Pnömatik enerji akümülatörü. Hangi enerji depolama cihazı en fazla enerji yoğundur? Yerçekimi enerji akümülatörlerinin enerji kapasitesi

Otonom insanlar sıklıkla kendilerine "ekstra" enerjiyi nasıl toplayacaklarını, depolayacaklarını ve kullanacaklarını sorarlar. Yetersiz toplanan kW'ın ortaya çıkmasının birkaç nedeni vardır - aşırı miktarda SB, sistemi %100 kullanmayan şarj aşamaları gereksizdir güneşli günler, ev sahiplerinin yokluğu vb.
En kolay yol pillerdir. Dini inançlara bağlı olarak farklı olabilirler: kurşun-asit, alkalin, nikel-kadmiyum, yaşam vb. maliyet kWh Bu nedenle tüm danslar onların etrafındadır sevgili varlıklar.
Bölümün bir yerinde, pil teknolojilerinin gelişim yolunun, alternatiflerin ihtiyaç duyduğu senaryoya göre, yani nispeten küçük boyutlu verimlilikle gelişmediğine dikkat çekildi. Ancak elektrik şebekesinin bulunmadığı özel bir evde genellikle çok fazla arazi vardır. Bu fikir basit bir gerçekten kaynaklanıyor; birçok insan şehrin gürültüsünden ve karmaşasından kaçmak istiyor ve genellikle sadece şehirlerden ve yüksek insan yoğunluğundan uzakta değil, aynı zamanda uygarlıktan da uzak olan arsalar satın alıyor. iletişim yok, hatta elektrik bile yok. Bu nedenle çoğu zaman alternatifler uzay gibi bir kaynak türüne sahiptir. Geleneksel pil teknolojilerinin dikkate almadığı şeyler. Böylece geleneksel olmayanları arayabilirsiniz. AndrewNS, bu konuyla ilgili birkaç konu başlattı ve bu nedenle beni seçenekler arama konusunda düşünmeye sevk etti.
Tasarruf etmenin birçok süper alternatif yolu var alternatif enerji geleneksel hesaplarda değil.
Ve sunmaya karar verdiğim bunlardan biri ... pnömatik akümülatör!
Prensip basittir - gün içindeki fazla elektrik, bir kompresör yardımıyla basınçlı havaya dönüşür. Daha sonra, gerektiğinde, SA durumunda gece veya VG durumunda sakin durumda aküleri şarj eden jeneratörü döndüren pnömatik motor aracılığıyla serbest bırakıyoruz.
Şunun gibi bir şeye benziyor:

