Накопители энергии. Виды и применение. Особенности

Современные устройства для накопления энергии – это сложные технологические системы, способные долгое время хранить ее запасы в самом различном виде. Они представляют собой важнейший для пользователей ресурс, обеспечивающий бесперебойное снабжение целого ряда ответственных народнохозяйственных объектов. Особое распространение получили накопители энергии, представленные в электрической и электрохимической форме, характеризующейся большим разнообразием различных исполнений.

Какими бывают современные накопители энергии

По виду используемого энергоносителя все известные накопительные системы подразделяются на следующие разновидности:

Электрические и электрохимические устройства.
Так называемые «криогенные» накопители.
Тепловые и химические системы аккумулирования энергии.
Накопители кинетического типа.

Типичные представители систем двух первых классов – конденсаторные электролитические сборки и автомобильные аккумуляторы, знакомые под названием «АКБ».

Другие способы и формы накопления энергии представлены менее известными устройствами типа криогенных станций, а также аккумуляторами давления, тепловыми коллекторами и импульсными динамическими системами.

Основные эксплуатационные показатели систем накопления энергии

Основные эксплуатационные показатели, которыми описываются накопители энергии вообще:

Удельная энергетическая емкость.
Время, затрачиваемое на накопление и рассеивание в нагрузке.
Объем (габариты) и масса накопителя.
Сроки его хранения и безопасность эксплуатации.
Возможность вторичного использования энергоносителя, представленного в той или иной форме.

Первый из приведенных показателей измеряется в специальных единицах (для электрической и электрохимической разновидности это будут кВт в час/кг или плотность накопления энергии). Большое внимание уделяется безопасности хранения и использования накопленного энергоносителя. Особую важность этот вопрос приобретает при обращении с кислотными электролитами, вращающимися маховиками (кинетические накопители) и с охлажденным воздухом.

Накопители электрического типа

Этот вид энергоносителя применяется в так называемых «чистых» накопительных технологиях. Его привлекательность для рядового пользователя объясняется множеством несомненных достоинств, а также открывающимися при этом перспективами. Достаточно вспомнить о широко распространенных возобновляемых источниках энергии, включая солнечное излучение, силу ветра и термальные воды, легко преобразуемые в электричество.

Для долговременного сбережения этих видов энергоносителя используются специальные накопительные устройства на основе конденсаторов большой емкости и электролитических банок. Благодаря этим решениям, энергия, вырабатываемая ветровыми генераторами и солнечными батареями, может храниться длительное время и расходоваться по мере необходимости.

Nakopiteli energii 2

Накопители энергии этого типа имеют следующие несомненные достоинства:

Экономия топлива в генерирующих электроэнергию устройствах.
Высокая эффективность работы систем благодаря возможности управления режимами потребления.
Снижение частоты включения генерирующих систем.
Повышение сроков эксплуатации генераторов и обслуживающих их приборов.

svintsovo-kislotnaia batareia

Аналогичными достоинствами обладают электрохимические накопители энергии, представленные свинцово-кислотными батареями и подобными им изделиями. К этому же классу аккумулирующих устройств относятся такие разновидности аккумуляторных изделий, как:

Никель-кадмиевые, никель-металлогидридные батареи.
Натриево-серные и литий-ионные аккумуляторы.
Металл-воздушные и проточные изделия.

Все они, как правило, превосходят свинцово-кислотные аналоги по одному или даже нескольким показателям. Особо отмечаются такие эксплуатационные характеристики, как высокая удельная плотность аккумулируемой энергии, большая скорость зарядных и разрядных процессов, а также предельная простота обслуживания.

Вместе с тем сравнительно низкая стоимость свинцово-кислотных батарей позволяет им достойно конкурировать с другими разновидностями накопителей электрической энергии. Во многих случаях эти устаревшие образцы аккумуляторных изделий – оптимальный вариант, сочетающий в себе неплохие технические показатели и относительно низкие затраты.

