Pnömatik enerji akümülatörü. Çeşitli tiplerde piller. Kimyasal pillerin enerji kapasitesi

Otonom mühendisler genellikle "ekstra" enerjiyi nasıl toplayacaklarını, depolayacaklarını ve kullanacaklarını merak ediyorlar. Yetersiz toplanan kW'ın ortaya çıkmasının birkaç nedeni vardır - aşırı miktarda SB, sistemi gereksiz yere% 100 kullanmayan şarj aşamaları güneşli günler, ev sahiplerinin yokluğu vb.
En kolay yol pillerdir. Dini inançlara bağlı olarak farklı olabilirler: kurşun-asit, alkalin, nikel-kadmiyum, “cankurtaran” vb. Ancak her durumda, pilin pil kısmı% 50'yi (daha büyük olasılıkla% 60) oluşturur. nihai kWh maliyetinin Bu nedenle, tüm danslar onların etrafında toplanmıştır sevgililerim.
Bölümün bir yerinde, pil teknolojisinin gelişim yolunun, alternatiflerin ihtiyaç duyduğu senaryoya göre gelişmediği, yani nispeten küçük boyutlarda verimlilik kaydedildiği belirtildi. Ancak elektrik şebekesinin bulunmadığı özel bir evde genellikle çok fazla arazi vardır. Bu fikir basit bir gerçekten kaynaklanıyor; pek çok insan şehrin gürültüsünden ve karmaşasından kaçmak istiyor ve genellikle sadece şehirlerden ve yoğun insan yoğunluğunun ötesinde değil, aynı zamanda uygarlıktan da uzakta, hiçbir şeyin olmadığı arsalar satın almak istiyor. iletişim ve hatta elektrik. Bu nedenle alternatifçiler çoğu zaman uzay gibi bir kaynağa sahiptir. Geleneksel pil teknolojilerinin dikkate almadığı şeyler. Böylece geleneksel olmayanları arayabilirsiniz. AndreyNS, bu konuyla ilgili birkaç konu başlattı ve böylece bana seçenekleri arama fikrini verdi.
Tasarruf etmenin birçok süper alternatif yolu var alternatif enerji geleneksel hesaplarda değil.
Ve tanıtmaya karar verdiğim bunlardan biri... pnömatik akümülatör!
Prensip basittir; gün içindeki fazla elektrik, bir kompresör kullanılarak basınçlı havaya dönüştürülür. Daha sonra, gerektiğinde, SB durumunda geceleri veya VG durumunda sakin koşullarda pilleri şarj eden bir jeneratörü döndüren pnömatik bir motor aracılığıyla onu serbest bırakıyoruz.
Şunun gibi bir şeye benziyor:

Prensipin meslektaşlarımın çoğu için açık olduğunu düşünüyorum.
Prensip prensiptir, ancak ben öncelikle bu tür pillerin ekonomik gerekçeleriyle ilgileniyorum. Bu şekilde depolanan enerjinin maliyetinin ne kadar olduğunu, geleneksel yöntemlerle rekabet edip edemeyeceğini merak ediyorum.
Bunun için pnömakkus açısından maliyeti nedir diye küçük bir araştırma yaptım. Kolaylık ve algılama kolaylığı açısından tüm fiyatlar dolar cinsinden olacak ve ayrıca kablo, boru vb. bazı küçük şeyleri de atlayacağız. Ancak hesaplamalara kompresörü, hava motorunu ve geni dahil ettim.
Bu yüzden.
1. En önemli şey kapasitedir. Bu, pnömoacc'ın en pahalı kısmıdır, fakat aynı zamanda neredeyse sınırsız motor saati, çevrimi veya yılı ile en dayanıklı ve güvenilir olanıdır. İnternette 16 metreküplük kullanılmış bir gaz tankı buldum. yaklaşık 2 bin dolar karşılığında.
2. Kompresör. Birçok seçenek var. Yağlama ve soğutmalı otomotivden yarı endüstriyel olanlara, tabiri caizse "inşaat için". Seçtim yeni kafa(bir konteynerimiz var), ihtiyacım olan özelliklere sahip - yaklaşık 80 dolar. MAZ-KAMAZ için kompresörlü bir seçenek var, daha ucuz ve daha güvenilir, ancak gerekli basıncı (16 atmosfere kadar) sağlamıyor.
3. Pnömatik motor. İnternette 6,67 l/sn akış hızına sahip 250W'lık hazır bir tane buldum. Bunun bir bedeli yok, dolayısıyla pnömatik aletler fiyatlarıyla çalışacağız. Yeni bir matkap veya öğütücünün maliyeti yaklaşık 25 dolardır.
4. Jeneratör. En gerçek olanı, örneğin bir vazodan yapılmış bir arabadır. Yeni 80 dolar, kullanılmış 35. 15 bin'den itibaren tahmini motor saati sayısı.
Belirli sistemin kısa açıklaması. Kompresörün kapasitesi 300-400 l/dak olup, bu da konteynerin 10 saatte pompalanmasına olanak sağlar. Pnömatik motor 6,67 l/sn veya 24 metreküp tüketir. 01:00 de. 16 atm'ye kadar pompalanan 16 metreküp kapasite 10,7 saat için yeterlidir. Yani 10,7 saat x 250W = 2,675 kW'a sahibiz. Bu kabaca 225 ah'lik bir araba aküsüne eşdeğerdir. Daha doğrusu, %100 tek döngüyle. Sistemimde yılda yaklaşık 250 gün elektrik fazlası oluyor, bu da yılda 250 çevrim yaptığımız anlamına geliyor.
Normal bir otomobil hesabının maliyeti, metal hariç, yaklaşık 200$'dır. Ancak %100 deşarjda maksimum 250 devir çalışabilir.
Başka bir deyişle, bu pnömatik depolama üreten sistem yılda 1 araba aküsünün yerini alıyor. Veya yılda 200 dolar.
Şimdi pnömoacc'ımıza geçelim.
1. Kapasite. Ömür 50 yaşından itibaren. Aslında normal boyamada 500 ya da 5000 yıl sürüyor ama 50'yi alıp boyayı saymayalım. Bu, 2000 $'ı (maliyeti) 50'ye böldüğümüz ve yılda yaklaşık 40 $ elde ettiğimiz anlamına gelir.
2. Kompresör. Servis ömrünü 10.000 motor saati olarak alalım. Buna göre 10.000'i 250 çevrime bölüyoruz ve 10 saate (her çevrimdeki çalışma) 4 yıl elde ediyoruz. Yıllık 20$ elde etmek için 80$'ı 4'e bölün.
3. Pnömatik motor. Bir mağazadan alınan ucuz pnömatik aletlerin hizmet ömrü sağlıklı bir şekilde değerlendirilemez. Ancak satın alma ihtimalini de göz önünde bulundurarak 10.000 motor saati olarak sayalım. iyi bir araç ucuza kullanılır. 10000 / 250 gün / 10 saat sonra aynı 4 yılı elde ederiz. 25 dolar dörde bölünemez ama bölüp yılda 6 dolar alacağız.
4. Gen. Motor ömrü yaklaşık 20 bin motor saatidir (ve benimle tartışmayın!). 20000/250/10 = 8 yıl veya yıllık 10$.