Silah arkadaşlarının çoğunluğu için bu ilkenin 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.
Bunu yapmak için pnömoni bağlamında ne için küçük bir çalışma 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, pnömatik akümülatörün en pahalı parçasıdır, ancak aynı zamanda neredeyse sınırsız saat, döngü veya yıl ile en dayanıklı ve güvenilir olanıdır. İnternette 16 m3 kullanılmış bir gaz tankı buldum. yaklaşık 2 bin dolar karşılığında.
2. Kompresör. Birçok seçenek var. Yağlama ve soğutmalı otomotivden yarı endüstriyele, tabiri caizse "inşaat için". Seçtim yeni kafa(ihtiyacım olan özelliklere sahip bir konteynerimiz var) - 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 lt/s debi ile 250W'a hazır 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 otomobildir. Yeni 80$, kullanılmış 35$. 15.000'den itibaren yaklaşık saat sayısı.
Belirli sistemin kısa açıklaması. Kompresörün kapasitesi 300-400l/dak olup, kapasiteyi 10 saatte artırmasına olanak tanır. Pnömatik motor 6,67 l / s veya 24 metreküp tüketir. 01:00 de. 16 atm'ye kadar pompalanan 16 metreküp kapasite 10,7 saat dayanacaktır. Yani 10,7 saat x 250W = 2,675 kW'a sahibiz. Bu kabaca 225 Ah'lik bir araba aküsüne eşdeğerdir. Daha kesin olarak bir %100 döngü ile. Benim sistemimde elektrik fazlası yılda yaklaşık 250 gündür, yani yılda 250 çevrimimiz oluyor.
Normal bir otoakusun maliyeti, hurda metal hariç, yaklaşık 200 $'dır. Ancak %100 deşarjda maksimum 250 devir çalışabilir.
Başka bir deyişle, bu pnömo-depolama üreten sistem yılda 1 araba aküsünün yerini alıyor. Veya yılda 200 dolar.
Şimdi pnömatik akümülatörümüze geçelim.
1. Kapasite. Ömür 50 yaşından itibaren. Aslında normal boyamayla 500 ya da 5000 yıl ama 50'yi alalım ve boyayı saymayalım. Yani 2000$'ın (maliyeti) 50'ye bölünmesi yılda yaklaşık 40$ eder.
2. Kompresör. Hizmet ömrünü 10.000 motor saati olarak alacağız. Buna göre 10.000'i 250 çevrime bölüyoruz ve 10 saate (her çevrimdeki çalışma) 4 yıl elde ediyoruz. 80 doları 4'e bölersek yılda 20 dolar elde ederiz.
3. Pnömatik motor. Mağazadaki ucuz pnömatik aletlerin hizmet ömrü sağlıklı bir şekilde değerlendirilemez. Yine de satın alma ihtimalini göz önünde bulundurarak 10.000 saat için hesaplayacağız. iyi bir araç ucuza kullanılır. 10000 / 250 gün / 10 saat sonra aynı 4 yılı elde ederiz. 25 dolar dörde bölünemiyor ama bölüyoruz ve yılda 6 dolar alıyoruz.
4. Gen. Motor kaynağı yaklaşık 20 bin moto saattir (ve benimle tartışmanıza gerek yok!). 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 otomatik akümülatör satın almaktan neredeyse 3 kat daha ucuzdur!
Ve şüphesiz ihtiyaç duyduğu elektrik aküsüne henüz ayrı bir şarj eklemedim.
Bu kadar.
En hafif tabirle bu hesaplamalar beni şaşırttı. Elbette verimlilik yok - 1,5 - 2 kW pompalıyoruz, 200-250 alıyoruz, ancak şahsen bu bana yakışıyor.
Biraz farklı hesaplamayı deneyebilirsiniz: pnömo-acc geceleri doğrudan akiya'ya üretilir ve deşarj derinliğinin ne kadar azalacağını ve buna bağlı olarak elektrik aküsünün ne kadar daha az değiştirileceğini kabaca tahmin edebilirsiniz ve buna göre, Hangi ekonomik verim bu girişim.
Sistem 2-10 kat artırılırsa verimlilik teorik olarak daha da artacaktır.
Denemeye başlamanın zamanı gelmiş gibi görünüyor. Pnömatik motor dışında setin neredeyse tamamı bende var, ama ya onu 50 Grivnası'na (6 $) alacağım ya da daha pahalı olan birinden geçici olarak kullanmasını isteyeceğim.

Elektrik üretiminin teknolojik döngüsünün zinciri mutlaka bir depolama (akümülatör) gibi bir bağlantıyı içerir. İÇİNDE geleneksel yollar elektrik üretimi, enerji rezervleri ön, "elektriksiz" bir biçimde biriktirilir ve bu bağlantı - enerji depolama, doğrudan jeneratörün önünde bulunur.

Bir hidroelektrik santralinin rezervuarı biriktirilecek şekilde tasarlanmıştır. potansiyel enerji nehir suyunun Dünya'nın çekim alanına girmesi, bir baraj yardımıyla belli bir yüksekliğe yükseltilmesi. Termal elektrik santrali kesintisiz çalışma için gerekli olan katı veya sıvı yakıt rezervlerini depolama tesislerinde biriktirir veya kalorifik değeri gerekli enerji rezervini garanti eden doğal gazı boru hattı üzerinden dağıtır. Nükleer santrallerin reaktörlerinin çubukları, nükleer enerjinin kullanımı için belirli bir kaynağın mevcut olduğu bir nükleer yakıt stokunu temsil eder.

Listelenen tüm güç jeneratörü tipleri için sabit güç modu mevcuttur. Üretilen enerji miktarı kontrol edilir. geniş aralık mevcut enerji tüketiminin seviyesine bağlı olarak. Alternatif kaynaklar (rüzgar, gelgit, jeotermal, güneş) garantili bir sonuç sağlayamaz. sabit güç gerekli miktarda jeneratör şu an seviye. Bu nedenle depolama, burada bir kaynak deposu olmaktan ziyade, güç tüketimini kaynak gücü dalgalanmalarına daha az bağımlı hale getiren bir sönümleme cihazıdır. Kaynağın enerjisi akümülatörde birikir ve daha sonra ihtiyaç duyulduğunda formda tüketilir. elektrik enerjisi. Aynı zamanda fiyatı büyük ölçüde sürücünün maliyetine bağlıdır.

Alternatif enerji kaynaklarında depolamanın karakteristik özelliği, içinde biriken enerjinin başka amaçlarla harcanabilmesidir. Yani, örneğin onların yardımıyla güçlü ve süper güçlü manyetik alanlar oluşturulabilir.

