Энергию какого вида может запасать емкость
Перейти к содержимому

Энергию какого вида может запасать емкость

  • автор:

Зеленая энергетика и пустота

Альтернативная энергетика очевидно имеет серьезные проблемы с накоплением излишков производимой энергии. И чем больше прерывистых источников энергии входит в эксплуатацию тем больше растет потребность в промежуточных накопителях.

Для этой задачи чаще всего предлагают различные виды накопителей.

Начиная от традиционных ГАЭС(которая по сути перекачивает воду из нижнего водоема в верхний и обратно), так и входящие в строй электрохимические источники энергии и экзотические гравитационные.

Из наиболее технологичных и необычных решений можно признать системы основанные на хранении сжатого воздуха.

Но что если я скажу что в теории это может быть далеко не самым лучшим и простым решением? Что если есть еще более простое решение выполненное по принципу «наоборот»?

И этот метод хранения энергии основан на обратном процессе — накоплении «пустоты-вакуума» в емкостях способных выдержать этот процесс.

Теория накопителя наоборот

Нет, речь идет не об устройстве свободной энергии. Это обратная сторона хранения энергии сжатого воздуха. Мне было любопытно, как сработает математика после исследования более раннего поста.

У технологии сжатого воздуха есть несколько недостатков.

(Процесс сжатия воздуха сопровождается выделением тепла точно так же, как велосипедный насос нагревается при накачивании камеры. Проблема в том, как это тепло использовать. Сейчас в мире существуют всего два хранилища типа CAES: Ханторф в Германии и Макинтош в США. Их предельная мощность составляет 290 МВт и 226 МВт соответственно. На обоих хранилищах тепло выбрасывается как побочный продукт, так как нет инфраструктуры его отбора и хранения. И наоборот, воздух, закачанный в хранилища, приходится с помощью природного газа подогревать при отборе, что снижает эффективность системы. )

Во-первых, при сжатии воздуха работа, вложенная в него, также должна оплачивать тепло, сжатое в меньший объем.

Во-вторых, увеличение давления не пропорционально приросту энергии, оно ограничено.

Со всеми этими вещами, работающими против пользы дела, я подумал… а не сработают ли они на нас, если мы создадим вакуум, а не сожмете газ?

Во-первых, давайте предложим, как это может работать.

Представьте себе бак, наполненный водой, значит батарея разряжена. Выкачать всю воду, оставим вакуум позади, что батарея полностью была заряжена. Мы добавим в воду немного этиленгликоля, чтобы уменьшить количество паров. давление, скажем, 0,1 фунта на кв. дюйм (то есть это не совсем вакуум, точно допустимое количество пустоты чтоб бак не порвался). В атмосферном баке нет ничего особенного, а вот в вакуумном баке нужно иметь прочность выше, чтобы не раздавило стенки.

Градиент давления между ними составляет ~ 14,6 фунтов на квадратный дюйм. Поскольку с другой стороны почти вакуум, тепла не так много, поэтому при почти изотермическом процессе мы можем ожидать КПД 92%, и КПД насоса 80% при комбинированном КПД 73%. Это намного лучше, чем CAES(система хранения сжатого воздуха).

Из Википедии для CAES формула такая

Итак, сколько кВтч в кубометре? 0,1013529 x 1 x ln (14,7/0,1) + (0,1013529 — 0,000689476) x 1 = 0,5057948149 + 0,100663424 = 0,6 МДж = 0,16 кВтч/куб.м = 4 Вт/куб.фут.

Но это не то, что реально происходит, поскольку давление всегда атмосферное с одной стороны и 0,1 с другой. В CAES по мере движения давление изменяется. Вакуумная система имеет постоянный напор, пока вы находитесь под системой C-Rate (в этом случае это будет скорость возврата пара на стороне вакуума в жидкую форму, например, конденсация). Итак, уравнение будет таким: Ph(кВт) = q ρ g ч / (3 600 000); или с давлением = q p / (3,6·106)

где: Ph(кВт) = гидравлическая мощность (кВт)​ q = расход (м3/ч)​ ρ = плотность жидкости (кг/м3) = 1000 кг/м3 для воды​ p = перепад давления (Н/м2, Па)​ Решение для q на 1 кВт, q = 3 600 000 / 100 000 = 3,6 м3/кВт

Средний дом в США имеет площадь 2687 кв. футов и потребляет 30 кВтч в день.

Итак, сколько м3 вам потребуется для 60 кВтч? 60×3,6 = 216 кубических метров, 57 000 галлонов или около 3 футов в глубину для каждого вакуумного резервуара, выкопанного под вашим домом площадью 2687 кв. футов. Если вы предполагаете эффективность 70%, это будет примерно 4 фута в глубину на бак. Это намного лучше, чем CAES низкого давления, если математика/допущения верны. Стоимость получения вакуумного резервуара такого размера, который мог бы выдерживать давление, вероятно, была бы непомерно высокой, и я не уверен что его закапывание дает какое-либо существенное преимущество. Так что в целом это выглядит не так уж и практично, учитывая размер / стоимость необходимого резервуара. Несмотря на это увеличение давления на CAES является выигрышным предложением, так как оно позволяет вам получить более высокую плотность энергии.

Что? Вы зашли так далеко и задаетесь вопросом, какое отношение к этому имеет «вы живете под водой»? Просто. Если вы прожили всего 33 фута под водой, то «атмосферное» давление составляет два бара, что вдвое уменьшает требуемый объем. Чем глубже вы идете, тем меньший объем вам нужен.