Toplam elimizde:
1. 40$
2. 20$
3. 6$
4. 10$
-
Yılda 76 dolar.
Yani böyle bir pnömatik biriktirme-üretme sistemine sahip olmak, yılda 1 araba aküsü satın almaktan neredeyse 3 kat daha ucuz!
Ve elektrik aküsüne şüphesiz ihtiyaç duyduğu ayrı bir şarjı henüz eklemedim.
Aynen böyle.
En hafif tabirle bu hesaplamalar beni şaşırttı. Elbette verimlilik yok - 1,5 - 2 kW pompalıyoruz, 200-250 alıyoruz ama şahsen bu bana yakışıyor.
Biraz farklı hesaplamayı deneyebilirsiniz: Pnömatik akü geceleri doğrudan akü üzerinde üretilir ve deşarj derinliğinin ne kadar azalacağını ve buna bağlı olarak elektrik aküsünü ne kadar az değiştirmeniz gerektiğini kabaca tahmin edebilirsiniz ve buna göre, Ne ekonomik verim bu fikir.
Sistem 2-10 kat artırılırsa verimlilik teorik olarak daha da artacaktır.
Tam ölçekli deneylere başlamanın zamanı gelmiş gibi görünüyor. Pnömatik motor dışında sette hemen hemen her şey var ama ya onu 50 Grivnaya (6 dolar) alacağım ya da daha pahalı olan birinden geçici olarak kullanmasını isteyeceğim.

Bir kanala bağlanan ve belirli bir basınca ayarlanan bir emniyet valfi ile donatılmış hava veya diğer gaz deposu. Pnömatik akümülatör, kum üfleme ve kum püskürtme makinelerinin imalatında gerekli bir unsurdur... ... Metalurji sözlüğü

pnömatik akümülatör- Pnömatik akümülatör durumu T sritis Energetika apibrėžtis Suslėgtų dujų arba oro enerjisel kaupiklis. atitikmenys: ingilizce. pnömatik akümülatör vok. Druckluftspeicher, m rus. pnömatik akümülatör, m; pnömatik akümülatör, m pranc.… … Işıklandırma ve Markalama Teknolojileri Terminolojileri

PNÖMATİK AKÜ- hava kanalına bağlı ve bir güvenlik cihazıyla donatılmış, hava (veya başka bir gaz) içeren bir tank. Belirli bir maksimum basınca ayarlanan valf. Karmaşık pnömatik uygulamalarda kullanılır. rüzgar-elektrikte çalışma basıncını dengelemek için ağlar... ... Büyük Ansiklopedik Politeknik Sözlüğü

Pil (belirsizliği giderme)- Pil (enlem. akümülatör toplayıcı, enlem. akümülatörden toplayıcı, biriktirici) daha sonraki kullanım amacıyla enerji depolamak için bir cihaz. Araç aküsü, arabada kullanılan şarj edilebilir bir pildir... ... Vikipedi

Pil- Bu terimin başka anlamları da vardır, bkz. Pil (anlamları). Pil (enlem.akümülatör toplayıcı, enlem.acumulo'dan toplamak, biriktirmek) daha sonraki kullanım amacıyla enerji depolamak için bir cihaz, ... ... Wikipedia

PİL- (Latince akümülatör toplayıcıdan) daha sonraki kullanım amacıyla enerji depolamaya yönelik bir cihaz. 1) Elektrik pili dönüşür elektrik enerjisi kimyasal olana dönüştürür ve gerekirse ters dönüşümü sağlar;... ... Büyük Ansiklopedik Sözlük