Fizikte ve enerjide kabul edilen enerji ölçü birimleri ve aralarındaki oran: 1 kWh veya 1000 W 3600 s - 3,6 MJ ile aynı. Buna göre 1 MJ, 1/3,6 kWh veya 0,278 kWh'ye eşdeğerdir.

Bazı yaygın enerji depolama cihazları şunlardır:

Hemen rezervasyon yapalım: yukarıdaki inceleme değil tam sınıflandırma Enerji sektöründe kullanılan depolama cihazlarının yanı sıra burada sayılanların yanı sıra termal, yaylı, indüksiyonlu ve diğer çeşitli enerji depolama cihazları da bulunmaktadır.

1. Kondansatör tipi depolama

220 V voltajda 1 F kapasitör tarafından depolanan enerji şöyledir: E = CU2 /2 = 12202 /2 kJ = 24200 J = 0,0242 MJ ~ 6,73 Wh Böyle bir elektrolitik kapasitörün kütlesi 120 kg'a ulaşabilir. Birim kütle başına spesifik enerjinin 0,2 kJ/kg'dan biraz daha fazla olduğu ortaya çıkıyor. Sürücünün saatlik çalışması 7 watt'lık bir yükte mümkündür. Elektrolitik kapasitörler 20 yıla kadar dayanabilir. İyonistörler (süper kapasitörler), yaklaşık 1 milyon yeniden şarj döngüsü kaynağıyla yüksek bir enerji ve güç yoğunluğuna (sırasıyla yaklaşık 13 Wh / l \u003d 46,8 kJ / l ve 6 kW / l'ye kadar) sahiptir. Kapasitör depolamanın tartışılmaz avantajı, biriken enerjiyi kısa sürede kullanabilme yeteneğidir.

2. Yerçekimi tipi akümülatörler

Kazık çakma tipi enerji akümülatörleri, 2 ton veya daha fazla ağırlığa sahip bir kazık çakma makinesi yaklaşık 4 m yüksekliğe kaldırıldığında enerji depolar.Kazık çakma makinesinin hareketli kısmının hareketi, vücudun potansiyel enerjisini serbest bırakarak onu vücuda aktarır. elektrik jeneratörü. İdeal durumda üretilen enerji miktarı E = mgh (sürtünme kayıpları hariç) ~ 2000 10 4 kJ = 80 kJ ~ 22,24 Wh olacaktır. Kopra kadınının birim kütlesi başına spesifik enerji 0,04 kJ / kg olarak ortaya çıkar. Sürücü bir saat içinde 22 watt'a kadar yük sağlama kapasitesine sahiptir. Beklenen servis ömrü mekanik tasarım 20 yılı aşıyor. Vücudun yerçekimi alanında biriktirdiği enerjinin de kısa sürede harcanabilmesi bu seçeneğin avantajıdır.

Hidrolik akümülatör, kuyudan pompalanan yaklaşık 8-10 ton ağırlığındaki suyun enerjisini su kulesi kapasitesine kullanır. Ters harekette, yerçekimi etkisi altında su, elektrik jeneratörünün türbinini döndürür. Geleneksel bir vakum pompası, suyun 10 m yüksekliğe kadar sorunsuz bir şekilde pompalanmasına olanak tanır.Bu durumda depolanan enerji E = mgh ~ 10000 8 10 J = 0,8 MJ = 0,223 kWh'dir. Birim kütle başına spesifik enerji 0,08 kJ/kg olarak çıkıyor. Sürücünün bir saat boyunca sağladığı yük 225 watt dahilindedir. Sürüş 20 yıl veya daha fazla sürebilir. Rüzgar türbini doğrudan pompayı çalıştırabilir (enerjiyi belirli kayıplarla ilişkili olan elektrik enerjisine dönüştürmeden), gerekirse kule tankındaki su başka ihtiyaçlar için kullanılabilir.

3. Volan Tahrikli

Dönen bir volanın kinetik enerjisi şu şekilde tanımlanır: E = J w2/2, J, metal silindirin içsel atalet momenti anlamına gelir (simetri ekseni etrafında döndüğü için), w, dönmenin açısal hızıdır.

Yarıçapı R ve yüksekliği H olan silindirin eylemsizlik momenti vardır:

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

burada p metalin yoğunluğudur - silindirin malzemesi, pi* R^2 H çarpımı hacmidir.

Mümkün olan maksimum hat hızı silindirin yüzeyindeki noktalar Vmax (çelik volan için yaklaşık 200 m/s).

