A natureza deu ao homem uma variedade de fontes de energia: o sol, o vento, os rios e outros. A desvantagem desses geradores de energia livre é a f alta de estabilidade. Portanto, durante os períodos de excesso de energia, ela é armazenada em dispositivos de armazenamento e gasta em períodos de recessão temporária. Os dispositivos de armazenamento de energia são caracterizados pelos seguintes parâmetros:
- quantidade de energia armazenada;
- velocidade de sua acumulação e retornos;
- gravidade específica;
- tempo de armazenamento de energia;
- confiabilidade;
- custo de fabricação e manutenção e outros.
Existem muitas maneiras de organizar as unidades. Uma das mais convenientes é a classificação de acordo com o tipo de energia utilizada no dispositivo de armazenamento e de acordo com o método de seu acúmulo e retorno. Os dispositivos de armazenamento de energia são divididos nos seguintes tipos principais:
- mecânico;
- térmica;
- elétrica;
- química.
Acumulação de energia potencial
A essência desses dispositivos é direta. Quando uma carga é levantada, a energia potencial é acumulada; quando abaixada, ela realiza um trabalho útil. As características de design dependem do tipo de carga. Pode ser sólido, líquido ousubstância solta. Como regra, os projetos de dispositivos deste tipo são extremamente simples, daí a alta confiabilidade e longa vida útil. O tempo de armazenamento da energia armazenada depende da durabilidade dos materiais e pode chegar a milênios. Infelizmente, esses dispositivos têm baixa densidade de energia.
Armazenamento mecânico de energia cinética
Nestes aparelhos, a energia é armazenada no movimento de um corpo. Geralmente este é um movimento oscilatório ou translacional.
A energia cinética em sistemas oscilatórios é concentrada no movimento recíproco do corpo. A energia é fornecida e consumida em porções, de acordo com o movimento do corpo. O mecanismo é bastante complexo e caprichoso na configuração. Amplamente utilizado em relógios mecânicos. A quantidade de energia armazenada geralmente é pequena e é adequada apenas para a operação do próprio dispositivo.
Dispositivos de armazenamento alimentados por giroscópio
O armazenamento de energia cinética é concentrado em um volante giratório. A energia específica de um volante excede significativamente a energia de uma carga estática semelhante. É possível receber ou emitir uma potência significativa em um curto período de tempo. O tempo de armazenamento de energia é curto e, para a maioria dos projetos, é limitado a algumas horas. As tecnologias modernas permitem levar o tempo de armazenamento de energia para vários meses. Os volantes são muito sensíveis ao choque. A energia do dispositivo depende diretamente da velocidade de sua rotação. Portanto, no processo de acúmulo e retorno de energia, ocorre uma mudança na velocidade de rotação do volante. E para uma carga comocomo regra, é necessária uma velocidade rotacional constante e baixa.
Dispositivos mais promissores são os superflywheels. Eles são feitos de fita de aço, fibra sintética ou fio. O design pode ser denso ou ter espaço vazio. Se houver espaço livre, as bobinas da fita se movem para a periferia de rotação, o momento de inércia do volante muda, parte da energia é armazenada na mola deformada. Nesses dispositivos, a velocidade de rotação é mais estável do que em estruturas sólidas e seu consumo de energia é muito maior. Eles também são mais seguros.
Os super volantes modernos são feitos de fibra de Kevlar. Eles giram em uma câmara de vácuo em uma suspensão magnética. Capaz de armazenar energia por vários meses.
Armazenamento mecânico usando forças elásticas
Este tipo de dispositivo é capaz de armazenar uma enorme energia específica. Dos acionamentos mecânicos, possui a maior intensidade energética para dispositivos com dimensões de vários centímetros. Volantes grandes com velocidades de rotação muito altas têm um conteúdo de energia muito maior, mas são muito vulneráveis a influências externas e têm um tempo de armazenamento de energia mais curto.
Armazenamento mecânico de energia da mola
Capaz de fornecer a mais alta potência mecânica de qualquer classe de armazenamento de energia. É limitado apenas pela resistência à tração da mola. A energia em uma mola comprimida pode ser armazenada por várias décadas. No entanto, devido à deformação constante, a fadiga se acumula no metal e a capacidade da moladiminui. Ao mesmo tempo, molas de aço de alta qualidade, sob condições operacionais adequadas, podem funcionar por centenas de anos sem perda apreciável de capacidade.
Funções de mola podem ser executadas por quaisquer elementos elásticos. Os elásticos, por exemplo, são dezenas de vezes superiores aos produtos de aço em termos de energia armazenada por unidade de massa. Mas a vida útil da borracha devido ao envelhecimento químico é de apenas alguns anos.
