A természet sokféle energiaforrást adott az embernek: a napot, a szelet, a folyókat és másokat. Ezeknek az ingyenes energiatermelőknek a hátránya a stabilitás hiánya. Ezért az energiatöbblet időszakaiban tárolóeszközökben tárolják, és az átmeneti recesszió időszakaiban elköltik. Az energiatároló eszközöket a következő paraméterek jellemzik:
- a tárolt energia mennyisége;
- felhalmozódásának és visszatérésének sebessége;
- fajsúly;
- energiatárolási idő;
- megbízhatóság;
- gyártási és karbantartási költségek és egyebek.
Sokféleképpen szervezheti a meghajtókat. Az egyik legkényelmesebb a tárolóeszközben felhasznált energia típusa, valamint a felhalmozási és visszaadási mód szerinti osztályozás. Az energiatároló eszközök a következő fő típusokra oszthatók:
- mechanikus;
- termikus;
- elektromos;
- vegyi.
A potenciális energia felhalmozódása
Ezeknek az eszközöknek a lényege egyértelmű. A teher felemelésekor potenciális energia halmozódik fel, leeresztve hasznos munkát végez. A tervezési jellemzők a rakomány típusától függenek. Lehet szilárd, folyékony illlaza anyag. Az ilyen típusú készülékek kialakítása általában rendkívül egyszerű, ebből fakad a nagy megbízhatóság és hosszú élettartam. A tárolt energia tárolási ideje az anyagok tartósságától függ, évezredeket is elérhet. Sajnos az ilyen eszközök alacsony energiasűrűséggel rendelkeznek.
A mozgási energia mechanikus tárolása
Ezekben az eszközökben az energia a test mozgásában tárolódik. Általában ez egy oszcilláló vagy transzlációs mozgás.
A kinetikus energia az oszcillációs rendszerekben a test oda-vissza mozgásában összpontosul. Az energia adagolása és fogyasztása a test mozgásával időben történik. A mechanizmus meglehetősen bonyolult és szeszélyes a beállításban. Széles körben használják mechanikus órákban. A tárolt energia mennyisége általában kicsi, és csak magának a készüléknek a működésére alkalmas.
Giroszkóppal működő tárolóeszközök
A mozgási energia tárolója egy forgó lendkerékben összpontosul. A lendkerék fajlagos energiája jelentősen meghaladja a hasonló statikus terhelés energiáját. Lehetőség van jelentős teljesítmény fogadására vagy kiadására rövid időn belül. Az energiatárolási idő rövid, és a legtöbb kivitelnél néhány órára korlátozódik. A modern technológiák lehetővé teszik az energiatárolási idő több hónaposra emelését. A lendkerekek nagyon érzékenyek az ütésekre. Az eszköz energiája közvetlenül függ a forgási sebességétől. Ezért az energia felhalmozódása és visszaadása során a lendkerék forgási sebessége megváltozik. És olyan terhelésre, mintáltalában állandó, alacsony fordulatszámra van szükség.
Az ígéretesebb eszközök a szuperlenderek. Acélszalagból, szintetikus szálból vagy huzalból készülnek. A kialakítás lehet sűrű, vagy lehet üres hely. Ha van szabad hely, a szalag tekercsei a forgás perifériájára mozognak, a lendkerék tehetetlenségi nyomatéka megváltozik, az energia egy része a deformált rugóban tárolódik. Az ilyen eszközökben a forgási sebesség stabilabb, mint a szilárd szerkezetekben, és sokkal nagyobb az energiafogyasztásuk. Biztonságosabbak is.
A modern szuper lendkerekek kevlárszálból készülnek. Vákuumkamrában forognak mágneses szuszpenzión. Több hónapig képes energiát tárolni.
Mechanikus tárolás rugalmas erők segítségével
Ez az eszköztípus hatalmas fajlagos energia tárolására képes. A mechanikus hajtások közül a legnagyobb energiaintenzitású a több centiméteres készülékeknél. A nagy, nagyon nagy fordulatszámú lendkerekek energiatartalma sokkal magasabb, de nagyon érzékenyek a külső hatásokra, és rövidebb az energiatárolási idejük.
Tavaszi energia mechanikus tárolása
Képes a legmagasabb mechanikai teljesítmény leadására bármely energiatárolási osztály közül. Ennek csak a rugó szakítószilárdsága szab határt. Az összenyomott rugóban lévő energia több évtizedig tárolható. Az állandó deformáció miatt azonban a fémben és a rugó teherbírásában felhalmozódik a fáradáscsökken. Ugyanakkor a kiváló minőségű acélrugók megfelelő működési feltételek mellett akár több száz évig is működhetnek érezhető kapacitáscsökkenés nélkül.
A rugófunkciók bármilyen rugalmas elemmel elvégezhetők. A gumiszalagok például több tucatszor jobbak az acéltermékeknél az egységnyi tömegre jutó tárolt energia tekintetében. De a gumi élettartama a kémiai öregedés miatt csak néhány év.