Vmaks = wmaks*R, dolayısıyla wmaks = Vmaks/R

Mümkün olan maksimum dönme enerjisi Emax = J wmax^2/2 = 0,25 pi*p R2^2 H V2max = 0,25 M Vmax^2

Birim kütle başına enerji: Emax/M = 0,25 Vmax^2

Spesifik enerji silindirik volan çelikten yapılmışsa yaklaşık 10 kJ/kg olacaktır. 200 kg ağırlığındaki bir volan (doğrusal boyutları H = 0,2 m, R = 0,2 m) Emax = 0,25 pi 8000 0,22 0,2 ​​2002 ~ 2 MJ ~ 0,556 kWh enerji depolar.Volan depolama cihazının bir saat boyunca sağladığı maksimum yük, 560 W'yi aşar. Volan 20 yıl veya daha fazla dayanabilir. Avantajları: Depolanan enerjinin hızla serbest bırakılması, malzeme seçimi ve modifikasyonu yoluyla performansı önemli ölçüde artırma yeteneği geometrik özelliklerçark.

4. Kimyasal akü (kurşun-asit) şeklinde sürün

12 V çıkış voltajında ​​​​ve %50 deşarjda 190 Ah kapasiteye sahip klasik bir şarj edilebilir pil, 9 saat boyunca yaklaşık 10 A akım sağlama kapasitesine sahiptir. Açığa çıkan enerji 10 A 12 V 9 h = 1,08 kWh veya döngü başına yaklaşık 3,9 MJ olacaktır. Pilin kütlesinin 65 kg olduğunu varsayarsak özgül enerjimiz 60 kJ/kg olur. Pilin bir saat boyunca sağlayabileceği maksimum yük 1080 watt'ı geçmiyor. Garanti süresi Kaliteli bir akünün kullanım ömrü, kullanım yoğunluğuna bağlı olarak 3 - 5 yıl arasındadır. Otomotiv standardını karşılayan 12 V çıkış voltajında ​​bin ampere kadar çıkış akımına sahip aküden doğrudan elektrik almak mümkündür. Birçok cihazda akü ile uyumlu, 12 V sabit voltaj için tasarlanmış, çeşitli çıkış güçlerinde 12/220 V dönüştürücüler mevcuttur.

5. Pnömatik tip akümülatör

1 metreküp hacimli çelik bir tanka 40 atmosfer basınca pompalanan hava, izotermal genleşme koşulları altında çalışır. İdeal bir gazın T=const koşulları altında yaptığı A işi aşağıdaki formüle göre belirlenir:

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

Burada M gazın kütlesidir, mu aynı gazın 1 molünün kütlesidir, R = 8,31 J / (mol K), T mutlak Kelvin ölçeğine göre hesaplanan sıcaklıktır, V1 ve V2 başlangıç ​​ve son hacimdir gaz tarafından işgal edilir (bu V2 / V1 = 40'a genişletildiğinde atmosferik basınç tankın içinde). İzotermal genleşme için Boyle-Mariotte yasası geçerlidir: P1V1 = P2 V2. T = 298 0K (250C) alalım. Hava için M/mu ~ 40: 0.0224 = 1785.6 mol madde, gaz iş yapar A = 1785.6 8.31 298 ln 50 ~ 16 MJ ~ 4.45 kWh çevrim başına. 40-50 atmosfer basınç için tasarlanan tankın duvarları en az 5 mm kalınlığa sahip olmalı ve bu nedenle sürücünün kütlesi yaklaşık 250 kg olacaktır. Bu pnömatik akümülatörün depoladığı spesifik enerji 64 kJ/kg olacaktır. Bir saatlik çalışma sırasında pnömatik tahrikin sağladığı maksimum güç 4,5 kW olacaktır. Performansa dayalı çoğu sürücü gibi garantili kullanım ömrü mekanik iş yapısal parçaları 20 yıldan fazladır. Bu tip rezervuarın avantajları: rezervuarın yer altına yerleştirilmesi olasılığı; rezervuar standart olabilir gaz şişesi Rüzgar türbini, uygun ekipmanı kullanarak hareketi doğrudan kompresör pompasına aktarabilir. Ayrıca birçok cihaz doğrudan haznede sıkıştırılan havanın biriken enerjisini kullanır.

Özet tabloda dikkate alınan enerji depolama cihazı türlerinin parametreleri şunlardır:

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

Bir soru var: "Şu veya bu durumda enerjiyi depolamanın hangi yolu tercih edilir?". Örneğin, güneş veya rüzgar tesisatı ile donatılmış özel bir ev veya yazlık için hangi enerji depolama yöntemi seçilmelidir? Açıkçası bu durumda hiç kimse büyük bir pompalı depolama istasyonu inşa etmeyecektir ancak 10 metre yüksekliğe çıkarılarak büyük bir kapasite kurmak mümkündür. Peki böyle bir kurulum, güneşin yokluğunda sürekli elektrik tedarikini sürdürmek için yeterli olur mu?

