1

В работе приводятся результаты исследования спектра запасённой энергии образцов графита ГР-280, облучённого до флюенса нейтронов 5–32·1025 м–2 при температурах 450 и 650 °С. Измерения выполнены методом дифференциальной сканирующей калориметрии с постоянной скоростью нагрева 20 °С/мин. в интервале от комнатной температуры до 1300 °С. Скорость выхода запасённой энергии, независимо от флюенса нейтронов и температуры облучения, достигает максимума приблизительно при 1100 °С, значение скорости выхода запасённой энергии при данной температуре зависит от параметров облучения и лежит в пределах 0,35–0,5 Дж/г·К. Величина общей запасённой энергии при температуре облучения 450 и 650 °С составляет 190 и 160 Дж/г соответственно. На спектре запасённой энергии выявлено 7 пиков с энергиями активации от 1,95 до 4,03 эВ/атом. Пики вызваны миграцией моно- и дивакансий и эволюцией кластерной структуры облучённого графита.

нейтронное облучение

запасённая энергия

энергия активации

1. Вяткин С.Е. Ядерный графит / С.Е. Вяткин и др. – М.: Атомиздат, 1967. – 280 с.

2. Asari E. Thermal relaxation of ion-irradiation damage in graphite / E. Asari, M. Kitajima, K. G. Nakamura & T. Kawabe // Phys. Rev. – 1993. – Vol. 47. – P. 11143–11148.

3. Burchell T. Irradiation Damage in Graphite – from the Nano- to the Mille-Metric Scale // Technical Meeting on High-Temperature Qualification of High Temperature Gas Cooled Materials (Vienna, 10–13 Jun 2014). – Vienna, 2014. – P. 11.

4. El-Barbary A.A. First principles characterization of defects in irradiated graphitic materials: A thesis submitted towards fulfilment of the requirement for the degree of Doctor of Philosophy. – Sussex, 2005. – 171 p.

5. Gallego N.C. A Review of Stored Energy Release of Irradiated Graphite / N.C. Gallego, T.D. Burchell // Milestone Report on the Workshop on HTGR Graphite Stored Energy Release, ORNL/TM-2011/378 (Oak Ridge, September 2011). – Oak Ridge, 2011. – P. 55.

6. Iwata, T. Fine structure of Wigner energy release spectrum in neutron irradiated graphite // J. Nucl. Mater. – 1985. – Vol. 133&134. – P. 361–364.

7. Lasithiotakis М. Application of an independent parallel reactions model on the annealing kinetics of BEPO irradiated graphite / Michael Lasithiotakis, Barry J. Marsden, T. James Marrow // J. Nucl. Mater. – 2012. – Vol. 427. – P. 95–109.

8. Nightingale R. Nuclear graphite / R. Nightingale. – London: Academic Press, 1962.-547 p.

9. Telling R.H. Radiation defects in graphite / R.H. Telling, M.I. Heggie // Phil Mag. – 2007. – Vol. 87. – P. 797–846.

Изучение уровня накопления и скорости выхода запасённой энергии в реакторном графите интенсивно проводилось в пятидесятых - семидесятых годах прошлого столетия в связи с серьёзными авариями, вызванными значительным самопроизвольным разогревом активной зоны газовых реакторов с графитовой кладкой при температурах, превышающих температуру эксплуатации. Так как температуры теплоносителей большинства действующих в те времена газовых реакторов были ниже 150 °С, то подавляющая часть работ была посвящена изучению уровня накопления и характеристик выхода запасённой энергии в графите, облучённом при низких температурах до флюенсов нейтронов, не превышающих 2·10 25 м -2 .

Исследования, в которых графит был бы облучён при более высоких температурах (500-800 °С) до флюенсов нейтронов порядка 10 26 м -2 , отсутствуют, что создает проблемы при прогнозировании последствий нарушения условий эксплуатации и аварийных ситуаций в современных реакторах с высокой температурой эксплуатации графитовой кладки. К таким реакторам в первую очередь относятся действующие и разрабатываемые высокотемпературные реакторы с гелиевым теплоносителем, в которых многотонная графитовая кладка эксплуатируется при температурах 250-1100 °С до флюенса нейтронов 4·10 26 м -2 . Кроме того, данная проблема не исключена и для широко эксплуатируемых отечественных реакторов РБМК, температура эксплуатации графитовой кладки которых достигает 650-700 °С, а флюенсы нейтронов после тридцатилетней эксплуатации - 3·10 26 м -2 .

В ряде обзорных работ , появившихся в последнее время, были предприняты попытки спрогнозировать уровень запасённой энергии в графите, облучённом при высоких температурах до высоких флюенсов нейтронов, и сделан вывод, что для однозначного решения проблемы необходимы дополнительные экспериментальные исследования.

Запасённая энергия связана со стабильными радиационными дефектами, которые накапливаются в решетке графита в процессе облучения. При нагреве образца выше температуры облучения дефекты начинают отжигаться, причем каждый тип дефектов отжигается на определенной стадии, которая характеризуется температурой и энергией активации процесса. Процессы отжига радиационных дефектов хорошо изучены в графите, облучённом при температурах до 200 °С, где подвижными являются только междоузельные атомы. Работ, посвящённых изучению процессов отжига в графите, облучённом при температуре выше 400 °С, где стабильными остаются только вакансии и кластеры различной природы, очень мало .

Материалы и методы исследования

Объектом исследования являются образцы графита ГР-280, представляющие собой таблетки размером ∅6×2 мм, изготовленные методом электроискровой резки и облучённые в реакторе БОР60 до флюенса нейтронов 5-32·10 25 м -2 (Е > 0,18 МэВ) при температурах 450 и 650 °С. Образцы вырезали из графитовых блоков, произведенных по стандартной электродной технологии, подробно описанной в работах .

Скорость выхода запасенной энергии (dS/dt) определялась методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) на установке DSC 404 C Pegasus с постоянной скоростью нагрева 20 °С/мин. в потоке аргона со скоростью 70 мл/мин. Каждый эксперимент включал в себя два ДСК измерения образца до максимальной температуры (1300 °С), выдержку в течение 15 мин при максимальной температуре между двумя измерениями, а также предварительный нагрев печи (без образца).

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты измерений скорости выделения запасённой энергии при отжиге образцов, облучённых при температурах 450 и 650 °С, приведены на рис. 1, а и б, соответственно.

Экспериментальные данные свидетельствуют, что процесс выделения запасённой энергии начинается уже при температурах, близких к температуре облучения. У образцов, облучённых при 450 °С (рис. 1, а), скорость выхода запасённой энергии (dS/dt) в интервале температур измерения 500-950 °С немонотонно увеличивается от 0,01 до 0,15 Дж/г К, затем на температурной кривой наблюдается резкий подъем до максимального значения 0,40-0,48 Дж/г·К при 1100 °С, а при температуре выше 1100 °С - спад. Величина dSdt достигает максимума при температуре измерения 1100 °С независимо от значения флюенса нейтронов. На начальном участке (в интервале температур измерения 500-900 °С) скорость выхода запасённой энергии увеличивается с увеличением флюенса нейтронов, а при температуре 1100 °С - уменьшается.

