Acumulator pneumatic de energie. Cum funcționează un acumulator pneumatic de energie

Lanțul ciclului tehnologic de producere a energiei electrice include în mod necesar o astfel de verigă precum o stocare (acumulator). LA moduri traditionale generarea de energie electrică, rezervele de energie se acumulează într-o formă preliminară, „neelectrică”, iar această legătură - stocarea energiei, este situată direct în fața generatorului.

Rezervorul unei centrale hidroelectrice este conceput pentru a acumula energia potențială a apei râului în câmpul gravitațional al Pământului, ridicând-o la o anumită înălțime cu ajutorul unui baraj. O centrală termică acumulează în depozitele sale rezerve de solide sau combustibil lichid, sau livrează gaze naturale prin conductă, a cărei putere calorică garantează aprovizionarea cu energie necesară. Tijele reactoarelor centralelor nucleare reprezintă un stoc de combustibil nuclear cu o anumită resursă disponibilă pentru utilizarea energiei nucleare.

Modul de putere constantă este disponibil pentru toate tipurile de generatoare de energie enumerate. Cantitatea de energie produsă este reglementată în limite largi în funcție de nivelul consumului de energie la îndemână. Sursele alternative (vânt, maree, geotermal, solar) nu pot oferi o garanție putere constantă generator la nivelul cerut în prezent. Prin urmare, acumulatorul este aici nu atât o stocare a resurselor, cât un dispozitiv de amortizare, ceea ce face ca consumul de energie să fie mai puțin dependent de fluctuațiile puterii sursei. Energia sursei este acumulată în acumulator, iar ulterior consumată, la nevoie, sub formă energie electrica. În același timp, prețul său depinde în mare măsură de costul unității.

O trăsătură caracteristică a acumulatorului în surse alternative de energie este și faptul că energia acumulată în acesta poate fi cheltuită în alte scopuri. Deci, de exemplu, cu ajutorul lor, pot fi generate câmpuri magnetice puternice și superputernice.

Unitățile de măsură ale energiei acceptate în fizică și ingineria energetică și raportul dintre ele: 1 kWh, sau 1000 W 3600 s - la fel ca 3,6 MJ. În consecință, 1 MJ este echivalent cu 1/3,6 kWh sau 0,278 kWh

Unele dispozitive comune de stocare a energiei sunt:

Să facem imediat o rezervare: recenzia de mai sus nu este o clasificare completă a dispozitivelor de stocare utilizate în sectorul energetic, pe lângă cele considerate aici, există dispozitive termice, cu arc, cu inducție și diverse alte tipuri de dispozitive de stocare a energiei.

1. Depozitare tip condensator

Energia stocată de un condensator de 1 F la o tensiune de 220 V este: E = CU2 /2 = 12202 /2 kJ = 24200 J = 0,0242 MJ ~ 6,73 Wh. Masa unui astfel de condensator electrolitic poate ajunge la 120 kg. Energia specifică pe unitatea de masă se dovedește a fi puțin mai mare de 0,2 kJ/kg. Funcționarea pe oră a unității este posibilă la o sarcină de 7 wați. Condensatorii electrolitici pot dura până la 20 de ani. Ionistorii (supercondensatori) au o energie și o densitate mare de putere (aproximativ 13 Wh / l \u003d 46,8 kJ / l și, respectiv, până la 6 kW / l), cu o resursă de aproximativ 1 milion de cicluri de reîncărcare. Avantajul incontestabil al unui acumulator de condensator este capacitatea de a utiliza energia acumulată într-o perioadă scurtă de timp.

2. Acumulatoare de tip gravitațional

Acumulatoarele de energie de tipul dispozitivului de antrenare a piloților stochează energie atunci când un dispozitiv de desfășurare a piloților care cântărește 2 tone sau mai mult este ridicat la o înălțime de aproximativ 4 m. Mișcarea părții în mișcare a dispozitivului de antrenare a piloților eliberează energia potențială a corpului, împărțindu-o către generator electric. Cantitatea de energie produsă E = mgh în cazul ideal (excluzând pierderile prin frecare) va fi ~ 2000 10 4 kJ = 80 kJ ~ 22,24 Wh. Energia specifică pe unitatea de masă a unei femei copra se dovedește a fi 0,04 kJ / kg. În decurs de o oră, unitatea este capabilă să furnizeze o sarcină de până la 22 de wați. Durata de viață estimată a structurii mecanice este de peste 20 de ani. Energia acumulată de corp în câmpul gravitațional poate fi cheltuită și într-o perioadă scurtă de timp, ceea ce este avantajul acestei opțiuni.

