Существуют различные виды аккумуляторов энергии. Мы расскажем о наиболее интересных из них.
Механические аккумуляторы. На рисунке представлена схема гидроаккумулирующей электростанции — ГАЭС. Избыток электроэнергии (в период снижения ее потребности) используется на ГАЭС для перекачки воды из нижнего резервуара в верхний. Таким образом «лишняя» электрическая энергия превращается в механическую (потенциальную) энергию. Во время повышенного спроса на электроэнергию производится перепуск воды из верхнего резервуара в нижний. При этом вода протекает через гидротурбогенератор, в котором производится электрическая энергия.
На рисунке показаны верхний и нижний резервуары, соединяющий их трубопровод, базовая работающая на неизменной нагрузке электростанция. Агрегат насос-турбина может работать и как насос, и как гидравлическая турбина, он соединен с мотором-генератором, который в свою очередь может работать и как электрический мотор для привода в действие насоса, и как электрический генератор.
В настоящее время ГАЭС является лучшим аккумулирующим устройством для электростанций. Она устроена просто и надежна в работе. Время ее пуска очень малое: несколько минут, а в случае необходимости — и в пределах минуты.
Стоимость строительства ГАЭС довольно высока. Но она значительно снижается, если рельеф местности способствует созданию двух резервуаров на разных уровнях. Другой недостаток ГАЭС — относительно низкий КПД, около 70%. Это значит, что только 70% от использованной на ГАЭС электроэнергии может быть отдано потом потребителю. Но зато в самое нужное время!
Существует другой тип механического аккумулятора, который предназначается для транспортных устройств. Принцип его работы удивительно прост. Аккумулятор — это маховик, обладающий большой массой и раскручиваемый до очень высокого числа оборотов. Запасаемая им энергия не что иное, как кинетическая энергия самого маховика. Для ее повышения нужно увеличивать массу маховика и число оборотов вращения. Для маховиков, масса которых измеряется многими десятками килограммов, а частота вращения достигает 200 тыс. об./мин, должны использоваться самые прочные материалы: сталь и стеклопластик.
Потери энергии при вращении маховика вызываются трением между поверхностью маховика и воздухом, и трением в подшипнике. Для уменьшения потерь маховик помещают в кожух, из которого откачивается воздух.
Схема гидроаккумулирующей электростанции.
Кроме того, применяются самые совершенные конструкции подшипников. В этих условиях годовая потеря энергии маховиком может быть менее 20%. В настоящее время созданы опытные образцы городских автобусов с аккумулятором энергии этого типа.
Электрохимические аккумуляторы. Мы остановимся на них кратко, поскольку в настоящее время они имеют весьма узкое применение в качестве основного источника энергии. Электрохимический аккумулятор заряжается (накапливает энергию) путем питания его электрической энергией, которая в аккумуляторе преобразуется в химическую энергию. Выдает потребителю же он снова электрическую энергию. Современные электрохимические аккумуляторы могут действовать сотни и даже тысячи циклов заряда-разряда без существенного снижения качества. Они применяются главным образом для запуска двигателей внутреннего сгорания. В настоящее время больше всего используются сравнительно дешевые свинцово-кислотные аккумуляторы; более высокие показатели имеют серебряно-кадмиевые аккумуляторы, но они стоят дороже.
Главный недостаток электрохимических аккумуляторов — низкое значение удельной (т. е. отнесенной к 1 кг веса аккумулятора) энергии, запасаемой аккумулятором. Если мы хотим сделать более мощный аккумулятор, например, для привода в движение автомобиля, да еще желаем, чтобы между зарядками аккумулятора он прошел бы несколько сотен километров, то такой автомобиль практически не мог бы транспортировать ничего другого, кроме питающего его аккумулятора. Свинцово-кислотный аккумулятор обладает удельной энергией порядка 100 кДж/кг, серебряно-кадмиевый — около 400 кДж/кг, в то время как бензин имеет теплотворную способность примерно 40 000 кДж/л. Именно по этой причине электромобили с электрохимическими аккумуляторами находят пока узкое применение, например в случаях, когда радиус пробега мал, а остановок приходится делать много (городские автомобили для почты, для развозки молока и т. п.).
Аккумуляторы тепла.
Схема конденсатора.
С каждым годом увеличивается интерес к этим аккумуляторам. За последнее время солнечная энергия для нагревания используется во многих районах земного шара. Но для земных условий Солнце не постоянный источник энергии: днем солнечная радиация имеется, ночью — нет. По этой причине отопление за счет энергии Солнца возможно только при использовании аккумулятора тепла: днем он должен запасать тепло за счет солнечного излучения, а ночью — отдавать.