Температурная зависимость dS/dt образцов, облучённых при 650 и 450 °С, аналогична (рис. 1, а и б), однако абсолютное значение скорости выхода запасённой энергии у образцов, облучённых при 650 °С, во всем интервале температур измерения приблизительно на 20 % ниже, чем у образцов, облучённых при 450 °С.

б

Рис. 1. Температурная зависимость скорости выделения запасённой энергии в образцах, облучённых при температуре 450 °С (а) и 650 °С (б). Значения флюенса нейтронов приведены на рисунке

Рис. 2. Зависимость общей запасенной энергии (S), выделившейся при отжиге облучённых образцов в интервале температур отжига 20-1300 °С. Температура облучения образцов: ○ -450 °С, ● -650 °С

Величину общей запасённой энергии (S) в образцах определяли путем измерения площади под кривыми зависимости dS/dt от температуры отжига, приведенными на рис. 1. Значения S представлены на рис. 2, откуда видно, что величина общей запасённой энергии у образцов, облучённых при температуре 450 °С, сначала возрастает с увеличением флюенса нейтронов до 180 Дж/г, а затем начиная с 16∙10 25 м -2 уже значительно не меняется с увеличением флюенса нейтронов. У образцов, облучённых при температуре 650 °С, величина S близка к насыщению при флюенсах ~ 7-10·10 25 м -2 , при этом предельная величина общей запасённой энергии на 20-30 Дж/г ниже общей запасённой энергии образцов, облучённых при температуре 450 °С до тех же доз.

Уровень выделения запасённой энергии порядка 170-200 Дж/г в интервале температур отжига 20-1300 °С приводит к дополнительному разогреву графита на 150-200 °С, что необходимо учитывать при обосновании безопасности эксплуатации графитовой кладки.

Кинетический анализ ДСК кривых

В работе проведен кинетический анализ ДСК кривых образца, облученного при температуре 450 °С до максимального флюенса нейтронов 32·10 25 м -2 .

Методика кинетического анализа ДСК кривых, полученных при постоянной скорости увеличения температуры образцов, подробно описана в работах . В предположении, что отжиг радиационных дефектов характеризуется реакцией 1 степени, зависимость скорости выделения запасённой энергии от времени при отжиге дефектов с энергией активации E и частотой ν можно описать уравнением

где dS(E, T)/dT - скорость выделения запасённой энергии; E -энергия активации; ν - фактор частоты; k - постоянная Больцмана; Т - температура отжига; а - скорость нагрева; S(E,Т) - запасённая энергия.

Решением уравнения (1) является функция

(2)

Полагая, что энергия активации имеет нормальное распределение с математическим ожиданием E0 и среднеквадратическим отклонением ε, выражение для запасённой энергии при Т = 0 может быть записано в следующем виде:

(3)

где S 0 - общая запасённая энергия.

Подставляя (2) и (3) в уравнение (1) и интегрируя полученное выражение по энергии, можно определить температурную зависимость скорости выхода запасённой энергии для i-го процесса отжига дефектов:

Температурная зависимость скорости выхода запасённой энергии, получаемая в эксперименте, является результирующей (или суммарной) функцией ряда процессов с частотой νi, средней энергией активации E0i и среднеквадратическим отклонением εi:

(5)

где n - количество процессов, Ci - подгоночные коэффициенты.

При εi → 0 уравнение (4) принимает вид

(6)

Последнее выражение позволяет определить кинетические параметры νi и E0i. Зависимость (6) достигает максимума в точке T = Tm, где , поэтому для i-го процесса отжига дефектов можно записать

(7)

График функции (7) в координатах от представляет собой прямую, из коэффициентов уравнения которой можно определить кинетические параметры Di (или νi) и E0i:

D i = exp(B); E0i = -Ak, (8)

где А и В - это коэффициенты уравнения функции (7) в координатах от .

Для определения параметров νi и E0i в работе проводились два эксперимента с разными скоростями нагрева: а = 20 °C/мин и а = 40 °C/мин. Результаты данных экспериментов приведены на рис. 3. Наличие пиков на экспериментальных кривых позволяет предположить существование отдельных стадий (процессов) отжига.

На экспериментальных кривых было выделено 7 экстремумов (пиков) и для каждого экстремума определено свое значение Тm, что позволило построить уравнение зависимости от (рис. 4) и определить кинетические параметры ν и E 0 . Кинетические параметры ν и E 0 , рассчитанные по данным уравнениям, представлены в таблице.

Наличие кинетических параметров ν и E 0 позволило определить вид функции (4) для каждого из семи установленных в эксперименте процессов отжига дефектов, а также рассчитать, в соответствии с выражением (5), суммарную теоретическую кривую скорости выхода запасённой энергии. Как свидетельствуют результаты расчётов, при приведенном в таблице наборе кинетических параметров расхождение экспериментальной и расчётной кривой не превышает 15 %. Экспериментальная и расчётная кривые приведены на рис. 5.

Рис. 3. Температурная зависимость скорости выделения запасённой энергии при а = 20 °C/мин и а = 40 °C/мин

Рис. 4. Связь между скоростью нагрева и температурой, соответствующей максимуму скорости выделения запасенной энергии

Кинетические параметры процессов отжига

Номер пика		Е0, эВ/атом	ε, эВ/атом

Рис. 5. Сравнение экспериментальной и теоретической кривой скорости выхода запасённой энергии в образце, облучённом при температуре 450 °С до флюенса нейтронов 32·1025 м-2, значения скорости выхода запасённой энергии нормированы

Таким образом, в результате проделанного кинетического анализа было установлено, что при отжиге образца, облучённого при температуре 450 °С до флюенса нейтронов 32·1025 м-2, на спектре запасённой энергии в интервале температур от Тобл до 1300 °С присутствуют следующие пики: во-первых, это наиболее интенсивные пики с E0, равной 3,72 и 4,03 эВ; затем пики с E0, равной 2,7 и 3,03 эВ, их интенсивность приблизительно в 2 раза ниже интенсивности основных пиков; два слабых пика с E0, равной 2,3 и 3,44 эВ; а также широкий пик (ε = 0,18 эВ) с наименьшим значением E0 (1,95 эВ). Знание энергий активации наблюдаемых стадий отжига позволяет сделать некоторые предположения о природе протекающих процессов.

