Pneumatski akumulator energije. Koji uređaj za skladištenje energije je energetski najintenzivniji? Energetski kapacitet gravitacionih uređaja za skladištenje energije

Autonomni inženjeri se često pitaju kako prikupiti, uskladištiti i iskoristiti “dodatnu” energiju. Postoji nekoliko razloga za pojavu nedovoljno prikupljenih kW - prevelika količina SB, faze punjenja koje ne koriste sistem 100%, nepotrebno sunčanih dana, odsustvo vlasnika kuće itd.
Najlakši način su baterije. Ovisno o vjerskim uvjerenjima, mogu biti različiti: olovno-kiseli, alkalni, nikl-kadmijum, “lifer” itd. Ali u svakom slučaju, dio baterije je taj koji čini 50% (vjerovatnije 60%) troškova konačnog kWh Dakle, svi plesovi su usredsređeni oko njih, dragi moji.
Negdje u odeljku je napomenuto da se razvojni put baterijske tehnologije nije razvijao prema scenariju koji su potrebne alternative - efikasnosti sa relativno malim dimenzijama. Međutim, u privatnoj kući u kojoj nema električnih mreža često ima puno zemlje. Ova ideja proizlazi iz jednostavne činjenice – mnogi ljudi žele pobjeći od gradske vreve i kupiti parcele često ne samo daleko od gradova, i izvan velike koncentracije ljudi, već i daleko od civilizacije kao takve, gdje nema komunikacija, pa čak i struja. Zato alternativci vrlo često imaju takvu vrstu resursa kao što je prostor. Ono što tradicionalne tehnologije baterija ne uzimaju u obzir. Dakle, možete potražiti netradicionalne. AndreyNS, pokrenuo je nekoliko tema o ovom pitanju i time mi dao ideju da tražim opcije.
Postoji mnogo super alternativnih načina za uštedu alternativne energije ne u tradicionalnim računima.
A jedan od njih koji sam odlučio predstaviti je... pneumatski akumulator!
Princip je jednostavan - višak električne energije tokom dana pretvara se u komprimovani vazduh pomoću kompresora. Zatim ga po potrebi puštamo preko pneumatskog motora, koji rotira generator koji puni baterije noću, u slučaju SB, ili u mirnim uslovima, u slučaju VG.
To izgleda otprilike ovako:

Mislim da je princip jasan većini mojih kolega.
Princip je princip, ali mene prvenstveno zanima ekonomska opravdanost ovakvog tipa akumulatora. Pitam se koliko košta energija pohranjena na ovaj način i može li se takmičiti sa tradicionalnim metodama.
Da bih to učinio, malo sam istražio koliko košta u smislu pneumoakusa. Radi praktičnosti i lakšeg sagledavanja, sve cijene će biti u dolarima, a izostavićemo i neke sitnice kao što su žice, cijevi itd. Međutim, u proračun sam uključio kompresor, zračni motor i gen.
Dakle.
1. Najvažniji je kapacitet. Ovo je najskuplji dio pneumoacc-a, ali i najizdržljiviji i najpouzdaniji s gotovo neograničenim radnim satima, ciklusima ili godinama. Na internetu sam pronašao polovan rezervoar za gas od 16 kubika. za oko 2 hiljade dolara.
2. Kompresor. Postoji mnogo opcija. Od automobilskih sa podmazivanjem i hlađenjem do poluindustrijskih, da tako kažem, „za građevinarstvo“. ja biram nova glava(imamo kontejner), sa karakteristikama koje su mi potrebne - oko 80$. Postoji opcija sa kompresorima za MAZ-KAMAZ, jeftiniji je i pouzdaniji, ali ne daju potreban pritisak (do 16 atmosfera).
3. Pneumatski motor. Na internetu sam našao gotovu za 250W sa protokom od 6,67 l/sec. Za to nema cijene, tako da ćemo raditi s cijenama pneumatskih alata. Nova bušilica ili brusilica košta oko 25 dolara.
4. Generator. Najstvarniji je auto iz, recimo, vaze. Novo 80$, rabljeno 35. Procijenjeni broj sati motora od 15k.
Kratak opis konkretnog sistema. Kompresor ima kapacitet od 300-400 l/min, što mu omogućava da napuni kontejner za 10 sati. Pneumatski motor troši 6,67 l/sec, odnosno 24 kubna metra. u jedan sat. Kapacitet od 16 kubnih metara, pumpan do 16 atm, dovoljan je za 10,7 sati. To jest, imamo 10,7 sati x 250W = 2,675 kW. Ovo je otprilike uporedivo sa automobilskom baterijom od 225 Ah. Tačnije, sa jednim, 100% ciklusom. U mom sistemu ima oko 250 dana viška električne energije godišnje, što znači da imamo 250 ciklusa godišnje.
Trošak normalnog auto računa, minus metal, je oko 200 dolara. Ali može raditi maksimalno 250 ciklusa pri 100% pražnjenju.
Drugim riječima, ovaj pneumatski sistem za stvaranje skladišta zamjenjuje 1 automobilsku bateriju godišnje. Ili 200 dolara godišnje.
Sada na naš pneumoacc.
1. Kapacitet. Životno vrijeme od 50 godina. Zapravo, uz redovno farbanje, potrebno je 500 ili 5000 godina, ali uzmimo 50 i da ne računamo boju. To znači da dijelimo 2000 $ (njegov trošak) sa 50 i dobijemo oko 40 $ godišnje.
2. Kompresor. Uzmimo vijek trajanja na 10.000 sati motora. U skladu s tim, 10.000 podijelimo sa 250 ciklusa i sa 10 sati (rad u svakom ciklusu) dobijemo 4 godine. Podijelite 80 dolara sa 4 da dobijete 20 dolara godišnje.
3. Pneumatski motor. Vijek trajanja jeftinih pneumatskih alata iz trgovine ne može se razumno procijeniti. Ipak, računajmo to kao 10.000 sati motora, uzimajući u obzir mogućnost kupovine dobar alat korišten jeftino. Daljnjih 10000 / 250 dana / 10 sati dobijamo iste 4 godine. 25 dolara se ne može podijeliti sa četiri, ali mi ćemo podijeliti i dobiti 6 dolara godišnje.
4. Gen. Vijek trajanja motora je oko 20 hiljada motor-sati (i nemojte se svađati sa mnom!). 20000 / 250 /10 = 8 godina ili 10 USD godišnje.