Нашел документ ВМС США, где они построили 5,5-футовые бетонные сферы с 4-дюймовым толщиной бетона: NCEL начал программу в сентябре 1971 года, когда было развернуто 18 бетонные сферы на глубине от 1800 до 5000 футов. Все 18 сферы были рассчитаны на номинальную рабочую глубину около 3000 футов при Давление 1300 фунтов на квадратный дюйм. Таким образом, как и ожидалось, большее давление раздавило образцы размещеные на глубине выше 3700 и 5000 футов. Каждый образец, 66 дюймов в диаметре со стенками толщиной 4 дюйма, был прикреплен ко дну океана с помощью 2600 фунтов веса якорной цепи длиной 21 ⁄2 дюйма и длиной 53 фута. Некоторые сферы были покрыты водонепроницаемым фенольным материалом; другие остались без покрытия. У двух сфер была покрыта половина поверхности, и мы — единственные образцы, которым удалось это сделать. содержат стальную арматуру. Инженеры хотели изучить реакцию стали к среде морской воды. Одна из этих сфер подняли через 10 лет с глубины 1800 футов и не было видимой коррозии стали, хотя в в некоторых областях модели сталь имела менее 1 дюйма бетонного покрытия. Также не было видимого ухудшения самого бетонного материала ни в одном случае. из пяти сфер и блоков, извлеченных на сегодняшний день.

Давайте посчитаем и посмотрим, сможем ли мы получить $/кВтч.

Объем сферы V = 4/3 πr^3 таким образом, общий объем 5,5-футовой сферы составляет 4/3 π 2,75 ^ 3 = 87 кубических футов, а внутренний объем полости составляет 4/3 π 2,41 ^ 3 = 59,1 кубических фута. Таким образом, объем бетона составляет 87-59,1 = 27,9 куб. В HomeDepot есть 80 фунтов бетона за 4,60 доллара и 150 фунтов бетона на кубический фут. так что бетон стоит всего 241 доллар (плюс затраты на тайленол). Из OP, у нас есть 60 кВтч, потребуется 216 кубических метров, а если преобразовать это в кубические футы и разделить на 0,7 для потери эффективности, это 10 900 кубических футов. Предполагая, что нам нужен сферический резервуар, решение для r дает 13 футов 9 дюймов. Предположим, что толщина составляет 3 дюйма, чтобы получить внешний радиус 14 футов. Это объем 11 488; таким образом, дельта составляет 588 кубических футов бетона, чтобы сделать вакуумную камеру. Это около 5000 долларов в бетоне. Если бы мы остановились на этом, это было бы $84/кВтч. Все остальное, вероятно, довольно дешево, скажем, еще 5000 долларов за турбину, земляные работы (зависит от местности, может быть всего 400 долларов для мягкого грунта), водопровод и т. д. Итак, 10 000 долларов за хранилище на 60 кВтч, что дает нам 170 долларов за кВтч. хранилище. LiFePo4 стоит от 500 до 1000 долларов за кВтч, а свинцово-кислотный — около 400 долларов за полезный кВтч (при условии 50% DoD).

Следующим фактором является жизненный цикл, и LiFePO4 обычно выигрывает, поскольку у него больше циклов, чем у SLA.

А как же вакуумный цикл?

Испытательные сферы ВМФ отлично себя зарекомендовали, но подвергались почти постоянному давлению. В вакуумной камере напряжения на стенках изменяются в зависимости от SoC; не приведет ли это к их преждевременному старению, уменьшив количество циклов? Возможно, именно здесь их закапывание может сыграть важную роль (вес почвы наверху будет поддерживать более постоянное напряжение).

Весело получается. Таким образом, в основном используя солнечную энергию или ветер, чтобы привести в действие насос для создания вакуума в очень большом куполе или резервуаре мы получим хорошее хранилище энергии. Если понадобиться, то можно в нужный момент сбросить вакуум с помощью небольшого турбогенератора, чтобы восстановить энергию. Эквивалентно нагнетанию давления в сосуде под давлением того же размера до 14,7 фунтов на квадратный дюйм с последующим выпуском его через турбину.

Но что с безопасностью? Тут все просто — катастрофический отказ такого накопителя гораздо безопаснее при имплозии(сжатии внутрь), чем при взрыве. Хотя, похоже, стоимость строительства на единицу мощности будет довольно высокой. Что касается воды, показанной на рисунке ОП с двумя резервуарами, вода не будет «сосуществовать» с вакуумом, она будет превращаться в пар. Так что я думаю, вам придется придерживаться только использования воздуха для выработки энергии.

В данном переводе может быть не все понятно, но основная мысль если кратко такая — «да можно хранить в вакууме энергию, и это будет лучше по кпд чем хранить там же сжатый газ».

Из недостатков — места хранения и емкости нужно делать прочнее обычных, и они смогут вместить в себя меньше энергии чем сжатый газ в этом объеме.

Остается вопрос емкостей для вакуума и тут есть широкий выбор.

Варианты емкостей для хранения

Для хранения в теории возможно не понадобится строить объекты хранения с нуля. Достаточно будет использовать существующие полости.

Например… различные пещеры и шахты природного происхождения.

