Альтернативные хранилища энергии

Краткое отступление

Некоторые нехимические способы хранения энергии были открыты годы назад, в основном, для высокомощных нагрузок, все они были воплощены в практических системах, но прогресс от идеи до текущего применения происходил достаточно медленно. Некоторые примеры приведены ниже.

Конденсатор - электростатическая батарея

Использование конденсаторов для хранения электрической энергии происходило ещё до изобретения батарей. Эксперименты XVIII века использовали Лейденскую банку как источник электрической энергии.

Конденсаторы хранят электическую энергию в элекростатическом поле в противовес химической форме. Они содержат два электрода (пластины) противоположной полярности, разделённых диэлектриком или электролитом. Конденсатор заряжается приложением напряжения на клеммы, что заставляет положительные и отрицательные заряды перемещаться к поверхности электрода противоположной полярности.

Ёмкость

Ёмкость является мерой хранимого электрического заряда в конденсаторе при некотом напряжении между электродами. Для параллельных пластин конденсатора его ёмкость пропорциональна площади пластит и проницаемости ε диэлектрика, разделяющего их и обратно пропорционально расстоянию между электродами. Таким образом:

$C = \frac{\epsilon_{0} \epsilon_{r} A}{d}$

где C - ёмкость в Фарадах (Ф);

A - плодащь между электродами, измеренная в квадратных метра (м2);

$\epsilon_{0}$ - диэлектрическая проницаемость вакуума (диэлектрическая постоянная, $\epsilon_{0} = 8,854 \times 10^{-12}$ Ф/м );

$\epsilon_{r}$ - относительная диэлектрическая проницаемость среды между пластнами (для вакуума $\epsilon_{r} = 1$ );

d - расстояние между пластинами, метров (м).

Для достижения высоких значений ёмкости требуется диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью, площадь между пластинами должна быть как можно болше и расстояние между ними должно быть как можно меньше.

Хранение энергии

Хранимая энергия зависит от заряда каждой из пластин q в кулонах и разницы потенциалов между ними V в вольтах. Энергия в джоулях, которую хранит конденсатор ёмкостью C в Фарадах определяется по формуле:

$E = \frac{1}{2} q V = \frac{1}{2} C V^{2}$

Смотрите так же что может сделать один Джоуль?

В связи с тем, что конденсаторы хранят заряд только на поверхности электродов, а не во всём электроде, они имеют низкую способность к хранению энергии и энергетическую плотность. Зарядные и разрядные процессы в них, тем не менее, не ограничиваются ионной проводимостью, поэтому они могут работать в режимах высоких значений токов, обеспечивая высокие значения отдаваемой мощности, но только очень короткий промежуток времени. Сравнение конденсаторов и батарей приведено ниже.

Устройство	Плотность энергии, Втч/дм3	Плотность мощности, Вт/дм3	Срок эксплуатации, циклов	Время разряда, с
Батарея	50-250	150	1 - 10^{3}	>1000
Конденсатор	0,05 - 5	10^{5} - 10^{8}	10^{5} - 10^{6}	<1

Смотрите так же примеры хранения энергии для конденсаторов и батарей в разделе коротких замыканий.

В связи с тем, что в конденсаторе не протекает никаких химических реакций во время заряда и разряда, количество циклов во много раз превышает батареи (достигая 108}). По той же причине конденсаторы не требуют специальных зарядных цепей и ячейки могут быть спроектированы для очень высоких напряжений, несмотря на то, что для очень больших ёмкостей рабочее напряжение не превышает нескольких вольт.

Суперконденсаторами называют обычные конденсаторы, имеющие очень большую поверхность пластин и обеспечивающие высокие значения ёмкости. Максимизация поверхности электродов в доступном пространстве подразумевает, что диэлектрик должен быть очень тонким. Этот подход ограничивает максимальное рабочее напряжение конденсаторов. По этой причине, даже если не установлен предел, ограничиваемый химическими процессами, рабочее напряжение конденсаторов свыше 1000 Фарад может достигать лишь нескольких вольт.

