طبیعت به انسان منابع انرژی مختلفی داده است: خورشید، باد، رودخانه ها و دیگران. نقطه ضعف این مولدهای انرژی رایگان عدم پایداری است. بنابراین، در دوره های انرژی اضافی، در دستگاه های ذخیره سازی ذخیره می شود و در دوره های رکود موقت مصرف می شود. دستگاه های ذخیره انرژی با پارامترهای زیر مشخص می شوند:
- میزان انرژی ذخیره شده؛
- سرعت انباشت و بازگشت آن؛
- گرانش مخصوص؛
- زمان ذخیره انرژی؛
- قابلیت اطمینان؛
- هزینه ساخت و نگهداری و سایر موارد.
راه های زیادی برای سازماندهی درایوها وجود دارد. یکی از راحت ترین آنها طبقه بندی با توجه به نوع انرژی مورد استفاده در دستگاه ذخیره سازی و با توجه به روش انباشت و بازگشت آن است. دستگاه های ذخیره انرژی به انواع اصلی زیر تقسیم می شوند:
- مکانیکی؛
- حرارتی;
- برق؛
- شیمیایی.
انباشت انرژی پتانسیل
ماهیت این دستگاه ها ساده است. هنگامی که بار بلند می شود، انرژی پتانسیل انباشته می شود، زمانی که پایین می آید، کار مفیدی انجام می دهد. ویژگی های طراحی به نوع محموله بستگی دارد. می تواند جامد، مایع یاماده شل به عنوان یک قاعده، طراحی دستگاه های این نوع بسیار ساده است، از این رو قابلیت اطمینان بالا و عمر طولانی دارد. زمان ذخیره انرژی ذخیره شده به دوام مواد بستگی دارد و می تواند به هزاران سال برسد. متأسفانه، چنین دستگاه هایی چگالی انرژی پایینی دارند.
ذخیره مکانیکی انرژی جنبشی
در این وسایل انرژی در حرکت بدن ذخیره می شود. معمولاً این یک حرکت نوسانی یا انتقالی است.
انرژی جنبشی در سیستم های نوسانی در حرکت رفت و برگشتی بدن متمرکز می شود. انرژی در بخش هایی با حرکت بدن تامین و مصرف می شود. مکانیسم در تنظیم بسیار پیچیده و دمدمی مزاج است. به طور گسترده در ساعت های مکانیکی استفاده می شود. مقدار انرژی ذخیره شده معمولا کم است و فقط برای کارکرد خود دستگاه مناسب است.
دستگاه های ذخیره سازی مجهز به ژیروسکوپ
ذخیره انرژی جنبشی در یک چرخ طیار در حال چرخش متمرکز شده است. انرژی ویژه یک فلایویل به طور قابل توجهی از انرژی بار استاتیک مشابه بیشتر است. دریافت یا خروجی توان قابل توجهی در مدت زمان کوتاهی امکان پذیر است. زمان ذخیره انرژی کوتاه است و برای اکثر طرح ها به چند ساعت محدود می شود. فن آوری های مدرن این امکان را فراهم می کند که زمان ذخیره انرژی را به چند ماه برساند. فلایویل ها در برابر ضربه بسیار حساس هستند. انرژی دستگاه به طور مستقیم به سرعت چرخش آن بستگی دارد. بنابراین در فرآیند انباشت و بازگشت انرژی، تغییر در سرعت چرخش فلایویل رخ می دهد. و برای بار مانندبه عنوان یک قاعده، سرعت چرخش ثابت و کم مورد نیاز است.
دستگاه‌های امیدوارکننده‌تر superflywheelها هستند. آنها از نوار فولادی، فیبر مصنوعی یا سیم ساخته شده اند. طرح ممکن است متراکم باشد یا فضای خالی داشته باشد. اگر فضای آزاد وجود داشته باشد، سیم پیچ های نوار به سمت حاشیه چرخش حرکت می کنند، لحظه اینرسی چرخ طیار تغییر می کند، بخشی از انرژی در فنر تغییر شکل یافته ذخیره می شود. در چنین دستگاه هایی سرعت چرخش پایدارتر از سازه های جامد است و مصرف انرژی آنها بسیار بیشتر است. آنها همچنین ایمن تر هستند.
فلایویل های فوق العاده مدرن از فیبر کولار ساخته شده اند. آنها در یک محفظه خلاء روی یک تعلیق مغناطیسی می چرخند. قادر به ذخیره انرژی برای چندین ماه.