Пещера Веревкина с рекордной глубиной в 2212 метров является самой глубокой пещерой, измеренной на сегодняшний день в мире(слева), а мамонтова пещера в американском штате Кентукки, безусловно, является самой длинной пещерой с длинной в 652 километра!

Вопреки расхожему мнению, что подобные природные образования в земной коре пригодны только для хранения сжатых газов стоит рассмотреть их и как потенциальные хранилища вакуума(при соответствующей обработке стен). На всей планете таких пещер и карстовых колодцев тысячи, так как сам карст покрывает до 25% земной поверхности, и там, где есть карст, обязательно должны быть пещеры. Ученые считают, что в мире могут быть десятки тысяч не открытых пещер. И некоторые из них, вероятно, заходят даже глубже, чем вертикальная пещера Веревкина. Единственным ограничением является то, насколько глубоко подземные воды могут просочиться в известняк.

Определенным гарантированным объемом для использования вакуума могут стать и выработанные месторождения полезных ископаемых в старых шахтах и скважинах.

Из не промышленных искусственных полостей можно присмотреться к результатам работы военной индустрии.

Некоторые шахты уходят вглубь на 24 метра, а это высота восьмиэтажного дома!

Бывшие ракетные шахты для баллистических ракет. Эти объекты в силу специфического назначения, как правило, рассчитаны на удар в непосредственной близости ядерного заряда. Вакуум внутри в таких условиях будет уже минимально возможной нагрузкой на емкость.

Кроме ракет на таких объектах обычно в непосредственной близости находились и другие подземные сооружения: бункеры для персонала, подземные авиабазы и иногда целые системы тоннелей. Все они также подходят для хранения пустоты.

Из предложенных объектов хранения вакуума стоит отдельно выделить потенциал металлических хранилищ.

Таких, как… списанные корабли-танкеры.

На кладбище кораблей в Читтагонге утилизируется почти половина мирового объема списанных судов.

Утилизация кораблей вопреки своим размерам выглядит куда более частым явлением чем даже утилизация автомобилей. Средний срок жизни танкеров не более 15-20 лет, после чего они варварским способом утилизируется ради металлолома. Часто этот процесс идет с нарушением эко-норм, и без соблюдения всех правил охраны труда.

Лишь небольшое количество кораблей в мире может обрести вторую жизнь в виде плавучих отелей и других стационарных объектов в прибрежной территории.

В то же время само утилизируемое судно по остаточному запасу прочности и внутреннему объему вполне подходит для небольшой модернизации в целую внутреннюю сеть вакуумируемых объемов для выработки энергии. Без какой-либо подготовки идеально подходят танкеры-газовозы, которые в последнее время набирают популярность.

Интересный факт — в процессе использования вакуума корабль может периодически менять свой вес. В теории плотность воздуха при стандартной температуре и давлении составляет 1,28 г/л, поэтому 1 литр вытесненного воздуха обладает достаточной выталкивающей силой, чтобы поднять 1,28 г. Этот процесс при должной доле креатива также можно было бы использовать.

Таким образом при переходе в «стационарные накопители», эти корабли могли бы стать прибрежными БЕЗОПАСНЫМИ накопителями прерывистой энергии зеленой энергетики.

Если подвести черту над всеми описанными выше возможными накопителями, то можно сказать что они не выглядят каким либо прорывом в будущее, но есть и футуристический реальный вариант 100% зеленого будущего вакуумной технологии.

Но он пока еще НИ РАЗУ не упоминался в этом ключе обсуждений.

Идеальный вариант будущего — hyperloop!

Концепция Hyperloop получила второе дыхание в 2013 году когда Илон Маск предложил создать транспортную систему перемещения грузов и людей внутри вакуумной трубы.

Это предложение он назвал пятым видом транспорта после поезда, самолета, автомобиля и корабля. Hyperloop первоначально был задуман как расположенный на опорах надземный трубопровод, внутри которого со скоростью от 480 до 1102 км/ч (в зависимости от ландшафта) с интервалом в 30 секунд в одном направлении перемещаются одиночные транспортные капсулы длиной 25—30 м.

Были предусмотрены два варианта системы:

  • пассажирский — предполагает внутренний диаметр трубопровода 2,23 м, сечение капсулы 1,35 м в ширину х 1,1 м в высоту, площадь лобовой проекции 1,4 м², капсула вмещает 2 ряда сидячих мест по 14 кресел в каждом;
  • пассажиро-грузовой (нечто вроде парома, даёт возможность пассажирам перемещаться вместе с их автомобилями) — внутренний диаметр трубы 3,3 м, лобовая проекция капсулы 4,0 м².

Ключевым фактором обнародованной 12 августа 2013 года концепции было стремление к дешевизне системы. Поэтому Маск взял за основу модель вакуумного поезда, преимуществом которого является отсутствие необходимости преодолевать трение опоры и встречное сопротивление воздуха.

Однако Илон усовершенствовал идею: по его мнению, нет смысла стремиться к достижению в трубе полного вакуума. Достаточно поддержания форвакуума, а именно давления в 100 Па (это 1/1000 от атмосферного давления) — дальнейшее снижение давления при наземном размещении невыгодно, потому что ведёт к экспоненциальному росту затрат. В то же время поддерживать форвакуум можно с помощью насосов умеренной мощности и стенок трубы из обычной стали толщиной 20—25 мм(и тут вспоминаем про танкеры, где толщина в 25мм редкость, и еще раз убеждаемся в правильности идеи доработки этих объектов)

В Дальнейшем проект Hyperloop был доработан Маском под подземное исполнение при помощи компании Boring Company.

