металла - материала цилиндра, произведение pi* R^2 H - его объем.
Максимально возможная линейная скорость точек поверхности цилиндра Vmax (составляет порядка 200 м/с для стального маховика).
Vmax = wmax*R, откуда wmax = Vmax/R
Максимально возможная энергия вращения Emax = J wmax^2/2 = 0.25 pi*p R2^2 H V2max = 0.25 M Vmax^2
Приходящаяся на единицу массы энергия составляет: Emax/M = 0.25 Vmax^2
Удельная энергия в случае, если цилиндрический маховик сделан из стали, составит около 10 кДж/кг. Маховик массой 200 кг (с линейными размерами H = 0.2 м, R = 0.2 м) запасает энергию Emax = 0.25 * pi * 8000 * 0.22 * 0.2 * 2002 ~ 2 МДж ~ 0.556 кВт * ч. Максимальная нагрузка, обеспечиваемая накопителем-маховиком в течение часа не превосходит 560 Вт. Маховик вполне может прослужить 20 лет и более. Достоинства: быстрое высвобождение накопленной энергиии, возможность значительного улучшения характеристик путем подбора материала и изменения геометрических характеристик маховика.
Накопитель в виде химической аккумуляторной батареи (свинцово-кислотной)
Классическая аккумуляторная батарея, имея емкость 190 А * ч при напряжении на выходе 12 В и 50 % разрядке способна выдавать ток порядка 10 А в течение 9 часов. Высвобождаемая энергия составит 10 А* 12 В * 9 ч = 1.08 кВт * ч , или, приблизительно, 3.9 МДж за один цикл. Приняв массу батареи равной 65 кг, имеем удельную энергию 60 кДж/кг. Максимальная нагрузка, которую аккумулятор способен обеспечивать в течение часа не превосходит 1080 Вт. Гарантийный срок службы для качественной аккумуляторной батареи находится в пределах 3 - 5 лет, в зависимости от интенсивности эксплуатации. От аккумуляторной батареи возможно непосредственно получать электроэнергию с выходным током, достигающим тысячи ампер, при выходном напряжении 12 В, соответствующем автомобильному стандарту. С аккумулятором совместимы множество устройств, рассчитанных на постоянное напряжение 12 В, доступны преобразователи 12/220 В различные по мощности на выходе.
Накопитель пневматического типа
Воздух, закачанный в резервуар из стали объемом 1 кубометр до давления 40 атмосфер, совершает работу в условиях изотермического расширения. Работа A, совершаемая идеальным газом в условиях T=const, определяется согласно формуле:
A = (M / mu ) R T ln (V2 / V1 )
Здесь M - масса газа, mu - масса 1 моля того же газа, R = 8,31 Дж/(моль * К), T - температура, рассчитанная по абсолютной шкале Кельвина,V1 и V2- начальный и конечный объем, занимаемый газом (при этом V2 / V1 = 40 при расширении до атмосферного давления внутри резервуара). Для изотермического расширения справедлив закон Бойля-Мариотта: P1V1 = P2 V2 . Примем T = 298 0K (250С) Для воздуха M / mu ~ 40 : 0.0224 = 1785,6 молей вещества, газ совершает работу А= 1785,6 * 8.31 * 298 * ln 50 ~ 16 МДж ~ 4.45 кВт * ч за цикл. Стенки резервуара, рассчитанные на давление в 40-50 атмосфер, должны иметь толщину как минимум 5 мм, в связи с чем масса накопителя окажется порядка 250 кг. Запасенная данным пневматическим накопителем удельная энергия окажется равной 64 кДж/кг. Предельная мощность, обеспечиваемая пневматическим накопителем в течение часа работы, составит 4,5 кВт. Гарантированный срок службы, как и у большинства накопителей, основанных на выполнении механической работы их конструктивными частями, составляет от 20 лет. Преимущества данного типа накопителя: возможность расположения резервуара под землей; резервуаром может служить стандартный газовый баллон с использованием соответствующего оборудования, ветродвигатель способен непосредственно передавать движение насосу компрессора. Кроме того, многие устройства напрямую используют аккумулированную энергию сжатого в резервуаре воздуха.