Dispositivos de armazenamento mecânico usando a energia de gases comprimidos
Neste tipo de dispositivo, a energia é armazenada comprimindo o gás. Na presença de um excesso de energia, o gás é bombeado sob pressão para dentro do cilindro usando um compressor. Conforme necessário, o gás comprimido é usado para girar uma turbina ou gerador elétrico. Em baixas capacidades, é aconselhável usar um motor de pistão em vez de uma turbina. O gás em um recipiente sob pressão de centenas de atmosferas tem uma alta densidade de energia específica por vários anos e com acessórios de alta qualidade - por décadas.
Armazenamento de energia térmica
A maior parte do território do nosso país está localizada nas regiões do norte, pelo que uma parte significativa da energia é obrigada a ser gasta para aquecimento. A este respeito, é necessário resolver regularmente o problema de manter o calor na unidade e extraí-lo de lá, se necessário.
Na maioria dos casos, não é possível atingir uma alta densidade de energia térmica armazenada e quaisquer períodos significativos de sua conservação. Dispositivos eficazes existentes emdevido a algumas de suas características e alto preço não são adequados para ampla aplicação.
Armazenamento devido à capacidade térmica
Esta é uma das formas mais antigas. Baseia-se no princípio de acumulação de energia térmica quando uma substância é aquecida e transferência de calor quando é resfriada. O design de tais unidades é extremamente simples. Pode ser um pedaço de qualquer substância sólida ou um recipiente fechado com um líquido refrigerante. Os acumuladores de energia térmica têm uma vida útil muito longa, um número quase ilimitado de ciclos de acumulação e liberação de energia. Mas o tempo de armazenamento não excede vários dias.
Armazenamento de energia elétrica
A energia elétrica é a forma mais conveniente no mundo moderno. É por isso que os dispositivos de armazenamento elétrico são amplamente utilizados e mais desenvolvidos. Infelizmente, a capacidade específica de dispositivos baratos é pequena, e dispositivos com alta capacidade específica são muito caros e de curta duração. Dispositivos de armazenamento de energia elétrica são capacitores, ionistores, baterias.
Capacitores
Este é o tipo mais massivo de armazenamento de energia. Os capacitores são capazes de operar em temperaturas de -50 a +150 graus. O número de ciclos de acumulação-retorno de energia é de dezenas de bilhões por segundo. Ao conectar vários capacitores em paralelo, você pode obter facilmente a capacitância necessária. Além disso, existem capacitores variáveis. A alteração da capacitância de tais capacitores pode ser feita mecanicamente ou eletricamente ou por temperatura. Na maioria das vezes, capacitores variáveis podem ser encontrados emcircuitos oscilatórios.
Capacitores são divididos em duas classes - polares e não polares. A vida útil dos polares (eletrolíticos) é menor do que os não polares, são mais dependentes das condições externas, mas ao mesmo tempo possuem uma capacidade específica maior.
Como os capacitores de armazenamento de energia não são dispositivos de muito sucesso. Eles têm uma baixa capacidade e uma densidade específica insignificante de energia armazenada, e seu tempo de armazenamento é calculado em segundos, minutos, raramente horas. Os capacitores encontraram aplicação principalmente em eletrônica e engenharia elétrica de potência.
O cálculo do capacitor, via de regra, não causa dificuldades. Todas as informações necessárias sobre os diferentes tipos de capacitores são apresentadas em manuais técnicos.
Ionistores
Estes dispositivos ocupam uma posição intermediária entre capacitores polares e baterias. Eles às vezes são chamados de "supercapacitores". Assim, eles têm um grande número de estágios de carga e descarga, a capacidade é maior que a dos capacitores, mas um pouco menor que a das baterias pequenas. O tempo de armazenamento de energia é de várias semanas. Os ionistores são muito sensíveis à temperatura.
Baterias de alimentação
Baterias eletroquímicas são usadas se você precisar armazenar muita energia. Os dispositivos de chumbo-ácido são mais adequados para esta finalidade. Eles foram inventados cerca de 150 anos atrás. E desde então, nada de fundamentalmente novo foi introduzido no dispositivo de bateria. Muitos modelos especializados apareceram, a qualidade dos componentes aumentou significativamente,confiabilidade da bateria. Vale ress altar que o dispositivo de uma bateria criada por diferentes fabricantes difere apenas em pequenos detalhes para diferentes finalidades.