Для высоковольтных устройств, как электромобили, применяются последовательно соединённые конденсаторы для предотвращения превышения рабочего напряжения отдельного конденсатора, но этот ход уменьшает эффективность цепочки. Для последовательно соединённых N одинаковых конденсаторов, ёмкость будет составлять

$C = \frac{c}{N}$

где C представляет ёмкость цепи конденсаторов;

c - ёмкость одного конденсатора.

В то же время, внутреннее сопротивление цепи увеличивается до

$R = r \times N$

где r - внутреннее сопротивление одного конденсатора.

Это уменьшает возможный зарядный и разрядный ток и увеличивает потери.

Высокие значения ёмкости могут быть достигнуты использованием параллельного соединения конденсаторов. В этом случае ёмкость группы из N параллельно соединённых конденсаторов становится равной

$C = N * c$

а сопротивление группы снижается до

$R = r / N$

Конденсаторы широко используются в системах аварийного питания цепей памяти и совместно с батареями для обеспечения больших значений зарядных и разрядных токов на короткий промежуток времени. Смотрите так же распределение нагрузки.

Высокомощные виды могут обеспечивать высокие значения мощности, но только короткий промежуток времени из-за ограниченной ёмкости. Смотрите так жесравнение производительности ниже. Они пригодны для устройств, требующих коротких импульсов высокой мощности, например, источники бесперебойного питания, которые питают нагрузку только до тех пор, пока не будет включён другой источник питания, например, дизельный генератор. Кроме того, они могут обеспечивать поток мощности в электрических и гибридных транспортных средствах.

Суперконденсаторы так же представляют идеальный накопитель энергии, получаемой от регенеративного торможения в электрических и гибридных транспортных средствах, поскольку могут принимать очень высокие значения зарядного тока, которые могут во много раз превосходить допустимые зарядные токи батарей. Совместно с батареями они позволяют полностью собрать энергию от регенеративного торможения, избегая перезаряда батарей энергией, которую они нен способны воспринять.

Смотрите так же конденсаторы и суперконденсаторы.

История (электролитических конденсаторов)

Тепло - термоэлектрические батареи

Существует два основных способа преобразования теплоты в электрическтво: термоэлектрические преобразователи, основанные на эффекте Зеебека и щелочно-металлические термоэлектрические преобразователи, которые используют электрохимический процесс. Оба этих типа преобразователей вырабатывают электричество напрямую из тепла.

• Термоэлектрические батареи

  Основанные на эффекте Зеебека, согласно которому в цепи из двух различных металлов электрический потенциал образуется между двумя точками их соединения, когда одна точка нагревается (обычно газовой горелкой), а другая остаётся холодной. С конца XIX века этот метод использовался для заряда батарей и чаще для получения резервной мощности в экстренных случаях. Система не обладаетв высокой энергетической эффективностью и пригодна только для низкомощных нагрузок. Современные батареи, основанные на эффекте Зеебека, доступны по сей день. Они работаю в широком диапазоне температур и часто используются совместно с солнечными или ветровыми станциями для обеспечения энергией в тёмные безветренные дни. Они так же используются в коспических кораблях (смотрите ядерные батареи ниже).

• Щелочно-металлические термоэлектрические преобразователи

  Разработанные в 1960-х, щелочно-металлические преобразователи используют высокотемпературный металлический пар в качестве рабочей среды. Твёрдый электролит разделяет поток электронов и ионов, которые сообщают электронам, проходящим через внешнюю нагрузку, свою энергию. Эффективность преобразования энергии примерно в четыре раза выше, чем термопреобразователей, что делает эти батареи более выгодными

Существует так же класс высокотемпературных батарей, основанный на обычной химической или гальванической реакции, рассмотренных на отдельной странице термических батарей.