Acumulatorul hidraulic folosește energia apei (cu o greutate de aproximativ 8-10 tone) pompată din puț în capacitatea turnului de apă. În mișcare inversă, sub acțiunea gravitației, apa rotește turbina generatorului electric. O pompă de vid convențională vă permite să pompați apă la o înălțime de până la 10 m fără probleme.Energia stocată în acest caz este E = mgh ~ 10000 8 10 J = 0,8 MJ = 0,223 kWh. Energia specifică pe unitatea de masă se dovedește a fi 0,08 kJ/kg. Sarcina furnizată de unitate pentru o oră este de 225 de wați. Conducerea poate dura 20 de ani sau mai mult. Turbina eoliană poate antrena direct pompa (fără a converti energia în energie electrică, care este asociată cu anumite pierderi), apa din rezervorul turnului, dacă este necesar, poate fi folosită pentru alte nevoi.

3. Tracțiune cu volantă

Energia cinetică a unui volant rotativ este definită astfel: E = J w2/2, J înseamnă momentul propriu de inerție al cilindrului metalic (deoarece se rotește în jurul axei de simetrie), w este viteza unghiulară de rotație.

Cu raza R și înălțimea H, cilindrul are un moment de inerție:

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

unde p este densitatea metalului - materialul cilindrului, produsul pi* R^2 H este volumul acestuia.

Viteza liniară maximă posibilă a suprafeței cilindrului punctează Vmax (este de aproximativ 200 m/s pentru un volant de oțel).

Vmax = wmax*R, de unde wmax = Vmax/R

Energia de rotație maximă posibilă Emax = J wmax^2/2 = 0,25 pi*p R2^2 H V2max = 0,25 M Vmax^2

Energia pe unitatea de masă este: Emax/M = 0,25 Vmax^2

Energia specifica, daca volantul cilindric este din otel, va fi de aproximativ 10 kJ/kg. Un volant cu o greutate de 200 kg (cu dimensiuni liniare H = 0,2 m, R = 0,2 m) stocheaza energie Emax = 0,25 pi 8000 0,22 0,2 ​​2002 ~ 2 MJ ~ 0,556 kWh. Sarcina maxima asigurata de dispozitivul de stocare al volantului nu o face pe durata unei ore. depășește 560 W. Volanul poate dura 20 de ani sau mai mult. Avantaje: eliberarea rapidă a energiei stocate, posibilitatea de îmbunătățire semnificativă a performanței prin selectarea materialului și modificarea caracteristicilor geometrice ale volantului.

4. Conduceți sub forma unei baterii chimice (plumb-acid)

O baterie reîncărcabilă clasică, având o capacitate de 190 Ah la o tensiune de ieșire de 12 V și 50% descărcare, este capabilă să furnizeze un curent de aproximativ 10 A timp de 9 ore. Energia eliberată va fi 10 A 12 V 9 h = 1,08 kWh, sau aproximativ 3,9 MJ pe ciclu. Presupunând că masa bateriei este de 65 kg, avem o energie specifică de 60 kJ/kg. Sarcina maximă pe care o poate asigura bateria timp de o oră nu depășește 1080 wați. Perioada de garantie durata de viață a unei baterii de calitate este de 3 - 5 ani, în funcție de intensitatea utilizării. Este posibil să primiți direct energie electrică de la baterie cu un curent de ieșire de până la o mie de amperi la o tensiune de ieșire de 12 V, care îndeplinește standardul auto. Multe dispozitive sunt compatibile cu bateria, proiectate pentru o tensiune constantă de 12 V, sunt disponibile convertoare 12/220 V de diferite puteri de ieșire.

5. Acumulator tip pneumatic

Aerul pompat într-un rezervor de oțel cu un volum de 1 metru cub la o presiune de 40 de atmosfere funcționează în condiții de expansiune izotermă. Lucrul A efectuat de un gaz ideal în condițiile T=const se determină după formula:

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

Aici M este masa gazului, mu este masa a 1 mol din același gaz, R = 8,31 J / (mol K), T este temperatura calculată pe scara Kelvin absolută, V1 și V2 sunt volumul inițial și final ocupat de gaz (la acest V2 / V1 = 40 când se extinde la presiunea atmosferică în interiorul rezervorului). Pentru expansiunea izotermă este valabilă legea Boyle-Mariotte: P1V1 = P2 V2 . Să luăm T = 298 0K (250C) Pentru aer M / mu ~ 40: 0,0224 = 1785,6 moli de substanță, gazul funcționează A = 1785,6 8,31 298 ln 50 ~ 16 MJ ~ 4,45 kWh pe ciclu. Peretii rezervorului, proiectati pentru o presiune de 40-50 atmosfere, trebuie sa aiba o grosime de cel putin 5 mm, si de aceea masa motorului va fi de aproximativ 250 kg. Energia specifica stocata de acest acumulator pneumatic va fi de 64 kJ/kg. Puterea maximă furnizată de acţionarea pneumatică în timpul unei ore de funcţionare va fi de 4,5 kW. Durată de viață garantată ca majoritatea unităților bazate pe performanță munca mecanica părțile lor structurale, este de la 20 de ani. Avantajele acestui tip de rezervor: posibilitatea de amplasare a rezervorului în subteran; Rezervorul poate fi un cilindru de gaz standard folosind echipamentul adecvat, turbina eoliană este capabilă să transmită direct mișcarea către pompa compresorului. În plus, multe dispozitive folosesc direct energia acumulată a aerului comprimat în rezervor.

