הטבע העניק לאדם מגוון מקורות אנרגיה: השמש, הרוח, נהרות ואחרים. החיסרון של מחוללי אנרגיה חופשית אלה הוא חוסר היציבות. לכן, בתקופות של עודף אנרגיה, היא מאוחסנת בהתקני אחסון ומבלה בתקופות של מיתון זמני. התקני אחסון אנרגיה מאופיינים על ידי הפרמטרים הבאים:
- כמות האנרגיה המאוחסנת;
- מהירות הצבירה וההחזרות שלו;
- משקל סגולי;
- זמן אחסון אנרגיה;
- reliability;
- עלות ייצור ותחזוקה ואחרות.
ישנן דרכים רבות לארגן כוננים. אחד הנוחים ביותר הוא הסיווג לפי סוג האנרגיה המשמשת במכשיר האחסון, ולפי אופן צבירתו והחזרתו. התקני אחסון אנרגיה מחולקים לסוגים העיקריים הבאים:
- מכני;
- thermal;
- electric;
- כימיקל.
צבירת אנרגיה פוטנציאלית
מהות המכשירים האלה היא פשוטה. כאשר מטען מורם, נצברת אנרגיה פוטנציאלית; כאשר מורידים אותו, הוא מבצע עבודה שימושית. תכונות העיצוב תלויות בסוג המטען. זה יכול להיות מוצק, נוזלי אוחומר רופף. ככלל, העיצובים של מכשירים מסוג זה הם פשוטים ביותר, ומכאן האמינות הגבוהה וחיי השירות הארוכים. זמן האחסון של האנרגיה האצורה תלוי בעמידות החומרים ויכול להגיע לאלפי שנים. למרבה הצער, למכשירים כאלה יש צפיפות אנרגיה נמוכה.
אחסון מכני של אנרגיה קינטית
במכשירים אלה, אנרגיה מאוחסנת בתנועה של גוף. בדרך כלל זוהי תנועה תנודתית או תרגום.
אנרגיה קינטית במערכות תנודות מתרכזת בתנועה ההדדית של הגוף. אנרגיה מסופקת ונצרכת במנות, בזמן עם תנועת הגוף. המנגנון מורכב למדי וקפריזי בתפאורה. בשימוש נרחב בשעונים מכניים. כמות האנרגיה האצורה היא לרוב קטנה ומתאימה רק לתפעול המכשיר עצמו.
התקני אחסון מופעלים באמצעות גירוסקופ
מחסן האנרגיה הקינטית מרוכז בגלגל תנופה מסתובב. האנרגיה הספציפית של גלגל תנופה עולה משמעותית על האנרגיה של עומס סטטי דומה. ניתן לקבל או להוציא הספק משמעותי בפרק זמן קצר. זמן אחסון האנרגיה קצר, ולרוב העיצובים מוגבל למספר שעות. טכנולוגיות מודרניות מאפשרות להביא את זמן אגירת האנרגיה למספר חודשים. גלגלי תנופה רגישים מאוד להלם. האנרגיה של המכשיר תלויה ישירות במהירות הסיבוב שלו. לכן, בתהליך הצטברות והחזרת האנרגיה, מתרחש שינוי במהירות הסיבוב של גלגל התנופה. ולעומס כמוככלל, נדרשת מהירות סיבוב קבועה ונמוכה.
מכשירים מבטיחים יותר הם גלגלי תנופה. הם עשויים מסרט פלדה, סיבים סינתטיים או חוט. העיצוב עשוי להיות צפוף או בעל שטח ריק. אם יש מקום פנוי, סלילי הקלטת עוברים לפריפריה של סיבוב, רגע האינרציה של גלגל התנופה משתנה, חלק מהאנרגיה מאוחסן באביב המעוות. במכשירים כאלה, מהירות הסיבוב יציבה יותר מאשר במבנים מוצקים, וצריכת האנרגיה שלהם גבוהה בהרבה. הם גם בטוחים יותר.
גלגלי תנופה סופר מודרניים עשויים מסיבי Kevlar. הם מסתובבים בתא ואקום על מתלה מגנטי. מסוגל לאגור אנרגיה למשך מספר חודשים.