История

Пружины - часовые батареи

Энергия, хранимая в пружинах, может быть использована для привода часового механизма. Отпущенная пружина может использоваться для приведения в действие электрического генератора. Этот приём может быть полезен только для низкомощных устройств с ограниченно коротким периодом разряда. Разрядный период может быть удлиннён использованием подходящего привода. Тревор Бэйлис провёл эксперимент по питанию радиоприёмника таким способом. Его часовая батарея вырабатывает 3 вольта и 55-60 миливатт, обеспечивая 40 минут работы, в то время как время её «зарядки» составляет 20 секунд.

Энергия, хранимая в линейной пружине, может быть определена по формуле

$E = \frac{1}{2} Kx^{2}$

где K - жёсткость пружины (сила, требуемая для единичного растяжения),

x - растяжение (сжатие) пружины.

История

Маховики - кинетические батареи

Идея хранения энергии во вращающихся маховиках так же стара, как и идея колеса. Медленно вращающиеся маховики, вместе с зарядными станциями на автобусных остановках использовалисть в 1950-х для городского транспорта, хотя они и были очень тяжёлыми и имели ограниченную приёмистость.

Энергия, хранящаяся во вращающемся маховике, может быть определена согласно формуле

$E = \frac{1}{2} I \omega^{2}$

где I - момент инерции вращения маховика (способность объекта сопротивляться изменению скорости вращения),

$\omega$ - скорость вращения (рад/с).

Момент инерции определяется согласно формуле

$I = k M r ^{2}$

где M - масса маховика,

r - радиус,

k - инерционная постоянная.

k зависит от формы объекта. Для маховиков, нагруженных только на ободе (как колесо велосипеда или полый цилиндр) k = 1, для диска или цилиндра k = ½;.

Современные маховики хранят кинетическую энергию на высокой скорости. Когда требуется дополнительная электрическая энергия, она генерируется из вращающегося маховика с помощью генератора. Современные высокоэнергетические маховики используют композитные роторы с угольно-резиновыми материалами. Такие роторы имеют очень высокий коэффициент плотности и вращаются со скоростями до 100 000 оборотов в минуту в вакуумных камерах для снижения аэродинамических потерь. Кроме того, они используют суперпроводящие электромагнитные подшипники, которые позволяют устранить потери энергии через трение.

Размах инженерных новаций не должен недооцениваться. Колесо диаметром 33 см, длиной 30 см и весом 10,5 кг, вращающийся с частотой 100 000 оборотов в минуту будет хранить 3 кВтч энергии. При этом окружная скорость наружной точки колеса будет составлять 6 000 км/ч, что в 4,8 раза больше скорости звука и центростремительное ускорение на ободе в этом случае составляет $1,7 \times 10^{6}G$. Прочность на растяжение материала должна быть больше 3,5 ГПа для предотвращения разрыва ротора.

Маховики предпочтительнее батарей в аэрокосмических устройствах по следующим причинам.

Маховики против батарей

Характеристика хранилища энергии	Преимущество
От 5 до 10 раз большая вместимость энергии	Меньшая масса
Длительный срок эксплуатации (15 лет), нечувствительность к количеству циклов заряда/разряда	Сниженные логистические издержки, обслуживание и интеграция в устройства
Эффективность цикла 85-95%	Больше полезной мощности, меньше термическая загрузка в сравнении с <70-80% эффективность батарей
Высокие допустимые значения зарядного/разрядного тока, нет необходимости в снижении зарядного тока	Возможность принимать пиковые нагрузки, на 5-10% меньше солнечных батарей
Определённость состояния заряда	Улучшенные удобства в работе
Наследует регулирование по шине и возможности шунтирования	Меньшее количество регуляторов требуется

Так же маховики используются для предотвращения перерывов в электроснабжении в национальных электрических сетях в некоторых странах.

Маховик обеспечивает электрической энергией во время отсутствия электрической энергии до включения вспомогательных устройств (например, дизель-генераторов). Маховики могут отдавать мощность в 100 кВт на протяжении 15 секунд и заряжаться незамедлительно с той же скоростью, обеспечивая 1-30 секунд непрерывной работы. Генераторам обычно требуется 5-20 секунд на набор полной мощности.