Дальнейшие проекты конкуренты по вакуумному поезду не сильно отличаются по концепции от предложенного Маском, поэтому рассматривать их не имеет смысла.

Ключевым моментом можно считать только расстояния озвученные в проектах которые по идее должны покрыть потенциальные аналоги Hyperloop.

Например, Hyperloop Transportation Technologies планирует построить трассу, объединяющую Братиславу, Вену и Будапешт. А Hyperloop Italia планирует построить маршрут между Миланом и аэропортом Мальпенса.

А инженерная академия Китая и железнодорожные власти страны для реализации китайской версии Hyperloop выбрали линию между двумя крупными промышленными городами на юго-востоке страны: Гуанчжоу и Шанхаем.

В России же есть проекты схожего направления которые предлагает Hyperloop One. Так же они ведут переговоры о строительстве транспортных тоннелей в ОАЭ, Финляндии, Швеции, Нидерландах, Швейцарии, Великобритании и более чем в десяти регионах США.

В ОАЭ строительство скоростной линии между Абу-Даби и Аль Айном при расстоянии между городами в 145 километров — ориентировочная стоимость километра составляла 40 миллионов. Таким образом, весь проект может обойтись его инициаторам в 6 миллиардов долларов — это к вопросу об инфраструктуре и стоимости ее создания.

Имея в наличии примерное расстояние и диаметр трубы нетрудно подсчитать предполагаемый объем накопленного вакуума для цели энергонакопления. Особенно это эпично выглядит для проектов поистине фантастического размера вроде даже однонаправленного маршрута вакуумной трубы от Москвы до Владивостока(при 3.3 диаметре трубы и расстоянии в 9037 км объем будет равен 77254150.05000 м 3 ).

Для чисто транспортных целей проекты пока правда подвергаются сильной критике несмотря на наличие огромных преимуществ. Но если расписывать плюсы и минусы системы дотошно выйдет слишком длинный текст так что стоит перечислить основные.

Преимущества

  1. Скорость доставки и стабильность работы не зависит от внешних условий.
  2. Сниженные затраты на транспортировку груза в условиях перемещения капсул в вакууме(форвакууме).
  3. Вакуум при прокладке труб под городом может использоваться как дополнительный источник энергии для централизованного вакуумного удаления пыли(система центрального пылесоса) и мусора(Система вакуумной транспортировки). В этом случае трубы от отходов надо будет чистить капсулой для мойки стен в моменты ее девакуумизации периодически. Но ремонтные и сервисные капсулы и так понадобятся в любом случае так это лишь дополнительный элемент системы будет, а не основная цель Hyperloop.
  4. Пожарная безопасность при транспортировке в вакууме опасных грузов выше.
  5. Питание вакуумных насосов от альтернативных источников энергии.

Недостатки

  1. Цена и потенциальная безопасность системы для живого груза.
  2. Теоретическая угроза экономике конкурирующего транспорта, где занято много людей на обслуживании и воспроизводстве параллельного грузового потока. Возможны протесты и другие виды противодействия-ограничений максимальной производительности системы.
  3. Возможна уязвимость от последствий землетрясений.
  4. Низкая скорость прокладки тоннелей, и препятствия на пути, которые трудно обойти из-за специфики строительства Hyperloop(необходим максимально прямой участок пути для соблюдения всех параметров скоростного движения).
  5. Периодическая необходимость сброса вакуума для обслуживания и ремонта системы(которую как мы уже выяснили можно превратить в преимущество).

Фактически система Huperloop будет выполнять на будущее еще три не озвученные пока функции, которые сложно определить в недостатки или преимущества в зависимости от ситуации.

Эти функции теоретически выглядят так.

1. Быть буферным накопителем энергии.

2. Быть линией передачи энергии на большие расстояния без потерь. Тут стоит пояснить. Потери через доставку электроэнергии через ЛЭП примерно равны 10%, и чем больше расстояние тем больше этот процент может быть. Создание вакуума и его потребление это конечно потери на насосах, но независимо от расстояния передачи в трубе пустоты ее потери равны нулю. Т.е. в теории чем дальше Huperloop сможет передать вакуум, тем выгоднее его использование, из-за отсутствия потерь на передачу.

3. Быть атмосферной электростанцией по аналогии с приливной ГЭС, используя циклы максимумов и минимумов перепадов давления на всем протяжении линии для манипуляции процессом создания вакуума(при низком атм. Давлении) и генерацией энергии(при высоком атм. Давлении). Разница в уровнях давлений позволит как минимум нивелировать низкий кпд вакуумных насосов, а как максимум выработать энергии больше чем было затрачено на создание пустоты в трубе.

Очень может быть что в далеком будущем целые страны и регионы будут обмениваться для использования друг с другом крупными объемами «пустоты», как сейчас, это делают через газовые сети торгуя природным газом.

P.S. — Резюмируя все выше сказанное стоит заметить что гиперлуп это не только ценный мех, но и много-много потенциала накопления энергии из ничего т. е. В вакууме( прям как сферический конь в вакууме, но полезнее и понятнее с точки зрения процесса). Но в целом это явно будет не удивительно, и примерно так же, как мы уже привыкли к телефону без кнопок(который 90% времени используется не для того чтоб звонить), электронным деньгам, которые невозможно физически взять, и курению пара из трубки вейпа, заменяющего тление табака сигарет прошлого.