Sűrített gázok energiáját használó mechanikus tárolóeszközök
Az ilyen típusú készülékekben az energia tárolása a gáz összenyomásával történik. Túlzott energia jelenlétében a gázt nyomás alatt egy kompresszor segítségével szivattyúzzák a hengerbe. Szükség szerint sűrített gázzal turbinát vagy elektromos generátort forgatnak. Kis teljesítményeknél célszerű turbina helyett dugattyús motort használni. A több száz atmoszféra nyomású edényben lévő gáz fajlagos energiasűrűsége több évig magas, jó minőségű szerelvényekkel pedig évtizedekig.
Hőenergia-tárolás
Hazánk területének nagy része az északi régiókban található, így az energia jelentős részét kénytelenek fűtésre fordítani. Ebben a tekintetben rendszeresen meg kell oldani a hő hajtásban való megtartásának és szükség esetén onnan történő elszívásának problémáját.
Az esetek többségében nem lehet elérni a tárolt hőenergia nagy sűrűségét és annak jelentős megőrzési időszakait. Meglévő hatékony eszközökegyes tulajdonságai és a magas ára miatt nem alkalmasak széles körű alkalmazásra.
Tárolás a hőkapacitás miatt
Ez az egyik legősibb módszer. A hőenergia felhalmozódásának elvén alapul, amikor egy anyagot felmelegítenek, és a hőátadáson, amikor lehűtik. Az ilyen meghajtók kialakítása rendkívül egyszerű. Ez lehet bármilyen szilárd anyag darabja vagy zárt tartály folyékony hűtőfolyadékkal. A hőenergia-akkumulátorok nagyon hosszú élettartamúak, szinte korlátlan számú energiafelhalmozási és -leadási ciklussal rendelkeznek. De a tárolási idő nem haladja meg a néhány napot.
Elektromos energiatárolás
Az elektromos energia a legkényelmesebb formája ennek a modern világban. Ez az oka annak, hogy az elektromos tárolóeszközöket széles körben használják és a legfejlettebbek. Sajnos az olcsó készülékek fajlagos kapacitása kicsi, a nagy fajlagos kapacitású készülékek túl drágák és rövid élettartamúak. Az elektromos energiatároló eszközök kondenzátorok, ionisztorok, akkumulátorok.
Kondenzátorok
Ez az energiatárolás legmasszívabb típusa. A kondenzátorok -50 és +150 fok közötti hőmérsékleten működnek. Az energiafelhalmozási-visszatérési ciklusok száma több tízmilliárd másodpercenként. Több kondenzátor párhuzamos csatlakoztatásával könnyen megszerezhető a szükséges kapacitás. Ezen kívül vannak változtatható kondenzátorok. Az ilyen kondenzátorok kapacitásának megváltoztatása történhet mechanikusan vagy elektromosan vagy hőmérséklet alapján. Leggyakrabban változó kondenzátorok találhatókoszcillációs áramkörök.
A kondenzátorok két osztályba sorolhatók - poláris és nem poláris. A poláris (elektrolitikus) élettartama rövidebb, mint a nem polárisé, jobban függenek a külső körülményektől, ugyanakkor nagyobb a fajlagos kapacitásuk.
Mivel az energiatároló kondenzátorok nem túl sikeres eszközök. Kis kapacitásúak és jelentéktelen a tárolt energia fajlagos sűrűsége, tárolási idejét másodpercekben, percekben, ritkán órákban számolják. A kondenzátorokat főként az elektronikában és az erősáramú elektrotechnikában alkalmazzák.
A kondenzátor kiszámítása általában nem okoz nehézséget. A különböző típusú kondenzátorokról minden szükséges információ megtalálható a műszaki kézikönyvekben.
Ionistorok
Ezek az eszközök a poláris kondenzátorok és az akkumulátorok között köztes helyet foglalnak el. Néha „szuperkondenzátoroknak” is nevezik őket. Ennek megfelelően rengeteg töltési-kisütési fokozatuk van, kapacitásuk nagyobb, mint a kondenzátoroké, de valamivel kisebb, mint a kis akkumulátoroké. Az energiatárolási idő akár több hét is lehet. Az ionisztorok nagyon érzékenyek a hőmérsékletre.
Tápellátású akkumulátorok
Elektrokémiai elemeket használnak, ha sok energiát kell tárolni. Erre a célra az ólom-savas készülékek a legalkalmasabbak. Körülbelül 150 éve találták fel őket. Azóta pedig semmi alapvetően újat nem vezettek be az akkumulátoros készülékbe. Számos speciális modell jelent meg, az alkatrészek minősége jelentősen javult,akkumulátor megbízhatósága. Figyelemre méltó, hogy a különböző gyártók által készített akkumulátorok készüléke csak apró részletekben tér el a különböző célokra.
Az elektrokémiai akkumulátorokat vonó- és indítóakkumulátorokra osztják. A vontatást az elektromos közlekedésben, a szünetmentes tápegységekben, az elektromos kéziszerszámokban használják. Az ilyen akkumulátorokat hosszú egyenletes kisülés és nagy mélység jellemzi. Az indítóakkumulátorok rövid időn belül nagy áramerősséget tudnak leadni, de a mélykisülés nem elfogadható számukra.
