Příroda dala člověku různé zdroje energie: slunce, vítr, řeky a další. Nevýhodou těchto generátorů volné energie je nedostatečná stabilita. Proto se v obdobích přebytku energie ukládá do skladovacích zařízení a utrácí se během období dočasné recese. Zařízení pro ukládání energie se vyznačují následujícími parametry:
- množství uložené energie;
- rychlost jeho akumulace a návratnosti;
- měrná hmotnost;
- doba skladování energie;
- spolehlivost;
- náklady na výrobu a údržbu a další.
Existuje mnoho způsobů, jak organizovat jednotky. Jednou z nejpohodlnějších je klasifikace podle druhu energie použité v akumulačním zařízení a podle způsobu její akumulace a vracení. Zařízení pro ukládání energie se dělí do následujících hlavních typů:
- mechanické;
- termální;
- elektrický;
- chemické.
Akumulace potenciální energie
Podstata těchto zařízení je přímočará. Při zvedání břemene se akumuluje potenciální energie, při spouštění vykonává užitečnou práci. Konstrukční prvky závisí na typu nákladu. Může být pevný, kapalný popřsypká hmota. Konstrukce zařízení tohoto typu jsou zpravidla extrémně jednoduché, a proto vysoká spolehlivost a dlouhá životnost. Doba skladování akumulované energie závisí na trvanlivosti materiálů a může dosáhnout tisíciletí. Bohužel taková zařízení mají nízkou hustotu energie.
Mechanické ukládání kinetické energie
V těchto zařízeních se energie ukládá při pohybu těla. Obvykle se jedná o oscilační nebo translační pohyb.
Kinetická energie v oscilačních systémech se koncentruje do vratného pohybu těla. Energie je dodávána a spotřebována po částech, v čase s pohybem těla. Mechanismus je poměrně složitý a vrtošivý v nastavení. Široce používané v mechanických hodinkách. Množství akumulované energie je obvykle malé a je vhodné pouze pro provoz samotného zařízení.
Úložná zařízení napájená gyroskopem
Zásobník kinetické energie je soustředěn v rotujícím setrvačníku. Měrná energie setrvačníku výrazně převyšuje energii podobného statického zatížení. Je možné přijímat nebo vydávat významný výkon v krátkém časovém období. Doba skladování energie je krátká a u většiny návrhů je omezena na několik hodin. Moderní technologie umožňují prodloužit dobu skladování energie na několik měsíců. Setrvačníky jsou velmi citlivé na otřesy. Energie zařízení je přímo závislá na rychlosti jeho otáčení. Proto v procesu akumulace a návratu energie dochází ke změně rychlosti otáčení setrvačníku. A pro náklad jakozpravidla je vyžadována konstantní nízká rychlost otáčení.
Slibnější zařízení jsou supersetrvačníky. Jsou vyrobeny z ocelové pásky, syntetického vlákna nebo drátu. Design může být hustý nebo mít prázdný prostor. Pokud je volný prostor, cívky pásku se posouvají k periferii rotace, mění se moment setrvačnosti setrvačníku, část energie se ukládá do deformované pružiny. V takových zařízeních je rychlost otáčení stabilnější než u pevných konstrukcí a jejich spotřeba energie je mnohem vyšší. Jsou také bezpečnější.
Moderní super setrvačníky jsou vyrobeny z kevlarových vláken. Otáčejí se ve vakuové komoře na magnetickém závěsu. Dokáže uchovat energii na několik měsíců.
Mechanické uložení pomocí elastických sil
Tento typ zařízení je schopen uchovat obrovskou specifickou energii. Z mechanických pohonů má nejvyšší energetickou náročnost pro zařízení o rozměrech několika centimetrů. Velké setrvačníky s velmi vysokou rychlostí otáčení mají mnohem vyšší obsah energie, ale jsou velmi citlivé na vnější vlivy a mají kratší dobu akumulace energie.
Mechanické uložení pružinové energie
Schopný dodat nejvyšší mechanický výkon ze všech tříd skladování energie. Je omezena pouze pevností pružiny v tahu. Energie ve stlačené pružině může být uložena po několik desetiletí. V důsledku neustálé deformace se však v kovu akumuluje únava a kapacita pružinyklesá. Přitom vysoce kvalitní ocelové pružiny mohou za správných provozních podmínek fungovat stovky let bez znatelné ztráty kapacity.
Funkce pružiny mohou být vykonávány libovolnými elastickými prvky. Například gumové pásy jsou desítkykrát lepší než ocelové výrobky, pokud jde o akumulovanou energii na jednotku hmotnosti. Ale životnost pryže v důsledku chemického stárnutí je jen několik let.