  • Экология
  • Инженерные системы

Автономные источники энергии

Одним из эффективных способов снижения расхода электрической энергии в является применение накопителей энергии. В общем виде накопитель энергии представляет собой устройство, позволяющее запасать в нем энергию какого-либо вида, полученную в процессе торможения подвижного состава, хранить её и отдавать существенную долю этой энергии тяговому приводу во время пуска. Отличительной особенностью накопителя является то, что количество запасаемой в нём энергии, как правило, недостаточно для обеспечения движения транспортного средства в течение длительного промежутка времени. Поэтому он не является автономным источником энергии, а только дополняет основной, способствуя тем самым снижению потребления энергии.

Использование накопителей на электрическом транспорте является эффективной мерой по снижению энергозатрат на движение, поскольку накопление энергии, получаемой, например, в процессе электрического торможения, можно обеспечить практически всегда.

Таблица 8.2. Основные характеристики источников тока

Энергетическая мощность Втч/кг

Срок службы (циклов заря-да/разряда)

Цинк-воздушные топливные батареи

Примечание: Значения мощностей приведены для индуктивно-активной нагрузки при номинальном коэффициенте мощности coscp = 0,8.

Виды накопителей энергии

Известно достаточно большое количество накопителей энергии, различающихся, как по виду запасаемой энергии, так и по конструктивному исполнению. К ним относятся: гидроаккумулирующие (ГА), ёмкостные, воздухо-аккумулирующие (ВА), газотурбинные, электрохимические (ЭХ), электро-механические (ЭМ), механические, сверхпроводящие, индуктивные и т. д. Каждый тип накопителей энергии имеет свои характерные энергетические показатели, режимы работы, особенности конструктивного и схемотехнического исполнения, определяющие рациональные области их применения [13-14].

Таблица 8.3. Распределённые типы аккумуляторов

ЭДС заряж. аккумулятора, В

Сред, напряж. при разряде, В

Напряж. буферного режима, В

Напряжение начала заряда, В

Напряжение конца заряда, В

Внутреннее сопротивление, Ом

Коэф, отдачи по ёмкости Г|с

Удельная ёмкость, А- ч/кг

Продолжение табл. 8.3

Удельная энергия, Втч/кг

Время нормального заряда, ч

Время нормального разряда, ч

Ток нормального заряда, А

Ток нормального разряда,А

Саморазряд за месяц при t =20°С, %

  • 3^1;
  • (40-60 для герметичн.)

Критериями для обоснования целесообразности использования того или иного типа накопителя, например, на подвижном составе электрического транспорта являются следующие (таблица 8.3):

  • -удельная энергоёмкость, измеряемая в Втч/кг или Дж/кг и определяющая массогабаритные показатели данного накопителя;
  • -удельная стоимость накопительного устройства (удельные капиталовложения);
  • -долговечность, измеряемая общим числом циклов «заряд-разряд» или сроком службы;
  • — диапазон температур, в котором сохраняется работоспособность накопителя;
  • — простота и доступность технического обслуживания;
  • — время заряда накопителя (выбор производится исходя из времени торможения ЭПС);
  • — время и величина потерь при хранении энергии;
  • — время реверса;
  • — скорость и глубина разряда (глубина разряда позволяет снизить величину массогабаритных показателей и величину «мёртвого объёма»);
  • — безопасность работы;
  • — КПД накопительного устройства.

Электрохимическими накопителями называются химические источники тока, предназначенные для многократного использования их активных веществ, регенерируемых путём заряда. К этому типу накопителей можно отнести химические аккумуляторные батареи (АБ) и электрохимические генераторы (ЭХГ).

Основными электрическими параметрами аккумуляторов являются: номинальные напряжение и ёмкость, токи разряда и заряда. Кроме того, аккумуляторы характеризуются электродвижущей силой (ЭДС), внутренним сопротивлением, величиной и скоростью разряда, а также удельными энергетическими показателями.

К достоинствам электрохимических накопителей можно отнести: возможность длительного хранения энергии до 10 4 ч, высокий КПД отсутствие механических перемещений, бесшумность работы.

Современная техника в зависимости от назначения располагает целым рядом АБ, это — свинцовые, медно-литиевые, железо-никелевые (ЖН), никелькадмиевые (НК), серебряно-цинковые (СЦ), серно-натриевые и другие типы аккумуляторов.

Наиболее распространёнными являются свинцовые аккумуляторы, экономичнее которых до сих пор ничего не изобретено. Широкое распространение они получили благодаря высокой надёжности и невысокой цене.

Konwten ио цмкпов

Рисунок 8.16. Изменение величины ёмкости аккумулятора в зависимости от количества циклов и глубины разряда

Долговечность аккумулятора оценивают сроком службы или количеством циклов. Она зависит от конструкции аккумулятора; ресурса, заложенного в электрохимическую систему; условий ввода в эксплуатацию; условий эксплуатации. При этом, чем меньшая глубина разряда АБ, тем большее количество циклов он прослужит (рисунок 8.16).

Считается, что аккумулятор отработал свой срок службы, если доступная ёмкость падает до 80% от указанной первоначальной ёмкости. В этом случае 30% глубина разряда соответствует максимальному циклическому сроку службы аккумулятора.