Iată parametrii tipurilor considerate de dispozitive de stocare a energiei din tabelul rezumativ:

Cea mai simplă astfel de baterie este o butelie de gaz convențională, în care, la momentul producerii puterii de vârf, compresorul pompează aer sub presiune mare. Când producția de energie scade sau, dimpotrivă, consumul acesteia crește brusc, supapa se deschide și aerul comprimat de ieșire învârte turbina generatorului. Eficiența unei astfel de instalații se dovedește a fi relativ mică, dar având în vedere faptul că adesea la vârful producției, energia dispare pur și simplu, încălzind spațiul înconjurător, nici un astfel de aditiv nu trebuie neglijat.

Cum se poate crește eficiența și reduce costul relativ al unui astfel de sistem? Într-o configurație numită Compressed Energia aerului Storage (CAES), construit pentru prima dată de SUA în 1991 la McIntosh, Alabama. O peșteră subterană de sare naturală este folosită ca rezervor. Stratul de sare nu permite trecerea aerului, nici măcar dedesubt presiune ridicata- boabe mici, praful de sare etanșează cele mai mici fisuri care pot apărea în grosimea formațiunii. Aer în peșteră cu un volum de 538 mii de metri cubi. pompat de un compresor la o presiune de 77 atmosfere. Când consumul de energie al rețelei crește în mod neașteptat, aerul iese și furnizează energie sistemului. Timpul de golire a rezervorului la presiunea de funcționare inferioară de 46 atm este de 26 de ore, timp în care stația produce 110 MW de putere.

Cum să creștem eficiența sistemului? Aerul comprimat nu rotește singur rotorul, ci se amestecă cu gazul natural și intră în turbina cu gaz. Majoritatea puterea unei turbine cu gaz (până la două treimi) este de obicei cheltuită pentru a conduce un compresor care pompează aer în ea - de aici obținem economii solide. În plus, înainte de a intra în turbină, aerul este încălzit în schimbătorul de căldură (recuperator) prin produse de ardere, ceea ce adaugă și eficiență.

În total, atunci când este egală cu o turbină cu gaz tradițională, o astfel de schemă asigură o reducere a consumului de gaz cu 60 ... 70%, o pornire rapidă de la o stare rece (câteva minute) și Buna treaba la sarcini mici. Stația de la McIntosh a durat 30 de luni pentru a construi și a costat 65 de milioane de dolari (chiar dacă avea o peșteră naturală de sare).

Pe lângă proiectul din Alabama, în 1978 la Huntorf, germanii au lansat o instalație de stocare de 290 MW (2 ore de funcționare) în două peșteri de sare la o adâncime de 600...800 m cu un interval de presiune de 50... .70 atmosfere. Folosit inițial ca standby fierbinte pentru industrie din nord-vestul Germaniei, stocarea este acum folosită pentru a netezi vârfurile de generare a parcurilor eoliene.

În perioada sovietică, s-a planificat construirea unui acumulator pneumatic de 1050 MW în Donbass, dar din păcate, ca multe proiecte din acei ani, totul a rămas pe hârtie.

Ei bine, un videoclip de la dezvoltatorii proiectului.

Ecologia cunoașterii.Știință și tehnologie: În contextul dezvoltării active a noilor tehnologii în sectorul energetic, dispozitivele de stocare a energiei electrice reprezintă o tendință binecunoscută. Aceasta este o soluție de calitate la problema întreruperilor de curent sau a lipsei totale de energie.

Există o întrebare: „Ce mod de stocare a energiei este de preferat în această sau atare situație?”. De exemplu, ce metodă de stocare a energiei ar trebui aleasă pentru o casă privată sau cabană de vară dotată cu o instalație solară sau eoliană? Evident, nimeni nu va construi o stație mare de stocare cu pompare în acest caz, totuși, este posibil să se instaleze o capacitate mare prin ridicarea acesteia la o înălțime de 10 metri. Dar ar fi suficientă o astfel de instalație pentru a menține o alimentare constantă cu energie electrică în absența soarelui?