Az elektrokémiai akkumulátorok korlátozott számú töltési-kisütési ciklussal rendelkeznek, átlagosan 250 és 2000 között. Még ha nem is használják, néhány év után meghibásodnak. Az elektrokémiai akkumulátorok hőmérsékletérzékenyek, hosszú töltési időt igényelnek, és szigorú karbantartást igényelnek.
A készüléket rendszeresen fel kell tölteni. A járműbe szerelt akkumulátort mozgás közben tölti fel a generátor. Télen ez nem elég, a hideg akkumulátor nem fogadja jól a töltést, és megnő az áramfogyasztás a motor indításához. Ezért az akkumulátort meleg helyiségben speciális töltővel kell tölteni. Az ólomsavas eszközök egyik jelentős hátránya a nagy súlyuk.
Akkumulátorok alacsony fogyasztású eszközökhöz
Ha kis tömegű mobileszközökre van szükség, válassza a következő típusú akkumulátorokat: nikkel-kadmium,lítium-ion, fém-hibrid, polimer-ion. Nagyobb a fajlagos kapacitásuk, de az ára sokkal magasabb. Használják mobiltelefonokban, laptopokban, fényképezőgépekben, kamerákban és más kis eszközökben. A különböző típusú akkumulátorok paramétereikben különböznek: a töltési ciklusok száma, eltarthatósága, kapacitása, mérete stb.
A nagy teljesítményű lítium-ion akkumulátorokat elektromos és hibrid járművekben használják. Könnyű súlyúak, nagy fajlagos kapacitással és nagy megbízhatósággal rendelkeznek. Ugyanakkor a lítium-ion akkumulátorok nagyon gyúlékonyak. Gyulladás fordulhat elő rövidzárlatból, mechanikai deformációból vagy a ház megsemmisüléséből, az akkumulátor töltési vagy kisütési módjának megsértéséből. A lítium nagy aktivitása miatt elég nehéz eloltani a tüzet.
Az akkumulátorok sok készülék gerincét képezik. Például egy telefon energiatároló eszköze egy kompakt külső akkumulátor, amely tartós, vízálló tokban van elhelyezve. Lehetővé teszi a mobiltelefon töltését vagy áramellátását. A nagy teljesítményű mobil energiatároló eszközök bármilyen digitális eszköz, még laptopok töltésére is alkalmasak. Az ilyen eszközökben általában nagy kapacitású lítium-ion akkumulátorok vannak beépítve. Az otthoni energiatárolás sem teljes akkumulátorok nélkül. De ezek sokkal összetettebb eszközök. Az akkumulátoron kívül töltőt, vezérlőrendszert és invertert is tartalmaznak. Az eszközök vezetékes hálózatról és más forrásból egyaránt működhetnek. A kimenő teljesítmény átlagosan 5 kW.
Meghajtókkémiai energia
Tegyen különbséget az "üzemanyagos" és a "nem üzemanyag" típusú hajtások között. Speciális technológiákat és gyakran terjedelmes high-tech berendezéseket igényelnek. Az alkalmazott eljárások lehetővé teszik az energia különböző formáinak előállítását. A termokémiai reakciók alacsony és magas hőmérsékleten is lejátszódhatnak. A magas hőmérsékletű reakciók komponenseit csak akkor vezetik be, ha az energia beszerzéséhez szükséges. Előtte külön-külön, különböző helyeken tárolják. Az alacsony hőmérsékletű reakciók komponensei általában ugyanabban a tartályban vannak.
Energiatárolás üzemanyag futtatásával
Ez a módszer két teljesen független szakaszt foglal magában: az energia felhalmozódását ("töltés") és felhasználását ("kisütés"). A hagyományos üzemanyag általában nagy fajlagos energiakapacitással, hosszú távú tárolási lehetőséggel és könnyű használattal rendelkezik. De az élet nem áll meg. Az új technológiák bevezetése fokozott követelményeket támaszt az üzemanyaggal szemben. A feladat megoldása a meglévő fejlesztésekkel és új, nagy energiájú üzemanyagok létrehozásával történik.
Az új minták széles körű bevezetését hátráltatja a technológiai folyamatok elégtelen fejlettsége, a munkavégzés magas tűz- és robbanásveszélyessége, a magasan képzett munkaerő iránti igény, valamint a technológia magas költsége.
Üzemanyag nélküli vegyi energiatárolás
Az ilyen típusú tárolás során az energia tárolása egyes vegyi anyagok más anyagokká történő átalakításával történik. Például az oltott mész hevítéskor égetett mész állapotba kerül. Kisütéskor a tárolt energiahő és gáz formájában szabadul fel. Pontosan ez történik, ha a meszet vízzel oltják. A reakció megindulásához általában elegendő az összetevőket kombinálni. Lényegében ez egyfajta termokémiai reakció, csak száz és ezer fokos hőmérsékleten megy végbe. Ezért a használt berendezések sokkal összetettebbek és drágábbak.