Ukupno imamo:
1. 40$
2. 20$
3. 6$
4. 10$
-
76 dolara godišnje.
Odnosno, posjedovanje takvog pneumatskog akumulativno-generirajućeg sistema je skoro 3 puta jeftinije od kupovine 1 automobilske baterije godišnje!
I još nisam dodao posebno punjenje električnoj bateriji, što joj je nesumnjivo potrebno.
Samo tako.
Ove kalkulacije su me, blago rečeno, iznenadile. Naravno, nema efikasnosti - pumpamo 1,5 - 2 kW, dobijemo 200-250, ali meni lično ovo odgovara.
Možete pokušati izračunati malo drugačije: pneumatska baterija generira noću direktno na bateriju i možete otprilike procijeniti koliko će se smanjiti dubina pražnjenja i, shodno tome, koliko rjeđe trebate mijenjati električnu bateriju, i shodno tome, šta ekonomska efikasnost ovu ideju.
Ako se sistem poveća za 2-10 puta, efikasnost će se, u teoriji, još više poboljšati.
Čini se da je vrijeme za početak eksperimenata u punom obimu. Imam skoro sve iz kompleta, osim pneumatskog motora, ali ću ga ili kupiti za 50 grivna (6 dolara) ili ću, što je skuplje, zamoliti nekoga na privremeno korištenje.

Lanac tehnološkog ciklusa proizvodnje električne energije nužno uključuje takvu kariku kao što je uređaj za skladištenje (baterija). IN tradicionalnim načinima U proizvodnji električne energije rezerve energije se akumuliraju u preliminarnom, “neelektričnom” obliku, a ova karika, jedinica za skladištenje energije, nalazi se direktno ispred elektrogeneratora.

Akumulacija hidroelektrane je projektovana za akumulaciju potencijalna energija riječne vode u gravitacionom polju Zemlje, podižući je na određenu visinu uz pomoć brane. Termoelektrana akumulira u svojim skladištima rezerve čvrstog ili tečnog goriva neophodne za nesmetan rad ili snabdeva prirodnim gasom kroz cjevovod čija kalorijska vrijednost garantuje potrebnu rezervu energije. Reaktorske šipke nuklearnih elektrana predstavljaju zalihe nuklearnog goriva koje ima određeni resurs nuklearne energije dostupan za korištenje.

Režim konstantne snage dostupan je za sve navedene tipove generatora struje. Količina proizvedene energije je regulisana u širokim granicama zavisno od nivoa trenutne potrošnje energije. Alternativni izvori (vjetar, plima, geotermalna energija, solarna energija) ne mogu garantirati konstantna snaga generator na potrebnom ovog trenutka nivo. Uređaj za skladištenje, prema tome, nije toliko skladište resursa koliko uređaj za prigušivanje, čineći potrošnju energije manje zavisnom od fluktuacija snage izvora. Energija izvora se akumulira u uređaju za skladištenje, a kasnije se po potrebi troši u obliku električna energija. Štaviše, njegova cijena uvelike ovisi o cijeni pogona.

Karakteristična karakteristika uređaja za skladištenje u alternativnim izvorima energije je da se energija akumulirana u njemu može potrošiti u druge svrhe. Na primjer, uz njihovu pomoć mogu se generirati jaka i super-jaka magnetna polja.

Jedinice mjerenja energije prihvaćene u fizici i energiji i odnosi između njih: 1 kWh, odnosno 1000 W 3600 s - isto kao 3,6 MJ. Prema tome, 1 MJ je ekvivalentan 1/3,6 kWh, odnosno 0,278 kWh

Neki uobičajeni uređaji za skladištenje energije:

Odmah da rezervišemo: ova recenzija nije puna klasifikacija uređaji za skladištenje koji se koriste u energetskom sektoru, osim onih o kojima se ovdje govori, postoje termalni, opružni, indukcijski i razne druge vrste uređaja za pohranu energije.

1. Skladištenje tipa kondenzatora

Energija koju pohranjuje kondenzator od 1 F na naponu od 220 V je: E = CU2 /2 = 1 2202 /2 kJ = 24 200 J = 0,0242 MJ ~ 6,73 Wh. Težina jednog takvog elektrolitskog kondenzatora može doseći 120 kg. Ispostavilo se da je specifična energija po jedinici mase nešto više od 0,2 kJ/kg. Rad pogona na sat moguć je uz opterećenje unutar 7 W. Elektrolitički kondenzatori mogu trajati do 20 godina. Ionistori (superkondenzatori) imaju veliku gustinu energije i snage (oko 13 Wh/l = 46,8 kJ/l i do 6 kW/l, respektivno), sa resursom od oko 1 milion ciklusa punjenja. Neosporna prednost kondenzatorskog uređaja za pohranu je mogućnost korištenja akumulirane energije u kratkom vremenskom periodu.

