Narava je človeku dala različne vire energije: sonce, veter, reke in druge. Pomanjkljivost teh generatorjev brezplačne energije je pomanjkanje stabilnosti. Zato se v obdobjih presežka energije shranjuje v napravah za shranjevanje in porabi v obdobjih začasne recesije. Za naprave za shranjevanje energije so značilni naslednji parametri:
- količina shranjene energije;
- hitrost njegovega kopičenja in vračanja;
- specifična teža;
- čas shranjevanja energije;
- zanesljivost;
- stroški izdelave in vzdrževanja in drugo.
Obstaja veliko načinov za organiziranje pogonov. Ena najprimernejših je razvrstitev glede na vrsto energije, ki se uporablja v napravi za shranjevanje, ter glede na način njenega kopičenja in vračanja. Naprave za shranjevanje energije so razdeljene na naslednje glavne vrste:
- mehanski;
- termični;
- električni;
- kemična.
Akumulacija potencialne energije
Bistvo teh naprav je preprosto. Ko se breme dvigne, se potencialna energija kopiči, pri spuščanju pa opravlja koristno delo. Oblikovne značilnosti so odvisne od vrste tovora. Lahko je trdna, tekoča ozohlapna snov. Praviloma so zasnove tovrstnih naprav izjemno preproste, od tod visoka zanesljivost in dolga življenjska doba. Čas shranjevanja shranjene energije je odvisen od trajnosti materialov in lahko doseže tisočletja. Na žalost imajo takšne naprave nizko gostoto energije.
Mehansko shranjevanje kinetične energije
V teh napravah je energija shranjena v gibanju telesa. Običajno je to oscilatorno ali translacijsko gibanje.
Kinetična energija v oscilatornih sistemih je koncentrirana v povratnem gibanju telesa. Energija se dovaja in porablja v porcijah, v času gibanja telesa. Mehanizem je precej zapleten in muhast pri nastavitvi. Široko se uporablja v mehanskih urah. Količina shranjene energije je običajno majhna in je primerna le za delovanje same naprave.
Naprave za shranjevanje s pogonom na žiroskop
Zaloga kinetične energije je koncentrirana v vrtečem se vztrajniku. Specifična energija vztrajnika bistveno presega energijo podobne statične obremenitve. V kratkem času je mogoče sprejeti ali oddati znatno moč. Čas shranjevanja energije je kratek in je pri večini modelov omejen na nekaj ur. Sodobne tehnologije omogočajo podaljšanje časa shranjevanja energije na več mesecev. Vztrajniki so zelo občutljivi na udarce. Energija naprave je neposredno odvisna od hitrosti njenega vrtenja. Zato v procesu kopičenja in vračanja energije pride do spremembe hitrosti vrtenja vztrajnika. In za takšno obremenitevpraviloma je potrebna konstantna, nizka vrtilna hitrost.
Bolj obetavne naprave so supervztrajniki. Izdelane so iz jeklenega traku, sintetičnih vlaken ali žice. Zasnova je lahko gosta ali ima prazen prostor. Če je prost prostor, se tuljave traku premaknejo na obrobje vrtenja, vztrajnostni moment vztrajnika se spremeni, del energije se shrani v deformirano vzmet. V takšnih napravah je hitrost vrtenja bolj stabilna kot v trdnih strukturah, njihova poraba energije pa je veliko večja. Prav tako so varnejši.
Sodobni super vztrajniki so izdelani iz kevlarjevih vlaken. Vrtijo se v vakuumski komori na magnetni suspenziji. Lahko hrani energijo za več mesecev.
Mehansko shranjevanje z uporabo elastičnih sil
Ta vrsta naprave je sposobna shraniti ogromno specifično energijo. Od mehanskih pogonov ima najvišjo energijsko intenzivnost za naprave z dimenzijami nekaj centimetrov. Veliki vztrajniki z zelo visokimi vrtilnimi hitrostmi imajo veliko višjo vsebnost energije, vendar so zelo občutljivi na zunanje vplive in imajo krajši čas shranjevanja energije.
Mehansko shranjevanje pomladne energije
Zmožen zagotoviti najvišjo mehansko moč katerega koli razreda za shranjevanje energije. Omejena je le z natezno trdnostjo vzmeti. Energija v stisnjeni vzmeti se lahko shranjuje več desetletij. Vendar pa se zaradi nenehne deformacije v kovini kopiči utrujenost in zmogljivost vzmetizmanjša. Hkrati lahko visokokakovostne jeklene vzmeti v ustreznih delovnih pogojih delujejo več sto let brez občutne izgube zmogljivosti.
Vzmetne funkcije lahko izvajajo kateri koli elastični elementi. Gumijasti trakovi so na primer desetkrat boljši od jeklenih izdelkov v smislu shranjene energije na enoto mase. Toda življenjska doba gume zaradi kemičnega staranja je le nekaj let.