Pentru a răspunde la întrebările care apar, este necesar să dezvoltați câteva criterii de evaluare a bateriilor, permițându-vă să obțineți estimări obiective. Și pentru asta trebuie să luați în considerare diverse opțiuni acumulatoare, permițând obținerea de estimări numerice.

Capacitate sau sarcină stocată?

Când vorbesc sau scriu despre bateriile de mașină, se menționează adesea o valoare care se numește capacitatea bateriei și se exprimă în amperi-ore (pentru bateriile mici - în miliamperi-oră). Dar, strict vorbind, amperi-ora nu este o unitate de capacitate. Capacitatea în teoria electricității este măsurată în faradi. Și amperi-oră este o unitate de măsură a sarcinii! Adică, caracteristica bateriei trebuie luată în considerare (și așa se numește) încărcarea acumulată.

În fizică, sarcina se măsoară în coulombs. Un pandantiv este cantitatea de sarcină trecută printr-un conductor la un curent de 1 amper într-o secundă. Deoarece 1 C / s este egal cu 1 A, atunci, transformând ore în secunde, obținem că un amper-oră va fi egal cu 3600 C.

Trebuie remarcat faptul că chiar și din definiția pandantivului este clar că sarcina caracterizează un anumit proces, și anume procesul de trecere a curentului prin conductor. Același lucru rezultă chiar și din denumirea unei alte mărimi: un amper-oră este atunci când un curent de un amper trece prin conductor timp de o oră.

La prima vedere, poate părea că există o oarecare inconsecvență aici. La urma urmei, dacă vorbim despre conservarea energiei, atunci energia acumulată în orice baterie ar trebui măsurată în jouli, deoarece joule în fizică este cel care servește ca unitate de energie. Dar să ne amintim că curentul din conductor apare numai atunci când există o diferență de potențial la capetele conductorului, adică tensiunea este aplicată conductorului. Dacă tensiunea la bornele bateriei este de 1 volt și o sarcină de un amper-oră trece prin conductor, obținem că bateria a emis 1 V 1 Ah = 1 Wh de energie.

Astfel, în raport cu bateriile, este mai corect să vorbim de energie stocată (energie stocată) sau de încărcare stocată (de stocare). Cu toate acestea, întrucât termenul „capacitatea bateriei” este larg răspândit și cumva mai familiar, îl vom folosi, dar cu unele clarificări, și anume, vom vorbi despre capacitatea energetică.

Capacitate energetică - energia emanată de o baterie complet încărcată atunci când este descărcată la cea mai mică valoare permisă.

Folosind acest concept, vom încerca să calculăm și să comparăm aproximativ capacitatea energetică tipuri variate dispozitive de stocare a energiei.

Capacitatea energetică a bateriilor chimice

O baterie electrică complet încărcată cu o capacitate (încărcare) declarată de 1 Ah este teoretic capabilă să furnizeze un curent de 1 amper pentru o oră (sau, de exemplu, 10 A pentru 0,1 oră, sau 0,1 A pentru 10 ore). Dar prea mult curent de descărcare a bateriei duce la o putere de ieșire mai puțin eficientă, ceea ce reduce neliniar timpul de funcționare cu un astfel de curent și poate duce la supraîncălzire. În practică, capacitatea bateriilor este dată pe baza unui ciclu de descărcare de 20 de ore la tensiunea finală. Pentru bateriile auto, este de 10,8 V. De exemplu, inscripția de pe eticheta bateriei „55 Ah” înseamnă că este capabilă să furnizeze un curent de 2,75 amperi timp de 20 de ore, iar tensiunea la borne nu va scădea sub 10,8 AT. .

Producătorii de baterii enumera adesea specificatii tehnice dintre produsele lor au stocat energie în Wh (Wh), și nu încărcarea stocată în mAh (mAh), ceea ce, în general, nu este corect. În cazul general, nu este ușor de calculat energia stocată din sarcina stocată: este necesară integrarea puterii instantanee furnizate de baterie pe toată durata de descărcare a acesteia. Dacă nu este necesară o precizie mai mare, în loc să integrați, puteți utiliza valorile medii ale tensiunii și curentului consumat și utilizați formula:

1 Wh = 1 V 1 Ah.

Adică, energia stocată (în Wh) este aproximativ egală cu produsul dintre sarcina stocată (în Ah) și tensiunea medie (în Volți): E = q · U. De exemplu, dacă capacitatea (în sensul obișnuit) a unei baterii de 12 volți este de 60 Ah, atunci energia stocată, adică capacitatea sa de energie, va fi de 720 Wh.