2. Uređaji za skladištenje gravitacionog tipa

Uređaji za skladištenje energije tipa zabijač šipova pohranjuju energiju pri podizanju zabijača od 2 tone ili više na visinu od oko 4 m. Kretanje pokretnog dijela zabijača šipova oslobađa potencijalnu energiju tijela, prenoseći je na električni generator. Količina proizvedene energije E = mgh u idealnom slučaju (bez uzimanja u obzir gubitaka zbog trenja) bit će ~ 2000 10 4 kJ = 80 kJ ~ 22,24 Wh. Specifična energija po jedinici mase žene copra ispada jednaka 0,04 kJ/kg. U roku od sat vremena, pogon je u stanju da obezbedi opterećenje do 22 W. Očekivani vijek trajanja mehanički dizajn prelazi 20 godina. Energija koju tijelo akumulira u gravitacionom polju također se može potrošiti u kratkom vremenskom periodu, što je prednost ove opcije.

Hidraulični akumulator koristi energiju vode (težine oko 8-10 tona) koja se pumpa iz bunara u rezervoar vodotornja. U obrnutom kretanju, pod uticajem gravitacije, voda rotira turbinu električnog generatora. Konvencionalna vakuum pumpa može lako pumpati vodu do visine do 10 m. Pohranjena energija je E = mgh ~ 10000 8 10 J = 0,8 MJ = 0,223 kW sat. Specifična energija po jedinici mase je jednaka 0,08 kJ/kg. Opterećenje koje osigurava pogon za sat vremena je unutar 225 W. Pogon može trajati 20 godina ili duže. Vetromotor može direktno pokretati pumpu (bez pretvaranja energije u električnu energiju, što je povezano sa određenim gubicima), a voda u rezervoaru tornja može se po potrebi koristiti za druge potrebe.

3. Skladištenje zasnovano na zamašnjaku

Kinetička energija rotirajućeg zamajca određuje se na sljedeći način: E = J w2/2, J znači unutrašnji moment inercije metalnog cilindra (pošto se rotira oko ose simetrije), w je kutna brzina rotacije.

Sa radijusom R i visinom H, cilindar ima moment inercije:

J = M R^2 /2 = pi * p R^4 H/2

gdje je p gustina metala - materijala cilindra, proizvod pi* R^2 H je njegova zapremina.

Maksimalno moguće linearna brzina tačke na površini cilindra Vmax (oko 200 m/s za čelični zamašnjak).

Vmax = wmax*R, odakle je wmax = Vmax/R

Maksimalna moguća energija rotacije Emax = J wmax^2/2 = 0,25 pi*p R2^2 H V2max = 0,25 M Vmax^2

Energija po jedinici mase je: Emax/M = 0,25 Vmax^2

Specifična energija ako je cilindrični zamašnjak napravljen od čelika, to će biti oko 10 kJ/kg. Zamašnjak težine 200 kg (sa linearnim dimenzijama H = 0,2 m, R = 0,2 m) skladišti energiju Emax = 0,25 pi 8000 0,22 0,2 ​​2002 ~ 2 MJ ~ 0,556 kWh. Maksimalno opterećenje zamašnjaka za sat vremena ne utiče na uređaj za skladištenje preko 560 W. Zamajac može trajati 20 godina ili više. Prednosti: brzo oslobađanje akumulirane energije, mogućnost značajnog poboljšanja karakteristika odabirom materijala i promjenom geometrijske karakteristike zamajac.

4. Skladištenje u obliku hemijske baterije (olovno-kiselinske)

Klasična punjiva baterija, kapaciteta 190 Ah pri izlaznom naponu od 12 V i 50% pražnjenja, sposobna je isporučiti struju od oko 10 A tokom 9 sati. Oslobođena energija će biti 10 A 12 V 9 h = 1,08 kWh, ili približno 3,9 MJ po ciklusu. Uzimajući masu baterije jednaku 65 kg, imamo specifičnu energiju od 60 kJ/kg. Maksimalno opterećenje koje baterija može pružiti za sat vremena ne prelazi 1080 W. Garantni period Vijek trajanja visokokvalitetnih baterija je 3 - 5 godina, ovisno o intenzitetu korištenja. Moguće je direktno primati električnu energiju iz baterije sa izlaznom strujom koja dostiže hiljade ampera, sa izlaznim naponom od 12 V, što odgovara automobilskom standardu. Mnogi uređaji dizajnirani za konstantni napon od 12 V kompatibilni su s baterijom; dostupni su pretvarači 12/220 V različite izlazne snage.