PİL Modern ansiklopedi

Pil- (Latin akümülatör toplayıcısından), daha sonraki kullanım amacıyla enerji depolamaya yönelik bir cihaz. 1) Elektrik aküsü galvanic hücre yeniden kullanılabilir; Elektrik enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürür ve... Resimli Ansiklopedik Sözlük

pil- A; m.Daha sonraki kullanım amacıyla enerji depolamaya yönelik bir cihaz. Termal, elektrik a. Şarj etmek. ◁ Şarj edilebilir, ah, ah. Bir tank. Ve pil. * * * pil (Latince akümülatör toplayıcıdan), depolamaya yönelik bir cihaz... ... ansiklopedik sözlük

Pil- (enlem. akümülatör toplayıcı, accumulo toplamak, biriktirmek) daha sonraki kullanım amacıyla enerji depolamak için bir cihaz. Birikmiş enerjinin türüne bağlı olarak A. ayırt edilir: elektrik, hidrolik, termal,... ... Büyük Sovyet Ansiklopedisi

Bu tür pillerin en basiti, elektrik üretiminin en yüksek olduğu anda kompresörün altına havanın pompalandığı sıradan bir gaz silindiridir. yüksek basınç. Enerji üretimi düştüğünde veya tam tersine tüketimi keskin bir şekilde arttığında vana açılır ve dışarı çıkan basınçlı hava jeneratör türbinini döndürür. Böyle bir kurulumun verimliliği nispeten küçüktür, ancak çoğu zaman üretimin en yüksek noktasında enerjinin çevredeki alanı ısıtarak boşa gittiği gerçeği göz önüne alındığında, bu eklemenin bile ihmal edilmemesi gerekir.

Böyle bir sistemin verimliliğini nasıl artırabilir ve göreceli maliyetini nasıl azaltabilirsiniz? Adı verilen bir kurulumda Sıkıştırılmış hava Enerji Depolama (CAES), ilk olarak ABD tarafından 1991 yılında McIntosh, Alabama'da inşa edildi. Doğal bir yer altı tuz mağarası rezervuar olarak kullanılmaktadır. Tuz tabakası havanın geçmesine izin vermez. yüksek basınç- küçük taneler, tuz tozu, formasyonun kalınlığında oluşabilecek en küçük çatlakları kapatır. 538 bin metreküp hacmindeki mağaraya hava giriyor. bir kompresör tarafından 77 atmosfer basınca pompalanır. Şebekedeki güç tüketimi beklenmedik bir şekilde arttığında, hava kaçar ve gücün sisteme verilmesini sağlar. Tankın 46 atm'lik daha düşük bir çalışma basıncına boşaltılması için gereken süre 26 saattir ve bu süre zarfında istasyon 110 MW güç üretir.

Sistemin verimliliği nasıl artırılır? Basınçlı hava pervaneyi kendi başına döndürmez, doğal gazla karıştırılarak gaz türbinine verilir. Çoğu Bir gaz türbininin gücü (üçte ikisine kadar) genellikle içine hava pompalayan kompresörü çalıştırmak için harcanır - burada önemli tasarruflar elde ederiz. Ayrıca hava, türbine girmeden önce ısı eşanjöründe (reküperatör) yanma ürünleriyle ısıtılır ve bu da verim sağlar.

Toplamda, geleneksel bir gaz türbinine eşit olan bu şema, gaz tüketiminde %60...70 oranında azalma, soğuk durumdan hızlı başlatma (birkaç dakika) ve İyi iş düşük yüklerde. Mcntosh istasyonunun inşası 30 ay sürdü ve maliyeti 65 milyon dolardı (doğal bir tuz mağarasının varlığına rağmen).

Alabama'daki projeye ek olarak, 1978 yılında Huntorf'ta Almanlar, 600...800 m derinlikte ve 50...800 m basınç aralığında iki tuz mağarasında 290 MW'lık bir depolama tesisi (2 saat çalışma) başlattı. 70 atmosfer. Depolama tesisi başlangıçta kuzeybatı Almanya'daki sanayi için sıcak bir rezerv olarak hizmet ediyordu ve şu anda üretimdeki zirveleri dengelemek için kullanılıyor. rüzgar enerjisi santralleri.

Sovyet döneminde Donbass'ta inşaat planlanıyordu pnömatik akümülatör 1050 MW'ta ama ne yazık ki o yılların birçok projesi gibi her şey kağıt üzerinde kaldı.

Proje geliştiricilerinden bir video.

Bir mağara, bir kompresör ve bir gaz türbini - pnömatik enerji akümülatörü bu şekilde çalışır. ABD'de bu tür ilk cihaz 1991 yılında Alabama'nın McIntosh şehrinde inşa edildi. Amacı enerji santrallerindeki pik yükleri yumuşatmaktır.

Biriktirme modunda hava, kompresörler tarafından 538 bin metreküp hacimli bir yer altı depolama tesisine (doğal tuz mağarası) yönlendirilir. 77 atm basınca kadar. Şebekedeki güç tüketimi beklenmedik bir şekilde arttığında, hava kaçar ve gücün sisteme verilmesini sağlar. Tankın 46 atm'lik daha düşük bir çalışma basıncına boşaltılması için gereken süre 26 saattir ve bu süre zarfında istasyon 110 MW güç üretir.