Аккумуляторы тепла подразделяются на две основные группы: во-первых, запасающие тепло путем нагревания рабочего тела аккумулятора, температура которого при этом повышается, во- вторых, накапливающие тепло в результате перехода рабочего тела из одного агрегатного состояния в другое, чаще всего из твердого в жидкое; в этом случае температура рабочего тела не изменяется или изменяется мало.
Передача тепла потребителю от аккумуляторов I группы происходит за счет охлаждения рабочего тела и понижения его температуры, а от аккумуляторов II группы — путем возвращения рабочего тела в первоначальное агрегатное состояние (замерзания).
Схема соленоида.
Каким бы ни было устройство аккумулятора тепла, необходимо придерживаться главного принципа: температура рабочего тела должна поддерживаться как можно более высокой, по возможности близкой к температуре того источника тепла, от которого «заряжается» аккумулятор. Чем выше температура источника тепла, тем более ценно запасенное им тепло. В пределе, если бы источник тепла имел температуру среды, то ни он сам, ни запасенное им тепло не представляли бы никакой ценности и никому не были бы нужны. Кроме того, рабочее тело должно иметь хорошую тепловую изоляцию от окружающей среды, с тем чтобы в максимальной мере снизить неизбежные потери тепла и сохранить более высокую температуру.
Большое значение имеют размеры аккумулятора тепла (вспомним критическую массу для ядерного горючего). Чем больше объем его рабочего тела, тем меньше отношение его поверхности к объему и, следовательно, меньше относительные (удельные) потери тепла (например, отнесенные к единице запасенного тепла или к единице массы рабочего тела).
Электрические аккумуляторы.
Мы рассмотрели некоторые типы аккумуляторов энергии, которые применяются в настоящее время. А как обстоит дело с аккумуляторами, накапливающими непосредственно электрическую энергию, без преобразования ее на время «хранения» в другие виды энергии? Есть ли в этой области интересные идеи?
Идеи есть, но конструкции такого аккумулятора пока еще не существует. Более того, трудно даже сказать, когда может появиться такой аккумулятор. Однако этот вопрос безусловно представляет интерес.
Остановимся сначала на электрическом аккумуляторе, в котором энергия хранится в виде энергии электрического поля. По существу дела это не что иное, как электрический конденсатор, состоящий из двух электродов (верхнего и нижнего), именуемых обкладками, и находящегося между ними диэлектрика (см. рис. на с. 71). Название конденсатора — стеклокерамический, слюдяной, бумажный, пленочный, электролитический, полупроводниковый — определяется используемым диэлектриком.
Система обкладок и диэлектрика обладает электрической емкостью. Когда переключатель замкнут на источник тока (на рис. — налево), происходит зарядка конденсатора. В заряженном конденсаторе энергия хранится в виде энергии электрического поля диэлектрика. Если переключатель перевести в крайнее правое положение и замкнуть электрическую сеть на потребителя, происходит разрядка конденсатора.
Удельная энергия, запасаемая конденсатором, невелика (практически от 10 до 400 Дж/кг). Длительность возможного хранения энергии вследствие имеющейся ее утечки небольшая. Этот тип аккумулятора энергии применяется только в тех случаях, когда надо отдать электроэнергию потребителю за очень короткое время при кратком сроке ее хранения.
Другим видом аккумулятора, запасающим непосредственно электрическую энергию, является соленоид — катушка, намотанная из изолированного провода (см. рис. с. 72). При протекании постоянного тока по обмоткам соленоида возникает, как это показано на рисунке, магнитное поле. Электрическая энергия в этом случае аккумулируется в виде энергии магнитного поля. Поэтому этот тип накопителя именуется электромагнитным. Он не может быть использован в тех случаях, когда количество запасаемой энергии должно быть велико, а время разрядки и время хранения энергии — достаточно длительным (измеряться часами, а еще лучше — сутками). На самом деле время выдачи энергии электромагнитными аккумуляторами обычно измеряется даже не секундами, а долями секунды.
Следует отметить, что работа по улучшению основных показателей электромагнитных накопителей энергии и расширению диапазона их возможного применения ведется интенсивно. Создание сверхпроводящих соленоидов, электрическое сопротивление обмоток которых равно нулю, сделало бы возможным использование больших значений электрического тока, и следовательно, увеличение запасаемой аккумулятором энергии.