5. Skladište pneumatskog tipa

Vazduh koji se upumpava u čelični rezervoar zapremine 1 kubni metar do pritiska od 40 atmosfera obavlja rad u uslovima izotermnog širenja. Rad A koji izvrši idealan gas pod uslovima T=const određuje se prema formuli:

A = (M / mu) R T ln (V2 / V1)

Ovdje je M masa plina, mu je masa 1 mola istog plina, R = 8,31 J/(mol K), T je temperatura izračunata na apsolutnoj Kelvinovoj skali, V1 i V2 su početna i konačna zapremina koju zauzima gas (pri ovome V2 / V1 = 40 kada se proširi na atmosferski pritisak unutar rezervoara). Za izotermno širenje vrijedi Boyle-Marriott zakon: P1V1 = P2 V2. Uzmimo T = 298 0K (250C) Za vazduh M / mu ~ 40: 0,0224 = 1785,6 mola supstance, gas radi A = 1785,6 8,31 298 ln 50 ~ 16 MJ ~ 4,45 kWh po ciklusu. Zidovi rezervoara, dizajnirani za pritisak od 40-50 atmosfera, moraju imati debljinu od najmanje 5 mm, pa će stoga masa uređaja za skladištenje biti oko 250 kg. Specifična energija koju čuva ovaj pneumatski uređaj za skladištenje biće jednaka 64 kJ/kg. Maksimalna snaga koju obezbeđuje pneumatski akumulator tokom jednog sata rada biće 4,5 kW. Zagarantovan životni vijek, kao i većina pogona zasnovanih na performansama mehanički rad njihovi strukturni dijelovi su stari od 20 godina. Prednosti ovog tipa skladišta: mogućnost lociranja rezervoara pod zemljom; rezervoar može biti standard plinski cilindar Uz korištenje odgovarajuće opreme, vjetroturbina je sposobna direktno prenijeti kretanje na pumpu kompresora. Osim toga, mnogi uređaji direktno koriste pohranjenu energiju komprimiranog zraka u spremniku.

U zbirnoj tabeli predstavljamo parametre razmatranih tipova uređaja za skladištenje energije:

Ekologija znanja Nauka i tehnologija: U kontekstu aktivnog razvoja novih tehnologija u energetskom sektoru, uređaji za skladištenje električne energije su poznati trend. Ovo je kvalitetno rješenje problema nestanka struje ili potpunog nedostatka energije.

postoji pitanje: „Koji način skladištenja energije je poželjniji u datoj situaciji?“. Na primjer, koji način skladištenja energije trebam odabrati za privatnu kuću ili vikendicu opremljenu solarnom ili vjetroinstalacijom? Očigledno, u ovom slučaju niko neće graditi veliku pumpnu stanicu, ali je moguće ugraditi veliki rezervoar, podižući ga na visinu od 10 metara. Ali hoće li takva instalacija biti dovoljna za održavanje stalnog napajanja u nedostatku sunca?

Da bismo odgovorili na pitanja koja se postavljaju, potrebno je razviti neke kriterije za ocjenjivanje baterija koji će nam omogućiti da dobijemo objektivne procjene. A da biste to učinili, morate uzeti u obzir različite parametre pogona koji vam omogućavaju da dobijete numeričke procjene.

Kapacitet ili akumulirani naboj?

Kada govore ili pišu o automobilskim baterijama, često spominju vrijednost koja se zove kapacitet baterije i izražena je u amper-satima (za male baterije - u miliamper-satima). Ali, strogo govoreći, amper-sat nije jedinica kapaciteta. U električnoj teoriji, kapacitivnost se mjeri u faradima. A amper-sat je mjerna jedinica naboja! Odnosno, akumulirano punjenje treba smatrati (i tako nazvati) karakteristikom baterije.

U fizici se naboj mjeri u kulonima. Kulon je količina naelektrisanja koja prolazi kroz provodnik pri struji od 1 ampera u jednoj sekundi. Pošto je 1 C/s jednako 1 A, onda, pretvaranjem sati u sekunde, nalazimo da će jedan amper-sat biti jednak 3600 C.

Treba napomenuti da je čak i iz definicije kulona jasno da naelektrisanje karakteriše određeni proces, odnosno proces prolaska struje kroz provodnik. Ista stvar proizlazi čak i iz naziva druge veličine: jedan amper-sat je kada struja od jednog ampera teče kroz provodnik jedan sat.

Na prvi pogled može izgledati da ovdje postoji neka vrsta nedosljednosti. Uostalom, ako govorimo o očuvanju energije, tada energiju akumuliranu u bilo kojoj bateriji treba mjeriti u džulima, budući da je džul u fizici jedinica mjerenja energije. Ali zapamtimo da struja u vodiču nastaje samo kada postoji razlika potencijala na krajevima vodiča, odnosno napon se primjenjuje na vodič. Ako je napon na terminalima baterije 1 volt i kroz provodnik teče punjenje od jednog amper sata, nalazimo da je baterija isporučila 1 V · 1 Ah = 1 Wh energije.

Dakle, u odnosu na baterije, ispravnije je govoriti o akumuliranoj energiji (pohranjenoj energiji) ili akumuliranom (pohranjenom) naelektrisanju. Ipak, budući da je pojam “kapacitet baterije” raširen i nekako poznatiji, mi ćemo ga koristiti, ali uz pojašnjenje, naime, govorit ćemo o energetskom kapacitetu.

Energetski kapacitet - energija koju daje potpuno napunjena baterija kada se isprazni do najniže dozvoljene vrijednosti.

Koristeći ovaj koncept, pokušat ćemo približno izračunati i uporediti energetski kapacitet razne vrste uređaji za skladištenje energije.