Ortaya çıkan soruları cevaplamak için, pillerin değerlendirilmesine yönelik objektif tahminler almanızı sağlayacak bazı kriterlerin geliştirilmesi gerekmektedir. Bunun için, sayısal tahminler elde etmenize olanak tanıyan sürücülerin çeşitli parametrelerini dikkate almanız gerekir.

Kapasite mi yoksa depolanan şarj mı?

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, pilin karakteristiğinin birikmiş şarj olarak dikkate alınması gerekir (ve buna böyle denir).

Fizikte yük coulomb cinsinden ölçülür. Sarkıt, 1 amperlik akımda bir iletkenden bir saniyede geçen yük miktarıdır. 1 C / s, 1 A'ya eşit olduğundan, saatleri saniyeye dönüştürerek bir amper-saatin 3600 C'ye eşit olacağını elde ederiz.

Kolyenin tanımından bile, yükün belirli bir süreci, yani iletkenden geçen akımın sürecini karakterize ettiği açıktır. Aynı şey başka bir miktarın adından da anlaşılıyor: Bir amper-saat, bir amperlik akımın iletkenden bir saat boyunca aktığı zamandır.

İlk bakışta burada bir tutarsızlık varmış gibi görünebilir. Sonuçta, enerjinin korunumundan bahsediyorsak, herhangi bir pilde biriken enerji joule cinsinden ölçülmelidir, çünkü fizikte enerji birimi olarak görev yapan joule'dür. Ancak iletkendeki akımın ancak iletkenin uçlarında potansiyel fark oluştuğunda yani iletkene gerilim uygulandığında meydana geldiğini unutmayalım. Akü terminallerindeki voltaj 1 volt ise ve iletkenden bir ampersaatlik yük akıyorsa akünün 1 V 1 Ah = 1 Wh enerji verdiğini elde ederiz.

Bu nedenle pillerle ilgili olarak depolanmış enerji (depolanmış enerji) veya depolanmış (depolanmış) şarjdan bahsetmek daha doğrudur. Yine de "pil kapasitesi" terimi yaygın ve bir şekilde daha tanıdık olduğu için onu kullanacağız, ancak biraz açıklık getirerek yani enerji kapasitesinden bahsedeceğiz.

Enerji kapasitesi - tam olarak şarj edilmiş bir pilin, izin verilen en küçük değere kadar boşaltıldığında 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 elektrikli akümülatör 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 çıkışına yol açar, bu da böyle bir akımla çalışma süresini doğrusal olmayan bir şekilde azaltır ve aşırı ısınmaya neden olabilir. Uygulamada akülerin kapasitesi, nihai gerilime kadar 20 saatlik bir deşarj döngüsüne göre verilmektedir. Araba aküleri için 10,8 V'tur. Örneğin akü etiketindeki “55 Ah” yazısı, 20 saat boyunca 2,75 amper akım verebildiği ve aynı zamanda terminallerdeki voltajın olmayacağı anlamına gelir. 10,8 IN'in altına düşürün.

Pil üreticileri sıklıkla listeliyor teknik özelliklerürünlerinin depolanan enerjisi Wh (Wh) cinsindendir ve depolanan şarj mAh (mAh) cinsinden değildir, ki bu genel olarak doğru değildir. Genel durumda depolanan enerjiyi depolanan şarjdan hesaplamak kolay değildir: entegrasyon gereklidir anlık güç akü tarafından deşarj süresi boyunca verilir. Daha fazla doğruluk gerekmiyorsa, entegrasyon yerine tüketilen gerilim ve akımın ortalama 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 pilin kapasitesi (normal anlamda) 60 Ah ise, depolanan enerji, yani enerji kapasitesi 720 Wh olacaktır.

Yerçekimi enerji akümülatörlerinin 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, serbest düşüşün ivmesidir. Bu formül, cismin hareketinin yavaş olduğu 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 tepeye çekerken olduğu gibi) veya başka bir şekilde.

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

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 varsayacağız ve Landsberg'in ders kitabındaki formüle göre A = 1000 kg (9,8 m/s2) 10,5 m = 102900 kg m2/s2 olacaktır. Ancak 1 kg m2/s2, 1 joule'e eşittir ve watt-saat'e çevrildiğinde yalnızca 28.583 watt-saat elde ederiz. Yani geleneksel bir elektrik akümülatörünün 720 watt-saatlik kapasitesine eşit bir enerji kapasitesi elde etmek için tanktaki su hacmini 25,2 kat artırmak gerekir.