Basınçlı hava türbini kendi başına döndürmez, gaz türbinine girer. Bir gaz türbininin gücünün 2/3'ü genellikle içine hava pompalayan kompresörün çalıştırılması için harcandığından önemli tasarruflar elde edilir. Türbine girmeden önce hava, bir ısı eşanjöründe (reküperatör) yanma ürünleriyle ısıtılır, bu da verimliliği artırır.

Geleneksel bir gaz türbiniyle karşılaştırıldığında gaz tüketiminde %60...70 oranında bir azalma, soğuk durumdan hızlı başlatma (birkaç dakika) ve düşük yüklerde iyi çalışma olduğunu belirtiyorlar.

Mcntosh istasyonunun inşaatı 30 ay sürdü ve 65 milyon dolara mal oldu.

Alabama projesi benzersiz değil. 1978'de Huntorf'ta Almanlar, 600...800 m derinlikte ve 50...70 atm basınç aralığında iki tuz mağarasında 290 MW'lık bir depolama tesisi (2 saatlik çalışma) başlattı. Depolama tesisi başlangıçta kuzeybatı Almanya'daki sanayi için sıcak bir rezerv olarak hizmet ediyordu ve şu anda rüzgar santrali üretimindeki zirveleri düzeltmek için kullanılıyor.

Sovyet döneminde Donbass'ta aynı mağaraya 1050 MW'lık bir pnömatik pil kurmayı planladıklarını, akıbetinin bilinmediğini yazıyorlar.

2012 yılında Teksas'ta 2 megawatt'lık bir rüzgar santralinin yanında 500 MWh'lik bir pnömatik depolama tesisi açıldı, ancak bu konuda çok az ayrıntı var.

Bilgi ekolojisi Bilim ve teknoloji: Enerji sektöründe yeni teknolojilerin aktif gelişimi bağlamında, elektrik depolama cihazları iyi bilinen bir trenddir. Bu, elektrik kesintileri veya tamamen enerji eksikliği sorununa yüksek kaliteli bir çözümdür.

Bir soru var: “Belirli bir durumda hangi enerji depolama yöntemi tercih edilir?”. Örneğin, güneş veya rüzgar tesisatı ile donatılmış özel bir ev veya yazlık için hangi enerji depolama yöntemini seçmeliyim? Açıkçası, bu durumda hiç kimse büyük bir pompalı depolama istasyonu inşa etmeyecektir, ancak büyük bir tank kurarak onu 10 metre yüksekliğe çıkarmak mümkündür. Peki böyle bir kurulum güneşin yokluğunda sabit bir güç kaynağını sürdürmek için yeterli olacak mı?

Ortaya çıkan sorulara cevap verebilmek için pilleri değerlendirmeye yönelik objektif değerlendirmeler elde etmemizi sağlayacak bazı kriterlerin geliştirilmesi gerekmektedir. Bunu yapmak için sayısal tahminler elde etmenizi sağlayan çeşitli sürücü parametrelerini dikkate almanız gerekir.

Kapasite mi yoksa birikmiş ücret mi?

Araba aküleri hakkında konuşurken veya yazarken, genellikle akü kapasitesi adı verilen ve amper-saat (küçük piller için - miliamper-saat) cinsinden ifade edilen bir değerden bahsederler. Ancak kesin olarak söylemek gerekirse amper-saat bir kapasite birimi değildir. Elektrik teorisinde kapasitans farad cinsinden ölçülür. Ve amper-saat bir yük ölçüm birimidir! Yani, biriken şarjın pilin bir özelliği olarak düşünülmesi (ve öyle adlandırılması) gerekir.

Fizikte yük coulomb cinsinden ölçülür. Coulomb, 1 amperlik bir akımda bir iletkenden bir saniyede geçen yük miktarıdır. 1 C/s, 1 A'ya eşit olduğundan, saati saniyeye çevirdiğimizde, bir ampersaatin 3600 C'ye eşit olacağını buluruz.

Coulomb'un tanımından bile, yükün belirli bir süreci, yani bir iletkenden geçen akımın sürecini karakterize ettiği açıktır. Aynı şey başka bir niceliğin adından da çıkar: Bir amper-saat, bir amperlik akımın bir iletkenden bir saat boyunca aktığı zamandır.

İlk bakışta burada bir tür tutarsızlık var gibi görünebilir. Sonuçta, enerji tasarrufundan bahsediyorsak, fizikteki joule enerji ölçüm birimi olduğundan herhangi bir pilde biriken enerji joule cinsinden ölçülmelidir. Ancak bir iletkendeki akımın ancak iletkenin uçlarında potansiyel fark olduğunda yani iletkene voltaj uygulandığında meydana geldiğini hatırlayalım. Akü terminallerindeki voltaj 1 volt ise ve iletkenden bir ampersaatlik yük akıyorsa, akünün 1 V · 1 Ah = 1 Wh enerji verdiğini buluruz.

Dolayısıyla pillerle ilgili olarak biriken enerji (depolanan enerji) veya biriken (depolanan) şarjdan bahsetmek daha doğrudur. Yine de “pil kapasitesi” terimi yaygın ve bir şekilde daha tanıdık olduğu için onu kullanacağız ama biraz daha açıklayarak yani enerji kapasitesinden bahsedeceğiz.