Energetski kapacitet hemijskih baterija

Napunjeno električna baterija s deklariranim kapacitetom (punjenjem) od 1 Ah, teoretski je sposoban osigurati struju od 1 ampera za jedan sat (ili, na primjer, 10 A za 0,1 sat, ili 0,1 A za 10 sati). Ali prevelika struja pražnjenja baterije dovodi do manje efikasne isporuke energije, što nelinearno smanjuje vrijeme rada s takvom strujom i može dovesti do pregrijavanja. U praksi se kapacitet baterije izračunava na osnovu 20-satnog ciklusa pražnjenja do konačnog napona. Za automobilske akumulatore, to je 10,8 V. Na primjer, natpis na naljepnici baterije "55 Ah" znači da je sposoban isporučiti struju od 2,75 ampera tokom 20 sati, a napon na terminalima neće pasti ispod 10,8 IN .

Proizvođači baterija često ukazuju tehničke specifikacije njihovih proizvoda, uskladištena energija u Wh (Wh), a ne pohranjeno punjenje u mAh (mAh), što, općenito govoreći, nije tačno. Izračunavanje uskladištene energije iz uskladištenog naboja nije lako u opštem slučaju: potrebna je integracija trenutnu snagu, koju izdaje baterija za cijelo vrijeme njenog pražnjenja. Ako veća tačnost nije potrebna, umjesto integracije, možete koristiti prosječne vrijednosti napona i potrošnje struje i koristiti formulu:

1 Wh = 1 V 1 Ah.

To jest, pohranjena energija (u Wh) je približno jednaka umnošku pohranjenog naboja (u Ah) i prosječnog napona (u voltima): E = q · U. Na primjer, ako je kapacitet (u uobičajenom smislu) 12-voltne baterije naveden kao 60 Ah, tada će pohranjena energija, odnosno njen energetski kapacitet biti 720 W sati.

Energetski kapacitet gravitacionih uređaja za skladištenje energije

U bilo kom udžbeniku fizike možete pročitati da se rad A koji izvrši neka sila F prilikom podizanja tijela mase m na visinu h izračunava po formuli A = m · g · h, gdje je g ubrzanje gravitacije. Ova formula se odvija u slučaju kada se tijelo kreće sporo i sile trenja se mogu zanemariti. Rad protiv gravitacije ne ovisi o tome kako podižemo tijelo: okomito (kao uteg na satu), duž nagnute ravni (kao kada vučemo sanke uz planinu) ili na bilo koji drugi način.

U svim slučajevima rad A = m · g · h. Prilikom spuštanja tijela na prvobitni nivo, sila gravitacije će proizvesti isti rad koji je utrošila sila F da podigne tijelo. To znači da pri podizanju tijela imamo pohranjen rad jednak m · g · h, tj. podignuto tijelo ima energiju jednaku proizvodu sile teže koja djeluje na ovo tijelo i visine na koju je podignuto. Ova energija ne zavisi od putanje kojom se izdizao, već je određena samo položajem tela (visinom na koju je podignuto ili visinskom razlikom između početnog i konačnog položaja tela) i iznosi naziva potencijalnom energijom.

Koristeći ovu formulu, procijenimo energetski kapacitet mase vode upumpane u rezervoar kapaciteta 1000 litara, podignut 10 metara iznad nivoa tla (ili nivoa turbine hidrogeneratora). Pretpostavimo da rezervoar ima oblik kocke sa dužinom ivice od 1 m. Tada je, prema formuli u Landsbergovom udžbeniku, A = 1000 kg · (9,8 m/s2) · 10,5 m = 102900 kg · m2/ s2. Ali 1 kg m2/s2 je jednak 1 džulu, a kada se pretvori u vat sati, dobijamo samo 28.583 vat sati. Odnosno, da biste dobili energetski kapacitet jednak kapacitetu konvencionalne električne baterije od 720 vat-sati, potrebno je povećati volumen vode u spremniku za 25,2 puta.

Rezervoar treba da ima dužinu rebra od približno 3 metra. Istovremeno, njegov energetski kapacitet će biti jednak 845 vat-sati. Ovo je više od kapaciteta jedne baterije, ali je instalacioni volumen znatno veći od veličine konvencionalnog olovno-cink akumulatora. Ovo poređenje sugeriše da ima smisla uzeti u obzir ne uskladištenu energiju u određenom sistemu – energiju po sebi, već u odnosu na masu ili zapreminu sistema u pitanju.

Specifični energetski kapacitet

Tako smo došli do zaključka da je preporučljivo povezati energetski kapacitet s masom ili zapreminom uređaja za skladištenje, ili samog nosača, na primjer, vode ulivene u spremnik. Mogu se uzeti u obzir dva indikatora ove vrste.

Specifični kapacitet energije za masu ćemo nazivati ​​energetskim kapacitetom uređaja za pohranu podijeljen s masom ovog uređaja za skladištenje.

Volumetrijski specifični energetski kapacitet bit će energetski kapacitet uređaja za pohranu podijeljen sa zapreminom ovog uređaja za skladištenje.

Primjer. Olovna baterija Panasonic LC-X1265P, dizajnirana za 12 volti, ima punjenje od 65 amper-sati, teška je 20 kg. i dimenzije (DxŠxV) 350 · 166 · 175 mm. Njegov radni vek pri t = 20 C je 10 godina. Tako će njegov maseni specifični energetski intenzitet biti 65 · 12 / 20 = 39 vat-sati po kilogramu, a zapreminski specifični energetski intenzitet 65 · 12 / (3,5 · 1,66 · 1,75) = 76,7 vat-sati po kubnom decimetru ili 0,0767 kWh per kubni metar.