Mehanske naprave za shranjevanje, ki uporabljajo energijo stisnjenih plinov
V tej vrsti naprav se energija shrani s stiskanjem plina. V prisotnosti presežka energije se plin pod tlakom črpa v jeklenko s kompresorjem. Po potrebi se stisnjen plin uporablja za vrtenje turbine ali električnega generatorja. Pri majhnih zmogljivostih je namesto turbine priporočljivo uporabiti batni motor. Plin v posodi pod tlakom več sto atmosfer ima visoko specifično energijsko gostoto več let, z visokokakovostnimi armaturami pa desetletja.
Shranjevanje toplotne energije
Večina ozemlja naše države se nahaja v severnih regijah, zato je velik del energije prisiljen porabiti za ogrevanje. V zvezi s tem je treba redno reševati problem ohranjanja toplote v pogonu in po potrebi odvzema toplote.
V večini primerov ni mogoče doseči visoke gostote shranjene toplotne energije in pomembnih obdobij njenega ohranjanja. Obstoječe učinkovite naprave vzaradi nekaterih lastnosti in visoke cene niso primerni za široko uporabo.
Skladiščenje zaradi toplotne zmogljivosti
To je eden najstarejših načinov. Temelji na principu akumulacije toplotne energije pri segrevanju snovi in prenosa toplote, ko se ohladi. Zasnova takšnih pogonov je izjemno preprosta. Lahko je kos katere koli trdne snovi ali zaprta posoda s tekočim hladilnim sredstvom. Akumulatorji toplotne energije imajo zelo dolgo življenjsko dobo, skoraj neomejeno število ciklov kopičenja in sproščanja energije. Toda čas shranjevanja ne presega več dni.
Skladiščenje električne energije
Električna energija je najprimernejša oblika v sodobnem svetu. Zato so električne shranjevalne naprave široko uporabljene in najbolj razvite. Žal je specifična zmogljivost poceni naprav majhna, naprave z visoko specifično zmogljivostjo pa predrage in kratkotrajne. Naprave za shranjevanje električne energije so kondenzatorji, ionisti, baterije.
Kondenzatorji
To je najbolj množična vrsta shranjevanja energije. Kondenzatorji lahko delujejo pri temperaturah od -50 do +150 stopinj. Število ciklov kopičenja in vračanja energije je desetine milijard na sekundo. Če vzporedno povežete več kondenzatorjev, lahko enostavno pridobite zahtevano kapacitivnost. Poleg tega obstajajo spremenljivi kondenzatorji. Spreminjanje kapacitivnosti takšnih kondenzatorjev se lahko izvede mehansko ali električno ali s temperaturo. Najpogosteje lahko najdete spremenljive kondenzatorjeoscilatorni krogi.
Kondenzatorji so razdeljeni v dva razreda - polarni in nepolarni. Življenjska doba polarnih (elektrolitskih) je krajša od nepolarnih, bolj so odvisni od zunanjih pogojev, hkrati pa imajo večjo specifično zmogljivost.
Ker kondenzatorji za shranjevanje energije niso zelo uspešne naprave. Imajo nizko zmogljivost in nepomembno specifično gostoto shranjene energije, njen čas shranjevanja pa se izračuna v sekundah, minutah, redko urah. Kondenzatorji so našli uporabo predvsem v elektroniki in energetski elektrotehniki.
Izračun kondenzatorja praviloma ne povzroča težav. Vse potrebne informacije o različnih vrstah kondenzatorjev so predstavljene v tehničnih priročnikih.
Ionistorji
Te naprave zasedajo vmesni položaj med polarnimi kondenzatorji in baterijami. Včasih jih imenujemo "superkondenzatorji". V skladu s tem imajo veliko število stopenj polnjenja in praznjenja, zmogljivost je večja kot pri kondenzatorjih, vendar nekoliko manjša kot pri majhnih baterijah. Čas shranjevanja energije je do nekaj tednov. Ionistorji so zelo občutljivi na temperaturo.
Baterije
Elektrokemične baterije se uporabljajo, če morate shraniti veliko energije. V ta namen so najbolj primerne svinčeve naprave. Izumili so jih pred približno 150 leti. In od takrat v baterijsko napravo ni bilo uvedeno nič bistveno novega. Pojavilo se je veliko specializiranih modelov, kakovost sestavnih delov se je znatno povečala,zanesljivost baterije. Omeniti velja, da se naprava baterije različnih proizvajalcev razlikuje le v manjših podrobnostih za različne namene.
Elektrokemične baterije se delijo na vlečne in zagonske. Vlečna sila se uporablja v električnem transportu, neprekinjenem napajanju, električnih orodjih. Za takšne baterije je značilna dolga enakomerna praznjenje in velika globina. Začetne baterije lahko v kratkem času oddajo visok tok, vendar globoko praznjenje zanje ni sprejemljivo.