Enerji kapasitesi - tam olarak şarj edilmiş bir pilin izin verilen en düşük değere kadar deşarj edilmesi durumunda verdiği enerji.

Bu kavramı kullanarak enerji kapasitesini yaklaşık olarak hesaplamaya ve karşılaştırmaya çalışacağız. çeşitli türler enerji depolama cihazları.

Kimyasal pillerin enerji kapasitesi

Tam olarak şarj elektrik pili 1 Ah beyan edilen kapasitesi (şarjı) ile teorik olarak bir saat boyunca 1 amperlik bir akım (veya örneğin 0,1 saat için 10 A veya 10 saat için 0,1 A) sağlama kapasitesine sahiptir. Ancak çok fazla akü deşarj akımı, daha az verimli güç dağıtımına yol açar; bu da, bu tür bir akımla çalışma süresini doğrusal olmayan bir şekilde azaltır ve aşırı ısınmaya neden olabilir. Uygulamada akü kapasitesi, nihai gerilime kadar 20 saatlik bir deşarj döngüsüne göre hesaplanır. Araba aküleri için 10,8 V'dir. Örneğin akü etiketindeki “55 Ah” yazısı, 20 saat boyunca 2,75 amper akım verebildiği ve terminallerdeki voltajın 10,8 IN'in altına düşmeyeceği anlamına gelir. .

Pil üreticileri sıklıkla şunu belirtir: teknik özelliklerürünlerinin mAh (mAh) cinsinden depolanan şarjı değil, Wh (Wh) cinsinden depolanan enerjiyi kullanırlar ki bu genel olarak doğru değildir. Depolanan enerjinin depolanan şarjdan hesaplanması genel durumda kolay değildir: entegrasyon gereklidir anlık güç, akü tarafından deşarj süresi boyunca verilir. Daha fazla doğruluk gerekmiyorsa, entegrasyon yerine ortalama voltaj ve akım tüketimi değerlerini kullanabilir ve aşağıdaki formülü kullanabilirsiniz:

1 Wh = 1 V 1 Ah.

Yani, depolanan enerji (Wh cinsinden), depolanan şarjın (Ah cinsinden) ve ortalama voltajın (Volt cinsinden) çarpımına yaklaşık olarak eşittir: e = Q · sen. Örneğin 12 voltluk bir akünün kapasitesinin (normal anlamda) 60 Ah olduğu belirtilirse depolanan enerji yani enerji kapasitesi 720 W saat olacaktır.

Yerçekimi enerji depolama cihazlarının enerji kapasitesi

Herhangi bir fizik ders kitabında, m kütleli bir cismi h yüksekliğine kaldırırken bir F kuvvetinin yaptığı A işinin A = m · g · h formülüyle hesaplandığını okuyabilirsiniz; burada g, yer çekimi ivmesidir. Bu formül, cismin yavaş hareket ettiği ve sürtünme kuvvetlerinin ihmal edilebildiği durumlarda gerçekleşir. Yer çekimine karşı çalışmak bedeni nasıl kaldırdığımıza bağlı değildir: dikey olarak (saatteki ağırlık gibi), eğimli bir düzlem boyunca (bir kızağı dağa çekerken olduğu gibi) veya başka bir şekilde.

Her durumda iş A = m · g · h. Cisim orijinal seviyesine indirildiğinde, yerçekimi kuvveti, F kuvvetinin cismi kaldırmak için yaptığı işin aynısını üretecektir. Bu, bir cismi kaldırırken m · g · h'ye eşit iş biriktirdiğimiz anlamına gelir, yani kaldırılan cisim, bu cisme etki eden yerçekimi kuvveti ile kaldırıldığı yüksekliğin çarpımına eşit enerjiye sahiptir. Bu enerji, yükselişin gerçekleştiği yola bağlı değildir, yalnızca vücudun konumu (yükseltildiği yükseklik veya vücudun başlangıç ​​ve son konumu arasındaki yükseklik farkı) tarafından belirlenir ve potansiyel enerji denir.

Bu formülü kullanarak, yer seviyesinden (veya hidrojeneratör türbini seviyesinden) 10 metre yüksekte bulunan 1000 litre kapasiteli bir tanka pompalanan su kütlesinin enerji kapasitesini tahmin edelim. Tankın kenar uzunluğu 1 m olan küp şeklinde olduğunu varsayalım.O zaman Landsberg'in ders kitabındaki formüle göre A = 1000 kg · (9,8 m/s2) · 10,5 m = 102900 kg · m2/ s2. Ancak 1 kg m2/s2, 1 joule'e eşittir ve watt saate çevrildiğinde yalnızca 28.583 watt saat elde ederiz. Yani 720 watt-saatlik geleneksel bir elektrik pilinin kapasitesine eşit bir enerji kapasitesi elde etmek için tanktaki su hacmini 25,2 kat artırmanız gerekiyor.

Tankın yaklaşık 3 metrelik bir kaburga uzunluğuna sahip olması gerekecektir. Aynı zamanda enerji kapasitesi de 845 watt-saat olacak. Bu, bir akünün kapasitesinden daha fazladır, ancak kurulum hacmi, geleneksel bir kurşun-çinko araç aküsünün boyutundan önemli ölçüde daha büyüktür. Bu karşılaştırma, belirli bir sistemde depolanan enerjiyi (kendi başına enerji) değil, söz konusu sistemin kütlesi veya hacmiyle ilişkili olarak dikkate almanın anlamlı olduğunu göstermektedir.

