Учитывая широкую распространенность электрической энергии, было бы заманчивым хранить энергию непосредственно в таком виде, чтобы ее не надо было многократно преобразовывать ни при зарядке аккумулятора, ни при отборе энергии из него. В принципе такие аккумуляторы существуют. Это — электрические и электромагнитные накопители энергии.
Принцип устройства конденсатора (рис. 6.3) хорошо известен из школьных курсов физики. Две металлические пластины (обкладки) 1 разделены слоем изолятора 2. Конденсатор заряжается от источника электроэнергии 3, когда переключатель 4 стоит в положении а. После включения переключателя процесс зарядки происходит до тех пор, пока разность потенциалов между обкладками конденсатора не станет равной напряжению источника питания. Обычно процесс зарядки происходит весьма быстро и длится до нескольких секунд. После окончания зарядки переключатель 4 переводится в нейтральное положение 0 и в этом состоянии конденсатор способен в течение некоторого времени хранить запасенную в нем энергию. При повороте переключателя 4 в положение 6 конденсатор замыкается на нагрузку 5 и отдает ей запасенную энергию непосредственно в виде электроэнергии.
Рис. 6.3. Схема простейшего конденсатора.
Энергия в конденсаторе хранится в виде энергии электрического поля в изоляторе конденсатора. Если конденсатор имеет емкость с, Ф, и заряжен до напряжения U, В, то запасенная в нем энергия, Дж, составляет:
(6-4)
Емкость простейшего плоского конденсатора, изображенного на рис. 6.3, легко вычисляется на основании его геометрических размеров и физических свойств изолятора. Соответствующая формула имеет вид:
е — относительная диэлектрическая проницаемость изолятора или диэлектрическая постоянная; S — площадь обкладки конденсатора, м2; δ — толщина изолятора, м.
Из этой формулы видно, что энергия, запасенная в конденсаторе и, как мы покажем ниже, в еще большей степени удельная энергия конденсатора, зависят от толщины изолятора δ. Как бы ни был хорош изолятор, его электрическое сопротивление не бесконечно. Поэтому заряженный конденсатор всегда имеет некоторый ток утечки, приводящий к тому, что запасенная конденсатором энергия со временем уменьшается.
Поэтому конденсаторы могут рассматриваться как аккумуляторы энергии только в специальных случаях — когда надо через очень короткое время отдать запасенную энергию непосредственно в виде электрической энергии.
Вторым типом аккумуляторов, запасающих непосредственно электрическую энергию, является электромагнитный накопитель энергии. В этом параграфе рассматриваются так называемые теплые накопители, работающие при комнатной температуре.
В электромагнитном накопителе энергия хранится в виде энергии электромагнитного поля, связанного с электрическим током, протекающим в обмотке накопителя. Простейшим примером такого накопителя является соленоид. Его схема изображена на рис. 6.4, где штриховкой условно показана собственно обмотка.
Связь между запасенной в накопителе энергией и током выражается формулой
(6.8)
Удельная энергия такой катушки может быть легко определена, если предположить, что все ее сечение, заштрихованное на рис. 6.4, заполнено проводником с плотностью р. При этом оказывается, что
(6.10), где В — коэффициент пропорциональности, также зависящий от геометрических характеристик катушки.
Из приведенной формулы видно, что для данной катушки запасаемая энергия пропорциональна квадрату тока. Увеличение тока в катушке повышает джоулевы потери, приводящие к нагреву катушки. Существует несколько путей борьбы с этим нагревом. Во-первых, можно сделать проводники в катушке охлаждаемыми и отводить теплоту. Во-вторых, можно понизить температуру соленоида до температуры жидкого азота (примерно —200°С), когда сопротивление чистого металла падает в сотни раз, что существенно уменьшает джоулевы потери. Наконец, можно использовать накопитель только кратковременно (в пределах нескольких секунд), когда за счет теплоемкости самого проводника температура не успеет еще подняться до опасных пределов.
Но более серьезным ограничением, ставящим физический предел увеличению удельной энергии электромагнитного накопителя, является ограничение по прочности катушки. Дело в том, что сильные магнитные поля, возникающие в накопителе с большой удельной энергией, воздействуют на проводники соленоида, вызывая в них механические напряжения. Именно достижение механических напряжений, разрушающих проводник, ограничивает предельно допустимый ток, а значит, и удельную энергию накопителя. При этом оказывается, что максимальная удельная энергия пропорциональна допустимому механическому напряжению для материала проводника:
(6.11), где с — коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрических размеров катушки.
Соотношение геометрических размеров катушки соленоида можно до известной степени оптимизировать, с тем чтобы добиться максимально возможного значения удельной энергии. Для оптимизированной катушки прямоугольного сечения с приближенно равно единице, если σв выражено в Н/м2, а р — в кг/м3. Отсюда, например, для проводника из бериллиевой бронзы, имеющего высокую прочность (σв=109 Н/м2) и плотность р=9Х103 кг/м3, удельная энергия составляет около 105 Дж/кг. Это существенно выше, чем удельная энергия конденсатора.
Однако как аккумулятор энергии электромагнитный накопитель обладает и существенным недостатком, поскольку энергия в нем запасена лишь постольку, поскольку в катушке протекает ток. Для поддержания этого тока катушку необходимо все время подпитывать от источника постоянного тока.
Отбор энергии из накопителя осуществляется путем переключения катушки на сопротивление нагрузки. При этом ток в катушке убывает и в соответствии со скоростью его убывания уменьшается и магнитное поле. Изменяющееся магнитное поле индуцирует в витках катушки э. д. с., поддерживающую ток в катушке. Так, за определенный промежуток времени, зависящий от сопротивления катушки и нагрузки, вся энергия, запасенная в магнитном поле, может быть выделена во внешнюю цепь. Обычное время выдачи энергии от электромагнитного накопителя составляет несколько миллисекунд.