Elektrokemične baterije imajo omejeno število ciklov polnjenja in praznjenja, v povprečju od 250 do 2000. Tudi če se ne uporabljajo, po nekaj letih odpovejo. Elektrokemične baterije so temperaturno občutljive, zahtevajo dolg čas polnjenja in zahtevajo strogo vzdrževanje.
Napravo je treba občasno polniti. Akumulator, nameščen na vozilu, se polni med gibanjem iz generatorja. Pozimi to ni dovolj, hladna baterija ne sprejema dobro polnjenja, poraba električne energije za zagon motorja pa se poveča. Zato je treba baterijo dodatno napolniti v toplem prostoru s posebnim polnilnikom. Ena od pomembnih pomanjkljivosti svinčenih naprav je njihova velika teža.
Baterije za naprave z nizko porabo
Če potrebujete mobilne naprave z majhno težo, izberite naslednje vrste baterij: nikelj-kadmijeve,litij-ionski, kovinsko-hibridni, polimer-ionski. Imajo višjo specifično zmogljivost, vendar je cena veliko višja. Uporabljajo se v mobilnih telefonih, prenosnih računalnikih, fotoaparatih, kamkorderjih in drugih majhnih napravah. Različne vrste baterij se razlikujejo po svojih parametrih: številu ciklov polnjenja, roki uporabnosti, kapaciteti, velikosti itd.
Litij-ionske baterije visoke moči se uporabljajo v električnih in hibridnih vozilih. Imajo majhno težo, visoko specifično zmogljivost in visoko zanesljivost. Hkrati so litij-ionske baterije zelo vnetljive. Vžig se lahko pojavi zaradi kratkega stika, mehanske deformacije ali uničenja ohišja, kršitev načinov polnjenja ali praznjenja baterije. Gašenje požara je zaradi visoke aktivnosti litija precej težko.
Baterije so hrbtenica mnogih aparatov. Na primer, naprava za shranjevanje energije za telefon je kompaktna zunanja baterija, nameščena v vzdržljivo vodoodporno ohišje. Omogoča vam polnjenje ali napajanje mobilnega telefona. Zmogljive mobilne naprave za shranjevanje energije lahko polnijo vse digitalne naprave, tudi prenosne računalnike. V takšnih napravah so praviloma nameščene litij-ionske baterije visoke zmogljivosti. Tudi shranjevanje energije za dom ni popolno brez baterij. Toda to so veliko bolj zapletene naprave. Poleg baterije vključujejo polnilnik, krmilni sistem in pretvornik. Naprave lahko delujejo tako iz fiksnega omrežja kot iz drugih virov. Izhodna moč je povprečno 5 kW.
Pogonikemična energija
Razlikujte med pogoni "gorivo" in "brez goriva". Zahtevajo posebne tehnologije in pogosto obsežno visokotehnološko opremo. Uporabljeni procesi omogočajo pridobivanje energije v različnih oblikah. Termokemijske reakcije lahko potekajo tako pri nizkih kot pri visokih temperaturah. Komponente za visokotemperaturne reakcije se uvajajo le, ko je potrebno pridobiti energijo. Pred tem so shranjeni ločeno, na različnih mestih. Komponente za nizkotemperaturne reakcije so običajno v isti posodi.
Shranjevanje energije z uporabo goriva
Ta metoda vključuje dve popolnoma neodvisni fazi: kopičenje energije ("polnjenje") in njeno uporabo ("praznjenje"). Tradicionalno gorivo ima praviloma veliko specifično energijsko zmogljivost, možnost dolgotrajnega skladiščenja in enostavnost uporabe. Toda življenje ne miruje. Uvedba novih tehnologij postavlja večje zahteve po gorivu. Naloga je rešena z izboljšanjem obstoječih in ustvarjanjem novih, visokoenergijskih goriv.
Široko uvajanje novih vzorcev ovirajo nezadostna razvitost tehnoloških procesov, velika požarna in eksplozijska nevarnost pri delu, potreba po visoko usposobljenem kadru in visoki stroški tehnologije.
Skladiščenje kemične energije brez goriva
Pri tej vrsti shranjevanja se energija shranjuje s pretvorbo nekaterih kemikalij v druge. Na primer, gašeno apno, ko se segreje, preide v stanje živega apna. Pri praznjenju shranjena energijasprošča v obliki toplote in plina. Točno to se zgodi, ko apno gašimo z vodo. Da se reakcija začne, je običajno dovolj, da združite komponente. V bistvu je to neke vrste termokemična reakcija, le da poteka pri temperaturi sto in tisoč stopinj. Zato je uporabljena oprema veliko bolj zapletena in dražja.