Spesifik enerji kapasitesi

Bu nedenle, enerji kapasitesini depolama cihazının kütlesi veya hacmiyle veya taşıyıcının kendisiyle, örneğin bir tanka dökülen suyla ilişkilendirmenin tavsiye edildiği sonucuna vardık. Bu türden iki gösterge düşünülebilir.

Kütleye özgü enerji kapasitesini, bir depolama cihazının enerji kapasitesinin bu depolama cihazının kütlesine bölünmesi olarak adlandıracağız.

Hacimsel spesifik enerji kapasitesi, bir depolama cihazının enerji kapasitesinin bu depolama cihazının hacmine bölünmesiyle elde edilecektir.

Örnek. 12 volt için tasarlanan kurşun-asit akü Panasonic LC-X1265P, 65 amper-saat şarja sahip, 20 kg ağırlığında. ve boyutlar (UxGxY) 350 · 166 · 175 mm. T = 20 C sıcaklıktaki servis ömrü 10 yıldır. Böylece kütle özgül enerji yoğunluğu kilogram başına 65 · 12 / 20 = 39 watt-saat olacaktır ve hacimsel özgül enerji yoğunluğu desimetreküp başına 65 · 12 / (3,5 · 1,66 · 1,75) = 76,7 watt-saat olacaktır veya 0,0767 kWh/başına metreküp.

İçinde tartışıldığı için önceki bölüm sürmek yerçekimi enerjisi 1000 litre hacimli bir su deposu baz alındığında, özgül kütle enerji yoğunluğu yalnızca 28,583 watt-saat/1000 kg = 0,0286 Wh/kg olacaktır; bu, kurşun-çinko bataryanın kütle enerji yoğunluğundan 1363 kat daha azdır. Ve servis ömrü olmasına rağmen yerçekimi depolamaönemli ölçüde daha büyük olduğu ortaya çıkabilir, ancak pratik açıdan bakıldığında bir tank, bir bataryaya göre daha az çekici görünmektedir.

Enerji depolama cihazlarının birkaç örneğine daha bakalım ve bunların spesifik enerji yoğunluğunu değerlendirelim.

Isı akümülatörünün enerji kapasitesi

Isı kapasitesi, bir cisim 1 °C ısıtıldığında absorbe ettiği ısı miktarıdır. Isı kapasitesinin hangi kantitatif birime ait olduğuna bağlı olarak kütle, hacimsel ve molar ısı kapasitesi ayırt edilir.

Kütle özgül ısı kapasitesi, aynı zamanda basitçe özgül ısı kapasitesi olarak da adlandırılır, bir maddenin birim sıcaklık başına ısıtılması için birim kütlesi başına sağlanması gereken ısı miktarıdır. SI'da joule bölü kelvin başına kilogram (J kg−1 K−1) cinsinden ölçülür.

Hacimsel ısı kapasitesi, bir maddenin birim sıcaklığına ısıtılması için birim hacmine sağlanması gereken ısı miktarıdır. SI'da kelvin başına metreküp başına joule (J m−3 K−1) cinsinden ölçülür.

Molar ısı kapasitesi, bir maddenin 1 molünü birim sıcaklık başına ısıtmak için sağlanması gereken ısı miktarıdır. SI'da kelvin başına mol başına joule (J/(mol K)) cinsinden ölçülür.

Bir mol, Uluslararası Birim Sistemindeki bir maddenin miktarı için bir ölçü birimidir. Bir mol, aynı miktarda madde içeren bir sistemdeki madde miktarıdır yapısal elemanlar 0,012 kg ağırlığındaki karbon-12'de kaç atom vardır?

Özgül ısı kapasitesi maddenin sıcaklığından ve diğer termodinamik parametrelerden etkilenir. Örneğin suyun özgül ısı kapasitesinin ölçülmesi şunu verecektir: farklı sonuçlar 20°C ve 60°C'de. Ayrıca özgül ısı kapasitesi, maddenin termodinamik parametrelerinin (basınç, hacim vb.) nasıl değişmesine izin verildiğine bağlıdır; örneğin sabit basınçta (CP) ve sabit hacimde (CV) özgül ısı kapasitesi genellikle farklıdır.

Maddenin birinden aktarılması toplama durumu diğerine her madde için belirli bir dönüşüm sıcaklığı noktasında ısı kapasitesinde ani bir değişiklik eşlik eder - erime noktası (geçiş) sağlam sıvıya), kaynama noktası (sıvının gaza geçişi) ve buna bağlı olarak ters dönüşüm sıcaklıkları: donma ve yoğunlaşma.

Birçok maddenin özgül ısı kapasiteleri, genellikle sabit basınçtaki bir işlem için referans kitaplarında verilmektedir. Örneğin özgül ısı kapasitesi Sıvı su en normal koşullar- 4200 J/(kg·K); buz - 2100 J/(kg·K).