ذخیره سازی مکانیکی با استفاده از نیروهای الاستیک
این نوع دستگاه قادر است انرژی خاصی را ذخیره کند. از درایوهای مکانیکی، بیشترین شدت انرژی را برای دستگاه هایی با ابعاد چند سانتی متر دارد. فلایویل های بزرگ با سرعت چرخش بسیار بالا دارای محتوای انرژی بسیار بالاتری هستند، اما در برابر تأثیرات خارجی بسیار آسیب پذیر هستند و زمان ذخیره انرژی کوتاه تری دارند.
ذخیره مکانیکی انرژی چشمه
قابلیت ارائه بالاترین قدرت مکانیکی در بین هر کلاس ذخیره انرژی. فقط با استحکام کششی فنر محدود می شود. انرژی یک فنر فشرده را می توان برای چندین دهه ذخیره کرد. با این حال، به دلیل تغییر شکل مداوم، خستگی در فلز و ظرفیت فنر تجمع می یابدکاهش می دهد. در عین حال، فنرهای فولادی با کیفیت بالا، تحت شرایط عملیاتی مناسب، می توانند صدها سال بدون از دست دادن قابل ملاحظه ظرفیت کار کنند.
عملکردهای فنر را می توان با هر عنصر الاستیک انجام داد. برای مثال نوارهای لاستیکی از نظر انرژی ذخیره شده در واحد جرم ده ها برابر محصولات فولادی برتری دارند. اما عمر مفید لاستیک به دلیل پیری شیمیایی تنها چند سال است.
وسایل ذخیره سازی مکانیکی با استفاده از انرژی گازهای فشرده
در این نوع دستگاه انرژی با فشرده سازی گاز ذخیره می شود. در صورت وجود انرژی اضافی، گاز تحت فشار با استفاده از کمپرسور به داخل سیلندر پمپ می شود. در صورت نیاز، از گاز فشرده برای چرخاندن یک توربین یا ژنراتور الکتریکی استفاده می شود. در ظرفیت های کم، استفاده از موتور پیستونی به جای توربین توصیه می شود. گاز در یک مخزن تحت فشار صدها اتمسفر برای چندین سال دارای چگالی انرژی ویژه بالا و با اتصالات با کیفیت بالا - برای چندین دهه است.
ذخیره انرژی گرمایی
بیشتر خاک کشور ما در مناطق شمالی واقع شده است، بنابراین بخش قابل توجهی از انرژی مجبور به صرف گرمایش می شود. در این راستا باید به طور مرتب مشکل حفظ گرما در درایو و در صورت لزوم استخراج آن از آنجا حل شود.
در بیشتر موارد، دستیابی به چگالی بالایی از انرژی حرارتی ذخیره شده و دوره های قابل توجهی از حفظ آن ممکن نیست. دستگاه های موثر موجود دربه دلیل برخی از ویژگی ها و قیمت بالای آن برای کاربرد گسترده مناسب نیست.
ذخیره سازی به دلیل ظرفیت گرمایی
این یکی از قدیمی ترین راه هاست. این بر اساس اصل انباشت انرژی حرارتی زمانی که یک ماده گرم می شود و انتقال حرارت هنگام سرد شدن است. طراحی چنین درایوهایی بسیار ساده است. این می تواند یک تکه از هر ماده جامد یا یک ظرف بسته با یک خنک کننده مایع باشد. انباشته های انرژی حرارتی عمر مفید بسیار بالایی دارند، تعداد چرخه های تجمع و آزادسازی انرژی تقریباً نامحدود است. اما زمان ذخیره سازی از چند روز تجاوز نمی کند.
ذخیره انرژی الکتریکی
انرژی الکتریکی راحت ترین شکل آن در دنیای مدرن است. به همین دلیل است که دستگاه های ذخیره سازی الکتریکی به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند و بیشتر توسعه یافته اند. متأسفانه ظرفیت ویژه دستگاه های ارزان قیمت کم است و دستگاه هایی با ظرفیت ویژه بالا بسیار گران و کوتاه مدت هستند. دستگاه های ذخیره انرژی الکتریکی خازن، یونیستور، باتری هستند.