אחסון מכני באמצעות כוחות אלסטיים
מכשיר מסוג זה מסוגל לאחסן אנרגיה ספציפית עצומה. מבין הכוננים המכניים, יש לו את עוצמת האנרגיה הגבוהה ביותר עבור מכשירים במידות של כמה סנטימטרים. לגלגלי תנופה גדולים עם מהירויות סיבוב גבוהות מאוד יש תכולת אנרגיה גבוהה בהרבה, אבל הם מאוד פגיעים להשפעות חיצוניות וזמן אחסון אנרגיה קצר יותר.
אחסון מכני של אנרגיה אביבית
מסוגל לספק את ההספק המכני הגבוה ביותר מכל סוג אחסון אנרגיה. הוא מוגבל רק על ידי חוזק המתיחה של הקפיץ. האנרגיה בקפיץ דחוס יכולה להישמר לכמה עשורים. עם זאת, עקב דפורמציה מתמדת, עייפות מצטברת במתכת, ויכולת הקפיץיורד. יחד עם זאת, קפיצי פלדה איכותיים, בתנאי הפעלה נאותים, יכולים לעבוד במשך מאות שנים ללא אובדן קיבולת ניכר.
פונקציות אביב יכולות להתבצע על ידי כל אלמנט אלסטי. גומיות, למשל, עדיפות בעשרות מונים על מוצרי פלדה במונחים של אנרגיה מאוחסנת ליחידת מסה. אבל חיי השירות של גומי עקב הזדקנות כימית הם שנים ספורות בלבד.
התקני אחסון מכניים המשתמשים באנרגיה של גזים דחוסים
בסוג זה של מכשיר, אנרגיה מאוחסנת על ידי דחיסת הגז. בנוכחות עודף אנרגיה, הגז נשאב בלחץ לתוך הצילינדר באמצעות מדחס. לפי הצורך, גז דחוס משמש לסיבוב טורבינה או גנרטור חשמלי. בהספקים נמוכים, רצוי להשתמש במנוע בוכנה במקום בטורבינה. לגז בכלי בלחץ של מאות אטמוספרות יש צפיפות אנרגיה ספציפית גבוהה למספר שנים, ועם אבזור איכותי - במשך עשרות שנים.
אחסון אנרגיית חום
רוב שטחה של ארצנו נמצא באזורי הצפון, כך שחלק ניכר מהאנרגיה נאלץ לבזבז לחימום. בעניין זה יש צורך לפתור באופן קבוע את בעיית שמירת החום בכונן והוצאתו משם במידת הצורך.
ברוב המקרים, לא ניתן להשיג צפיפות גבוהה של אנרגיה תרמית מאוחסנת ותקופות משמעותיות כלשהן של שימורה. מכשירים יעילים קיימים בבשל חלק מתכונותיו והמחיר הגבוה אינם מתאימים ליישום רחב.
אחסון עקב קיבולת חום
זו אחת הדרכים העתיקות ביותר. הוא מבוסס על עיקרון הצטברות של אנרגיה תרמית כאשר חומר מחומם והעברת חום כאשר הוא מקורר. העיצוב של כוננים כאלה הוא פשוט ביותר. זה יכול להיות חתיכה מכל חומר מוצק או מיכל סגור עם נוזל קירור נוזלי. מצברי אנרגיה תרמית הם בעלי חיי שירות ארוכים מאוד, מספר כמעט בלתי מוגבל של מחזורי צבירה ושחרור אנרגיה. אבל זמן האחסון אינו עולה על מספר ימים.
אחסון אנרגיה חשמלית
אנרגיה חשמלית היא הצורה הנוחה ביותר שלה בעולם המודרני. לכן התקני אחסון חשמליים נמצאים בשימוש נרחב והמפותחים ביותר. למרבה הצער, הקיבולת הספציפית של מכשירים זולים קטנה, ומכשירים בעלי קיבולת ספציפית גבוהה הם יקרים מדי וקצרי חיים. התקני אחסון אנרגיה חשמלית הם קבלים, יוניסטורים, סוללות.