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

Spesifik enerji kapasitesi

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

Kütleye özgü enerji kapasitesi, bu depolamanın kütlesine bağlı olarak enerji depolama kapasitesi olarak adlandırılacaktır.

Hacimsel spesifik enerji kapasitesi, bu depolamanın hacmine bağlı olarak enerji depolama kapasitesi olarak adlandırılacaktır.

Örnek. 12 volt voltaj için tasarlanmış kurşun-asit akü Panasonic LC-X1265P, 65 amper-saat şarja, ağırlığa - 20 kg'a sahiptir. ve boyutlar (UxGxY) 350 166 175 mm. T = 20 C sıcaklıktaki servis ömrü 10 yıldır. Böylece, kütlesel özgül enerji tüketimi kilogram başına 65 12 / 20 = 39 watt-saat ve hacimsel özgül enerji tüketimi - 65 12 / (3,5 1,66 1,75) = kilogram başına 76,7 watt-saat desimetreküp veya 0,0767 kWh olacaktır. metreküp.

İçin önceki bölüm sürmek yerçekimi enerjisi 1000 litre hacimli bir su deposu temel alındığında, kütlesel özgül enerji tüketimi yalnızca 28,583 watt-saat / 1000 kg = 0,0286 Wh / kg olacaktır; bu, kurşun-çinko bataryanın kütle enerji tüketiminden 1363 kat daha azdır. Ve servis ömrü olmasına rağmen yerçekimi depolamaönemli ölçüde daha fazla olduğu ortaya çıkabilir, ancak pratik açıdan tank, depolama bataryasından daha az çekici görünüyor.

Birkaç enerji depolama cihazı örneğini daha ele alalım ve bunların spesifik enerji tüketimini tahmin edelim.

Isı akümülatörünün enerji yoğunluğu

Isı kapasitesi - 1 ° C ısıtıldığında vücut tarafından emilen ısı miktarı. Isı kapasitesinin hangi nicelik birimine ait olduğuna bağlı olarak kütle, hacim ve molar ısı kapasitesi vardır.

Kütle özgül ısı kapasitesi, basitçe özgül ısı kapasitesi olarak da adlandırılır, bir maddenin birim kütlesini bir birim sıcaklıkla ısıtmak için sağlanması gereken ısı miktarıdır. SI'da, kelvin başına kilogram başına joule (J·kg−1·K−1) cinsinden ölçülür.

Hacimsel ısı kapasitesi, bir maddenin birim sıcaklıkta 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 molünün birim sıcaklık başına ısıtılması 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 maddeyi içeren bir sistemdeki madde miktarıdır. yapısal elemanlar 0,012 kg kütleli karbon-12'de kaç tane atom vardır?

Özgül ısının değeri 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 basınçtaki (CP) ve sabit hacimdeki (CV) özgül ısı 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 vücut 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).

Yukarıdaki verilere dayanarak, bir su ısı akümülatörünün (soyut) ısı kapasitesi tahmin edilmeye çalışılabilir. 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 sıcaklıkısı akümülatörünün 4200*1000*50 J ısı vereceğini varsayabiliriz. Yani böyle bir ısı akümülatörünün enerji kapasitesi 210 megajoule yani 58.333 kilovatsaat enerjidir.

Bu değeri geleneksel bir araba aküsünün enerji şarjıyla (720 watt-saat) karşılaştırırsak, söz konusu ısı akümülatörünün enerji kapasitesinin yaklaşık 810 elektrik aküsünün enerji kapasitesine eşit olduğunu görürüz.

Böyle bir ısı akümülatörünün özgül kütle enerji tüketimi (ısıtılan suyun depolanacağı kabın kütlesi ve ısı yalıtımının kütlesi hesaba katılmasa bile) 58,3 kWh/1000 kg = 58,3 Wh/kg olacaktır. Bu, yukarıda hesaplandığı gibi 39 Wh / kg'a eşit olan kurşun-çinko pilin kütle enerji tüketiminden daha fazla olduğu ortaya çıkıyor.

Kaba tahminlere göre, ısı akümülatörü geleneksel ile karşılaştırılabilir akü ve hacimsel özgül enerji açısından, bir kilogram su bir desimetre hacim olduğundan, hacimsel özgül enerji içeriği de 76,7 Wh / kg'dır ve bu, bir kurşun-asit akünün hacimsel özgül ısısına tam olarak denk gelir. Doğru, ısı akümülatörünün hesaplanmasında yalnızca suyun hacmini hesaba kattık, ancak tankın hacmini ve ısı yalıtımını hesaba katmak gerekli olacaktır. Ancak her durumda kayıp, yerçekimsel depolama cihazındaki kadar büyük olmayacaktır.