خازن
این عظیم ترین نوع ذخیره انرژی است. خازن ها قادر به کار در دمای -50 تا +150 درجه هستند. تعداد چرخه های انباشت-بازگشت انرژی ده ها میلیارد در ثانیه است. با اتصال چند خازن به صورت موازی می توانید به راحتی ظرفیت خازن مورد نیاز را بدست آورید. علاوه بر این، خازن های متغیر نیز وجود دارد. تغییر ظرفیت خازن این گونه خازن ها می تواند به صورت مکانیکی یا الکتریکی یا دما انجام شود. اغلب، خازن های متغیر را می توان در آن یافتمدارهای نوسانی.
خازن ها به دو دسته قطبی و غیر قطبی تقسیم می شوند. عمر مفید قطبی (الکترولیتی) کوتاهتر از غیرقطبی است، آنها بیشتر به شرایط خارجی وابسته هستند، اما در عین حال ظرفیت ویژه بیشتری دارند.
از آنجایی که خازن های ذخیره انرژی دستگاه چندان موفقی نیستند. آنها دارای ظرفیت کم و چگالی ویژه ناچیز انرژی ذخیره شده هستند و زمان ذخیره آن بر حسب ثانیه، دقیقه و به ندرت ساعت محاسبه می شود. خازن ها عمدتاً در مهندسی الکترونیک و برق قدرت کاربرد پیدا کرده اند.
محاسبه خازن، به عنوان یک قاعده، مشکلی ایجاد نمی کند. تمام اطلاعات لازم در مورد انواع خازن در کتابچه راهنمای فنی ارائه شده است.
یونیستورها
این دستگاه ها یک موقعیت میانی بین خازن های قطبی و باتری ها را اشغال می کنند. گاهی اوقات از آنها به عنوان "ابر خازن" یاد می شود. بر این اساس، آنها دارای تعداد زیادی مراحل شارژ-تخلیه هستند، ظرفیت آنها بیشتر از ظرفیت خازن ها است، اما کمی کمتر از باتری های کوچک است. زمان ذخیره انرژی تا چند هفته است. یونیستورها به دما بسیار حساس هستند.
باتری های برق
باتری های الکتروشیمیایی در صورت نیاز به ذخیره انرژی زیاد استفاده می شوند. دستگاه های سرب اسیدی برای این منظور مناسب ترین هستند. آنها حدود 150 سال پیش اختراع شدند. و از آن زمان تاکنون، هیچ چیز اساسی جدیدی در دستگاه باتری معرفی نشده است. بسیاری از مدل های تخصصی ظاهر شده اند، کیفیت قطعات به طور قابل توجهی افزایش یافته است،قابلیت اطمینان باتری قابل توجه است که دستگاه باتری ساخته شده توسط سازندگان مختلف فقط در جزئیات جزئی برای اهداف مختلف متفاوت است.
باتری های الکتروشیمیایی به دو دسته کششی و راه اندازی تقسیم می شوند. کشش در حمل و نقل الکتریکی، منابع تغذیه بدون وقفه، ابزارهای برق استفاده می شود. چنین باتری هایی با تخلیه یکنواخت طولانی و عمق زیاد آن مشخص می شوند. باتری های استارت می توانند جریان بالایی را در مدت زمان کوتاهی ارائه دهند، اما تخلیه عمیق برای آنها قابل قبول نیست.
باتری های الکتروشیمیایی تعداد چرخه های شارژ-تخلیه محدودی دارند، به طور متوسط از 250 تا 2000. حتی اگر استفاده نشوند، پس از چند سال از کار می افتند. باتری های الکتروشیمیایی به دما حساس هستند، به زمان شارژ طولانی نیاز دارند و نیاز به تعمیر و نگهداری دقیق دارند.
دستگاه باید به طور دوره ای شارژ شود. باتری نصب شده روی خودرو در حال حرکت از ژنراتور شارژ می شود. در زمستان این کافی نیست، باتری سرد به خوبی شارژ را نمی پذیرد و مصرف برق برای راه اندازی موتور افزایش می یابد. بنابراین، لازم است باتری را در یک اتاق گرم با یک شارژر مخصوص شارژ کنید. یکی از معایب قابل توجه دستگاه های سرب اسید وزن زیاد آنهاست.
باتری برای دستگاه های کم مصرف
اگر به دستگاه های تلفن همراه با وزن کم نیاز دارید، انواع باتری های زیر را انتخاب کنید: نیکل-کادمیم،لیتیوم-یون، فلز-هیبرید، پلیمر-یون. آنها ظرفیت ویژه بالاتری دارند، اما قیمت آنها بسیار بالاتر است. آنها در تلفن های همراه، لپ تاپ ها، دوربین ها، دوربین های فیلمبرداری و سایر دستگاه های کوچک استفاده می شوند. انواع مختلف باتری ها در پارامترهایشان متفاوت هستند: تعداد چرخه شارژ، ماندگاری، ظرفیت، اندازه و غیره.