Za diskusiju u prethodni odeljak voziti gravitaciona energija na osnovu rezervoara za vodu zapremine 1000 litara, specifični maseni energetski intenzitet će biti samo 28,583 vat-sati/1000 kg = 0,0286 Wh/kg, što je 1363 puta manje od masenog energetskog intenziteta olovno-cink baterije. I iako je vijek trajanja gravitaciono skladištenje može ispasti znatno veći, ali s praktične tačke gledišta, tenk izgleda manje atraktivan od baterije.

Pogledajmo još nekoliko primjera uređaja za skladištenje energije i procijenimo njihov specifični energetski intenzitet.

Energetski kapacitet akumulatora topline

Toplotni kapacitet je količina toplote koju tijelo apsorbira kada se zagrije za 1 °C. U zavisnosti od toga kojoj kvantitativnoj jedinici pripada toplotni kapacitet, razlikuju se maseni, zapreminski i molarni toplotni kapacitet.

Specifični toplinski kapacitet mase, koji se jednostavno naziva i specifični toplinski kapacitet, je količina topline koja se mora unijeti po jedinici mase tvari da bi se zagrijala po jediničnoj temperaturi. U SI se mjeri u džulima podijeljeno s kilogramima po kelvinu (J kg−1 K−1).

Volumetrijski toplinski kapacitet je količina topline koja se mora dostaviti jedinici volumena tvari da bi se zagrijala po jediničnoj temperaturi. U SI se mjeri u džulima po kubnom metru po kelvinu (J m−3 K−1).

Molarni toplotni kapacitet je količina toplote koja se mora predati 1 molu supstance da bi se zagrejala po jediničnoj temperaturi. U SI se mjeri u džulima po molu po kelvinu (J/(mol K)).

Mol je mjerna jedinica za količinu supstance u Međunarodnom sistemu jedinica. Mol je količina supstance u sistemu koja sadrži istu količinu strukturni elementi, koliko atoma ima u ugljiku-12 težine 0,012 kg.

Na specifični toplinski kapacitet utječu temperatura tvari i drugi termodinamički parametri. Na primjer, mjerenje specifičnog toplotnog kapaciteta vode će dati različiti rezultati na 20 °C i 60 °C. Osim toga, specifični toplinski kapacitet ovisi o tome kako se termodinamički parametri tvari (pritisak, volumen, itd.) smiju mijenjati; na primjer, specifični toplinski kapacitet pri konstantnom pritisku (CP) i pri konstantnoj zapremini (CV) su općenito različiti.

Prenos materije sa jednog stanje agregacije na drugu je praćena naglom promjenom toplotnog kapaciteta na određenoj temperaturnoj tački transformacije za svaku supstancu - tački taljenja (prijelaza solidan u tečnost), tačka ključanja (prelazak tečnosti u gas) i, shodno tome, temperature obrnutih transformacija: smrzavanja i kondenzacije.

Specifični toplotni kapaciteti mnogih supstanci su dati u referentnim knjigama, obično za proces pri konstantnom pritisku. Na primjer, specifični toplinski kapacitet tečna voda at normalnim uslovima- 4200 J/(kg K); led - 2100 J/(kg K).

Na osnovu prikazanih podataka možete pokušati procijeniti toplinski kapacitet vodenog akumulatora topline (sažetak). Pretpostavimo da je masa vode u njemu 1000 kg (litara). Zagrijemo ga na 80°C i pustimo da odaje toplotu dok se ne ohladi na 30°C. Ako se ne zamarate činjenicom da je toplinski kapacitet različit na različite temperature, možemo pretpostaviti da će akumulator topline osloboditi 4200 * 1000 * 50 J topline. Odnosno, energetski kapacitet takvog akumulatora topline je 210 megadžula ili 58,333 kilovat-sati energije.

Ako ovu vrijednost uporedimo sa energetskim punjenjem konvencionalne automobilske baterije (720 vat-sati), vidimo da je energetski kapacitet dotičnog termalnog akumulatora jednak energetskom kapacitetu približno 810 električnih baterija.

Specifični maseni energetski intenzitet takvog akumulatora topline (čak i bez uzimanja u obzir mase posude u kojoj će se zagrijana voda zapravo skladištiti i mase toplinske izolacije) iznosit će 58,3 kWh/1000 kg = 58,3 Wh/kg. Već se ispostavilo da je to više od masenog energetskog intenziteta olovno-cink baterije, jednak, kako je gore izračunato, 39 Wh/kg.

Prema grubim procjenama, akumulator topline je uporediv sa konvencionalnim auto akumulator i zapreminskim specifičnim energetskim kapacitetom, budući da je kilogram vode decimetar zapremine, stoga je i njen volumetrijski specifični energetski kapacitet jednak 76,7 Wh/kg, što se tačno poklapa sa zapreminskim specifičnim toplotnim kapacitetom olovno-kiselinske baterije. Istina, u proračunu za akumulator topline uzeli smo u obzir samo zapreminu vode, iako bi također bilo potrebno uzeti u obzir volumen spremnika i toplinsku izolaciju. Ali u svakom slučaju, gubitak neće biti tako velik kao za gravitacijski uređaj za pohranu.