Литий-ионные аккумуляторы

(Li-ion) аккумуляторы считаются эффективными источниками питания, применяемыми в составе большей части современной бытовой техники. Благодаря внедрению новейших технологий за последние 15 лет объемная плотность энергии таких батарей увеличилась в 2-3 раза.

Расширение сферы применения литий-ионных изделий произошло после появления экологически «чистых» электромобилей и большого спроса на системы накопления электрохимического типа. При этом требования к конструкции аккумуляторов данного класса выросли значительно, что вынудило производителей заняться решением ряда технических проблем. Следствием этого стало заметное повышение стоимости готовых изделий.

Электрохимические накопители энергии типа «суперконденсаторы»

Такие изделия относятся к категории электрических накопителей энергии, для полноценной зарядки и разрядки которых потребуются буквально секунды. К достоинствам таких конденсаторов также относят:

Высокий показатель удельной мощности.
Широкий температурный диапазон.
Сравнительно низкая стоимость.
Длительные сроки эксплуатации.

Последний показатель достигается за счет огромного количества циклов заряда-разряда, которое способен выдержать суперконденсатор. Помимо этого такие накопительные системы имеют более высокий показатель удельной плотности энергии (если сравнивать их с обычными электролитическими конденсаторами).

Nakopiteli energii 4

При знакомстве с их конструкцией особо отмечается один важный факт. Оказывается, что рабочая емкость этих изделий зависит от качества электростатического разделения ионов электролита с одной стороны и электродов, имеющих значительную по величине поверхность – с другой.

Сложности с расширением сферы применения таких накопителей объясняются более низким показателем удельной плотности суперконденсаторов (при сравнении их с литий-ионными аналогами). Если техническое решение по увеличению этого показателя в ближайшие годы будет найдено – это полностью снимет проблему качественного и длительного питания самых различных потребителей.

Криогенные накопители энергии

Принцип работы накопителей этого типа основывается на особой технологии, связанной с изменением агрегатного состояния энергоносителя (его функцию в данном случае выполняет воздушная смесь). Процесс преобразования включает в себя два последовательных цикла, первый из которых заключается в заборе воздуха из атмосферы и последующего охлаждения его до критической температуры (минус 196°C). Одновременно с этим жидкая воздушная смесь помещается в специально предназначенные для этих целей изотермические резервуары, где она хранится длительное время при низком давлении.

Nakopiteli energii 5

Во время второго цикла, предполагающего потребление накопленной энергии, охлажденная жидкость нагревается до нужной температуры посредством специальных теплообменников. Ее испарение приводит к резкому расширению больших объемов газовой смеси, способных вращать лопасти турбины электрогенератора.

Кинетические накопительные системы

Накопители энергии кинетического типа представляют собой механические устройства с массивным маховиком, выполняющим свою функцию за счет сохранения импульса вращения. Для раскрутки подобной конструкции используется дешевая электрическая энергия, поступающая на привод небольшими порциями от непостоянных источников.

Целесообразность применения таких систем объясняется следующей их особенностью. Дело в том, что во многих практических ситуациях требуется непрерывная подача электроэнергии в нагрузку, когда в наличии имеются только источники непродолжительного действия.

Накопители энергии кинетического типа устраняют возникшую проблему, преобразуя порционное поступление электроэнергии от различных источников в непрерывный электрический ток в нагрузке. В этих устройствах исходная энергия сохраняется в кинетической форме, после чего она вновь преобразуется в свой первоначальный электрический вид.

Конструкция типового источника этогоапми7878 типа содержит в своем составе следующие обязательные узлы и модули:

Блок накопления кинетической энергии, как правило, изготавливаемый в виде массивного маховика.
Специальное распределительное устройство.
Генератор напряжения, подключаемый к системе по мере необходимости.

Последний модуль используется для поддержания нужного момента вращения накопителя энергии при постепенном замедлении его движения вследствие трения в подшипниках. Входящий в состав системы маховик иногда объединяется с еще одним (резервным) генератором, существенно повышающим надежность работы всей системы в целом.