Diğer enerji depolama türleri

"Enerji depolamaya genel bakış (akümülatörler)" makalesi, daha fazla enerji depolama cihazının spesifik enerji tüketimine ilişkin hesaplamalar sağlar. Oradan bazı örnekleri ödünç alalım.

Kapasitör depolama

1 F kapasitans kapasitansı ve 250 V voltaj ile depolanan enerji şöyle olacaktır: E = CU2 /2 = 1 ∙ 2502 /2 = 31,25 kJ ~ 8,69 W·s. Elektrolitik kapasitörler kullanıyorsanız kütleleri 120 kg olabilir. Depolamanın özgül enerjisi 0,26 kJ/kg veya 0,072 W/kg'dır. Çalışma sırasında sürücü bir saat boyunca 9 watt'tan fazla olmayan bir yük sağlayabilir. Ömür Elektrolitik kapasitörler 20 yıla ulaşabilir. Depolanmış enerji yoğunluğu yaklaşımı açısından iyonistörler kimyasal piller. Avantajları: Depolanan enerji kısa bir süre için kullanılabilir.

Kazık tipi yerçekimi akümülatörleri

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

Avantajları: depolanan enerji kısa sürede kullanılabilir.

Çark

Volada depolanan enerji E = 0,5 J w2 formülüyle 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.

Volan çevresinde doğrusal hızın sınırlandırılması 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. Kütlesi 100 kg olan bir volan için (R = 0,2 m, H = 0,1 m), depolanan maksimum enerji 0,25 ∙ 3,14 ∙ 8000 ∙ 0,22 ∙ 0,1 ∙ 2002 ~ 1 MJ ~ 0,278 kWh olabilir. Çalışma sırasında sürücü bir saat boyunca 280 watt'tan fazla olmayan bir yük sağlayabilir. Volanın ömrü 20 yıl veya daha fazla olabilir. Avantajları: Depolanan enerji kısa bir süre için kullanılabilir, performans büyük ölçüde artırılabilir.

Süper volan

Süper volan, geleneksel volanlardan farklı olarak şunları yapabilir: Tasarım özellikleri teorik olarak kilogram ağırlık başına 500 Wh'ye kadar depolar. Ancak süper volanların gelişimi bir nedenden dolayı durdu.

Pnömatik akümülatör

Hava, 50 atmosfer basınçta 1 m3 kapasiteli çelik bir tanka pompalanır. Bu basınca dayanabilmesi için tankın duvarlarının yaklaşık 5 mm kalınlığında olması gerekir. Sıkıştırılmış hava işi bitirmek için kullanılırdı. İzotermal bir süreçte ideal bir gazın atmosfere doğru genişlerken yaptığı A işi aşağıdaki formülle belirlenir:

A = (M/m) ∙ R ∙ T ∙ log (V2/V1)

burada M gazın kütlesidir, m molar kütle gaz, R - evrensel gaz sabiti, T - mutlak sıcaklık, V1 - gazın başlangıç ​​hacmi, V2 - gazın son hacmi. Depolama halkasının 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, gaz genleşme işi 2232 ∙ 8,31 ∙ 293 ∙ ln 50 ~ 20 MJ ~ 5,56 kWh çevrim başına. Sürücünün kütlesi yaklaşık 250 kg'a eşittir. Spesifik enerji 80 kJ/kg olacaktır. Çalışma sırasında pnömatik akümülatör 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 tank olarak kullanılabilir, rüzgar türbini kullanıldığında ikincisi doğrudan kompresör pompasını çalıştırabilir, yeterli miktarda var çok sayıda Basınçlı havanın enerjisini doğrudan kullanan cihazlar.

Bazı enerji depolama cihazlarının karşılaştırma tablosu

Enerji depolama parametrelerinin yukarıdaki tüm değerlerini genel bir tabloda özetliyoruz. Ancak öncelikle spesifik enerji tüketiminin akümülatörleri geleneksel yakıtla karşılaştırmayı mümkün kıldığını belirtelim.

Yakıtın temel özelliği kalorifik değeridir, yani. tam yanması sırasında açığa çıkan ısı miktarı. Yanma ısısını spesifik (MJ/kg) ve hacimsel (MJ/m3) olarak ayırt edin. MJ'yi kWh'ye dönüştürürsek şunu elde ederiz:

Gördüğünüz gibi yakıtın spesifik enerji tüketimi, enerji depolama cihazlarının enerji depolama kapasitesini önemli ölçüde aşıyor. Çünkü çünkü yedekleme kaynağı enerji sıklıkla kullanılır dizel jeneratörler, 42624 kJ/kg veya 11,84 kWh/kg'a eşit olan dizel yakıtın enerji yoğunluğunu final tablosuna dahil edeceğiz. Karşılaştırma için doğal gaz ve hidrojeni ekleyelim, 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, hidrojen ise 33,58 kWh/kg'dır.