Druge vrste uređaja za skladištenje energije

Članak „Pregled uređaja za skladištenje energije (akumulatora)“ daje proračune specifičnog energetskog intenziteta još nekih uređaja za skladištenje energije. Pozajmimo neke primjere odatle

Skladištenje kondenzatora

Sa kapacitetom kondenzatora od 1 F i naponom od 250 V, uskladištena energija će biti: E = CU2 /2 = 1 ∙ 2502 /2 = 31,25 kJ ~ 8,69 W h. Ako koristite elektrolitičke kondenzatore, njihova težina može biti 120 kg. Specifična energija uređaja za skladištenje je 0,26 kJ/kg ili 0,072 W/kg. Tokom rada, pogon može osigurati opterećenje od najviše 9 W za sat vremena. Životno vrijeme elektrolitički kondenzatori može dostići 20 godina. Po gustini uskladištene energije, jonistori su bliski hemijskim baterije. Prednosti: akumulirana energija se može iskoristiti u kratkom vremenskom periodu.

Akumulatori tipa gravitacionog pogona

Prvo podižemo tijelo teško 2000 kg na visinu od 5 m. Zatim se tijelo spušta pod utjecajem gravitacije, rotirajući električni generator. E = mgh ~ 2000 ∙ 10 ∙ 5 = 100 kJ ~ 27,8 W h. Specifični energetski kapacitet 0,0138 W h/kg. Tokom rada, pogon može osigurati opterećenje od najviše 28 W za sat vremena. Vijek trajanja pogona može biti 20 godina ili više.

Prednosti: akumulirana energija se može iskoristiti u kratkom vremenskom periodu.

Zamašnjak

Energija pohranjena u zamašnjaku može se pronaći pomoću formule E = 0,5 J w2, gdje je J moment inercije rotirajućeg tijela. Za cilindar poluprečnika R i visine H:

J = 0,5 p r R4 H

gdje je r gustina materijala od kojeg je cilindar napravljen.

Ograničite linearnu brzinu na periferiji zamašnjaka Vmax (približno 200 m/s za čelik).

Vmax = wmax R ili wmax = Vmax /R

Tada je Emax = 0,5 J w2max = 0,25 p r R2 H V2max = 0,25 M V2max

Specifična energija će biti: Emax /M = 0,25 V2max

Za čelični cilindrični zamašnjak, maksimalni sadržaj specifične energije je približno 10 kJ/kg. Za zamajac težine 100 kg (R = 0,2 m, H = 0,1 m), maksimalna akumulirana energija može biti 0,25 ∙ 3,14 ∙ 8000 ∙ 0,22 ∙ 0,1 ∙ 2002 ~ 1 MJ7 kW ~ 0. Tokom rada, pogon može osigurati opterećenje od najviše 280 W za sat vremena. Vijek trajanja zamašnjaka može biti 20 godina ili više. Prednosti: akumulirana energija se može koristiti u kratkom vremenskom periodu, performanse se mogu značajno poboljšati.

Super zamajac

Super zamašnjak, za razliku od konvencionalnih zamašnjaka, je sposoban karakteristike dizajna teoretski pohranjuju do 500 Wh po kilogramu težine. Međutim, iz nekog razloga je razvoj superzamašnjaka stao.

Pneumatski akumulator

Zrak pod pritiskom od 50 atmosfera upumpava se u čelični rezervoar kapaciteta 1 m3. Da bi izdržali ovaj pritisak, zidovi rezervoara moraju biti debljine približno 5 mm. Komprimirani zrak radila posao. U izotermnom procesu, rad A koji je izvršio idealni gas prilikom širenja u atmosferu određen je formulom:

A = (M / m) ∙ R ∙ T ∙ ln (V2 / V1)

gdje je M masa gasa, m - molarna masa gas, R - univerzalna gasna konstanta, T - apsolutna temperatura, V1 - početna zapremina gasa, V2 - konačna zapremina gasa. Uzimajući u obzir jednadžbu stanja idealnog gasa (P1 ∙ V1 = P2 ∙ V2) za ovu implementaciju uređaja za skladištenje V2 / V1 = 50, R = 8,31 J/(mol deg), T = 293 0K, M / m ~ 50: 0,0224 ~ 2232, rad gasa tokom ekspanzije 2232 ∙ 8,31 ∙ 293 ∙ ln 50 ~ 20 MJ ~ 5,56 kW · sat po ciklusu. Masa pogona je oko 250 kg. Specifična energija će biti 80 kJ/kg. Tokom rada, pneumatski uređaj za skladištenje može osigurati opterećenje od najviše 5,5 kW za sat vremena. Životno vrijeme pneumatski akumulator može biti 20 godina ili više.

Prednosti: rezervoar za skladištenje može se nalaziti pod zemljom, standardne plinske boce u potrebnoj količini sa odgovarajućom opremom mogu se koristiti kao rezervoar, kada se koristi vjetromotor, ovaj drugi može direktno pokretati pumpu kompresora, ima dovoljno veliki broj uređaji koji direktno koriste energiju komprimovanog zraka.

Tabela poređenja nekih uređaja za skladištenje energije

Hajde da sumiramo sve gore navedene vrijednosti parametara skladištenja energije u zbirnu tabelu. Ali prvo, napominjemo da nam specifični energetski intenzitet omogućava upoređivanje uređaja za skladištenje s konvencionalnim gorivom.