Маховики так же могут использоваться для обеспечения больших потоков энергии в электрических транспортных средствах. Вращение на частоте 100 000 оборотов в минуту позволяет достичь высокой плотности энергии, хотя в случае механического разрушения потребует прочную оболочку, способную предотвратить негативные эффекты разрушения маховика. Высокие гироскопические силы маховика являются добавочными преимуществами.

История

Сжатый воздух - пневматические батареи

Хранение энергии с помощью сжатого воздуха использует сжатый при умеренном давлении воздух в качестве хранилища. Электрический мотор приводит в действие компрессор для наполнения резервуара используя излишнюю энергию, а освобождаемый воздух проходит через турбину в периоды потребности в энергии и вырабатывает электрическую энергию. 1 м3 хранилища вмещает 5 кВтч энергии при давлении около 8 технических атмосфер.

Идеальным расположением для больших хранилищ сжатого воздуха являются водоносные пласты, выработанные нефтяные и газовые колодцы, шахты в твёрдых породах и гидравлически вырытые соляные пещеры. Фабрики имеют размеры в несколько мегаватт. Воздух так же может храниться в танках для малых систем.

Малые системы так же используются в демонстрационных гибридных автомобилях.

История

Водяные хранилища - гидравлические батареи

Гидравлические хранилища являются другим относительно простым способом хранения и производства больших количеств электричества для обеспечения энергией во время пиковых нагрузок. В периоды низкой потребности в энергии излишняя энергия используется для подъёма воды в резервуар. Когда наступает период высокой потребности в энергии, вода сливается обратно в нижнее хранилище через турбину, генерирующую электроэнергию. Потери цикла составляют около 30%, поэтому только 70% электрической энергии, затраченной на подъём воды в верхний резервуар, может быть возвращено позднее. Некоторые сооружения используют затопленные шахты в качестве нижнего резервуара, но множество станций используют естественные перепады между двумя естественными бассейнами воды. Такие станции широко распространены по всему миру.

История

Суперпроводящие накопители магнитной энергии - магнитные батареи

Суперпроводящие накопители магнитной энергии хранят её в поле большой магнитной катушки с постоянным током. Она может быть преобразована в переменный электрический ток по мере необходимости. Низкотемпературные накопители охлаждаются жидким гелием и доступны для промышленных предприятий. Высокотемпературные накопители, охлаждаемые жидким водородом, всё ещё находятся в стадии разработки и могут стать доступны в будущем.

Суперпроводящие накопители магнитной энергии имеют значительные размеры и обычно используются в течение коротких периодов времени, например, во время переключений.

История

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы - ядерные батареи

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы были разработаны для применения в космосе и для обеспечения энергией удалённых потребителей, например, маяков. Разработанные в 1959 году Атомной энергетической комиссией в Лос Аламосе и внедрённые в 1961, они являются первичными батареями, работающими на использовании энергии, излучаемой радиоактивными изотопами Плутония-238 для обеспечения нагрева, преобразуемого в дальнейшем в электрическую энергию термоэлектрическим преобразователем, сделанными из сетки термопар. Из-за того, что электрическая энергия образуется не напрямую, общая эффективность составляет всего 4%, несмотря на то, что энергетическая плотность радиоактивных изотопов в тысячи раз больше, чем литиевых батарей. Эта технология обеспечивает нас батареями, которые никогда не требуют зарядки. Некоторые батареи всё ещё работают, несмотря на то, что прошло уже больше 35 лет.

Смотрите так же ядерную энергетику. Прямое преобразование ядерной энергии в электрическую было разработано только для низкомощных потребительских устройств. Смотрите бетавольтные батареи.

История

Сравнение

Графики сравнения отражают хранение энергии и доступную мощность при использовании различных способов хранения энергии.

Смотрите так же графики в разделе производительности, а так же историю 100 типов батарей.