Capacitatea energetică a acumulatorilor de energie gravitațională

În orice manual de fizică, puteți citi că munca A efectuată de o forță F la ridicarea unui corp de masă m la o înălțime h se calculează prin formula A = m · g · h, unde g este accelerația căderii libere. Această formulă are loc în cazul în care mișcarea corpului este lentă și forțele de frecare pot fi neglijate. Munca împotriva gravitației nu depinde de modul în care ridicăm corpul: vertical (ca o greutate într-un ceas), plan înclinat(ca atunci când trageți o sanie în sus) sau într-un alt mod.

În toate cazurile, lucrul A = m · g · h. Când corpul este coborât la nivelul inițial, forța gravitațională va produce același lucru care a fost consumat de forța F la ridicarea corpului. Aceasta înseamnă că prin ridicarea corpului, am stocat un lucru egal cu m · g · h, adică corpul ridicat are o energie egală cu produsul forței gravitaționale care acționează asupra acestui corp și înălțimea la care este ridicat. Această energie nu depinde de direcția în care a avut loc ascensiunea, ci este determinată doar de poziția corpului (înălțimea la care este ridicat sau diferența de înălțimi dintre poziția inițială și cea finală a corpului) și se numește potențial. energie.

Folosind această formulă, să estimăm capacitatea energetică a unei mase de apă pompată într-un rezervor cu o capacitate de 1000 de litri, ridicată la 10 metri deasupra nivelului solului (sau nivelul unei turbine hidrogeneratoare). Vom presupune că rezervorul are forma unui cub cu lungimea laturii de 1 m. Atunci, după formula din manualul lui Landsberg, A = 1000 kg (9,8 m/s2) 10,5 m = 102900 kg m2/s2. Dar 1 kg m2/s2 este egal cu 1 joule, iar transformând în wați-oră, obținem doar 28,583 wați-oră. Adică, pentru a obține o capacitate energetică egală cu capacitatea unui acumulator electric convențional de 720 wați-oră, este necesar să se mărească volumul de apă din rezervor de 25,2 ori.

Rezervorul va trebui să aibă o lungime a nervurii de aproximativ 3 metri. În același timp, capacitatea sa de energie va fi egală cu 845 wați-oră. Aceasta este mai mult decât capacitatea unei singure baterii, dar volumul de instalare este semnificativ mai mare decât dimensiunea unei baterii de mașină convenționale cu plumb-zinc. Această comparație sugerează că are sens să se considere nu energia stocată într-un sistem ca energie în sine, ci în relație cu masa sau volumul sistemului în cauză.

Capacitate energetică specifică

Așa că am ajuns la concluzia că este recomandabil să corelăm capacitatea energetică cu masa sau volumul acumulatorului, sau purtătorul însuși, de exemplu, apa turnată într-un rezervor. Se pot lua în considerare doi indicatori de acest fel.

Capacitatea energetică specifică masei va fi numită capacitatea de stocare a energiei, raportată la masa acestei stocări.

Capacitatea de energie specifică volumetrică se va numi capacitatea de stocare a energiei, raportată la volumul acestei stocări.

Exemplu. Acumulatorul plumb-acid Panasonic LC-X1265P, proiectat pentru o tensiune de 12 volți, are o încărcare de 65 amperi-oră, greutate - 20 kg. si dimensiuni (LxLxH) 350 166 175 mm. Durata sa de viață la t = 20 C este de 10 ani. Astfel, consumul de energie specific de masă va fi de 65 12 / 20 = 39 wați-oră pe kilogram, iar consumul de energie specific volumetric - 65 12 / (3,5 1,66 1,75) = 76,7 wați-oră pe kilogram.decimetru cub sau 0,0767 kWh per cub. metru.

Pentru dispozitivul de stocare a energiei gravitaționale considerat în secțiunea anterioară bazat pe un rezervor de apă de 1000 de litri, consumul specific de energie în masă va fi de numai 28,583 wați-oră/1000 kg = 0,0286 W-h/kg, ceea ce este de 1363 de ori mai mic decât energia de masă. consumul bateriei plumb-zinc. Și deși durata de viață a unui rezervor de stocare gravitațional se poate dovedi a fi semnificativ mai lungă, totuși, din punct de vedere practic, un vagon cisternă pare mai puțin atractiv decât o baterie de stocare.

Să luăm în considerare încă câteva exemple de dispozitive de stocare a energiei și să le estimăm consumul specific de energie.

Intensitatea energetică a acumulatorului de căldură

Capacitate de căldură - cantitatea de căldură absorbită de corp atunci când este încălzit cu 1 ° C. În funcție de unitatea cantitativă căreia îi aparține capacitatea termică, există masa, volumul și capacitatea de căldură molară.

Capacitatea termică specifică de masă, numită și pur și simplu capacitatea termică specifică, este cantitatea de căldură care trebuie furnizată unei unități de masă a unei substanțe pentru a o încălzi cu o unitate de temperatură. În SI, se măsoară în jouli pe kilogram pe kelvin (J·kg−1·K−1).

Capacitatea termică volumetrică este cantitatea de căldură care trebuie furnizată unei unități de volum a unei substanțe pentru a o încălzi cu o unitate de temperatură. În SI, se măsoară în jouli pe metru cub pe kelvin (J m−3 K−1).

Capacitatea de căldură molară este cantitatea de căldură care trebuie furnizată unui mol dintr-o substanță pentru a o încălzi pe unitate de temperatură. În SI, se măsoară în jouli pe mol pe kelvin (J/(mol K)).

Un mol este o unitate de măsură a cantității de substanță din Sistemul Internațional de Unități. Un mol este cantitatea de substanță dintr-un sistem care conține tot atâtea elemente structurale câte atomi există în carbonul-12 cu o masă de 0,012 kg.

Valoarea căldurii specifice este afectată de temperatura substanței și de alți parametri termodinamici. De exemplu, măsurarea capacității termice specifice a apei va da rezultate diferite la 20°C și 60°C. În plus, capacitatea termică specifică depinde de modul în care parametrii termodinamici ai substanței (presiunea, volumul etc.) sunt lăsați să se modifice; de exemplu, căldura specifică la presiune constantă (CP) și la volum constant (CV) sunt în general diferite.

Trecerea unei substanțe de la o stare de agregare la alta este însoțită de o schimbare bruscă a capacității termice la un anumit punct de temperatură de transformare pentru fiecare substanță - punctul de topire (tranziție corp solidîn lichid), punctul de fierbere (tranziția lichidului în gaz) și, în consecință, temperaturile transformărilor inverse: îngheț și condensare.

Capacitățile termice specifice ale multor substanțe sunt date în cărți de referință, de obicei pentru un proces la presiune constantă. De exemplu, capacitatea termică specifică a apei lichide în condiții normale este de 4200 J / (kg K); gheață - 2100 J/(kg K).

Pe baza datelor de mai sus, se poate încerca să se estimeze capacitatea termică a unui acumulator de căldură cu apă (rezumat). Să presupunem că masa de apă din el este de 1000 kg (litri). Îl încălzim la 80 ° C și îl lăsăm să dea căldură până se răcește la 30 ° C. Dacă nu vă deranjați cu faptul că capacitatea de căldură este diferită la diferite temperaturi, putem presupune că acumulatorul de căldură va degaja 4200 * 1000 * 50 J de căldură. Adică, capacitatea energetică a unui astfel de acumulator de căldură este de 210 megajouli sau 58,333 kilowați-oră de energie.

Dacă comparăm această valoare cu încărcarea energetică a unei baterii auto convenționale (720 wați-oră), vedem că pentru acumulatorul de căldură considerat capacitatea energetică este egală cu capacitatea energetică a aproximativ 810 baterii electrice.

Consumul specific de energie de masă al unui astfel de acumulator de căldură (chiar și fără a lua în considerare masa vasului în care va fi stocată efectiv apa încălzită și masa izolației termice) va fi de 58,3 kWh/1000 kg = 58,3 Wh/kg . Acesta se dovedește deja a fi mai mult decât consumul de energie în masă al unei baterii plumb-zinc, egal, așa cum a fost calculat mai sus, cu 39 Wh / kg.

Conform estimărilor aproximative, acumulatorul de căldură este comparabil cu un acumulator convențional baterie auto iar în ceea ce privește energia specifică volumetrică, întrucât un kilogram de apă este un decimetru de volum, prin urmare energia sa specifică volumetrică este tot de 76,7 Wh / kg, ceea ce coincide exact cu căldura specifică volumetrică a unei baterii plumb-acid. Adevărat, în calculul pentru acumulatorul de căldură, am luat în considerare doar volumul de apă, deși ar fi necesar să se țină cont de volumul rezervorului și de izolația termică. Dar, în orice caz, pierderea nu va fi la fel de mare ca în cazul unui dispozitiv de stocare gravitațional.

Alte tipuri de stocare a energiei

Articolul „Prezentare generală asupra stocării de energie (acumulatoare)” oferă calcule ale consumului specific de energie al unora mai multe dispozitive de stocare a energiei. Să împrumutăm câteva exemple de acolo.

Depozitare condensator

Cu o capacitate a condensatorului de 1 F și o tensiune de 250 V, energia stocată va fi: E = CU2 /2 = 1 ∙ 2502 /2 = 31,25 kJ ~ 8,69 W h. Dacă utilizați condensatori electrolitici, atunci masa acestora poate fi de 120 kg. Energia specifică a stocării este de 0,26 kJ/kg sau 0,072 W/kg. În timpul funcționării, unitatea poate furniza o sarcină de cel mult 9 wați timp de o oră. Durata de viață a condensatoarelor electrolitice poate ajunge la 20 de ani. Ionistorii în ceea ce privește densitatea energiei stocate sunt aproape de bateriile chimice. Avantaje: energia stocată poate fi utilizată pentru o perioadă scurtă de timp.

Acumulatoare gravitaționale de tip grămadă

Mai întâi ridicăm un corp cu o masă de 2000 kg la o înălțime de 5 m. Apoi corpul coboară sub acțiunea gravitației, rotind generatorul electric. E = mgh ~ 2000 ∙ 10 ∙ 5 = 100 kJ ~ 27,8 W h. Capacitate energetică specifică 0,0138 W oră/kg. În timpul funcționării, unitatea poate furniza o sarcină de cel mult 28 de wați timp de o oră. Durata de viață a unității poate fi de 20 de ani sau mai mult.

Avantaje: energia stocată poate fi utilizată într-o perioadă scurtă de timp.

Volant

Energia stocată în volant poate fi găsită prin formula E = 0,5 J w2 , unde J este momentul de inerție al corpului în rotație. Pentru un cilindru cu raza R și înălțimea H:

J = 0,5 p r R4H

unde r este densitatea materialului din care este realizat cilindrul.

Limitarea vitezei liniare la periferia volantului Vmax (aproximativ 200 m/s pentru oțel).

Vmax = wmax R sau wmax = Vmax /R

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

Energia specifică va fi: Emax /M = 0,25 V2max

Pentru un volant cilindric din oțel, conținutul maxim de energie specifică este de aproximativ 10 kJ/kg. Pentru un volant cu masa de 100 kg (R = 0,2 m, H = 0,1 m), energia maximă stocată poate fi 0,25 ∙ 3,14 ∙ 8000 ∙ 0,22 ∙ 0,1 ∙ 2002 ~ 1 MJ ~ 0.278 kWh. În timpul funcționării, unitatea poate furniza o sarcină de cel mult 280 de wați timp de o oră. Durata de viață a volantului poate fi de 20 de ani sau mai mult. Avantaje: energia stocată poate fi folosită pentru o perioadă scurtă de timp, performanța poate fi mult îmbunătățită.

Superflywheel

Un super volant, spre deosebire de volantele convenționale, este capabil de caracteristici de proiectare teoretic depozitează până la 500 Wh per kilogram de greutate. Cu toate acestea, dezvoltarea super volantelor din anumite motive s-a oprit.

Acumulator pneumatic

Aerul este pompat într-un rezervor de oțel cu o capacitate de 1 m3 la o presiune de 50 atmosfere. Pentru a rezista la această presiune, pereții rezervorului trebuie să aibă o grosime de aproximativ 5 mm. Aerul comprimat este folosit pentru a face treaba. Într-un proces izoterm, munca A efectuată de un gaz ideal atunci când se extinde în atmosferă este determinată de formula:

A = (M / m) ∙ R ∙ T ∙ log (V2 / V1)

unde M este masa gazului, m este masa molară a gazului, R este constanta universală a gazului, T este temperatura absolută, V1 este volumul inițial al gazului, V2 este volumul final al gazului. Ținând cont de ecuația de stare pentru un gaz ideal (P1 ∙ V1 = P2 ∙ V2), pentru această implementare a inelului de stocare V2 / V1 = 50, R = 8,31 J/(moldeg), T = 293 0K, M / m ~ 50: 0,0224 ~ 2232, lucru de expansiune gaz 2232 ∙ 8,31 ∙ 293 ∙ ln 50 ~ 20 MJ ~ 5,56 kWh per ciclu. Masa unității este aproximativ egală cu 250 kg. Energia specifică va fi de 80 kJ/kg. În timpul funcționării, acumulatorul pneumatic poate furniza o sarcină de cel mult 5,5 kW timp de o oră. Durata de viață a unui acumulator pneumatic poate fi de 20 de ani sau mai mult.

Avantaje: rezervorul de stocare poate fi amplasat subteran, standard butelii de gazîn cantitatea necesară cu echipamentul corespunzător, atunci când se utilizează o turbină eoliană, aceasta din urmă poate antrena direct pompa compresorului, există un număr destul de mare de dispozitive care folosesc direct energia aerului comprimat.

Tabel de comparație a unor dispozitive de stocare a energiei

Rezumăm toate valorile de mai sus ale parametrilor de stocare a energiei într-un tabel general. Dar mai întâi, observăm că consumul specific de energie face posibilă compararea acumulatorilor cu combustibilul convențional.