Серьёзной проблемой при внедрении АБ является влияние изменения температуры внешней среды на его ёмкость. С ростом температуры увеличивается скорость коррозионных процессов, что сокращает срок службы аккумуляторных батарей. Повышение температуры аккумулятора на 10°С удваивает скорость коррозионных процессов и вдвое сокращает срок службы. На рисунке 8.17 показана зависимость ёмкости от температуры.

Зависимость ёмкости аккумулятора от температуры

Рисунок 8.17. Зависимость ёмкости аккумулятора от температуры

Предельная ёмкость аккумуляторных батарей достигается при нормальной температуре (20°С), малых скоростях разряда и низких напряжениях отсечки (напряжением отсечки называется минимальное напряжение, при котором аккумулятор способен отдавать полезную энергию).

Емкость аккумуляторной батареи.

Емкость аккумуляторов — количество электрической энергии, которое может отдать полностью заряженный аккумулятор при определенном режиме разряда и температуре от начального до конечного напряжения. Единицей СИ для электрического заряда является кулон (1Кл), но на практике емкость обычно выражается в ампер-часах (Ач).
Емкость измеряют в ампер-часах и определяют по формуле:
C=Ip * tp, где С– емкость, Ач;
Ip – сила разрядного тока, А;
Tp – время разряда, Ч.
Номинальная емкость — емкость, которую должен отдать новый полностью заряженный аккумулятор в нормальных условиях разряда, указанных в стандарте на этот аккумулятор. При этом напряжение не должно упасть ниже определенной величины.
Так как емкость зависит от разрядного тока и конечного разрядного напряжения, в условном обозначении аккумуляторов указывается емкость, соответствующая определенному режиму разряда. Для стартерных аккумуляторов за номинальную принимается емкость при 20-часовом, стационарных при 10-часовом, тяговых при 5-часовом режимах разряда.
Пример оценки ёмкости батареи 20-часовым режимом разряда, током 0.05 С20 (током, равным 5% от номинальной ёмкости).
Если ёмкость батареи 55Ач, то разряжая ее током 2.75А, она полностью разрядится за 20 часов. Аналогично для батарей ёмкостью 60Ач полный 20-часовой разряд произойдет при чуть большем токе разряда — 3А.
Отдача по емкости — отношение количества электричества, полученного от аккумулятора при разряде, к количеству электричества, необходимого для заряда аккумулятора до первоначального состояния при определенных условиях.
Она зависит от полноты заряда. Часть же заряда теряется на газообразование, это уменьшает коэффициент отдачи.
Емкость остаточная – величина, соответствующая количеству электричества, которое может отдать частично разряженный аккумулятор при установленном режиме разряда до конечного напряжения .
Резервная ёмкость аккумуляторной батареи — время, в течение которого батарея сможет обеспечить работу потребителей в аварийном режиме. Величина резервной ёмкости, выраженная в минутах, последнее время все чаще проставляется изготовителями стартерных аккумуляторных батарей после значения тока холодного старта.
Емкость зарядная — количество электричества, сообщаемое аккумулятору во время заряда . Зарядная емкость АКБ всегда больше разрядной из-за потерь энергии на побочные реакции и процессы.
При постоянном токе заряда l зарядная емкость С= I * t, где t — время заряда.
Измерение емкости ведется до падения напряжения хотя бы одного элемента аккумуляторной батареи до величины, регламентированной для конкретного режима разряда.
В течение срока службы емкость АКБ изменяется. В начале срока службы она возрастает, так как происходит разработка активной массы пластин. В процессе эксплуатации емкость некоторое время держится стабильной, а затем начинает постепенно уменьшаться из-за устаревания активной массы пластин.
Емкость батареи зависит от количества активного материала и конструкции электродов, количества и концентрации электролита, величины тока разряда, температуры электролита, степени изношенности аккумулятора, наличия посторонних примесей в электролите и других факторов.
При увеличении тока разряда емкость батареи уменьшается. АКБ при форсированных режимах разряда отдают емкость меньше, чем при разряде более длительными режимами (небольшой величиной тока). Поэтому на аккумуляторах могут быть обозначения при 3,5,6,10,20 и 100 часах разряда. При этом емкости одной и той же батареи будут совершенно разные. Наименьшая будет при 3-часовом разряде, наибольшая при 100 часовом.
С повышением температуры электролита емкость растет, но при излишне высоких температурах уменьшается срок их службы . Это происходит потому, что при повышении температуры электролит легче проникает в поры активной массы, так как уменьшается его вязкость и увеличивается внутреннее сопротивление. Поэтому в реакции разряда принимает участие больше активной массы, чем при заряде, производившемся при более низкой температуре.
При низких же температурах емкость и полезное действие АКБ быстро уменьшается.
Если увеличить концентрацию ( плотность электролита ), то емкость также увеличится, но аккумулятор быстро выйдет из строя из-за разрыхления активной массы батареи.

Похожие статьи

Проверка аккумуляторной батареи нагрузочной вилкой.

Проверка аккумуляторной батареи нагрузочной вилкой.

Нагрузочные вилки применяются для определения электрического напряжения (под нагрузкой) на клеммах аккумуляторной батареи, состоящей из последовательно соединенных элементов 1,2 и 2В. Они используются..

Сульфатация аккумуляторных батарей.

Сульфатация аккумуляторных батарей.

«Сульфатация» — в настоящее время одна из основных неисправностей свинцовых аккумуляторных батарей. Под термином «сульфатация» электродов (пластин) в свинцово-кислотных аккумуляторах понимают такое с..