Приведем параметры рассмотренных типов накопителей энергии в сводной таблице:
Также добавлю, что в последнее время, в различных интернет магазинах появились тритиевые брелоки. Они не очень дорогие, примерно 600 - 700 рублей. Именно такие брелки и будут использоваться в источнике энергии.
Принцип работы брелков очень прост. Имеется колба из стекла или поликарбоната (пластмассы). Колба внутри покрыта люминофором. И внутри нее находится тритиевый газ. Тритий - один из изотопов водорода, который в течение почти 24-х годов может распадаться на гелий и бета-излучение. Бета-излучение представляет собой поток нейтронов и электронов, а также небольшой части нейтрино.
Когда электроны попадают на люминофор, то вызывают его свечение. Этот видимый свет можно преобразовать в электричество. Для этого нам понадобятся: собственно колба с тритием, которую можно вытащить из брелка, пять зеркал, а также небольшая солнечная батарея. При извлечении колбы из брелка, главное - ее не разбить. Но колба прочная, так что это сделать будет нелегко.
Далее нам понадобится, какая либо емкость, например коробочка. Коробку можно склеить из картона или использовать пластмассовую из-под чего-либо. На самое дно коробки клеится зеркало. Затем, на это зеркало следует приклеить колбу. Клеить нужно прозрачным клеем, "монолит" или силикатным, так как оны прозрачные, и сквозь них будет проходить свет. Потом к нижнему зеркалу надо прикрепить 4 зеркала. Крепить их надо под углом 45 градусов к поверхности нижнего зеркала. Тогда они будут отражать свет, исходящий из боков колбы, и направлять его вверх. Следующим шагом станет приклеивание солнечной батареи.
Надо приклеить ее рабочей стороной к колбе. Тогда весь свет будет попадать на нее. Далее, надо скотчем заклеить все швы в этой конструкции. Для увеличения прочности этого "реактора", можно залить коробку клеем ПВА или эпоксидной смолой, не забыв вывести наружу провода от солнечной батареи.
Готово. Такой источник электроэнергии выдает примерно 1 милливатт и 3 вольта, что хватит на один светодиод. Чтобы зарядить мобильный телефон, надо соединить последовательно провода от пяти таких реакторов. Период полураспада трития равен примерно 12 лет, столько и проработает непрерывно эта конструкция, после чего, ее мощность упадет в два раза.
Ambri - одна из самых известных новинок в области аккумулирования энергии. Ранее этот аккумуляторный стартап назывался Liquid Battery Metal. Компанию-разработчика основал профессор Don Sadoway (Массачусетский технологический институт). Этот проект получал инвестиции от таких филантропов как Винод Хосл и Билл Гейтс. Технология Ambri основана на использовании расплава солей, который размещается между двумя слоями жидкого металла. Батареи выполнены в виде модульной системы, ячейки которой размещены в контейнере длиной чуть больше 12 метров. Максимальная мощность, выдаваемая этим аккумулятором, составляет 500 кВт, а емкость аккумулятора - 2 МВт. Для увеличения мощности/емкости можно включать несколько систем совместно. Планируемая дата промышленной реализации - 2й квартал 2014 года.
Imprint Energy
Использовав цинк вместо лития и применив технологию трафаретной печати, компания Imprint Energy предложила ультратонкую батарею, при этом еще и гибкую. Батарея имеет относительно высокую емкость при достаточно низкой стоимости производства.
Благодаря малой толщине и гибкости батарей, компания-разработчик надеется заинтересовать своей технологией производителей мобильных устройств. При этом уже осуществляются поставки батарей первым клиентам, а дальше планируется значительное увеличение производства.
Alveo energy
Почти год назад компания Alveo energy предложила разработку и коммерциализацию батарей сделанных из обычной воды и берлинской глазури, краски, которая используется для окрашивания одежды (например, джинсов). Предложенные аккумуляторы имеют очень низкую стоимость, однако при этом служат длительное время. Исследователи, которые предложили данную технологию (студент Стэнфордского университета Колин Вессел и профессор Роберт Хаггинс), получили грант на 4 млн. долларов от Департамента энергетики США.
Pellion
Компания Pellion сконцентрировала усилия на поиске идеального химического состава для аккумулятора. Используя самые современные алгоритмы и компьютерные модели, разработчики протестировали более 10.000 потенциальных катодных материалов, подбирая наиболее подходящий вариант для магниевых анодов своих батарей. Gerbrand Ceder (профессор Массачусетского технологического института и сооснователь Pellion), принимал участие в проекте по разработке материалов генома в родном институте, программа которого, основана на использовании компьютерного и виртуального моделирования. Промышленная реализация этих аккумуляторов также осуществляется при поддержке Департамента энергетики США, а также Khosla Ventures.
QuantumScape
QuantumScape - молодой стартап, разработанный в Кремниевой долине. При разработке этих аккумуляторов используются материалы исследований Стэндфордского университета. Это принципиально новый тип батарей, которые используют энергию движущихся электронов, а не ионов. Планируется широкое применение подобных аккумуляторов в электромобилях и системах автономного энергоснабжения.
Envia Systems
В феврале 2012 г. американской компанией Envia Systems была представлена батарея с повышенной энергетической емкостью - до 400 ватт-часов на килограмм. Используя такой аккумулятор, электромобиль может проехать в среднем около 500 км. Цена такого аккумулятора будет составлять от $ 25000 до $ 30000. Разработчиков поддерживают: General Motors, Pangaea Ventures, Redpoint Ventures, японский гигант Asahi Kasei, и Министерство энергетики США.
Sila Nanotechnologies
В 2011 году была основана компания Sila Nanotechnologies. Ее специалисты разрабатывают легкий и максимально компактный литий-ионный аккумулятор, имеющий емкость, превышающую емкость сегодняшних литий-ионных батарей как минимум в два раза. Sila Nanotechnologies получила грант на $ 1,73 млн. Данные аккумуляторы ориентируют на использование в переносных устройствах, однако не исключена разработка подобных батарей для электромобилей.
Boulder Ionics
Компания разрабатывает электролиты из ионных жидкостей со специальными свойствами. Аккумуляторы, изготовленные с использованием разработок Boulder Ionics, могут функционировать при более высоких температурах и напряжениях, обладая при этом более низкой стоимости.
Prieto Battery
Главным разработчиком Prieto Battery является профессор химии Эми Прието. Компания планирует выпуск литий-ионного аккумулятора, который можно зарядить за пять минут! При этом время разрядки - в пять раз дольше, чем у стандартных на сегодня литий-ионных батарей. Для достижения таких показателей используются нанотехнологии - крошечные медные нанопроволоки, из которых изготавливают анод батарею. Электролит же сделан в виде твердого полимера.
Sakti3
Sakti3 - детище компании из Мичигана, которая разрабатывает инновационный литий-ионный аккумулятор. Электролит такого аккумулятора находится в полностью твердом состоянии, и имеет высокую плотность энергии. Использование твердых полимеров подразумевает отсутствие легковоспламеняющихся жидкостей в конструкции аккумулятора. А это гораздо безопаснее для электрических автомобилей. Компанию поддерживают: GM Ventures, Khosla Ventures и Itochu.
Xilectric
В основе работы аккумуляторов Xilectric лежит принцип "Батареи Эдисона" (которая традиционно изготавливается из никеля и железа). Но при изготовлении Xilectric используется магний и алюминий. Аккумулятор Xilectric способен заряжаться и разряжаться почти в 1000 раз эффективней. Прототип сверхбыстрого аккумулятора заряжается за 2 минуты!
Однако емкость прототипа пока слишком мала для использования в качестве автономного источника энергии. Но такие батареи уже сейчас можно использовать в качестве "помощи" литий-ионным аккумуляторам, давая им реальный прирост мощности в моменты быстрого ускорения и торможения. Кроме того, такие аккумуляторы, используя в своей конструкции дешевые и безопасные материалы, привлекательны для электрохимического хранения энергии.
Amprius
Исследователь Yi Cui из Стэнфорда предложил использовать для литий-ионной батареи Amprius наноструктурированный кремний в качестве анода. Наноструктурированный кремний позволяет уменьшить размеры анода в четыре раза, при четырехкратном увеличении емкости. Компания уже получила 25 миллионов долларов от инвесторов.
Теперь рассмотрим Аккумуляторы различных видов
Цепочка технологического цикла производства электроэнергии с необходимостью включает такое звено, как накопитель (аккумулятор). В традиционных способах генерации электроэнергии энергетические запасы накапливаются в предварительном, "не электрическом" виде, и это звено - накопитель энергии, находится непосредственно перед электрогенератором.
Водохранилище гидроэлектростанции призвано накапливать потенциальную энергию речной воды в гравитационном поле Земли, поднимая ее на некоторую высоту при помощи плотины. Тепловая электростанция аккумулирует в своих хранилищах необходимые для бесперебойной работы запасы твердого или жидкого топлива, либо осуществляет поставку по трубопроводу природного газа, теплотворная способность которого гарантирует требуемый запас энергии. Стержни реакторов атомных электростанций представляют собой запас ядерного топлива, обладающего определенным ресурсом доступной для использования ядерной энергии.
Режим постоянной мощности доступен для всех приведенных типов генераторов электроэнергии. Количество производимой энергии регулируется при этом в широких пределах в зависимости от уровня насущного энергопотребления. Альтернативные источники (энергия ветра, приливов, геотермальных источников, солнечная энергия) не могут обеспечить гарантированную постоянную мощность генератора на требуемом в данный момент уровне. Накопитель, поэтому, является здесь не столько хранилищем ресурсов, сколько демпфирующим устройством, делающим энергопотребление менее зависимым от колебаний мощности источника . Энергия источника аккумулируется в накопителе, а позже расходуется, по мере надобности, в виде электрической энергии. При этом ее цена во многом зависит от стоимости накопителя.
Характерной чертой накопителя в альтернативных источниках энергии является еще и то, что аккумулированная в нем энергия может расходоваться на другие цели. Так, например, при их помощи могут быть генерированы сильные и сверхсильные магнитные поля.
Принятые в физике и энергетике единицы измерения энергии и соотношения между ними:1 кВт * ч , или 1000 Вт * 3600 с - то же, что и 3.6 МДж. Соответственно 1 МДж эквивалентен 1/3,6 кВт * ч , или 0.278 кВт * ч
Некоторые распространенные накопители энергии:
Сразу оговоримся: приведенный обзор - не полная классификация применяемых в энергетике накопителей, помимо рассматриваемых здесь существуют тепловые, пружинные, индукционные, многообразные иные типы накопителей энергии.
Накопитель конденсаторного типа
Энергия, запасенная конденсатором емкостью 1 Ф при напряжении 220 В , составляет: E = CU2 /2 = 1 * 2202 /2 кДж = 24 200 Дж = 0,0242 МДж ~ 6.73 Вт * ч. Масса одного такого электролитического конденсатора может достигать 120 кг. Приходящаяся на единицу массы удельная энергия оказывается равной чуть более 0,2 кДж/кг. Часовая работа накопителя возможна при нагрузке в пределах 7 Вт. Электролитические конденсаторы могут прослужить до 20 лет. Ионисторы (суперконденсаторы) имеют большую плотность энергии и мощности (порядка 13 Вт * ч /л = 46,8 кДж/л и до 6 кВт/л соответственно) , при ресурсе около 1 млн. циклов подзарядки. Неоспоримым достоинством конденсаторного накопителя является возможность использования аккумулированной энергии за краткий промежуток времени.
Накопители гравитационного типа
Накопители энергии копрового типа запасают энергию при подъеме бабы копра массой 2т и более на высоту около 4 м. Движение подвижной части копра высвобождает потенциальную энергию тела, сообщая ее электрогенератору. Количество произведенной энергии E = mgh в идеальном случае (без учета потерь на трение) составит ~ 2000 * 10 * 4 кДж = 80 кДж ~ 22,24 Вт * ч. Приходящаяся на единицу массы бабы копра удельная энергия оказывается равной 0.04 кДж/кг. В течение часа накопитель способен обеспечить нагрузку до 22 Вт. Ожидаемый срок службы механической конструкции превосходит 20 лет. Накопленная телом в гравитационном поле энергия также может быть израсходована в короткий промежуток времени, что является достоинством данного варианта.
Гидравлический накопитель использует энергию воды (массой порядка 8-10 т) накачанной из колодца в емкость водонапорной башни. В обратном движении под действием силы тяжести вода вращает турбину электрогенератора. Обычный вакуумный насос без проблем позволяет закачать воду на высоту до 10 м. Запасенная при этом энергия E = mgh ~ 10000 * 8 * 10 Дж = 0,8 МДж = 0.223 кВт * час. Приходящаяся на единицу массы удельная энергия оказывается равной 0.08 кДж/кг. Нагрузка, обеспечиваемая накопителем в течение часа, находится в пределах 225 Вт. Накопитель может прослужить от 20 лет и дольше. Ветряной двигатель может напрямую приводить в действие насос (без преобразования энергии в электрическую, что сопряжено с определенными потерями), вода в емкости вышки при необходимости может быть использована в иных нуждах.
Накопитель на основе маховика
Кинетическая энергия вращающегося маховика определяется следующим образом: E = J w2/2, под J подразумевается собственный момент инерции металлического цилиндра (так как он вращается вокруг оси симметрии), w - угловая скорость вращения.
При радиусе R и высоте H цилиндр имеет момент инерции:
J = M R^2 /2 = pi * p R^4 H/2
где p - плотность металла - материала цилиндра, произведение pi* R^2 H - его объем.
Максимально возможная линейная скорость точек поверхности цилиндра Vmax (составляет порядка 200 м/с для стального маховика).
Vmax = wmax*R, откуда wmax = Vmax/R
Максимально возможная энергия вращения Emax = J wmax^2/2 = 0.25 pi*p R2^2 H V2max = 0.25 M Vmax^2
Приходящаяся на единицу массы энергия составляет: Emax/M = 0.25 Vmax^2
Удельная энергия в случае, если цилиндрический маховик сделан из стали, составит около 10 кДж/кг. Маховик массой 200 кг (с линейными размерами H = 0.2 м, R = 0.2 м) запасает энергию Emax = 0.25 * pi * 8000 * 0.22 * 0.2 * 2002 ~ 2 МДж ~ 0.556 кВт * ч. Максимальная нагрузка, обеспечиваемая накопителем-маховиком в течение часа не превосходит 560 Вт. Маховик вполне может прослужить 20 лет и более. Достоинства: быстрое высвобождение накопленной энергиии, возможность значительного улучшения характеристик путем подбора материала и изменения геометрических характеристик маховика.
Накопитель в виде химической аккумуляторной батареи (свинцово-кислотной)
Классическая аккумуляторная батарея, имея емкость 190 А * ч при напряжении на выходе 12 В и 50 % разрядке способна выдавать ток порядка 10 А в течение 9 часов. Высвобождаемая энергия составит 10 А* 12 В * 9 ч = 1.08 кВт * ч , или, приблизительно, 3.9 МДж за один цикл. Приняв массу батареи равной 65 кг, имеем удельную энергию 60 кДж/кг. Максимальная нагрузка, которую аккумулятор способен обеспечивать в течение часа не превосходит 1080 Вт. Гарантийный срок службы для качественной аккумуляторной батареи находится в пределах 3 - 5 лет, в зависимости от интенсивности эксплуатации. От аккумуляторной батареи возможно непосредственно получать электроэнергию с выходным током, достигающим тысячи ампер, при выходном напряжении 12 В, соответствующем автомобильному стандарту. С аккумулятором совместимы множество устройств, рассчитанных на постоянное напряжение 12 В, доступны преобразователи 12/220 В различные по мощности на выходе.
Накопитель пневматического типа
Воздух, закачанный в резервуар из стали объемом 1 кубометр до давления 40 атмосфер, совершает работу в условиях изотермического расширения. Работа A, совершаемая идеальным газом в условиях T=const, определяется согласно формуле:
A = (M / mu ) R T ln (V2 / V1 )
Здесь M - масса газа, mu - масса 1 моля того же газа, R = 8,31 Дж/(моль * К), T - температура, рассчитанная по абсолютной шкале Кельвина,V1 и V2- начальный и конечный объем, занимаемый газом (при этом V2 / V1 = 40 при расширении до атмосферного давления внутри резервуара). Для изотермического расширения справедлив закон Бойля-Мариотта: P1V1 = P2 V2 . Примем T = 298 0K (250С) Для воздуха M / mu ~ 40 : 0.0224 = 1785,6 молей вещества, газ совершает работу А= 1785,6 * 8.31 * 298 * ln 50 ~ 16 МДж ~ 4.45 кВт * ч за цикл. Стенки резервуара, рассчитанные на давление в 40-50 атмосфер, должны иметь толщину как минимум 5 мм, в связи с чем масса накопителя окажется порядка 250 кг. Запасенная данным пневматическим накопителем удельная энергия окажется равной 64 кДж/кг. Предельная мощность, обеспечиваемая пневматическим накопителем в течение часа работы, составит 4,5 кВт. Гарантированный срок службы, как и у большинства накопителей, основанных на выполнении механической работы их конструктивными частями, составляет от 20 лет. Преимущества данного типа накопителя: возможность расположения резервуара под землей; резервуаром может служить стандартный газовый баллон с использованием соответствующего оборудования, ветродвигатель способен непосредственно передавать движение насосу компрессора. Кроме того, многие устройства напрямую используют аккумулированную энергию сжатого в резервуаре воздуха.
Приведем параметры рассмотренных типов накопителей энергии в сводной таблице:
Также добавлю, что в последнее время, в различных интернет магазинах появились тритиевые брелоки. Они не очень дорогие, примерно 600 - 700 рублей. Именно такие брелки и будут использоваться в источнике энергии.
Принцип работы брелков очень прост. Имеется колба из стекла или поликарбоната (пластмассы). Колба внутри покрыта люминофором. И внутри нее находится тритиевый газ. Тритий - один из изотопов водорода, который в течение почти 24-х годов может распадаться на гелий и бета-излучение. Бета-излучение представляет собой поток нейтронов и электронов, а также небольшой части нейтрино.
Когда электроны попадают на люминофор, то вызывают его свечение. Этот видимый свет можно преобразовать в электричество. Для этого нам понадобятся: собственно колба с тритием, которую можно вытащить из брелка, пять зеркал, а также небольшая солнечная батарея. При извлечении колбы из брелка, главное - ее не разбить. Но колба прочная, так что это сделать будет нелегко.
Далее нам понадобится, какая либо емкость, например коробочка. Коробку можно склеить из картона или использовать пластмассовую из-под чего-либо. На самое дно коробки клеится зеркало. Затем, на это зеркало следует приклеить колбу. Клеить нужно прозрачным клеем, "монолит" или силикатным, так как оны прозрачные, и сквозь них будет проходить свет. Потом к нижнему зеркалу надо прикрепить 4 зеркала. Крепить их надо под углом 45 градусов к поверхности нижнего зеркала. Тогда они будут отражать свет, исходящий из боков колбы, и направлять его вверх. Следующим шагом станет приклеивание солнечной батареи.
Надо приклеить ее рабочей стороной к колбе. Тогда весь свет будет попадать на нее. Далее, надо скотчем заклеить все швы в этой конструкции. Для увеличения прочности этого "реактора", можно залить коробку клеем ПВА или эпоксидной смолой, не забыв вывести наружу провода от солнечной батареи.
Готово. Такой источник электроэнергии выдает примерно 1 милливатт и 3 вольта, что хватит на один светодиод. Чтобы зарядить мобильный телефон, надо соединить последовательно провода от пяти таких реакторов. Период полураспада трития равен примерно 12 лет, столько и проработает непрерывно эта конструкция, после чего, ее мощность упадет в два раза.
Комментарии3