باتری‌های لیتیوم یونی با قدرت بالا در خودروهای الکتریکی و خودروهای هیبریدی استفاده می‌شوند. آنها وزن سبک، ظرفیت ویژه بالا و قابلیت اطمینان بالا هستند. در عین حال، باتری های لیتیوم یون بسیار قابل اشتعال هستند. احتراق می تواند از اتصال کوتاه، تغییر شکل مکانیکی یا تخریب کیس، نقض حالت های شارژ یا تخلیه باتری رخ دهد. خاموش کردن آتش به دلیل فعالیت زیاد لیتیوم بسیار دشوار است.
باتری ها ستون فقرات بسیاری از لوازم خانگی هستند. به عنوان مثال، یک دستگاه ذخیره انرژی برای تلفن، یک باتری خارجی فشرده است که در یک قاب بادوام و ضد آب قرار داده شده است. این امکان را به شما می دهد تا تلفن همراه خود را شارژ یا روشن کنید. دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی موبایل قدرتمند قادر به شارژ هر دستگاه دیجیتال، حتی لپ‌تاپ‌ها هستند. در چنین دستگاه هایی، به عنوان یک قاعده، باتری های لیتیوم یونی با ظرفیت بالا نصب می شود. ذخیره انرژی برای خانه نیز بدون باتری کامل نمی شود. اما اینها دستگاه های بسیار پیچیده تری هستند. آنها علاوه بر باتری، یک شارژر، یک سیستم کنترل و یک اینورتر دارند. دستگاه ها می توانند هم از یک شبکه ثابت و هم از منابع دیگر کار کنند. توان خروجی به طور متوسط 5 کیلو وات است.
درایوهاانرژی شیمیایی
بین انواع درایوهای "سوختی" و "غیر سوختی" تمایز قائل شوید. آنها به فن آوری های خاص و اغلب تجهیزات با تکنولوژی بالا نیاز دارند. فرآیندهای مورد استفاده، به دست آوردن انرژی به اشکال مختلف را ممکن می سازد. واکنش های ترموشیمیایی می تواند در دماهای پایین و بالا انجام شود. اجزای واکنش های دمای بالا تنها زمانی معرفی می شوند که به دست آوردن انرژی لازم باشد. قبل از آن، آنها به طور جداگانه، در مکان های مختلف ذخیره می شوند. اجزای واکنش‌های دمای پایین معمولاً در یک ظرف قرار دارند.
ذخیره انرژی با استفاده از سوخت
این روش شامل دو مرحله کاملاً مستقل است: انباشت انرژی ("شارژ") و استفاده از آن ("تخلیه"). سوخت سنتی، به عنوان یک قاعده، دارای ظرفیت انرژی خاص، امکان ذخیره طولانی مدت و سهولت استفاده است. اما زندگی ثابت نمی ماند. معرفی فناوری های جدید باعث افزایش تقاضا برای سوخت می شود. این کار با بهبود موجود و ایجاد سوخت های جدید با انرژی بالا حل می شود.
معرفی گسترده نمونه‌های جدید به دلیل توسعه ناکافی فرآیندهای فن‌آوری، خطرات آتش‌سوزی و انفجار بالا در کار، نیاز به پرسنل با مهارت بالا و هزینه بالای فناوری مانع شده است.
ذخیره انرژی شیمیایی بدون سوخت
در این نوع ذخیره سازی، انرژی با تبدیل برخی مواد شیمیایی به مواد دیگر ذخیره می شود. به عنوان مثال، آهک خرد شده هنگامی که گرم می شود به حالت آهک زنده می رود. هنگام تخلیه، انرژی ذخیره شده استبه صورت گرما و گاز منتشر می شود. این دقیقاً همان چیزی است که وقتی آهک با آب خاموش می شود اتفاق می افتد. برای شروع واکنش معمولاً ترکیب اجزاء کافی است. در اصل، این یک نوع واکنش ترموشیمیایی است، فقط در دمای صدها و هزاران درجه انجام می شود. بنابراین، تجهیزات مورد استفاده بسیار پیچیده تر و گران تر است.