Согласно литературным данным , в графите при температуре облучения в диапазоне 400-500 °С междоузельные атомы в результате их низкой энергии активации уже в процессе облучения образуют крупные кластеры, перерождающиеся затем в дополнительные атомные плоскости. Вакансии, напротив, приобретают подвижность только в районе температур 500-600 °С и, следовательно, можно предположить, что первый пик, наблюдаемый при температуре 630 °С, обусловлен миграцией моновакансий. Значения энергии активации вакансий, полученные различными авторами экспериментальным путем, значительно отличаются и лежат в интервале от 1,8 до 3,6 эВ, а значения, полученные на основе квантово-механических расчетов, группируются вокруг величины 1,7 эВ . В работе экспериментально установлено, что энергия миграции вакансий в сильно облученном графите является переменной величиной ~ 1,8 ± 0,3 эВ. Таким образом, полученные нами экспериментальные данные подтверждают выводы, что процесс отжига моновакансий имеет место в интервале температур 500-600 °С с переменной энергией активации 1,95 ± 0,18 эВ. Мигрирующие вакансии, взаимодействуя друг с другом, образуют дивакансии и, с меньшей вероятностью, более крупные вакансионные кластеры, при этом свободная энергия, приходящаяся на одну вакансию, уменьшается.

Процессы отжига облученного графита при температурах выше 600 °С изучены очень слабо ввиду большого количества возможных конфигураций радиационных дефектов и энергий активации процессов, связанных с этими дефектами. Процессы отжига, которые соответствуют пикам 2-4 и имеют энергию активации 2,33-3,03 эВ, можно отнести, по всей видимости, к процессам, связанным с миграцией дивакансий. В работе приведены различные конфигурации дивакансий и показано, что одна из них, в так называемой трехсоседской конфигурации, может перемещаться посредством двойной трансформации в решетке графита с энергией активации 2,8 эВ, что близко к энергии активации пиков 2-4. При движении дивакансии встречаются друг с другом, образуя квадровакансии, и с кластерами вакансионного и внедренного типов, изменяя их размер. Энергии активации этих процессов зависят также от высоты энергетического барьера, который преодолевают подвижные дивакансии при слиянии с другим дефектом, что может приводить к появлению дополнительных пиков на кривой выхода запасенной энергии, как это наблюдается в нашем случае.

В интервале температур 900-1300 °С на рис. 5 выделены три пика с энергиями активации процесса отжига 3,44-4,03 эВ соответственно. Эти значения сравнимы с расчетными значениями энергии «испарения» моновакансии из 4-6 вакансионного кластера или дислокационной петли (3,2-3,6 эВ), приведенные в работе . Испарившиеся моновакансии обладают высокой подвижностью (энергия миграции равна 1,7 эВ) и сливаются с неподвижным вакансионным или междоузельным кластерами с выделением значительного количества внутренней запасенной энергии. Таким образом, мы полагаем, что в диапазоне температур 900-1300 °С происходит эволюция кластерной структуры облучённого графита.

Выводы

1. Скорость выхода запасённой энергии в образцах, облучённых при температурах 450 и 650 °С до флюенса нейтронов 5-32·1025 м-2, достигает максимума при температуре измерения 1100 °С (при cкорости нагрева 20 °С/мин). Значение максимальной скорости выхода запасённой энергии зависит от параметров облучения и лежит в пределах 0,35-0,5 Дж/г·К.

2. Величина общей запасённой энергии в образцах, облучённых при температурах 450 и 650 °С, выходит на постоянный уровень при флюенсе нейтронов около 7-15·1025 м-2. Предельная величина общей запасённой энергии при температуре облучения 450 °С составляет около 190 Дж/г, а при температуре облучения 650 °С - около 170 Дж/г.

3. На спектре запасённой энергии образца, облучённого при температуре 450 °С до флюенса нейтронов 32·1025 м-2, в результате кинетического анализа было выявлено 7 пиков с энергиями активации от 1,95 до 4,03 эВ/атом. Пики вызваны миграцией моно- и дивакансий и эволюцией кластерной структуры облучённого графита.

Рецензенты:

Неустроев В.С., д.т.н., ведущий научный сотрудник Отделения реакторного материаловедения, АО «Государственный научный центр Научно-исследовательский институт атомных реакторов», предприятие Госкорпорации «Росатом», г. Димитровград;

Кобылянский Г.П., д.т.н., ведущий научный сотрудник Отделения реакторного материаловедения, АО «Государственный научный центр Научно-исследовательский институт атомных реакторов», предприятие Госкорпорации «Росатом», г. Димитровград.

Библиографическая ссылка

Покровский А.С., Белан Е.П., Харьков Д.В. ЗАПАСЁННАЯ ЭНЕРГИЯ В ГРАФИТЕ, ОБЛУЧЁННОМ ДО ВЫСОКИХ ФЛЮЕНСОВ НЕЙТРОНОВ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 5-1. – С. 130-136;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=38021 (дата обращения: 06.04.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

Одна из проблем обеспечения энергией заключается в поддержании баланса между потребностями в ней и ее поставкой. Например, человеческий организм потребляет энергию в форме углеводов, жиров и белков; ее избыток запасается в виде жира. Если

потребность в энергии превышает ее поставку, организм расходует жировые отложения и мы становимся более стройными. Углеводы, белки и жиры составляют «пищевое топливо» организма, его «энергетическое депо».

Топливо-это источник тепловой энергии, которую легко при необходимости получить, а в отсутствие необходимости хранить в виде данного конкретного горючего материала. Все традиционные виды горючих материалов, такие как уголь, дрова и нефть, поддаются хранению и удобны, когда потребность в них недостаточно велика. Однако другие формы энергии сами по себе не поддаются хранению.

В качестве примера укажем электрическую энергию. Это одна из наиболее употребительных форм энергии. Ее можно получать из всех традиционных видов топлив. Но, если потребность в электроэнергии недостаточно велика по сравнению с количеством генерируемой энергии, ее прямое запасание невозможно. Для запасания электроэнергии ее необходимо преобразовывать в другие формы энергии. Это осуществляется одним из трех следующих способов.

Накопление электроэнергии с помощью насосных станций. В периоды пониженного потребления электроэнергию можно использовать для перекачивания воды из низкорасположенного резервуара в высокорасположенный резервуар. Последующее возвращение воды в низкорасположенный резервуар с ее пропусканием через турбогенератор позволяет регенерировать электрическую энергию.

Сжатие воздуха. Избыточную электроэнергию можно использовать также для сжатия воздуха в подземных резервуарах. Затем электроэнергию можно регенерировать, пропуская сжатый воздух через турбину.

Получение водорода. В будущем может оказаться возможным широкомасштабное получение водорода из воды, например с помощью электролиза. В настоящее время такой способ хранения энергии еще не оправдан экономически.

Химические источники тока и топливные элементы

Эти устройства позволяют по мере надобности преобразовывать запасенную в них химическую энергию в электрическую энергию.

Химический источник тока представляет собой портативный источник электрической энергии. Он состоит из одного или нескольких последовательно соединенных между собой электрохимических элементов (см. разд. 10.5). Следует различать первичные электрохимические элементы и вторичные элементы. Первичные элементы не

поддаются перезарядке, это элементы одноразового действия (например, батарейка для карманного фонаря), а вторичные элементы можно многократно перезаряжать. Свинцовый аккумулятор, используемый в автомашинах, состоит из вторичных элементов.