Capacitors
זהו הסוג המאסיבי ביותר של אחסון אנרגיה. קבלים מסוגלים לפעול בטמפרטורות של -50 עד +150 מעלות. מספר מחזורי צבירת-החזרת האנרגיה הוא עשרות מיליארדים בשנייה. על ידי חיבור מספר קבלים במקביל, ניתן להשיג בקלות את הקיבול הנדרש. בנוסף, ישנם קבלים משתנים. שינוי הקיבול של קבלים כאלה יכול להיעשות באופן מכני או חשמלי או לפי טמפרטורה. לרוב, ניתן למצוא קבלים משתניםמעגלים מתנודדים.
קבלים מחולקים לשתי מחלקות - קוטביים ולא קוטביים. חיי השירות של פולאר (אלקטרוליטי) קצרים יותר מאשר לא-קוטביים, הם תלויים יותר בתנאים חיצוניים, אך יחד עם זאת יש להם יכולת ספציפית גדולה יותר.
כאשר קבלי אחסון אנרגיה אינם מכשירים מוצלחים במיוחד. יש להם קיבולת נמוכה וצפיפות ספציפית לא משמעותית של אנרגיה מאוחסנת, וזמן האחסון שלה מחושב בשניות, דקות, לעתים נדירות שעות. קבלים מצאו שימוש בעיקר בהנדסת אלקטרוניקה וחשמל.
חישוב הקבל, ככלל, אינו גורם לקשיים. כל המידע הדרוש על סוגים שונים של קבלים מוצג במדריכים טכניים.
Ionistors
התקנים אלה תופסים מיקום ביניים בין קבלים קוטביים לסוללות. לפעמים הם מכונים "קבלי-על". בהתאם, יש להם מספר עצום של שלבי טעינה-פריקה, הקיבולת גדולה מזו של קבלים, אך מעט פחותה מזו של סוללות קטנות. זמן אחסון האנרגיה הוא עד מספר שבועות. יוניסטורים רגישים מאוד לטמפרטורה.
סוללות מתח
סוללות אלקטרוכימיות משמשות אם אתה צריך לאגור הרבה אנרגיה. התקני עופרת חומצה הם המתאימים ביותר למטרה זו. הם הומצאו לפני כ-150 שנה. ומאז, שום דבר חדש מהותי לא הוכנס למכשיר הסוללה. דגמים מיוחדים רבים הופיעו, איכות הרכיבים עלתה באופן משמעותי,אמינות הסוללה. ראוי לציין שהמכשיר של סוללה שנוצרה על ידי יצרנים שונים נבדל רק בפרטים מינוריים למטרות שונות.
סוללות אלקטרוכימיות מחולקות למתיחה והתנעה. מתיחה משמשים הובלה חשמלית, אל פסק, כלי עבודה. סוללות כאלה מתאפיינות בפריקה אחידה ארוכה ובעומקה הגדול. סוללות מתנע יכולות לספק זרם גבוה תוך פרק זמן קצר, אך פריקה עמוקה אינה מקובלת עבורן.
לסוללות אלקטרוכימיות יש מספר מוגבל של מחזורי טעינה-פריקה, בממוצע מ-250 עד 2000. גם אם לא נעשה בהם שימוש, הן נכשלות לאחר מספר שנים. סוללות אלקטרוכימיות רגישות לטמפרטורה, דורשות זמני טעינה ארוכים ודורשות תחזוקה קפדנית.
יש להטעין את המכשיר מדי פעם. המצבר המותקן על הרכב נטען בתנועה מהגנרטור. בחורף זה לא מספיק, מצבר קר לא מקבל טעינה טוב וצריכת החשמל להתנעת המנוע עולה. לכן, יש צורך לטעון בנוסף את הסוללה בחדר חם עם מטען מיוחד. אחד החסרונות המשמעותיים של מכשירי חומצה עופרת הוא משקלם הרב.
סוללות למכשירים עם צריכת חשמל נמוכה
אם נדרשים מכשירים ניידים עם משקל נמוך, בחרו את סוגי הסוללות הבאים: ניקל-קדמיום,ליתיום-יון, מתכת-היברידית, פולימר-יון. יש להם קיבולת ספציפית גבוהה יותר, אבל המחיר הרבה יותר גבוה. הם משמשים בטלפונים ניידים, מחשבים ניידים, מצלמות, מצלמות וידיאו והתקנים קטנים אחרים. סוגים שונים של סוללות נבדלים זה מזה בפרמטרים שלהם: מספר מחזורי הטעינה, חיי מדף, קיבולת, גודל וכו'.
סוללות ליתיום-יון בהספק גבוה משמשות בכלי רכב חשמליים ובכלי רכב היברידיים. משקלם קל, קיבולת ספציפית גבוהה ואמינות גבוהה. יחד עם זאת, סוללות ליתיום-יון דליקות מאוד. הצתה יכולה להתרחש מקצר חשמלי, עיוות מכני או הרס של המארז, הפרות של מצבי טעינה או פריקה של הסוללה. כיבוי שריפה די קשה בגלל הפעילות הגבוהה של ליתיום.
סוללות הן עמוד השדרה של מכשירים רבים. לדוגמה, התקן אחסון אנרגיה לטלפון הוא סוללה חיצונית קומפקטית הממוקמת במארז עמיד ועמיד למים. זה מאפשר לך להטעין או להפעיל את הטלפון הסלולרי שלך. התקני אחסון אנרגיה ניידים רבי עוצמה מסוגלים לטעון כל מכשיר דיגיטלי, אפילו מחשבים ניידים. במכשירים כאלה, ככלל, מותקנות סוללות ליתיום-יון בעלות קיבולת גבוהה. גם אחסון אנרגיה לבית אינו שלם ללא סוללות. אבל אלה מכשירים מורכבים הרבה יותר. בנוסף לסוללה, הם כוללים מטען, מערכת בקרה ומהפך. המכשירים יכולים לפעול הן מרשת קבועה והן ממקורות אחרים. הספק המוצא הוא 5 קילוואט בממוצע.
כונניםאנרגיה כימית
הבחנה בין סוגי כוננים מסוג "דלק" ו"לא דלק". הם דורשים טכנולוגיות מיוחדות ולעתים קרובות ציוד היי-טק מגושם. התהליכים המשמשים מאפשרים להשיג אנרגיה בצורות שונות. תגובות תרמוכימיות יכולות להתרחש בטמפרטורות נמוכות וגבוהות כאחד. רכיבים לתגובות בטמפרטורה גבוהה מוכנסים רק כאשר יש צורך להשיג אנרגיה. לפני כן, הם מאוחסנים בנפרד, במקומות שונים. רכיבים לתגובות בטמפרטורה נמוכה נמצאים בדרך כלל באותו מיכל.
אחסון אנרגיה באמצעות הפעלת דלק
שיטה זו כוללת שני שלבים עצמאיים לחלוטין: צבירת אנרגיה ("טעינה") והשימוש בה ("פריקה"). לדלק מסורתי, ככלל, יש קיבולת אנרגיה ספציפית גדולה, אפשרות לאחסון לטווח ארוך וקלות שימוש. אבל החיים לא עומדים במקום. הכנסת טכנולוגיות חדשות מציבה דרישות מוגברות לדלק. המשימה נפתרת על ידי שיפור קיימים ויצירת דלקים חדשים עתירי אנרגיה.
החדרה הרחבה של דגימות חדשות מעכבת על ידי פיתוח לא מספיק של תהליכים טכנולוגיים, סכנות גבוהות של שריפה ופיצוץ בעבודה, הצורך בכוח אדם מיומן גבוה והעלות הגבוהה של הטכנולוגיה.
אחסון אנרגיה כימית ללא דלק
בסוג זה של אחסון, אנרגיה מאוחסנת על ידי המרת כמה כימיקלים לאחרים. לדוגמה, סיד שפוי, כאשר הוא מחומם, עובר למצב של סיד חום. בעת פריקה, האנרגיה האצורהמשתחררים כחום וגז. זה בדיוק מה שקורה כאשר מושכים סיד במים. כדי שהתגובה תתחיל, בדרך כלל מספיק לשלב את הרכיבים. בעצם, זוהי מעין תגובה תרמוכימית, רק שהיא מתרחשת בטמפרטורה של מאות ואלפי מעלות. לכן, הציוד המשמש הרבה יותר מורכב ויקר.