Baterias eletroquímicas são divididas em tração e partida. A tração é usada em transporte elétrico, fontes de alimentação ininterruptas, ferramentas elétricas. Essas baterias são caracterizadas por uma longa descarga uniforme e sua grande profundidade. As baterias de partida podem fornecer alta corrente em um curto período de tempo, mas a descarga profunda não é aceitável para elas.
Baterias eletroquímicas têm um número limitado de ciclos de carga e descarga, em média de 250 a 2.000. Mesmo que não sejam usadas, elas falham após alguns anos. As baterias eletroquímicas são sensíveis à temperatura, requerem longos tempos de carregamento e requerem manutenção rigorosa.
O aparelho precisa ser recarregado periodicamente. A bateria instalada no veículo é carregada em movimento a partir do gerador. No inverno, isso não é suficiente, uma bateria fria não aceita bem uma carga e o consumo de eletricidade para dar partida no motor aumenta. Portanto, é necessário carregar adicionalmente a bateria em uma sala quente com um carregador especial. Uma das desvantagens significativas dos dispositivos de chumbo-ácido é o seu peso.
Baterias para dispositivos de baixa potência
Se forem necessários dispositivos móveis com baixo peso, escolha os seguintes tipos de baterias: níquel-cádmio,lítio-íon, metal-híbrido, polímero-íon. Eles têm uma capacidade específica maior, mas o preço é muito maior. Eles são usados em telefones celulares, laptops, câmeras, filmadoras e outros dispositivos pequenos. Diferentes tipos de baterias diferem em seus parâmetros: o número de ciclos de carga, vida útil, capacidade, tamanho, etc.
Baterias de íons de lítio de alta potência são usadas em veículos elétricos e veículos híbridos. Eles são leves, de alta capacidade específica e alta confiabilidade. Ao mesmo tempo, as baterias de íons de lítio são muito inflamáveis. A ignição pode ocorrer a partir de um curto-circuito, deformação mecânica ou destruição da caixa, violações dos modos de carga ou descarga da bateria. Apagar um incêndio é bastante difícil devido à alta atividade do lítio.
As baterias são a espinha dorsal de muitos aparelhos. Por exemplo, um dispositivo de armazenamento de energia para um telefone é uma bateria externa compacta colocada em um estojo durável e à prova d'água. Ele permite que você carregue ou alimente seu telefone celular. Os poderosos dispositivos móveis de armazenamento de energia são capazes de carregar qualquer dispositivo digital, até mesmo laptops. Em tais dispositivos, como regra, são instaladas baterias de íons de lítio de alta capacidade. O armazenamento de energia para a casa também não está completo sem baterias. Mas estes são dispositivos muito mais complexos. Além da bateria, eles incluem um carregador, um sistema de controle e um inversor. Os dispositivos podem operar tanto a partir de uma rede fixa quanto de outras fontes. A potência de saída é de 5 kW em média.
Drivesenergia química
Distinguir entre os tipos de acionamento "combustível" e "não combustível". Eles exigem tecnologias especiais e, muitas vezes, equipamentos volumosos de alta tecnologia. Os processos utilizados permitem obter energia de diferentes formas. As reações termoquímicas podem ocorrer tanto em baixas quanto em altas temperaturas. Componentes para reações de alta temperatura são introduzidos apenas quando é necessário obter energia. Antes disso, eles são armazenados separadamente, em locais diferentes. Os componentes para reações de baixa temperatura geralmente estão no mesmo recipiente.
Armazenamento de energia por combustível em funcionamento
Este método inclui duas etapas completamente independentes: o acúmulo de energia ("carregamento") e seu uso ("descarregamento"). O combustível tradicional, via de regra, possui grande capacidade energética específica, possibilidade de armazenamento a longo prazo e facilidade de uso. Mas a vida não fica parada. A introdução de novas tecnologias aumenta as demandas de combustível. A tarefa é resolvida melhorando os combustíveis existentes e criando novos combustíveis de alta energia.
A ampla introdução de novas amostras é dificultada pelo desenvolvimento insuficiente de processos tecnológicos, altos riscos de incêndio e explosão no trabalho, a necessidade de pessoal altamente qualificado e o alto custo da tecnologia.
Armazenamento de energia química sem combustível
Neste tipo de armazenamento, a energia é armazenada convertendo alguns produtos químicos em outros. Por exemplo, a cal apagada, quando aquecida, entra em um estado de cal viva. Ao descarregar, a energia armazenadaliberado como calor e gás. Isso é exatamente o que acontece quando a cal é extinta com água. Para que a reação comece, geralmente é suficiente combinar os componentes. Em essência, este é um tipo de reação termoquímica, só que ocorre a uma temperatura de centenas e milhares de graus. Portanto, o equipamento utilizado é muito mais complexo e caro.