В отличие от химического источника тока топливный элемент работает на химических веществах, которые непрерывно заменяются по мере расходования. Наиболее распространенным типом топливного элемента является водородно-кислородный топливный элемент (см. разд. 10.5). Такой топливный элемент используется в космических аппаратах; его удобство заключается в том, что он вырабатывает не только электрическую энергию, но и воду.

Природа подарила человеку разнообразные источники энергии: солнце, ветер, реки и другие. Недостатком этих генераторов бесплатной энергии является отсутствие стабильности. Поэтому в периоды избытка энергии ее запасают в накопителях и расходуют в периоды временного спада. Накопители энергии характеризуют следующие параметры:

• объем запасаемой энергии;
• скорость ее накопления и отдачи;
• удельная плотность;
• сроки хранения энергии;
• надежность;
• стоимость изготовления и обслуживания и другие.

Методов систематизации накопителей множество. Одним из самых удобных является классификация по типу энергии, используемой в накопителе, и по способу ее накопления и отдачи. Накопители энергии подразделяются на следующие основные виды:

• механические;
• тепловые;
• электрические;
• химические.

Накопление потенциальной энергии

Суть этих устройств незамысловата. При подъеме груза происходит накопление потенциальной энергии, при опускании она совершает полезную работу. Особенности конструкции зависят от вида груза. Это может быть твердое тело, жидкость или сыпучее вещество. Как правило, конструкции устройств этого типа предельно просты, отсюда высокая надежность и длительный срок службы. Время хранения запасенной энергии зависит от долговечности материалов и может достигать тысячелетий. К сожалению, такие устройства обладают низкой удельной энергоемкостью.

Механические накопители кинетической энергии

В этих хранится в движении какого-либо тела. Обычно это колебательное или поступательное движение.

В колебательных системах сосредоточена в возвратно-поступательном движении тела. Энергия подается и расходуется порциями, в такт с движением тела. Механизм достаточно сложный и капризный в настройке. Широко используется в механических часах. Количество запасаемой энергии обычно невелико и годится только для работы самого устройства.

Накопители, использующие энергию гироскопа

Запас кинетической энергии сосредоточен во вращающемся маховике. Удельная энергия маховика значительно превосходит энергию аналогичного статического груза. Имеется возможность в короткий промежуток времени производить прием или отдачу значительной мощности. Время хранения энергии невелико, и для большинства конструкций ограничено несколькими часами. Современные технологии позволяют довести время хранения энергии до нескольких месяцев. Маховики очень чувствительны к сотрясениям. Энергия устройства находится в прямой зависимости от скорости его вращения. Поэтому в процессе накопления и отдачи энергии происходит изменение скорости вращения маховика. А для нагрузки, как правило, требуется постоянная, невысокая скорость вращения.

Более перспективными устройствами являются супермаховики. Их изготавливают из стальной ленты, синтетического волокна или проволоки. Конструкция может быть плотной или иметь пустое пространство. При наличии свободного места витки ленты перемещаются к периферии вращения, момент инерции маховика изменяется, часть энергии запасается в подвергшейся деформации пружине. В таких устройствах скорость вращения более стабильна, чем в цельнотелых конструкциях, а их энергоемкость гораздо выше. Кроме того, они более безопасны.

Современные супермаховики изготовляют из кевларового волокна. Они вращаются в вакуумной камере на магнитном подвесе. Способны сохранять энергию несколько месяцев.

Механические накопители, использующие силы упругости

Этот тип устройств способен запасать огромную удельную энергию. Из механических накопителей он обладает наибольшей энергоемкостью для устройств с габаритами в несколько сантиметров. Большие маховики с очень высокой скоростью вращения имеют гораздо большую энергоемкость, но они очень уязвимы от внешних факторов и имеют меньшее время хранения энергии.

Механические накопители, использующие энергию пружины

Способны обеспечить самую большую механическую мощность из всех классов накопителей энергии. Она ограничена лишь пределом прочности пружины. Энергия в сжатой пружине может храниться несколько десятилетий. Однако из-за постоянной деформации в металле накапливается усталость, и емкость пружины снижается. В то же время высококачественные стальные пружины при соблюдении условий эксплуатации могут работать сотни лет без ощутимой потери емкости.

Функции пружины могут выполнять любые упругие элементы. например, в десятки раз превосходят стальные изделия по запасаемой энергии на единицу массы. Но срок службы резины из-за химического старения составляет всего несколько лет.

Механические накопители, использующие энергию сжатых газов

В этом типе устройств накопление энергии происходит за счет сжатия газа. При наличии избытка энергии газ при помощи компрессора закачивается под давлением в баллон. По мере необходимости сжатый газ используется для вращения турбины или электрогенератора. При небольших мощностях вместо турбины целесообразно использовать поршневой мотор. Газ в емкости под давлением в сотни атмосфер обладает высокой удельной плотностью энергии в течение нескольких лет, а при наличии качественной арматуры - и десятки лет.

Накопление тепловой энергии

Большая часть территории нашей страны расположена в северных районах, поэтому значительная часть энергии вынужденно расходуется для обогрева. В связи с этим приходится регулярно решать проблему сохранения тепла в накопителе и извлечении его оттуда при необходимости.

В большинстве случаев не удается достичь высокой плотности запасаемой тепловой энергии и сколько-нибудь значительных сроков ее сохранения. Существующие эффективные устройства в силу ряда своих особенностей и высокой цены не подходят для широкого применения.

Накопление за счет теплоемкости

Это один из самых древних способов. В его основе лежит принцип накопления тепловой энергии при нагревании вещества и отдачи тепла при его охлаждении. Конструкция таких накопителей чрезвычайно проста. Им может быть кусок любого твердого вещества либо закрытая емкость с жидким теплоносителем. Накопители тепловой энергии имеют очень большой срок службы, практически неограниченное количество циклов накопления и отдачи энергии. Но время хранения не превышает нескольких суток.

Аккумулирование электрической энергии

Электрическая энергия - это самая удобная ее форма в современном мире. Именно поэтому электрические накопители получили широкое распространение и наибольшее развитие. К сожалению, удельная емкость дешевых аппаратов невелика, а приборы с большой удельной емкостью слишком дороги и недолговечны. Накопители электрической энергии - это конденсаторы, ионисторы, аккумуляторы.

Конденсаторы

Это самый массовый вид накопителей энергии. Конденсаторы способны работать при температуре от -50 до +150 градусов. Количество циклов накопления-отдачи энергии - десятки миллиардов в секунду. Соединяя несколько конденсаторов параллельно, можно легко получить емкость необходимой величины. Кроме того, существуют переменные конденсаторы.Изменение емкости таких конденсаторов может производиться механическим или электрическим способом либо воздействием температуры. Чаще всего переменные конденсаторы можно встретить в колебательных контурах.

Конденсаторы делятся на два класса - полярные и неполярные. Срок службы полярных (электролитических) меньше, чем неполярных, они больше зависят от внешних условий, но в то же время обладают большей удельной емкостью.

Как накопители энергии конденсаторы - не очень удачные приборы. Они имеют малую емкость и незначительную удельную плотность запасаемой энергии, а время ее хранения исчисляется секундами, минутами, редко часами. Конденсаторы нашли применение в основном в электронике и силовой электротехнике.

Расчет конденсатора, как правило, не вызывает затруднений. Вся необходимая информация по разным типам конденсаторов представлена в технических справочниках.

Ионисторы

Эти приборы занимают промежуточное место между полярными конденсаторами и аккумуляторами. Иногда их называют «суперконденсаторами». Соответственно, они имеют огромное количество этапов заряда-разряда, емкость больше, чем у конденсаторов, но немного меньше, чем у небольших аккумуляторов. Время хранения энергии - до нескольких недель. Ионисторы очень чувствительны к температуре.

Силовые аккумуляторы

Электрохимические аккумуляторы используются, если требуется запасать достаточно много энергии. Лучше всего для этой цели подходят свинцово-кислотные приборы. Их изобрели около 150 лет назад. И с тех пор в устройство аккумулятора не внесли ничего принципиально нового. Появилось много специализированных моделей, значительно возросло качество комплектующих изделий, повысилась надежность аккумуляторной батареи. Примечательно, что устройство аккумулятора, созданного разными производителями, для разных целей отличается лишь в незначительных деталях.

Электрохимические аккумуляторы подразделяются на тяговые и стартовые. Тяговые используются в электротранспорте, источниках бесперебойного питания, электроинструментах. Для таких аккумуляторов характерны длительный равномерный разряд и большая его глубина. Стартовые аккумуляторы могут выдать большой ток в короткий промежуток времени, но глубокий разряд для них недопустим.

Электрохимические аккумуляторы имеют ограниченное количество циклов заряда-разряда, в среднем от 250 до 2000. Даже при отсутствии эксплуатации через несколько лет они выходят из строя. Электрохимические аккумуляторы чувствительны к температуре, требуют длительного времени заряда и строгого соблюдения правил эксплуатации.

Прибор необходимо периодически подзаряжать. Заряд аккумулятора, установленного на транспортное средство, производится в движении от генератора. В зимнее время этого недостаточно, холодная батарея плохо принимает заряд, а на запуск двигателя возрастает. Поэтому необходимо дополнительно проводить заряд аккумулятора в теплом помещении специальным зарядным устройством. Одним из существенных недостатков свинцово-кислотных приборов является их большой вес.

Аккумуляторы для маломощных устройств

Если требуются мобильные устройства с малым весом, то выбирают следующие типы аккумуляторов: никель-кадмиевые, литий-ионные, металл-гибридные, полимер-ионные. У них выше удельная емкость, но и цена много больше. Их применяют в мобильных телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах, видеокамерах и других малогабаритных устройствах. Разные типы аккумуляторов отличаются своими параметрами: количеством циклов зарядки, сроком хранения, емкостью, размером и т. п.

Литий-ионные аккумуляторы большой мощности применяют в электромобилях и гибридных машинах. Они имеют небольшой вес, большую удельную емкость и высокую надежность. В то же время литий-ионные аккумуляторы очень пожароопасны. Возгорание может произойти от короткого замыкания, механической деформации или разрушения корпуса, нарушений режимов заряда или разряда аккумулятора. Потушить пожар довольно трудно из-за высокой активности лития.

Аккумуляторы являются основой многих приборов. Например, накопитель энергии для телефона - это компактный помещенный в прочный, влагозащищенный корпус. Он позволяет зарядить или запитать сотовый телефон. Мощные мобильные накопители энергии способны заряжать любые цифровые аппараты, даже ноутбуки. В таких устройствах устанавливают, как правило, литий-ионные аккумуляторы большой емкости. Накопители энергии для доматакже необходятся без аккумуляторных батарей. Но это гораздо более сложные устройства. Кроме аккумулятора в их состав входят зарядное устройство, система управления, инвертор. Аппараты могут работать как от стационарной сети, так и от других источников. Выходная мощность в среднем составляет 5 кВт.

Накопители химической энергии

Различают «топливные» и «безтопливные» типы накопителей. Для них требуются специальные технологии и нередко громоздкое высокотехнологичное оборудование. Используемые процессы позволяют получать энергию в разных видах. Термохимические реакции могут проходить как при низкой, так и при высокой температуре. Компоненты для высокотемпературных реакций вводят только тогда, когда необходимо получить энергию. До этого их хранят отдельно, в разных местах. Компоненты для низкотемпературных реакций обычно находятся в одной емкости.

Накопление энергии наработкой топлива

Этот способ включает два совершенно независимых этапа: накопление энергии («зарядка») и ее использование («разрядка»). Традиционное топливо, как правило, обладает большой удельной емкостью энергии, возможностью продолжительного хранения, удобством использования. Но жизнь не стоит на месте. Внедрение новых технологий предъявляет повышенные требования к топливу. Задача решается путем улучшения существующих и создания новых, высокоэнергетических видов топлива.

Широкому внедрению новых образцов препятствует недостаточная отработанность технологических процессов, большая пожаро- и взрывоопасность в работе, необходимость высококвалифицированного персонала, высокая стоимость технологии.

Безтопливное химическое накопление энергии

В этом виде накопителей энергия запасается за счет преобразования одних химических веществ в другие. Например, при нагреве переходит в негашеное состояние. При "разрядке" запасенная энергия выделяется в виде тепла и газа. Именно так происходит при гашении извести водой. Для того чтобы реакция началась, обычно достаточно соединить компоненты. В сущности, это вид термохимической реакции, только протекает она при температуре в сотни и тысячи градусов. Поэтому используемое оборудование гораздо сложнее и дороже.

Экология познания.Наука и техника: В условиях активного развития новых технологий в сфере энергетики достаточно известным трендом являются накопители электроэнергии. Это качественное решение проблемы перебоев питания или полного отсутствия энергии.

Существует вопрос: «Какой способ хранения энергии предпочтителен в той или иной ситуации?» . К примеру, какой способ аккумулирования энергии выбрать для частного дома или дачи, оборудованных солнечной или ветровой установкой? Очевидно, что крупную гидроаккумулирующую станцию в этом случае строить никто не будет, однако установить большую емкость, подняв ее на высоту 10 метров, возможно. Но будет ли такая установка достаточна для поддержания постоянного электроснабжения при отсутствии солнца?

Чтобы ответить на возникающие вопросы, необходимо выработать какие-то критерии оценки аккумуляторов, позволяющие получить объективные оценки. А для этого нужно рассмотреть различные параметры накопителей, позволяющие получить числовые оценки.

Емкость или накопленный заряд?

Когда говорят или пишут об автомобильных аккумуляторах, часто упоминают величину, которую называют емкостью аккумулятора и выражают в ампер-часах (для небольших аккумуляторов - в миллиампер-часах). Но, строго говоря, ампер-час не является единицей емкости. Емкость в теории электричества измеряют в фарадах. А ампер-час - это единица измерения заряда! То есть характеристикой аккумулятора нужно считать (и так это и называть) накопленный заряд.

В физике заряд измеряют в кулонах. Кулон - это величина заряда, прошедшего через проводник при силе тока 1 ампер за одну секунду. Поскольку 1 Кл/c равен 1 А, то, переведя часы в секунды, получаем, что один ампер-час будет равен 3600 Кл.

Следует обратить внимание, что даже из определения кулона видно, что заряд характеризует некий процесс, а именно процесс прохождения тока по проводнику. То же самое следует даже из названия другой величины: один ампер-час - это когда ток силой в один ампер протекает по проводнику в течение часа.

На первый взгляд может показаться, что тут какая-то нестыковка. Ведь если мы говорим о сохранении энергии, то накопленная в любом аккумуляторе энергия должна измеряться в джоулях, поскольку именно джоуль в физике служит единицей измерения энергии. Но давайте вспомним, что ток в проводнике возникает только тогда, когда имеется разность потенциалов на концах проводника, то есть к проводнику приложено напряжение. Если напряжение на клеммах аккумулятора равно 1 вольту и по проводнику протекает заряд в один ампер-час, мы и получаем, что аккумулятор отдал 1 В · 1 А·ч = 1 Вт·ч энергии.

Таким образом, применительно к аккумуляторам правильнее говорить о накопленной энергии (запасенной энергии) или о накопленном (запасенном) заряде. Тем не менее, поскольку термин «емкость аккумулятора» широко распространен и как-то более привычен, будем использовать и его, но с некоторым уточнением, а именно, будем говорить про энергетическую емкость.

Ёмкость энергетическая - энергия, отдаваемая полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого значения.

Используя это понятие, попытаемся приблизительно посчитать и сравнить энергетическую емкость различных типов накопителей энергии.

Энергетическая емкость химических аккумуляторов

Полностью заряженный электрический аккумулятор с заявленной ёмкостью (зарядом) в 1 А·ч теоретически способен обеспечить силу тока 1 ампер в течение одного часа (или, например, 10 А в течение 0,1 часа, или 0,1 А в течение 10 часов). Но слишком большой ток разряда аккумулятора приводит к менее эффективной отдаче электроэнергии, что нелинейно уменьшает время его работы с таким током и может приводить к перегреву. На практике ёмкость аккумуляторов приводят, исходя из 20-часового цикла разряда до конечного напряжения. Для автомобильных аккумуляторов оно составляет 10,8 В. Например, надпись на маркировке аккумулятора «55 А·ч» означает, что он способен выдавать ток 2,75 ампер на протяжении 20 часов, и при этом напряжение на клеммах не опустится ниже 10,8 В.

Производители аккумуляторов часто указывают в технических характеристиках своих изделий запасаемую энергию в Вт·ч (Wh), а не запасаемый заряд в мА·ч (mAh), что, вообще говоря, не правильно. Вычислить запасаемую энергию по запасаемому заряду в общем случае непросто: требуется интегрирование мгновенной мощности, выдаваемой аккумулятором за всё время его разряда. Если большая точность не нужна, можно вместо интегрирования воспользоваться средними значениями напряжения и потребляемого тока и воспользоваться формулой:

1 Вт·ч = 1 В · 1 А·ч.

То есть запасаемая энергия (в Вт·ч) приблизительно равна произведению запасаемого заряда (в А·ч) на среднее напряжение (в Вольтах): E = q · U . Например, если указано, что емкость (в обычном смысле) 12-вольтового аккумулятора равна 60 А·ч, то запасаемая энергия, то есть его энергетическая ёмкость, составит 720 Вт · часов.

Энергетическая емкость накопителей гравитационной энергии

В любом учебнике физики вы можете прочитать, что работа A, совершаемая некоторой силой F при подъеме тела массы m на высоту h вычисляется по формуле A = m · g · h, где g - ускорение свободного падения. Эта формула имеет место в том случае, когда движение тела происходит медленно и силами трения можно пренебречь. Работа против силы тяжести не зависит от того, как мы поднимаем тело: по вертикали (как гирю в часах), по наклонной плоскости (как при втаскивании санок в гору) или еще каким-либо способом.

Во всех случаях работа A = m · g · h. При опускании тела на первоначальный уровень сила тяжести произведет такую же работу, какая была затрачена силой F на подъем тела. Значит, поднимая тело, мы запасли работу, равную m · g · h, т. е. поднятое тело обладает энергией, равной произведению силы тяжести, действующей на это тело, и высоты, на которую оно поднято. Эта энергия не зависит от того, по какому пути происходил подъем, а определяется лишь положением тела (высотой на которую оно поднято или разностью высот между первоначальным и окончательным положением тела) и называется потенциальной энергией.

Оценим по этой формуле энергетическую емкость массы воды, закачанной в цистерну емкостью 1000 литров, поднятую на 10 метров над уровнем земли (или уровнем турбины гидрогенератора). Будем считать, что цистерна имеет форму куба с длиной ребра 1 м. Тогда, согласно формуле в учебнике Ландсберга, A = 1000 кг · (9,8 м/с2) · 10,5 м = 102900 кг · м2/с2. Но 1 кг · м2/с2 равен 1 джоулю, а переводя в ватт-часы, получим всего 28,583 ватт-часов. То есть, чтобы получить энергетическую емкость, равную емкости обычного электроаккумулятора 720 ватт-часов, нужно увеличить объем воды в цистерне в 25,2 раза.

Цистерна должна будет иметь длину ребра примерно 3 метра. При этом ее энергетическая емкость будет равна 845 ватт-часам. Это больше емкости одного аккумулятора, но зато и объем установки существенно больше, чем размер обычного свинцово-цинкового автомобильного аккумулятора. Это сравнение подсказывает, что имеет смысл рассматривать не запасенную энергию в некоторой системе энергию саму по себе, а по отношению к массе или объему рассматриваемой системы.

Удельная энергетическая емкость

Итак мы пришли к заключению, что энергетическую емкость целесообразно соотносить с массой или объемом накопителя, или собственно носителя, например, воды, залитой в цистерну. Можно рассмотреть два показателя этого рода.

Массовой удельной энергоемкостью будем называть энергетическую емкость накопителя, отнесенную к массе этого накопителя.

Объемной удельной энергоемкостью будем называть энергетическую емкость накопителя, отнесенную к объему этого накопителя.

Пример. Свинцово-кислотный аккумулятор Panasonic LC-X1265P, рассчитанный на напряжение 12 вольт, имеет заряд 65 ампер-часов, вес - 20 кг. и размеры (ДхШхВ) 350 · 166 · 175 мм. Срок его службы при t = 20 C - 10 лет. Таким образом его массовая удельная энергоёмкость составит 65 · 12 / 20 = 39 ватт-часов на килограмм, а объёмная удельная энергоёмкость - 65 · 12 / (3,5 · 1,66 · 1,75) = 76,7 ватт-часов на кубический дециметр или 0,0767 кВт-часа на кубический метр.

Для рассмотренного в предыдущем разделе накопителя гравитационной энергии на основе цистерны с водой объемом 1000 литров удельная массовая энергоёмкость составит всего 28,583 ватт-часов/1000 кг = 0, 0286 Вт-ч/кг., что в 1363 раза меньше, чем массовая энергоемкость свинцово-цинкового аккумулятора. И хотя срок службы гравитационного накопителя может оказаться существенно больше, все же с практической точки зрения цистерна кажется менее привлекательной, чем аккумуляторная батарея.

Рассмотрим еще несколько примеров накопителей энергии и оценим их удельные энергоемкости.

Энергоёмкость теплоаккумулятора

Теплоёмкость - количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании его на 1 °С. В зависимости от того, к какой количественной единице относится теплоёмкость, различают массовую, объёмную и молярную теплоёмкость.

Массовая удельная теплоёмкость, также называемая просто удельной теплоёмкостью - это количество теплоты, которое необходимо подвести к единице массы вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. В СИ измеряется в джоулях, деленных на килограмм на кельвин (Дж·кг−1·К−1).

Объёмная теплоёмкость - это количество теплоты, которое необходимо подвести к единице объёма вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. В СИ измеряется в джоулях на кубический метр на кельвин (Дж·м−3·К−1).

Молярная теплоёмкость - это количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 молю вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. В СИ измеряется в джоулях на моль на кельвин (Дж/(моль·К)).

Моль - единица измерения количества вещества в Международной системе единиц. Моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг.

На значение удельной теплоёмкости влияет температура вещества и другие термодинамические параметры. К примеру, измерение удельной теплоёмкости воды даст разные результаты при 20 °C и 60 °C. Кроме того, удельная теплоёмкость зависит от того, каким образом позволено изменяться термодинамическим параметрам вещества (давлению, объёму и т. д.); например, удельная теплоёмкость при постоянном давлении (CP) и при постоянном объёме (CV), вообще говоря, различны.

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое сопровождается скачкообразным изменением теплоёмкости в конкретной для каждого вещества температурной точке превращения - температура плавления (переход твёрдого тела в жидкость), температура кипения (переход жидкости в газ) и, соответственно, температуры обратных превращений: замерзания и конденсации.

Удельные теплоёмкости многих веществ приведены в справочниках обычно для процесса при постоянном давлении. К примеру, удельная теплоёмкость жидкой воды при нормальных условиях - 4200 Дж/(кг·К); льда - 2100 Дж/(кг·К).

Исходя из приведенных данных можно попытаться оценить теплоемкость водяного теплоаккумулятора (абстрактного). Предположим, что масса воды в нем равна 1000 кг (литров). Нагреваем ее до 80 °C и пусть она отдает тепло, пока не остынет до 30 °C. Если не заморачиваться тем, что теплоемкость различна при разной температуре, можно считать, что теплоаккумулятор отдаст 4200 * 1000 * 50 Дж тепла. То есть энергетическая емкость такого теплоаккумулятора составляет 210 мегаджоулей или 58,333 киловатт-часов энергии.

Если сравнить эту величину с энергетическим зарядом обычного автомобильного аккумулятора (720 ватт-часов), то видим, что для энергетическая емкость рассматриваемого теплоаккумулятора равна энергетической емкости примерно 810 электрических аккумуляторов.

Удельная массовая энергоемкость такого теплоаккумулятора (даже без учета массы сосуда, в котором собственно будет храниться нагретая вода, и массы теплоизоляции) составит 58,3 кВт-ч/1000 кг = 58,3 Вт-ч/кг. Это уже получается поболее, чем массовая энергоемкость свинцово-цинкового аккумулятора, равная, как было подсчитано выше, 39 Вт-ч/кг.

По приблизительным подсчетам теплоаккумулятор сравним с обычным автомобильным аккумулятором и по объёмной удельной энергоёмкости, поскольку килограмм воды - это дециметр объема, следовательно его объемная удельная энергоемкость тоже равна 76,7 Вт-ч/кг., что в точности совпадает с объемной удельной теплоемкостью свинцово-кислотного аккумулятора. Правда, в расчете для теплоаккумулятора мы учитывали только объем воды, хотя нужно было бы учесть еще объем бака и теплоизоляции. Но в любом случае проигрыш будет уже не так велик, как для граыитационного накопителя.

Другие виды накопителей энергии

В статье «Обзор накопителей (аккумуляторов) энергии» приведены расчеты удельных энергоемкостей еще некоторых накопителей энергии. Позаимствуем оттуда некоторые примеры

Конденсаторный накопитель

При емкости конденсатора 1 Ф и напряжении 250 В запасенная энергия составит: E = CU2 /2 = 1 ∙ 2502 /2 = 31.25 кДж ~ 8.69 Вт · час. Если использовать электролитические конденсаторы, то их масса может составить 120 кг. Удельная энергия накопителя при этом 0.26 кДж/кг или 0,072 Вт/кг. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 9 Вт. Срок службы электролитических конденсаторов может достигать 20 лет. Ионисторы по плотности запасаемой энергии приближаются к химическим аккумуляторным батареям. Достоинства: накопленная энергия может быть использована в течение короткого промежутка времени.

Гравитационные накопители копрового типа

Вначале поднимаем тело массой 2000 кг на высоту 5 м. Затем тело опускается под действием силы тяжести, вращая электрогенератор. E = mgh ~ 2000 ∙ 10 ∙ 5 = 100 кДж ~ 27.8 Вт · час. Удельная энергетическая ёмкость 0.0138 Вт · час/кг. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 28 Вт. Срок службы накопителя может составлять 20 и более лет.

Достоинства: накопленная энергия может быть использована в течение короткого промежутка времени.

Маховик

Энергия, запасаемая в маховике, может быть найдена по формуле E = 0.5 J w2 , где J - момент инерции вращающегося тела. Для цилиндра радиуса R и высотой H:

J = 0.5 p r R4 H

где r - плотность материала, из которого изготовлен цилиндр.

Предельная линейная скорость на периферии маховика Vmax (составляет примерно 200 м/с для стали).

Vmax = wmax R или wmax = Vmax /R

Тогда Emax = 0.5 J w2max = 0.25 p r R2 H V2max = 0.25 M V2max

Удельная энергия составит: Emax /M = 0.25 V2max

Для стального цилиндрического маховика максимальная удельная энергоемкость составляет приблизительно 10 кДж/кг. Для маховика массой 100 кг (R = 0.2 м, H = 0.1 м) максимальная накопленная энергия может составлять 0.25 ∙ 3.14 ∙ 8000 ∙ 0.22 ∙ 0.1 ∙ 2002 ~ 1 МДж ~ 0.278 кВт · час. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 280 Вт. Срок службы маховика может составлять 20 и более лет. Достоинства: накопленная энергия может быть использована в течение короткого промежутка времени, характеристики могут быть существенно улучшены.

Супермаховик

Супермахови́к в отличие от обычных маховиков способен за счёт конструктивных особенностей теоретически хранить до 500 Вт·ч на килограмм веса. Однако разработки супермаховиков почему-то остановились.

Пневматический накопитель

В стальной резервуар емкостью 1 м3 закачивается воздух под давлением 50 атмосфер. Чтобы выдержать такое давление, стенки резервуара должны иметь толщину примерно 5 мм. Сжатый воздух используется для выполнения работы. При изотермическом процессе работа A, совершаемая идеальным газом при расширении в атмосферу, определяется формулой:

A = (M / m) ∙ R ∙ T ∙ ln (V2 / V1)

где M - масса газа, m - молярная масса газа, R - универсальная газовая постоянная, T - абсолютная температура, V1 - начальный объем газа, V2 - конечный объем газа. С учетом уравнения состояния для идеального газа (P1 ∙ V1 = P2 ∙ V2) для данной реализации накопителя V2 / V1 = 50, R = 8.31 Дж/(моль · град), T = 293 0K, M / m ~ 50: 0.0224 ~ 2232, работа газа при расширении 2232 ∙ 8.31 ∙ 293 ∙ ln 50 ~ 20 МДж ~ 5.56 кВт · час за цикл. Масса накопителя примерно равна 250 кг. Удельная энергия составит 80 кДж/кг. При работе пневматический накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 5.5 кВт. Срок службы пневматического накопителя может составлять 20 и более лет.

Достоинства: накопительный резервуар может быть расположен под землей, в качестве резервуара могут использоваться стандартные газовые баллоны в требуемом количестве с соответствующим оборудованием, при использовании ветродвигателя последний может непосредственно приводить в действие насос компрессора, имеется достаточно большое количество устройств, напрямую использующих энергию сжатого воздуха.

Сравнительная таблица некоторых накопителей энергии

Все полученные выше значения параметров накопителей энергии сведем в обобщающую таблицу. Но вначале заметим, что удельные энергоемкости позволяют сравнивать накопители с обычным топливом.

Основной характеристикой топлива является его теплота сгорания, т.е. количество теплоты, выделяющееся при полном его сгорании. Различают теплоту сгорания удельную (МДж/кг) и объемную (МДж/м3). Переводя МДж в кBт-часы получаем:

Топливо	Энергетическая ёмкость (кВт-ч /кг)
Дрова	2,33-4,32
Горючий сланец	2,33 – 5,82
Торф	2,33 – 4,66
Бурый уголь	2,92 -5,82
Каменный уголь	ок. 8,15
Антрацит	9,08 – 9,32
Нефть	11,63
Бензин	12,8 кВт-ч/кг, 9,08 кВт-ч/литр

Как видим, удельные энергоёмкости топлива значительно превосходят энергоемкость накопителей энергии. Поскольку в качестве резервного источника энергии часто используются дизельные генераторы, включим в итоговую таблицу энергоемкость дизельного топлива, которая равна 42624 кДж/кг или 11,84 кВт-часа/кг. И добавим для сравнения еще природный газ и водород, поскольку последний тоже может служить основой для создания накопителей энергии.

Удельная массовая энергоёмкость баллонного газа (пропан-бутан) составляет 36 мДж/кг. или 10 КВт-ч/кг., а у водорода - 33,58 КВт-ч/кг.

В результате получим следующую таблицу с параметрами рассмотренных накопителей энергии (последние две строки в этой таблице добавлены для сравнения с традиционными энерго-носителями):

Накопитель энергии	Характеристики возможной реализации накопителя	Запасенная энергия, КВт*ч	Удельная энергетическая ёмкость, Вт · час/кг	Максимальное время работы на нагрузку 100 Вт, минут	Объемная удельная энергоемкость, Вт · час/дм3	Срок службы, лет
Копровый	Масса копра 2 т, высота подъема 5 м	0,0278	0.0139	16,7	2,78/объем копра в дм	более 20
Гидравлический гравитационный	Масса воды 1000 кг, высота перекачки 10 м	0,0286	0,0286	16,7	0,0286	более 20
Конденсаторный	Батарея емкостью 1 Ф, напряжением 250 В, масса 120 кг	0,00868	0.072	5.2	0,0868	до 20
Маховик	Стальной маховик массой 100 кг, диаметр 0.4 м, толщина 0.1 м	0,278	2,78	166,8	69,5	более 20
Свинцово-кислотный аккумулятор	Емкость 190 А·час, выходное напряжение 12 В, масса 70 кг	1,083	15,47	650	60-75	3 … 5
Пневматический	Стальной резервуар объемом 1 м3массой 250 кг со сжатым воздухом под давлением 50 атмосфер	0,556	22,2	3330	0,556	более 20
Теплоаккумулятор	Объем воды 1000 л., нагретой до 80 °C,	58,33	58,33	34998	58,33	до 20
Баллон с водородом	Объем 50 л., плотность 0,09 кг/м³, степень сжатия 10:1 (масса 0,045 кг)	1,5	33580	906,66	671600	более 20
Баллон с пропан-бутаном	Объем газа 50 л, плотность 0,717 кг/м³, степень сжатия 10:1 (масса 0,36 кг)	3,6	10000	2160	200000	более 20
Канистра с дизельным топливом	Объем 50 л. (=40кг)	473,6	11840	284160	236800	более 20

Приведенные в этой таблице цифры очень приблизительны, в расчетах не учтено множество факторов, например, коэффициэнт полезного действия того генератора, который использует сохраненную энергию, объемы и веса необходимого оборудования и так далее. Тем не менее, эти цифры позволяют, на мой взгляд, дать первоначальную оценку потенциальной энергоемкости различных видов накопителей энергии.

И, как следует из приведенной таблицы, наиболее эффективным видом накопителя представляется баллон с водородом. Если для получения водорода используется «дармовая» (избыточная) энергия из возобновляемых источников, то именно водородный накопитель может оказаться самым перспективным.

Водород может использоваться в качестве топлива в обычном двигателе внутреннего сгорания, который будет вращать электрогенератор, либо в водородных топливных ячейках, которые непосредственно производят электроэнергию. Вопрос о том, какой способ выгоднее, требует уже отдельного рассмотрения. Ну, и вопросы безопасности при производстве и использовании водорода могут внести коррективы при рассмотрении целесообразности применения того или иного вида накопителей энергии. опубликовано

Присоединяйтесь к нам в