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

Bu tabloda verilen rakamlar oldukça yaklaşık değerlerdir, hesaplamalarda katsayı gibi birçok faktör dikkate alınmaz. yararlı eylem depolanan enerjiyi, hacimleri ve ağırlıkları kullanan jeneratör gerekli ekipman ve benzeri. Yine de bu rakamlar, bence, potansiyel enerji yoğunluğuna ilişkin bir başlangıç ​​tahmini vermeye olanak sağlıyor. Çeşitli türler enerji depolama cihazları.

Ve yukarıdaki tablodan da anlaşılacağı üzere en etkili görünüm depolama tankı hidrojen içeren bir silindirle temsil edilir. Hidrojen üretmek için yenilenebilir kaynaklardan gelen "gereksiz" (fazla) enerji kullanılıyorsa, o zaman en umut verici olan hidrojen depolama 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 değerlendirmeyi gerektirir. Hidrojenin üretimi ve kullanımındaki güvenlik sorunları, bir veya başka tür enerji depolamanın kullanılmasının fizibilitesini değerlendirirken ayarlamalar yapılabilir. yayınlanan

Bize katılın

Bu tür pillerin en basiti, güç üretiminin en yüksek olduğu sırada kompresörün havayı pompaladığı geleneksel bir gaz silindiridir. büyük baskı. Enerji üretimi düştüğünde veya tam tersine tüketimi keskin bir şekilde arttığında, valf açılır ve çıkan basınçlı hava jeneratör türbinini döndürür. Böyle bir kurulumun verimliliği nispeten küçüktür, ancak çoğu zaman üretimin zirvesinde enerjinin ortadan kaybolduğu, çevredeki alanı ısıttığı göz önüne alındığında, böyle bir katkı maddesinin bile ihmal edilmemesi gerekir.

Böyle bir sistemin verimliliği nasıl arttırılabilir ve göreceli maliyeti nasıl azaltılabilir? Adı verilen bir kurulumda sıkıştırılmış hava enerji depolama(CAES), ilk olarak ABD tarafından 1991 yılında McIntosh, Alabama'da inşa edildi. Rezervuar olarak doğal tuz yeraltı mağarası kullanılmaktadır. Tuz tabakası havanın geçmesine izin vermez. yüksek basınç- Küçük taneler, tuz tozu formasyonun kalınlığında oluşabilecek en küçük çatlakları kapatır. Hacmi 538 bin metreküp olan mağarada hava var. bir kompresör tarafından 77 atmosfer basınca pompalanır. Şebekenin güç tüketimi beklenmedik bir şekilde arttığında hava kaçar ve sisteme güç sağlar. Tankın 46 atm'lik daha düşük çalışma basıncına kadar boşaltılması için geçen süre 26 saattir ve bu süre zarfında istasyon 110 MW enerji üretmektedir.

Sistemin verimliliği nasıl artırılır? Basınçlı hava pervaneyi kendi başına döndürmez, ancak pervaneyle karışır. doğal gaz ve gaz türbinine girer. Çoğu bir gaz türbininin gücü (üçte ikisine kadar) genellikle içine hava pompalayan bir kompresörü çalıştırmak için harcanır - bu, ciddi tasarruf elde ettiğimiz yerdir. Ayrıca hava, türbine girmeden önce ısı eşanjöründe (reküperatör) yanma ürünleriyle ısıtılır ve bu da verimliliği artırır.

Toplamda, geleneksel bir gaz türbinine eşit olduğunda, böyle bir şema, gaz tüketiminde% 60 ... 70 oranında bir azalma, soğuk durumdan hızlı bir başlangıç ​​​​(birkaç dakika) ve İyi iş düşük yüklerde. McIntosh'taki istasyonun inşası 30 ay sürdü ve maliyeti 65 milyon dolardı (doğal bir tuz mağarasına sahip olmasına rağmen).

Alabama'daki projeye ek olarak, 1978 yılında Huntorf'ta Almanlar, 600...800 m derinlikte ve 50..000 basınç aralığında iki tuz mağarasında 290 MW'lık (2 saatlik çalışma) bir depolama tesisi başlattı. 0,70 atmosfer. Başlangıçta Almanya'nın kuzeybatısındaki sanayi için sıcak bir yedek olarak kullanılan depolama, artık rüzgar santrali üretiminin zirve noktalarını dengelemek için kullanılıyor.

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

Peki, projenin geliştiricilerinden bir video.