Glavna karakteristika goriva je njegova toplota sagorevanja, tj. količina toplote koja se oslobađa tokom potpunog sagorevanja. Pravi se razlika između specifične toplote sagorevanja (MJ/kg) i zapreminske toplote (MJ/m3). Preračunavanjem MJ u kWh dobijamo:

Kao što vidimo, specifični energetski intenzitet goriva značajno premašuje energetski intenzitet uređaja za skladištenje energije. Jer kao rezervni izvor energije se često koriste dizel generatori, u konačnu tabelu ćemo uključiti energetski intenzitet dizel goriva koji je jednak 42624 kJ/kg ili 11,84 kW-sati/kg. I dodajmo prirodni plin i vodonik za usporedbu, jer potonji može poslužiti i kao osnova za stvaranje uređaja za skladištenje energije.

Specifični maseni energetski sadržaj plina u bocama (propan-butan) je 36 mJ/kg. ili 10 kWh/kg, a za vodonik - 33,58 kWh/kg.

Kao rezultat, dobijamo sljedeću tablicu s parametrima razmatranih uređaja za pohranu energije (posljednja dva reda u ovoj tabeli dodana su za usporedbu s tradicionalnim nosiocima energije):

Brojke date u ovoj tabeli su vrlo približne; proračuni ne uzimaju u obzir mnoge faktore, na primjer, koeficijent korisna akcija generator koji koristi uskladištenu energiju, zapremine i težine potrebnu opremu i tako dalje. Međutim, ove brojke dozvoljavaju, po mom mišljenju, da se da inicijalna procjena potencijalnog energetskog intenziteta razne vrste uređaji za skladištenje energije.

I, kao što slijedi iz gornje tabele, najviše efektan izgled Uređaj za skladištenje je predstavljen cilindrom sa vodonikom. Ako se “besplatna” (višak) energija iz obnovljivih izvora koristi za proizvodnju vodika, tada se uređaj za skladištenje vodika može pokazati kao najperspektivniji.

Vodonik može se koristiti kao gorivo u konvencionalnom motoru sa unutrašnjim sagorevanjem, koji će rotirati električni generator, ili u vodiku gorivne ćelije koji direktno proizvode električnu energiju. Pitanje koja metoda je isplativija zahtijeva odvojeno razmatranje. Pa, sigurnosni problemi u proizvodnji i korištenju vodika mogu napraviti prilagodbe kada se razmatra izvodljivost korištenja jedne ili druge vrste uređaja za pohranu energije. objavljeno

Pridružite nam se

Najjednostavniji takav akumulator je obična plinska boca, u koju se, u trenutku vršne proizvodnje električne energije, pumpa zrak ispod kompresora. visokog pritiska. Kada proizvodnja energije opadne ili, obrnuto, njena potrošnja naglo raste, ventil se otvara i komprimirani zrak koji izlazi vrti turbinu generatora. Ispostavilo se da je efikasnost takve instalacije relativno mala, ali s obzirom na činjenicu da često na vrhuncu proizvodnje energija jednostavno odlazi u otpad, zagrijavajući okolni prostor, ni ovaj dodatak ne treba zanemariti.

Kako možete povećati efikasnost i smanjiti relativne troškove takvog sistema? U postavci tzv Komprimirani zrak Skladištenje energije(CAES), prvi su ga izgradile Sjedinjene Države 1991. godine u McIntoshu, Alabama. Prirodna podzemna slana pećina se koristi kao rezervoar. Sloj soli ne propušta zrak, čak ni ispod visokog pritiska- sitna zrna, slana prašina zatvara i najmanje pukotine koje se mogu pojaviti u debljini formacije. Vazduh u pećinu zapremine 538 hiljada kubnih metara. pumpa kompresorom do pritiska od 77 atmosfera. Kada se potrošnja energije na mreži neočekivano poveća, zrak izlazi i oslobađa struju u sistem. Vrijeme pražnjenja rezervoara na niži radni tlak od 46 atm je 26 sati, pri čemu stanica proizvodi 110 MW snage.

Kako povećati efikasnost sistema? Komprimirani zrak ne okreće rotor sam od sebe, već se miješa sa prirodni gas i ulazi u gasnu turbinu. Večina Snaga plinske turbine (do dvije trećine) obično se troši na pogon kompresora, koji u nju pumpa zrak - tu ostvarujemo značajne uštede. Dodatno, prije ulaska u turbinu, zrak se zagrijava u izmjenjivaču toplote (rekuperatoru) sa produktima sagorevanja, što takođe povećava efikasnost.

Ukupno, kao što je tradicionalna gasna turbina, ova šema obezbeđuje smanjenje potrošnje gasa za 60...70%, brz start iz hladnog stanja (nekoliko minuta) i Dobar posao pri malim opterećenjima. Izgradnja stanice Mcntosh trajala je 30 mjeseci i koštala je 65 miliona dolara (čak i uprkos prisustvu prirodne slane pećine).

Pored projekta u Alabami, 1978. godine u Huntorfu, Nemci su pokrenuli skladište od 290 MW (2 sata rada) u dve slane pećine na dubini od 600...800 m sa opsegom pritiska od 50... 70 atmosfera. Skladište je prvobitno služilo kao vruća rezerva za industriju u sjeverozapadnoj Njemačkoj, a sada se koristi za ublažavanje pikova proizvodnje vjetroelektrana.

U sovjetsko vrijeme planirana je izgradnja u Donbasu pneumatski akumulator na 1050 MW, ali nažalost, kao i mnogi projekti tih godina, sve je ostalo na papiru.

Pa, video od programera projekta.