Caracteristica principală a combustibilului este puterea calorică, adică. cantitatea de căldură degajată în timpul arderii sale complete. Distingeți căldura de ardere specifică (MJ/kg) și volumetrică (MJ/m3). Conversia MJ în kWh obținem:

După cum puteți vedea, consumul specific de energie al combustibilului depășește semnificativ capacitatea de stocare a energiei a dispozitivelor de stocare a energiei. Deoarece sunt adesea folosite ca sursă de energie de rezervă generatoare diesel, vom include în tabelul final intensitatea energetică a motorinei, care este egală cu 42624 kJ/kg sau 11,84 kWh/kg. Și să adăugăm gaz natural și hidrogen pentru comparație, deoarece acesta din urmă poate servi și ca bază pentru crearea dispozitivelor de stocare a energiei.

Conținutul energetic specific de masă al gazului îmbuteliat (propan-butan) este de 36 mJ/kg. sau 10 kWh/kg, în timp ce hidrogenul are 33,58 kWh/kg.

Ca urmare, obținem următorul tabel cu parametrii dispozitivelor de stocare a energiei considerate (ultimele două rânduri din acest tabel au fost adăugate pentru comparație cu purtătorii de energie tradiționali):

Cifrele date în acest tabel sunt foarte aproximative, calculele nu țin cont de mulți factori, de exemplu, eficiența generatorului care utilizează energia economisită, volumele și greutățile. echipamentul necesar etc. Cu toate acestea, aceste cifre permit, în opinia mea, să se ofere o estimare inițială a intensității energetice potențiale diferite feluri dispozitive de stocare a energiei.

Și, după cum urmează din tabelul de mai sus, cel mai mult vedere eficientă rezervorul de stocare este reprezentat de un cilindru cu hidrogen. Dacă energia „gratuită” (excesul) din surse regenerabile este folosită pentru a produce hidrogen, atunci stocul de hidrogen este cel mai promițător.

Hidrogen poate fi folosit ca combustibil într-un motor cu ardere internă convențională care va acționa un generator electric sau în pile de combustibil cu hidrogen care produc direct electricitate. Întrebarea despre care metodă este mai profitabilă necesită o analiză separată. Ei bine, problemele de siguranță în producția și utilizarea hidrogenului pot face ajustări atunci când se ia în considerare fezabilitatea utilizării unuia sau altui tip de stocare a energiei. publicat

Alăturați-vă nouă la

O peșteră, un compresor și o turbină cu gaz - așa funcționează un acumulator pneumatic de energie. În SUA, primul astfel de dispozitiv a fost construit în 1991 în McIntosh, Alabama. Scopul său este de a netezi sarcinile de vârf la centralele electrice.

În modul de acumulare, aerul este condus de compresoare într-un depozit subteran (peștera de sare naturală) cu un volum de 538 mii de metri cubi. până la o presiune de 77 atm. Când consumul de energie al rețelei crește în mod neașteptat, aerul iese și furnizează energie sistemului. Timpul de golire a rezervorului la presiunea de funcționare inferioară de 46 atm este de 26 de ore, timp în care stația produce 110 MW de putere.

Aerul comprimat nu întoarce turbina de la sine, ci intră în turbina cu gaz. Deoarece 2/3 din puterea unei turbine cu gaz este de obicei cheltuită pentru a antrena un compresor care forțează aer în ea, se obține o economie semnificativă. Inainte de a intra in turbina, aerul este incalzit in schimbatorul de caldura (recuperator) prin produse de ardere, ceea ce adauga si eficienta.

Aceștia constată o reducere a consumului de gaz cu 60 ... 70% față de o turbină cu gaz tradițională, o pornire rapidă de la o stare rece (câteva minute) și o funcționare bună la sarcini mici.

Construcția stației de la McIntosh a durat 30 de luni și a costat 65 de milioane de dolari.

Proiectul din Alabama nu este unic. În 1978, la Huntorf, germanii au lansat o instalație de stocare de 290 MW (2 ore de funcționare) în două peșteri de sare la o adâncime de 600...800 m cu un interval de presiune de 50...70 atm. Folosit inițial ca standby fierbinte pentru industrie din nord-vestul Germaniei, stocarea este acum folosită pentru a netezi vârfurile de generare a parcurilor eoliene.

Ei scriu că în Donbass în timpul erei sovietice au plănuit să echipeze un acumulator pneumatic de 1050 MW în aceeași peșteră, soarta acestuia este necunoscută.

În 2012, în Texas a fost deschisă o instalație de stocare pneumatică de 500 MWh lângă un parc eolian de 2 megawați, dar specificul lipsește.