Что такое аккумулятор.

Что такое аккумулятор.

Аккумулятор (элемент) — состоит из положительных и отрицательных электродов (свинцовых пластин) и сепараторов разделяющих эти пластины, установленных в корпус и погруженных в электролит (раствор серно..

Эксплуатационные дефекты в аккумуляторах

Эксплуатационные дефекты в аккумуляторах

В процессе эксплуатации аккумуляторов могут возникать проблемы. Причины эксплуатационных дефектов: Низкая степень заряженности (менее 75 %): — может являться результатом слабого натяжения ремня п..

Энергетика. Проблемы и перспективы — Аккумуляторы химической энергии

К категории аккумуляторов химической энергии следует отнести такие, которые позволяют запасать и отдавать энергию в результате химических реакций. При этом запасенная энергия может выделяться в виде теплоты, электроэнергии, света и механической энергии. Чаще всего основной реакцией, выделяющей энергию, является реакция окисления. Аккумуляторы могут содержать в своем составе как окисляемое вещество, так и окислитель. В некоторых случаях в качестве окислителя используется кислород воздуха.
Все природные органические топлива (уголь, нефть, природный газ и т. п.) по существу являются аккумуляторами химической энергии. Они используются, как правило, с воздушным окислителем, и поэтому их удельные характеристики оцениваются в расчете только на само горючее. При этом удельная энергия лучших природных топлив может достигать 45 000 кДж/кг. Если же эти топлива использовать, например, в условиях космоса, когда окислитель тоже надо включать в общую массу топлива, то удельные характеристики оказываются значительно ниже. Действительно, для полного сгорания 1 кг бензина или керосина необходимо около 3 кг кислорода, следовательно, общая масса топлива в расчете на 1 кг горючего окажется равной 4 кг, и максимальная удельная энергия составит только 10 000 кДж/кг.
Природные топлива как аккумуляторы энергии обладают большим числом привлекательных свойств, к которым относятся возможность длительного, практически неограниченного хранения, высокие скорости энерговыделения после начального инициирования, высокая удельная и объемная энергия, относительно малая токсичность продуктов сгорания и многие другие свойства.
Наряду с природными органическими топливами в ряде случаев уже теперь, а впоследствии во все возрастающем количестве, люди будут использовать в качестве аккумуляторов энергии искусственные топлива как органические, так и неорганические. Под таким искусственным топливом, или энергоносителем, следует понимать любое вещество или ряд веществ, которые вступая в реакцию друг с другом или с веществами, находящимися в окружающей среде, обычно в неограниченных количествах (воздух, вода, иногда углекислота), могут выделять энергию. В ряде случаев продукты этих реакций должны иметь возможность вновь регенерироваться, т. е. превращаться в исходные вещества при затрате необходимых количеств энергии. Такие искусственные топлива должны рассматриваться именно как аккумуляторы энергии и, тем самым, принципиально, могут отдать меньше энергии, чем затрачивается на их приготовление.

Общая схема такого химического аккумулятора энергии представлена на рис. 6.2. За счет какого-либо источника энергии 1, не являющегося в общем случае органическим топливом1, в химическом реакторе 2 производится энергоноситель. С этой целью в реактор подаются некоторые вещества из окружающей среды и вещества, являющиеся продуктами использования энергоносителя. Кроме энергоносителя в реакторе могут производиться и побочные продукты, часть из которых может считаться полезной, а часть — сбрасывается в окружающую среду. Энергоноситель затем может транспортироваться к потребителю 3 на достаточно большое расстояние, где его химическая энергия превращается в нужный потребителю вид энергии. Для осуществления указанного преобразования энергии могут использоваться Дополнительные вещества из окружающей среды. Продукты реакции могут либо возвращаться на регенерацию, либо сбрасываться в окружающую среду.

1В частном случае роль источника энергии при производстве химического энергоносителя может выполнять уголь, непосредственное использование которого некоторыми потребителями нецелесообразно.

Рис. 6.2. Принципиальная схема получения и использования искусственного энергоносителя.

Во всех случаях по потокам вещества рассматриваемая схема должна быть замкнутой, ио иногда замыкание может осуществляться не непосредственно, а через окружающую среду. Если например, одним из продуктов реакции у потребителя 3 явится вода, то возвращать ее в реактор 2 при больших расстояниях окажется нецелесообразным — в том месте, где установлен реактор 2, свежую воду надо будет черпать из окружающей среды. Если же расстояния невелики, то цикл целесообразно замкнуть и по воде. То же, хотя и не в полной мере, может относиться к углекислоте.
По потокам энергии схема, разумеется, не замкнута. Полезный поток энергии на рис. 6.2 показан горизонтальной штриховкой. Косой штриховкой показаны неминуемые потери: а — при производстве энергоносителя, б — при его транспорте и в — при преобразовании энергии у потребителя.