Mechanická akumulační zařízení využívající energii stlačených plynů
U tohoto typu zařízení se energie ukládá stlačením plynu. V případě přebytku energie je plyn čerpán pod tlakem do válce pomocí kompresoru. Podle potřeby se stlačený plyn používá k otáčení turbíny nebo elektrického generátoru. Při malých výkonech je vhodné místo turbíny použít pístový motor. Plyn v nádobě pod tlakem stovek atmosfér má vysokou měrnou hustotu energie po několik let as vysoce kvalitními armaturami - po celá desetiletí.
Akumulace tepelné energie
Většina území naší země se nachází v severních oblastech, takže značná část energie je nucena vynakládat na vytápění. V tomto ohledu je nutné pravidelně řešit problém zadržování tepla v pohonu a jeho případného odvádění odtud.
Ve většině případů není možné dosáhnout vysoké hustoty akumulované tepelné energie a významných období jejího uchování. Stávající efektivní zařízení vkvůli některým svým vlastnostem a vysoké ceně nejsou vhodné pro široké použití.
Skladování díky tepelné kapacitě
Toto je jeden z nejstarších způsobů. Je založen na principu akumulace tepelné energie při zahřívání látky a předávání tepla při ochlazování. Konstrukce takových pohonů je extrémně jednoduchá. Může to být kus jakékoli pevné látky nebo uzavřená nádoba s kapalným chladivem. Akumulátory tepelné energie mají velmi dlouhou životnost, téměř neomezený počet cyklů akumulace a výdeje energie. Doba skladování však nepřesáhne několik dní.
Akumulace elektrické energie
Elektrická energie je její nejpohodlnější formou v moderním světě. Proto jsou elektrická akumulační zařízení široce používaná a nejrozvinutější. Bohužel měrná kapacita levných zařízení je malá a zařízení s vysokou měrnou kapacitou jsou příliš drahá a mají krátkou životnost. Zásobníky elektrické energie jsou kondenzátory, ionistory, baterie.
Kondenzátory
Jedná se o nejmasivnější typ úložiště energie. Kondenzátory jsou schopny pracovat při teplotách od -50 do +150 stupňů. Počet cyklů akumulace-návratu energie je desítky miliard za sekundu. Zapojením několika kondenzátorů paralelně snadno získáte požadovanou kapacitu. Kromě toho existují proměnné kondenzátory. Změna kapacity těchto kondenzátorů může být provedena mechanicky nebo elektricky nebo teplotou. Nejčastěji lze nalézt variabilní kondenzátoryoscilační obvody.
Kondenzátory se dělí do dvou tříd – polární a nepolární. Životnost polárních (elektrolytických) je kratší než nepolárních, jsou více závislé na vnějších podmínkách, ale zároveň mají větší měrnou kapacitu.
Kondenzátory pro ukládání energie nejsou příliš úspěšná zařízení. Mají nízkou kapacitu a nevýznamnou měrnou hustotu akumulované energie a doba jejího uložení se počítá v sekundách, minutách, zřídka v hodinách. Kondenzátory našly uplatnění především v elektronice a silové elektrotechnice.
Výpočet kondenzátoru zpravidla nezpůsobuje potíže. Všechny potřebné informace o různých typech kondenzátorů jsou uvedeny v technických příručkách.
Ionistory
Tato zařízení zaujímají mezipolohu mezi polárními kondenzátory a bateriemi. Někdy se jim říká „superkondenzátory“. V souladu s tím mají obrovské množství stupňů nabíjení a vybíjení, kapacita je větší než kapacita kondenzátorů, ale o něco menší než kapacita malých baterií. Doba skladování energie je až několik týdnů. Ionistory jsou velmi citlivé na teplotu.
Napájecí baterie
Elektrochemické baterie se používají, pokud potřebujete uložit velké množství energie. Pro tento účel jsou nejvhodnější zařízení na bázi olova. Byly vynalezeny asi před 150 lety. A od té doby nebylo do bateriového zařízení zavedeno nic zásadně nového. Objevilo se mnoho specializovaných modelů, kvalita komponent se výrazně zvýšila,spolehlivost baterie. Je pozoruhodné, že zařízení baterie vytvořené různými výrobci se pro různé účely liší pouze v malých detailech.
Elektrochemické baterie se dělí na trakční a startovací. Trakční se používají v elektrické dopravě, nepřerušitelné zdroje energie, elektrické nářadí. Takové baterie se vyznačují dlouhým rovnoměrným vybíjením a velkou hloubkou. Startovací baterie mohou dodat vysoký proud v krátkém čase, ale hluboké vybití pro ně není přijatelné.
Elektrochemické baterie mají omezený počet cyklů nabití a vybití, v průměru od 250 do 2000. I když se nepoužívají, po několika letech selžou. Elektrochemické baterie jsou citlivé na teplotu, vyžadují dlouhé doby nabíjení a vyžadují přísnou údržbu.
Zařízení je třeba pravidelně dobíjet. Baterie instalovaná ve vozidle se nabíjí za pohybu z generátoru. V zimě to nestačí, studená baterie špatně přijímá náboj a zvyšuje se spotřeba elektřiny na nastartování motoru. Proto je nutné baterii dodatečně nabíjet v teplé místnosti speciální nabíječkou. Jednou z významných nevýhod olověných zařízení je jejich velká hmotnost.
Baterie pro zařízení s nízkou spotřebou energie
Pokud jsou vyžadována mobilní zařízení s nízkou hmotností, zvolte následující typy baterií: nikl-kadmium,lithium-ion, metal-hybrid, polymer-ion. Mají vyšší měrnou kapacitu, ale cena je mnohem vyšší. Používají se v mobilních telefonech, noteboocích, fotoaparátech, videokamerách a dalších malých zařízeních. Různé typy baterií se liší svými parametry: počtem nabíjecích cyklů, skladovatelností, kapacitou, velikostí atd.
V elektrických vozidlech a hybridních vozidlech se používají vysoce výkonné lithium-iontové baterie. Vyznačují se nízkou hmotností, vysokou specifickou kapacitou a vysokou spolehlivostí. Lithium-iontové baterie jsou přitom velmi hořlavé. K zapálení může dojít v důsledku zkratu, mechanické deformace nebo zničení pouzdra, porušení režimů nabíjení nebo vybíjení baterie. Hašení požáru je poměrně obtížné kvůli vysoké aktivitě lithia.
Baterie jsou páteří mnoha spotřebičů. Například úložiště energie pro telefon je kompaktní externí baterie umístěná v odolném vodotěsném pouzdře. Umožňuje vám nabíjet nebo napájet váš mobilní telefon. Výkonná mobilní úložiště energie jsou schopna nabíjet jakákoli digitální zařízení, dokonce i notebooky. V takových zařízeních jsou zpravidla instalovány vysokokapacitní lithium-iontové baterie. Akumulace energie pro domácnost se také neobejde bez baterií. Jde ale o mnohem složitější zařízení. Kromě baterie obsahují nabíječku, řídicí systém a měnič. Zařízení mohou pracovat jak z pevné sítě, tak z jiných zdrojů. Výstupní výkon je v průměru 5 kW.
Pohonychemická energie
Rozlišujte mezi „palivovými“a „nepalivovými“typy pohonů. Vyžadují speciální technologie a často objemné high-tech vybavení. Použité procesy umožňují získávat energii v různých formách. Termochemické reakce mohou probíhat při nízkých i vysokých teplotách. Komponenty pro vysokoteplotní reakce se zavádějí pouze tehdy, když je potřeba získat energii. Předtím jsou uloženy odděleně, na různých místech. Komponenty pro nízkoteplotní reakce jsou obvykle ve stejné nádobě.
Ukládání energie spouštěním paliva
Tato metoda zahrnuje dvě zcela nezávislé fáze: akumulaci energie ("nabíjení") a její využití ("vybíjení"). Tradiční palivo má zpravidla velkou specifickou energetickou kapacitu, možnost dlouhodobého skladování a snadné použití. Ale život nestojí na místě. Zavádění nových technologií klade zvýšené nároky na palivo. Úkol je vyřešen vylepšením stávajících a vytvořením nových, vysokoenergetických paliv.
Široké zavádění nových vzorků brání nedostatečný rozvoj technologických postupů, vysoké nebezpečí požáru a výbuchu při práci, potřeba vysoce kvalifikovaného personálu a vysoké náklady na technologii.
Bezpalivové skladování chemické energie
U tohoto typu skladování se energie ukládá přeměnou některých chemikálií na jiné. Například hašené vápno při zahřívání přechází do stavu nehašeného vápna. Při vybíjení se ukládá energieuvolňuje jako teplo a plyn. To je přesně to, co se stane, když se vápno haší vodou. K tomu, aby se reakce rozběhla, většinou stačí komponenty spojit. V podstatě jde o druh termochemické reakce, jen probíhá při teplotě stovek a tisíců stupňů. Proto je použité zařízení mnohem složitější a dražší.