Sunulan verilere dayanarak, su ısı akümülatörünün (soyut) ısı kapasitesini tahmin etmeye çalışabilirsiniz. İçindeki suyun kütlesinin 1000 kg (litre) olduğunu varsayalım. 80 °C'ye ısıtıyoruz ve 30 °C'ye soğuyana kadar ısı vermesini sağlıyoruz. Isı kapasitesinin farklı olduğu gerçeğiyle ilgilenmiyorsanız farklı sıcaklıklarısı akümülatörünün 4200*1000*50 J ısı açığa çıkaracağını varsayabiliriz. Yani böyle bir ısı akümülatörünün enerji kapasitesi 210 megajoule yani 58.333 kilovatsaat enerjidir.

Bu değeri klasik bir araç aküsünün enerji şarjı (720 watt-saat) ile karşılaştırırsak, söz konusu termal akümülatörün enerji kapasitesinin yaklaşık 810 adet elektrik aküsünün enerji kapasitesine eşit olduğunu görürüz.

Böyle bir ısı akümülatörünün spesifik kütle enerji yoğunluğu (ısıtılan suyun fiilen depolanacağı kabın kütlesi ve ısı yalıtımının kütlesi dikkate alınmadan bile) 58,3 kWh/1000 kg = 58,3 Wh/kg olacaktır. Bu zaten kurşun-çinko bataryanın kütle enerji yoğunluğundan daha fazla olduğu ortaya çıkıyor; yukarıda hesaplandığı gibi 39 Wh/kg'a eşit.

Kaba tahminlere göre, ısı akümülatörü geleneksel olanla karşılaştırılabilir akü ve hacimsel özgül enerji kapasitesi açısından, bir kilogram su hacmin bir desimetresi olduğundan, hacimsel özgül enerji kapasitesi de 76,7 Wh/kg'a eşittir, bu da bir kurşun-asit akünün hacimsel özgül ısı kapasitesiyle tam olarak örtüşür. Doğru, ısı akümülatörünün hesaplanmasında yalnızca suyun hacmini hesaba kattık, ancak aynı zamanda tankın hacmini ve ısı yalıtımını da hesaba katmak gerekli olacaktır. Ancak her durumda kayıp, yerçekimi depolama cihazındaki kadar büyük olmayacaktır.

Diğer enerji depolama cihazı türleri

“Enerji depolama cihazlarının (akümülatörler) gözden geçirilmesi” makalesi, daha fazla enerji depolama cihazının spesifik enerji yoğunluğunun hesaplamalarını sağlar. Oradan bazı örnekleri ödünç alalım

Kapasitör depolama

1 F kapasitör kapasitesi ve 250 V voltaj ile depolanan enerji şu şekilde olacaktır: E = CU2 /2 = 1 ∙ 2502 /2 = 31,25 kJ ~ 8,69 W h. Elektrolitik kapasitörler kullanırsanız ağırlıkları 120 kg olabilir. Spesifik enerji depolama kapasitesi 0,26 kJ/kg veya 0,072 W/kg'dır. Çalışma sırasında sürücü bir saat boyunca 9 W'tan fazla olmayan bir yük sağlayabilir. Ömür Elektrolitik kapasitörler 20 yıla ulaşabilir. Depolanan enerji yoğunluğu açısından iyonistörler kimyasal olanlara yakındır. piller. Avantajları: Biriken enerji kısa sürede kullanılabilir.

Yerçekimi tahrikli tip akümülatörler

Önce 2000 kg ağırlığındaki bir gövdeyi 5 m yüksekliğe kaldırıyoruz, ardından elektrik jeneratörünü döndürerek gövde yerçekiminin etkisi altında indiriliyor. E = mgh ~ 2000 ∙ 10 ∙ 5 = 100 kJ ~ 27,8 W h. Spesifik enerji kapasitesi 0,0138 W h/kg. Çalışma sırasında sürücü bir saat boyunca 28 W'tan fazla olmayan bir yük sağlayabilir. Sürücünün servis ömrü 20 yıl veya daha fazla olabilir.

Avantajları: biriken enerji kısa sürede kullanılabilir.

Çark

Volada depolanan enerji E = 0,5 J w2 formülü kullanılarak bulunabilir; burada J, dönen cismin eylemsizlik momentidir. Yarıçapı R ve yüksekliği H olan bir silindir için:

J = 0,5prR4H

burada r, silindirin yapıldığı malzemenin yoğunluğudur.

Sınır doğrusal hız volanın çevresinde Vmax (çelik için yaklaşık 200 m/s).

Vmaks = wmaks R veya wmaks = Vmaks /R

O halde Emax = 0,5 J w2max = 0,25 p r R2 H V2max = 0,25 M V2max

Spesifik enerji şöyle olacaktır: Emax /M = 0,25 V2max

Çelik silindirik bir volan için maksimum özgül enerji içeriği yaklaşık 10 kJ/kg'dır. 100 kg ağırlığındaki bir volan için (R = 0,2 m, H = 0,1 m), maksimum biriken enerji 0,25 ∙ 3,14 ∙ 8000 ∙ 0,22 ∙ 0,1 ∙ 2002 ~ 1 MJ ~ 0,278 kWh olabilir. Çalışma sırasında sürücü bir saat boyunca 280 W'tan fazla olmayan bir yük sağlayabilir. Volanın servis ömrü 20 yıl veya daha fazla olabilir. Avantajları: Biriken enerji kısa bir süre için kullanılabilir, performans önemli ölçüde artırılabilir.

Süper volan

Süper volan, geleneksel volanların aksine, Tasarım özellikleri teorik olarak kilogram ağırlık başına 500 Wh'ye kadar depolar. Ancak bazı nedenlerden dolayı süper volanların gelişimi durdu.

Pnömatik akümülatör

50 atmosfer basınç altındaki hava, 1 m3 kapasiteli çelik bir tanka pompalanıyor. Bu basınca dayanabilmesi için tankın duvarlarının yaklaşık 5 mm kalınlığında olması gerekir. İşi yapmak için basınçlı hava kullanılır. İzotermal bir süreçte ideal bir gazın atmosfere doğru genleşmesi sırasında yaptığı A işi aşağıdaki formülle belirlenir:

bir = (M/m) ∙ R ∙ T ∙ ln (V2/V1)

burada M gaz kütlesidir, m - molar kütle gaz, R - evrensel gaz sabiti, T - mutlak sıcaklık, V1 - gazın başlangıç ​​hacmi, V2 - gazın son hacmi. Depolama cihazının bu uygulaması için ideal bir gazın (P1 ∙ V1 = P2 ∙ V2) durum denklemi dikkate alındığında V2 / V1 = 50, R = 8,31 J/(mol derece), T = 293 0K, M / m ~ 50: 0,0224 ~ 2232, genleşme sırasında gaz çalışması 2232 ∙ 8,31 ∙ 293 ∙ ln 50 ~ 20 MJ ~ 5,56 kW · çevrim başına saat. Sürücünün kütlesi yaklaşık 250 kg'dır. Spesifik enerji 80 kJ/kg olacaktır. Çalışma sırasında pnömatik depolama cihazı bir saat boyunca 5,5 kW'tan fazla olmayan bir yük sağlayabilir. Ömür pnömatik akümülatör 20 yıl veya daha fazla olabilir.

Avantajları: depolama tankı yeraltına yerleştirilebilir; standart gaz silindirleri Uygun ekipmanla gerekli miktarda, rüzgar türbini kullanıldığında, rüzgar türbini doğrudan kompresör pompasını çalıştırabilir, yeterli çok sayıda Basınçlı havanın enerjisini doğrudan kullanan cihazlar.

Bazı enerji depolama cihazlarının karşılaştırma tablosu

Enerji depolama parametrelerinin yukarıdaki tüm değerlerini bir özet tablosunda özetleyelim. Ancak öncelikle spesifik enerji yoğunluğunun, depolama cihazlarını geleneksel yakıtlarla karşılaştırmamıza olanak sağladığını belirtelim.

Yakıtın temel özelliği yanma ısısıdır, yani. Tam yanma sırasında açığa çıkan ısı miktarı. Özgül yanma ısısı (MJ/kg) ve hacimsel ısı (MJ/m3) arasında bir ayrım yapılır. MJ'yi kWh'ye dönüştürürsek şunu elde ederiz:

Görüldüğü gibi yakıtın spesifik enerji yoğunluğu, enerji depolama cihazlarının enerji yoğunluğunu önemli ölçüde aşmaktadır. Çünkü çünkü yedekleme kaynağı enerjiler sıklıkla kullanılır dizel jeneratörler, 42624 kJ/kg veya 11,84 kW-saat/kg'a eşit olan dizel yakıtın enerji yoğunluğunu final tablosuna dahil edeceğiz. Karşılaştırma için daha fazlasını ekleyelim doğal gaz ve hidrojen, çünkü ikincisi aynı zamanda enerji depolama cihazlarının oluşturulmasında da temel oluşturabilir.

Şişelenmiş gazın (propan-bütan) spesifik kütle enerji içeriği 36 mJ/kg'dır. veya 10 kWh/kg ve hidrojen için - 33,58 kWh/kg.

Sonuç olarak, dikkate alınan enerji depolama cihazlarının parametrelerini içeren aşağıdaki tabloyu elde ederiz (bu tablodaki son iki satır, geleneksel enerji taşıyıcılarıyla karşılaştırma için eklenmiştir):

Bu tabloda verilen rakamlar yaklaşık değerlerdir; hesaplamalarda katsayı gibi pek çok faktör dikkate alınmaz. yararlı eylem depolanan enerjiyi, hacimleri ve ağırlıkları kullanan jeneratör gerekli ekipman ve benzeri. Ancak bu rakamlar, bana göre, potansiyel enerji yoğunluğuna ilişkin ilk değerlendirmeyi vermeye olanak sağlıyor. çeşitli türler enerji depolama cihazları.

Ve yukarıdaki tablodan da anlaşılacağı üzere en etkili görünüm Depolama cihazı hidrojenli bir silindirle temsil edilir. Hidrojen üretmek için yenilenebilir kaynaklardan gelen "serbest" (fazla) enerji kullanılıyorsa, hidrojen depolama cihazı en umut verici cihaz olabilir.

Hidrojen Bir elektrik jeneratörünü döndürecek geleneksel bir içten yanmalı motorda veya hidrojende yakıt olarak kullanılabilir. yakıt hücreleri doğrudan elektrik üretiyorlar. Hangi yöntemin daha karlı olduğu sorusu ayrı bir değerlendirme gerektirir. Hidrojenin üretimi ve kullanımındaki güvenlik sorunları, bir veya başka tür enerji depolama cihazının kullanılmasının fizibilitesini değerlendirirken ayarlamalar yapılabilir. yayınlanan

Bize katıl