В качестве энергоносителей — аккумуляторов энергии могут рассматриваться как органические, так и неорганические вещества. Основные реакции, освобождающие энергию, запасенную в энергоносителе,— сжигание в воздухе или кислороде, или реакция с водой с образованием теплоты и водорода, который оказывается вторичным энергоносителем и далее либо сжигается, либо используется в топливном элементе.
В ряду возможных энергоносителей собственно водороду сейчас уделяется очень большое внимание. Он обладает рядом интересных свойств, позволяющих рассчитывать на его широкое применение. Прежде всего необходимо отметить очень высокую теплоту сгорания водорода, которая составляет около 117 000 кДж на 1 кг водорода. Далее — при сжигании водорода образуется только водяной пар (при сжигании в воздухе возможно образование некоторого количества окислов азота), безвредный для окружающей среды и не требующий возвращения каких-либо продуктов на регенерацию. Наконец, водород является не только энергоносителем, но и веществом, имеющим большое значение для органического синтеза и могущим применяться в металлургии для прямого восстановления металлов из руд.
Недостатком водорода является то, что это трудно- сжижаемый газ. Газообразный энергоноситель неудобен для транспортных установок, особенно если учесть, что плотность водорода при нормальных условиях очень мала (0,09 кг/м 3 ). А для сжижения водорода необходимы очень низкие температуры (—252°С). Ясно, что сжижение водорода требует больших затрат энергии, а сохранение его в жидком виде — применения достаточно сложных и дорогих криостатов.
Наряду с водородом в качестве энергоносителей сегодня рассматриваются аммиак и метанол (метиловый спирт) и некоторые другие органические вещества. Эти вещества могут быть синтезированы с помощью водорода и имеют перед ним то преимущество, что при обычных условиях или близких к ним представляют жидкости. Однако их удельные энергии существенно ниже, чем у водорода: у аммиака около 16 700 кДж/кг, а у метанола около 20 000 кДж/кг. Кроме того, при их сжигании наряду с водяными парами образуются окислы азота и углерода, загрязняющие атмосферу.
В связи со схемой на рис. 6.2 отмечалось, что роль источника энергии при производстве энергоносителей может играть уголь. При переработке угля могут получаться и энергоносители, рассмотренные выше, и более сложные органические вещества, жидкие и твердые, близкие по составам к существующим топливам и обладающие как их преимуществами, так и недостатками.

На ближайшую перспективу получение из дешевых углей Канско-Ачинского бассейна искусственных жидких топлив представляет собой важнейшую задачу для нашей страны.
Наконец, несколько особняком в ряду возможных энергоносителей стоят металлы. Металлы достаточно распространены в природе, однако в силу их высокой химической активности, за редким исключением (золото, платина), не встречаются в чистом виде, а чаще всего в виде соединений — окислов, гидроокисей, солей и т. п. Все эти соединения достаточно прочные и для их разрушения — для получения металлов в чистом виде — необходимо затрачивать довольно много энергии. Но после того, как чистый металл получен, его можно рассматривать как энергоноситель, ибо при его реакции с кислородом, водой или еще каким-нибудь веществом можно получить энергию в виде теплоты или в виде водорода. В ряду таких металлических энергоносителей особенно интересны магний, кальций, алюминий и кремний. Вопрос об их использовании — сжигании или реакциях с водой — нельзя пока считать решенным для практического применения, однако в этом направлении ведутся поисковые работы.
Говоря об энергоносителях, необходимо принимать во внимание, как к. п. д. процесса преобразования энергии, так и капиталоемкость, т. е. исходить из расчетных затрат на производство единицы энергии в виде данного энергоносителя.
Особый класс химических аккумуляторов энергии представляют электрохимические аккумуляторы. В них в результате химической реакции энергия получается непосредственно в виде электроэнергии, иногда дополняемой некоторым количеством теплоты. Для инициирования реакции в таком аккумуляторе достаточно замкнуть внешнюю электрическую цепь.
Электрохимические аккумуляторы бывают обратимыми и необратимыми. В первом случае, если к аккумулятору подводить электроэнергию извне, химическая реакция в нем идет в обратном, направлении, в результате чего аккумулятор, как принято говорить, заряжается.
Обратимые электрохимические аккумуляторы сегодня широко распространены. Они используются прежде всего для запуска двигателей внутреннего сгорания. Во время работы двигателя аккумуляторы подзаряжаются,
находясь всегда в состоянии готовности. Электрохимические аккумуляторы характеризуют обычно емкостью, выраженной в ампер-часах. Так как каждой электрохимической реакции соответствует определенная разность потенциалов, то задание емкости по существу характеризует энергию, запасаемую аккумулятором.
Так, например, если автомобильный стартерный аккумулятор имеет емкость 50 А-ч при напряжении 12 В, то это означает, что энергия, аккумулированная в нем, составляет Еак=50·12-3600·10-3=2160 кДж.
Наиболее распространен в настоящее время свинцово-кислотный аккумулятор, в котором протекает реакция
Когда аккумулятор отдает энергию, реакция в нем идет слева направо, а когда заряжается — справа налево.
Свинцово-кислотные аккумуляторы сравнительно дешевы и достаточно долговечны, но обладают низкими удельными значениями энергии — менее 100 кДж/кг. Удельную энергию до 400 кДж/кг имеют более дорогие серебряно-кадмиевые аккумуляторы.
Высокая стоимость и низкие удельные энергии лучших электрохимических аккумуляторов препятствуют их широкому внедрению в транспортные установки в качестве основного источника энергии. Электромобили на аккумуляторах пока являются недостаточно рентабельными и могут применяться только в специфических условиях.
Необратимые электрохимические аккумуляторы обладают достаточно высокими удельными характеристиками, но, так как они могут быть использованы только однократно, определяющей оказывается их сравнительно высокая начальная стоимость. Поэтому такие аккумуляторы применяются только как малые источники электроэнергии для радиоаппаратуры, переносных осветительных приборов и т. п.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *