هناك سؤال: "ما هي طريقة تخزين الطاقة الأفضل في موقف معين؟". على سبيل المثال، ما هي طريقة تخزين الطاقة التي يجب أن أختارها لمنزل خاص أو كوخ مجهز بتركيبات الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح؟ ومن الواضح أنه في هذه الحالة لن يقوم أحد ببناء محطة تخزين كبيرة للضخ، ولكن من الممكن تركيب خزان كبير يرفعه إلى ارتفاع 10 أمتار. ولكن هل سيكون مثل هذا التثبيت كافياً للحفاظ على مصدر طاقة ثابت في غياب الشمس؟

للإجابة على الأسئلة المطروحة، من الضروري وضع بعض المعايير لتقييم البطاريات التي ستسمح بذلك تقييمات موضوعية. وللقيام بذلك، عليك أن تأخذ في الاعتبار معلمات محرك الأقراص المختلفة التي تسمح لك بالحصول على تقديرات رقمية.

القدرة أو تهمة المتراكمة؟

عند الحديث أو الكتابة عن بطاريات السيارات، غالبًا ما يذكرون قيمة تسمى سعة البطارية ويتم التعبير عنها بالأمبير-ساعة (بالنسبة للبطاريات الصغيرة - بالمللي أمبير-ساعة). لكن، بالمعنى الدقيق للكلمة، فإن الأمبير-ساعة ليست وحدة للسعة. في النظرية الكهربائية، يتم قياس السعة بالفاراد. والأمبير ساعة هي وحدة قياس الشحنة! أي أنه ينبغي اعتبار الشحنة المتراكمة (وتسمى كذلك) إحدى خصائص البطارية.

في الفيزياء، يتم قياس الشحنة بالكولوم. الكولوم هو مقدار الشحنة التي تمر عبر موصل عند تيار مقداره 1 أمبير في ثانية واحدة. وبما أن 1 C/s يساوي 1 A، فمن خلال تحويل الساعات إلى ثوانٍ، نجد أن أمبير ساعة واحد يساوي 3600 درجة مئوية.

وتجدر الإشارة إلى أنه حتى من تعريف الكولوم فمن الواضح أن الشحنة تميز عملية معينة، وهي عملية مرور التيار عبر الموصل. نفس الشيء يتبع أيضًا اسم كمية أخرى: أمبير ساعة واحدة هو عندما يتدفق تيار أمبير واحد عبر موصل لمدة ساعة.

للوهلة الأولى، قد يبدو أن هناك نوعا من التناقض هنا. بعد كل شيء، إذا كنا نتحدث عن الحفاظ على الطاقة، فيجب قياس الطاقة المتراكمة في أي بطارية بالجول، لأن الجول في الفيزياء هي وحدة قياس الطاقة. لكن دعونا نتذكر أن التيار في الموصل يحدث فقط عندما يكون هناك فرق محتمل في نهايات الموصل، أي أنه يتم تطبيق الجهد على الموصل. إذا كان الجهد عند أطراف البطارية هو 1 فولت وتتدفق شحنة قدرها أمبير ساعة واحدة عبر الموصل، نجد أن البطارية قد قدمت 1 فولت · 1 آه = 1 وات ساعة من الطاقة.

وبالتالي، فيما يتعلق بالبطاريات، من الأصح الحديث عن الطاقة المتراكمة (الطاقة المخزنة) أو الشحنة المتراكمة (المخزنة). ومع ذلك، وبما أن مصطلح “سعة البطارية” منتشر ومألوف إلى حد ما، فسوف نستخدمه، ولكن مع بعض التوضيح، أي سنتحدث عن سعة الطاقة.

سعة الطاقة - الطاقة المنبعثة من بطارية مشحونة بالكامل عند تفريغها إلى أدنى قيمة مسموح بها.

باستخدام هذا المفهوم، سنحاول حساب ومقارنة سعة الطاقة تقريبًا أنواع مختلفةأجهزة تخزين الطاقة.

سعة الطاقة للبطاريات الكيميائية

إن البطارية الكهربائية المشحونة بالكامل بسعة (شحنة) محددة تبلغ 1 آه قادرة نظريًا على توصيل 1 أمبير من التيار لمدة ساعة واحدة (أو، على سبيل المثال، 10 أمبير لمدة 0.1 ساعة، أو 0.1 أمبير لمدة 10 ساعات). لكن الكثير من تيار تفريغ البطارية يؤدي إلى توصيل طاقة أقل كفاءة، مما يقلل بشكل غير خطي من الوقت الذي تعمل فيه مع هذا التيار ويمكن أن يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة. عمليًا، يتم حساب سعة البطارية بناءً على دورة تفريغ مدتها 20 ساعة حتى الجهد النهائي.

بالنسبة لبطاريات السيارات، فهي 10.8 فولت. على سبيل المثال، النقش الموجود على ملصق البطارية "55 Ah" يعني أنها قادرة على توصيل تيار قدره 2.75 أمبير لمدة 20 ساعة، ولن ينخفض ​​الجهد عند الأطراف عن 10.8 بوصة .

تشير الشركات المصنعة للبطاريات في كثير من الأحيان المواصفات الفنيةمن منتجاتهم، الطاقة المخزنة في Wh (Wh)، وليس الشحنة المخزنة في mAh (mAh)، والتي، بشكل عام، غير صحيحة. احسب الطاقة المخزنة من الشحنة المخزنة فيها حالة عامةليس بالأمر السهل: فهو يتطلب تكامل الطاقة اللحظية التي توفرها البطارية طوال فترة تفريغها بالكامل. إذا لم تكن هناك حاجة لمزيد من الدقة، فبدلاً من التكامل، يمكنك استخدام متوسط ​​قيم الجهد والاستهلاك الحالي واستخدام الصيغة:

1 وات = 1 فولت 1 آه.

أي أن الطاقة المخزنة (بالوات) تساوي تقريبًا ناتج الشحنة المخزنة (بالآه) ومتوسط ​​الجهد (بالفولت): ه = س · ش. على سبيل المثال، إذا كانت السعة (بالمعنى المعتاد) لبطارية 12 فولت هي 60 آه، فإن الطاقة المخزنة، أي سعة الطاقة الخاصة بها، ستكون 720 واط ساعة.

سعة الطاقة لأجهزة تخزين طاقة الجاذبية

في أي كتاب مدرسي للفيزياء، يمكنك أن تقرأ أن الشغل A الذي تبذله قوة ما F عند رفع جسم كتلته m إلى ارتفاع h يتم حسابه بواسطة الصيغة A = m g h، حيث g هو التسارع السقوط الحر. تحدث هذه الصيغة عندما يتحرك الجسم ببطء ويمكن إهمال قوى الاحتكاك. العمل ضد الجاذبية لا يعتمد على كيفية رفع الجسم: عموديًا (مثل الوزن على الساعة)، أو على طول مستوى مائل (كما هو الحال عند سحب زلاجة إلى أعلى الجبل) أو بأي طريقة أخرى.

وفي جميع الأحوال يكون الشغل A = m · g · h . عند خفض الجسم إلى مستواه الأصلي، ستنتج قوة الجاذبية نفس الشغل الذي بذلته القوة F لرفع الجسم. وهذا يعني أنه عند رفع جسم ما، قمنا بتخزين عمل يساوي m · g · h، أي أن الجسم المرفوع لديه طاقة مساوية لحاصل ضرب قوة الجاذبية المؤثرة على هذا الجسم والارتفاع الذي تم رفعه إليه. ولا تعتمد هذه الطاقة على المسار الذي تم الارتفاع من خلاله، بل يتم تحديدها فقط من خلال وضع الجسم (الارتفاع الذي يتم الارتفاع إليه أو اختلاف الارتفاعات بين الوضع الأولي والنهائي للجسم) وتكون تسمى الطاقة المحتملة.

باستخدام هذه الصيغة، دعونا نقدر سعة الطاقة لكتلة من الماء يتم ضخها في خزان بسعة 1000 لتر، مرفوع 10 أمتار فوق مستوى سطح الأرض (أو مستوى توربين مولد الهيدروجين). لنفترض أن الخزان له شكل مكعب طول ضلعه 1 متر، ووفقًا للصيغة الموجودة في كتاب لاندسبيرج، A = 1000 كجم · (9.8 م/ث2) · 10.5 م = 102900 كجم · م2/. s2. لكن 1 كجم م2/ث2 يساوي 1 جول، وعند تحويله إلى واط ساعة، نحصل على 28.583 واط ساعة فقط. أي أنه للحصول على قدرة طاقة تعادل قدرة البطارية الكهربائية التقليدية البالغة 720 واط/ساعة، فإنك تحتاج إلى زيادة حجم الماء في الخزان بمقدار 25.2 مرة.

يجب أن يكون طول ضلع الخزان حوالي 3 أمتار. وفي الوقت نفسه، ستكون قدرتها على الطاقة تساوي 845 واط / ساعة. وهذا أكبر من سعة بطارية واحدة، ولكن حجم التثبيت أكبر بكثير من حجم بطارية السيارة التقليدية المصنوعة من الرصاص والزنك. تشير هذه المقارنة إلى أنه من المنطقي عدم النظر في الطاقة المخزنة في نظام معين - الطاقة في حد ذاتها، ولكن فيما يتعلق بكتلة أو حجم النظام المعني.

قدرة الطاقة المحددة

لذلك توصلنا إلى استنتاج مفاده أنه من المستحسن ربط سعة الطاقة بكتلة أو حجم جهاز التخزين، أو الناقل نفسه، على سبيل المثال، الماء المسكوب في الخزان. ويمكن النظر في مؤشرين من هذا النوع.

سنشير إلى سعة الطاقة النوعية للكتلة باعتبارها سعة الطاقة لجهاز التخزين مقسومة على كتلة جهاز التخزين هذا.

ستكون سعة الطاقة النوعية الحجمية هي سعة الطاقة لجهاز التخزين مقسومة على حجم جهاز التخزين هذا.

مثال. بطارية الرصاص الحمضية Panasonic LC-X1265P، المصممة بقوة 12 فولت، تبلغ شحنتها 65 أمبير/ساعة، وتزن 20 كجم. والأبعاد (LxWxH) 350 · 166 · 175 ملم. مدة الخدمة عند t = 20 C هي 10 سنوات. وبالتالي، ستكون كثافة الطاقة النوعية للكتلة 65 · 12 / 20 = 39 واط ساعة لكل كيلوغرام، وستكون كثافة الطاقة النوعية الحجمية 65 · 12 / (3.5 · 1.66 · 1.75) = 76.7 واط ساعة لكل ديسيمتر مكعب أو 0.0767 كيلووات ساعة لكل متر مكعب.

بالنسبة لجهاز تخزين طاقة الجاذبية المعتمد على خزان مياه بحجم 1000 لتر، والذي تمت مناقشته في القسم السابق، ستكون كثافة الطاقة النوعية للكتلة فقط 28.583 وات/ساعة/1000 كجم = 0.0286 وات/كجم، وهو أقل بـ 1363 مرة من كثافة الطاقة الجماعية لبطارية الرصاص والزنك. وعلى الرغم من أن عمر خدمة جهاز تخزين الجاذبية قد يكون أطول بكثير، فمن الناحية العملية، يبدو الخزان أقل جاذبية من البطارية القابلة لإعادة الشحن، دعونا نلقي نظرة على بعض الأمثلة الإضافية لأجهزة تخزين الطاقة ونقيم طاقتها المحددة شدة.

قدرة الطاقة للمراكم الحرارية

السعة الحرارية هي كمية الحرارة التي يمتصها الجسم عند تسخينه بمقدار 1 درجة مئوية. اعتمادًا على الوحدة الكمية التي تنتمي إليها السعة الحرارية، يتم التمييز بين السعة الحرارية الكتلية والحجمية والمولية.

السعة الحرارية النوعية للكتلة، وتسمى أيضًا السعة الحرارية النوعية، هي كمية الحرارة التي يجب إضافتها إلى وحدة كتلة المادة لتسخينها بمقدار وحدة درجة الحرارة. في النظام الدولي للوحدات يتم قياسه بالجول مقسومًا على كيلوجرام لكل كلفن (J كجم−1 K−1).

السعة الحرارية الحجمية هي كمية الحرارة التي يجب توفيرها لوحدة حجم المادة لتسخينها لكل وحدة درجة حرارة. في النظام الدولي للوحدات يتم قياسه بالجول لكل متر مكعب لكل كلفن (J m−3 K−1).

السعة الحرارية المولية هي كمية الحرارة التي يجب توفيرها إلى 1 مول من المادة لتسخينها لكل وحدة درجة حرارة. في النظام الدولي للوحدات يتم قياسه بالجول لكل مول لكل كلفن (J/(mol K)).

المول هو وحدة قياس لكمية المادة في النظام الدولي للوحدات. المول هو كمية المادة الموجودة في نظام يحتوي على نفس عدد العناصر الهيكلية الموجودة في ذرات الكربون 12 التي يبلغ وزنها 0.012 كجم.

تتأثر السعة الحرارية المحددة بدرجة حرارة المادة والمعلمات الديناميكية الحرارية الأخرى. على سبيل المثال، قياس السعة الحرارية المحددة للمياه سوف يعطي نتائج مختلفةعند 20 درجة مئوية و60 درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك، تعتمد السعة الحرارية المحددة على كيفية السماح بتغيير المعلمات الديناميكية الحرارية للمادة (الضغط والحجم وما إلى ذلك)؛ على سبيل المثال، تختلف السعة الحرارية المحددة عند الضغط الثابت (CP) وعند الحجم الثابت (CV) بشكل عام.

يصاحب انتقال المادة من حالة تجميع إلى أخرى تغير مفاجئ في السعة الحرارية عند نقطة تحول درجة حرارة محددة لكل مادة - نقطة الانصهار (الانتقال صلبإلى سائل)، ونقطة الغليان (انتقال السائل إلى غاز)، وبالتالي درجات حرارة التحولات العكسية: التجميد والتكثيف.

يتم ذكر السعات الحرارية النوعية للعديد من المواد في الكتب المرجعية، عادةً لعملية تحت ضغط ثابت. على سبيل المثال، السعة الحرارية النوعية للماء السائل عند الظروف العادية- 4200 جول/(كجم ك)؛ الجليد - 2100 جول/(كجم ك).

بناء على البيانات المقدمة، يمكنك محاولة تقدير السعة الحرارية لمراكم حرارة الماء (ملخص). لنفترض أن كتلة الماء فيه 1000 كجم (لتر). نقوم بتسخينه إلى 80 درجة مئوية ونتركه ينطلق من الحرارة حتى يبرد إلى 30 درجة مئوية. إذا كنت لا تهتم بحقيقة أن السعة الحرارية مختلفة درجات حرارة مختلفةيمكننا أن نفترض أن المجمع الحراري سيطلق 4200 * 1000 * 50 جول من الحرارة. أي أن سعة الطاقة لمجمع الحرارة هذا تبلغ 210 ميجاجول أو 58.333 كيلووات/ساعة من الطاقة.

وإذا قارنا هذه القيمة مع شحنة الطاقة لبطارية السيارة التقليدية (720 واط/ساعة)، نرى أن سعة الطاقة للمراكم الحرارية المعنية تساوي سعة الطاقة لحوالي 810 بطاريات كهربائية.

كثافة الطاقة النوعية لمجمع الحرارة هذا (حتى بدون الأخذ في الاعتبار كتلة الوعاء الذي سيتم تخزين الماء الساخن فيه بالفعل وكتلة العزل الحراري) ستكون 58.3 كيلووات ساعة/1000 كجم = 58.3 وات ساعة/كجم. وتبين أن هذا بالفعل أكبر من كثافة الطاقة الجماعية لبطارية الرصاص والزنك، أي ما يعادل، كما تم حسابه أعلاه، 39 واط ساعة/كجم.

وفقًا للحسابات التقريبية، يمكن مقارنة المجمع الحراري ببطارية السيارة التقليدية من حيث سعة الطاقة النوعية الحجمية، نظرًا لأن كيلوجرامًا من الماء يمثل ديسيمترًا من الحجم، وبالتالي فإن سعة الطاقة النوعية الحجمية الخاصة به تساوي أيضًا 76.7 واط ساعة/كجم، وهو ما يتطابق تمامًا مع السعة الحرارية النوعية الحجمية لبطارية الرصاص الحمضية. صحيح، في حساب المجمع الحراري، أخذنا في الاعتبار فقط حجم الماء، على الرغم من أنه سيكون من الضروري أيضًا مراعاة حجم الخزان والعزل الحراري. ولكن على أية حال، فإن الخسارة لن تكون كبيرة كما هو الحال بالنسبة لجهاز تخزين الجاذبية.

أنواع أخرى من أجهزة تخزين الطاقة

توفر المقالة "مراجعة أجهزة تخزين الطاقة (المراكم)" حسابات لكثافة الطاقة المحددة لبعض أجهزة تخزين الطاقة الأخرى. دعونا نستعير بعض الأمثلة من هناك

تخزين المكثفات

مع سعة مكثف 1 فهرنهايت وجهد 250 فولت، ستكون الطاقة المخزنة: E = CU2 /2 = 1 ∙ 2502 /2 = 31.25 كيلوجول ~ 8.69 وات ساعة. إذا كنت تستخدم المكثفات الإلكتروليتية، فيمكن أن يصل وزنها إلى 120 كجم. الطاقة النوعية لجهاز التخزين هي 0.26 كيلوجول/كجم أو 0.072 واط/كجم. أثناء التشغيل، يمكن لمحرك الأقراص توفير حمولة لا تزيد عن 9 واط لمدة ساعة. يمكن أن يصل عمر خدمة المكثفات الإلكتروليتية إلى 20 عامًا. من حيث كثافة الطاقة، فإن الأيونيستورات قريبة من البطاريات الكيميائية. المزايا: يمكن استخدام الطاقة المتراكمة خلال فترة زمنية قصيرة.

المراكم من نوع محرك الجاذبية

أولاً، نرفع جسماً وزنه 2000 كجم إلى ارتفاع 5 أمتار، ثم ننزل الجسم تحت تأثير الجاذبية، ونقوم بتدوير المولد الكهربائي. E = mgh ~ 2000 ∙ 10 ∙ 5 = 100 كيلو جول ~ 27.8 واط ساعة. قدرة الطاقة المحددة 0.0138 واط ساعة / كجم. أثناء التشغيل، يمكن لمحرك الأقراص توفير حمولة لا تزيد عن 28 واط لمدة ساعة. يمكن أن تصل مدة خدمة محرك الأقراص إلى 20 عامًا أو أكثر.

المزايا:ويمكن استخدام الطاقة المتراكمة خلال فترة زمنية قصيرة.

دولاب الموازنة

يمكن إيجاد الطاقة المخزنة في دولاب الموازنة باستخدام الصيغة E = 0.5 J w2، حيث J هي عزم القصور الذاتي للجسم الدوار. لأسطوانة نصف قطرها R وارتفاعها H:

J = 0.5 ص ص R4 ح

حيث r هي كثافة المادة التي تصنع منها الاسطوانة.

الحد من السرعة الخطية على محيط دولاب الموازنة Vmax (حوالي 200 م/ث للصلب).

Vmax = wmax R أو wmax = Vmax /R

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

الطاقة المحددة ستكون: Emax /M = 0.25 V2max

بالنسبة للحدافة الأسطوانية الفولاذية، يبلغ الحد الأقصى لمحتوى الطاقة النوعي حوالي 10 كيلوجول/كجم. بالنسبة لدولاب الموازنة الذي يبلغ وزنه 100 كجم (R = 0.2 م، H = 0.1 م)، يمكن أن يكون الحد الأقصى للطاقة المتراكمة 0.25 ∙ 3.14 ∙ 8000 ∙ 0.22 ∙ 0.1 ∙ 2002 ~ 1 ميجا جول ~ 0.278 كيلو واط ساعة. أثناء التشغيل، يمكن لمحرك الأقراص توفير حمولة لا تزيد عن 280 واط لمدة ساعة. يمكن أن يصل عمر خدمة دولاب الموازنة إلى 20 عامًا أو أكثر. المزايا: يمكن استخدام الطاقة المتراكمة لفترة قصيرة من الزمن، ويمكن تحسين الأداء بشكل ملحوظ.

حذافة فائقة

إن دولاب الموازنة الفائق، على عكس الحذافات التقليدية، قادر على القيام بذلك ميزات التصميمنظريا تخزين ما يصل إلى 500 واط لكل كيلوغرام من الوزن. ومع ذلك، لسبب ما توقف تطوير الحذافات الفائقة.

تراكم هوائي

يتم ضخ الهواء تحت ضغط 50 ضغط جوي إلى خزان فولاذي بسعة 1 م3. ولتحمل هذا الضغط يجب أن تكون سماكة جدران الخزان حوالي 5 ملم. يتم استخدام الهواء المضغوط للقيام بهذا العمل. في عملية متساوية الحرارة، يتم تحديد الشغل A الذي يؤديه الغاز المثالي أثناء التمدد في الغلاف الجوي بالصيغة:

أ = (م / م) ∙ ص ∙ تي ∙ ln (V2 / V1)

حيث M هي كتلة الغاز، m هي الكتلة المولية للغاز، R هو ثابت الغاز العالمي، T هي درجة الحرارة المطلقة، V1 هو الحجم الأولي للغاز، V2 هو الحجم النهائي للغاز. مع الأخذ في الاعتبار معادلة الحالة للغاز المثالي (P1 ∙ V1 = P2 ∙ V2) لهذا التنفيذ لجهاز التخزين V2 / V1 = 50، R = 8.31 J/(mol deg)، T = 293 0K، M / م ~ 50 : 0.0224 ~ 2232 ، عمل الغاز أثناء التمدد 2232 ∙ 8.31 ∙ 293 ∙ ln 50 ~ 20 ميجا جول ~ 5.56 كيلو وات · ساعة لكل دورة. كتلة محرك الأقراص حوالي 250 كجم. ستكون الطاقة المحددة 80 كيلو جول / كجم. أثناء التشغيل، يمكن لجهاز التخزين الهوائي توفير حمولة لا تزيد عن 5.5 كيلو واط لمدة ساعة. يمكن أن تصل مدة خدمة المجمع الهوائي إلى 20 عامًا أو أكثر.

المزايا: يمكن وضع خزان التخزين تحت الأرض، ويمكن استخدام أسطوانات الغاز القياسية بالكمية المطلوبة مع المعدات المناسبة كخزان، عند استخدام محرك الرياح، يمكن للأخير أن يقود مضخة الضاغط مباشرة، ويوجد ما يكفي عدد كبيرالأجهزة التي تستخدم طاقة الهواء المضغوط بشكل مباشر.

جدول مقارنة لبعض أجهزة تخزين الطاقة

دعونا نلخص جميع القيم المذكورة أعلاه لمعلمات تخزين الطاقة في جدول ملخص. لكن أولاً، دعونا نلاحظ أن كثافة الطاقة المحددة تسمح لنا بمقارنة أجهزة التخزين بالوقود التقليدي.

السمة الرئيسية للوقود هي حرارة احتراقه، أي. كمية الحرارة المنبعثة أثناء الاحتراق الكامل. يتم التمييز بين حرارة الاحتراق النوعية (MJ/kg) والحرارة الحجمية (MJ/m3). تحويل MJ إلى كيلوواط ساعة نحصل على:

الوقود سعة الطاقة (كيلوواط ساعة/كجم) الحطب 4.32-2.33 الصخر الزيتي 5.82-2.33 الخث 4.66-2.33 الفحم البني 5.82-2.92 الفحم الصلب تقريبًا. 8.15 أنثراسايت 9.08 – 9.32 الزيت 11.63 البنزين 12.8 كيلووات ساعة/كجم، 9.08 كيلووات ساعة/لتر

كما نرى، فإن كثافة الطاقة المحددة للوقود تتجاوز بشكل كبير كثافة الطاقة لأجهزة تخزين الطاقة. نظرًا لأن مولدات الديزل تُستخدم غالبًا كمصدر طاقة احتياطي، فسوف ندرج في الجدول النهائي كثافة طاقة وقود الديزل، والتي تساوي 42624 كيلوجول/كجم أو 11.84 كيلووات/ساعة/كجم. ودعنا نضيف الغاز الطبيعي والهيدروجين للمقارنة، حيث يمكن أن يكون الأخير أيضًا بمثابة الأساس لإنشاء أجهزة تخزين الطاقة.

يبلغ محتوى الطاقة الكتلي النوعي للغاز المعبأ في زجاجات (البروبان-البيوتان) 36 مللي جول/كجم. أو 10 كيلووات ساعة/كجم، وللهيدروجين - 33.58 كيلووات ساعة/كجم.

ونتيجة لذلك نحصل الجدول التاليمع معلمات أجهزة تخزين الطاقة المدروسة (تمت إضافة الصفين الأخيرين في هذا الجدول للمقارنة مع حاملات الطاقة التقليدية):

جهاز تخزين الطاقة الخصائص الممكنة
تطبيقات محرك التخزين محفوظة
الطاقة، كيلووات ساعة قدرة الطاقة المحددة،
واط ساعة/كجم الحد الأقصى لوقت التشغيل
لحمولة 100 واط، دقيقة كثافة الطاقة الحجمية المحددة،
W ح/dm3 عمر الخدمة،
سنوات Kopravoy وزن سائق الكومة 2 طن، الارتفاع
الرفع 5 م 0.0278 0.0139 16.7 2.78/ حجم السائق بالدم أكثر من 20 ثقل هيدروليكي كتلة الماء 1000 كجم ارتفاع الضخ 10 م 0.0286 0.0286 16.7 0.0286 أكثر من 20 مكثف بطارية بسعة 1 ف ,
الجهد 250 فولت الوزن 120 كجم 0.00868 0.072 5.2 0.0868 حتى 20 حذافة حدافة فولاذية وزن 100 كجم قطر 0.4 م سمك 0.1 م 0.278 2.78 166.8 69.5 أكثر من 20 بطارية رصاص حمضية سعة 190 ساعة، جهد الخرج 12 فولت، الوزن 70 كجم 1.083 15.47 650 60-75 3 ... 5 خزان فولاذي هوائي حجم 1 م3 وزن 250 كجم مع هواء مضغوط تحت ضغط 50 ضغط جوي 0.556 22.2 3330 0.556 أكثر من 20 مركم حراري حجم الماء 1000 لتر، يسخن إلى 80 درجة مئوية، 58.33 58.33 34998 58.33 إلى 20 أسطوانة هيدروجين الحجم 50 لتر، الكثافة 0.09 كجم/م3، نسبة الضغط 10:1 (الوزن 0.045 كجم) 1.5 33580 906.66 671600 أكثر من 20 أسطوانة بغاز البروبان والبيوتان حجم 50 لتر، الكثافة 0.717 كجم/م3، نسبة الضغط 10:1 (الوزن 0.36 كجم) 3.6 10000 2160 200000 أكثر من 20 علبة بوقود ديزل سعة 50 لتر. (=40 كجم) 473.6 11840 284160 236800 أكثر من 20

الأرقام الواردة في هذا الجدول تقريبية للغاية، ولا تأخذ الحسابات في الاعتبار العديد من العوامل، على سبيل المثال، المعامل عمل مفيدذلك المولد الذي يستخدم الطاقة والأحجام والأوزان المخزنة المعدات اللازمةوهكذا. ومع ذلك، فإن هذه الأرقام تسمح، في رأيي، بإعطاء تقييم أولي لكثافة الطاقة المحتملة أنواع مختلفةأجهزة تخزين الطاقة.

وعلى النحو التالي من الجدول أعلاه، أكثر من غيرها نظرة فعالةيتم تمثيل جهاز التخزين بواسطة اسطوانة تحتوي على الهيدروجين. إذا تم استخدام الطاقة "المجانية" (الزائدة) من مصادر متجددة لإنتاج الهيدروجين، فقد يصبح جهاز تخزين الهيدروجين هو الأكثر واعدة.

هيدروجينيمكن استخدامه كوقود في محرك الاحتراق الداخلي التقليدي الذي سيشغل مولدًا كهربائيًا، أو في خلايا وقود الهيدروجين التي تنتج الكهرباء مباشرة. إن مسألة الطريقة الأكثر ربحية تتطلب دراسة منفصلة. حسنًا، يمكن لقضايا السلامة في إنتاج واستخدام الهيدروجين إجراء تعديلات عند النظر في جدوى استخدام نوع أو آخر من أجهزة تخزين الطاقة. نشرت

ملاحظة: وتذكر أنه بمجرد تغيير استهلاكك، فإننا نغير العالم معًا! ©

انضم إلينا على الفيسبوك، فكونتاكتي، Odnoklassniki

الصفحة 10 من 23

تحتوي جميع NEs التي تمت مناقشتها أعلاه على جهاز تحكم كهروميكانيكي يحدد قدرتها المنخفضة على المناورة.

أرز. 2.7. مخططات اتصال NEE:
أ - تحويلة. ب - خطي
محركات الأقراص الطاقة الكهربائية(NEE) متصلة بـ EPS من خلال محول صمام متحكم فيه*، حيث يبلغ وقت عكس الطاقة 0.01 ثانية، مما يحدد قدرتها العالية على المناورة، وبالتالي إمكانية الاستخدام المتكامل في EPS.

*نظرًا لأن تراكم الطاقة الكهربائية لا يمكن تحقيقه إلا مع التيار المستمر.

تشمل أجهزة تخزين الطاقة الكهربائية ما يلي:
خلايا الوقود (FC)؛
البطاريات الكهروكيميائية (EAB)؛
أجهزة التخزين الحثية فائقة التوصيل (SPIN)؛
أجهزة تخزين سعوية (EN).
هناك طريقتان لتوصيل NEI بنظام الطاقة - التحويلة والخطية؛ وتظهر المخططات المقابلة في الشكل. 2.7، أ، ب.
دعونا نلقي نظرة فاحصة على وحدات تخزين الطاقة الكهربائية.

جهاز التحكم NEE.

يمكن تنفيذه باستخدام دائرة جسر ثلاثية الطور، والتي تتمتع بأداء تقني عالي وأثبتت نفسها في تشغيل المحولات عالية الطاقة الموجودة. يتم تحديد عدد الجسور في جهاز التحكم NEE من خلال القدرة الفعلية الممكنة لجسر الثايرستور ومن خلال اعتبارات التشغيل الموضحة أدناه.


أرز. 2.8. مخطط الاتصال المتسلسل لوحدات المحول ذات 12 نبضة التي تشكل وحدة التحكم:
1 - عنصر التخزين. 2 - التبديل؛ مفاعل ثلاثي الطور؛ 4 - جسر المحول. 5- محول. 6- شبكة ثلاثية الطور
يتم توصيل كل جسر بشبكة التيار المتردد من خلال محول منفصل. من أجل توفير وضع تحويل مكون من 12 نبضة، والذي يتمتع بعدد من المزايا مقارنةً بالنمط سداسي النبضات (نبض أقل للجهد المباشر، وتكوين توافقي أفضل للجهد المتردد، وما إلى ذلك)، يتم استخدام اللفات الثانوية لنصف الملف يتم توصيل المحولات في "مثلث" والآخر في "نجمة" (الشكل 2.8).
لزيادة معامل القدرة لمصدر الطاقة، الذي تحدده زوايا التنظيم والتبديل لجهاز التحويل، وكذلك درجة تشويه شكل موجة جهد التيار المتردد، يتم توصيل أجهزة تعويض مختلفة بحافلات التيار المتردد بالمحطة - المعوضات المتزامنة، معوضات الثايرستور الساكنة، وأجهزة تعويض المرشح. يمكن تقليل استهلاك الطاقة التفاعلية عن طريق تقسيم المحول إلى عدد من الوحدات المتصلة بالسلسلة.

أثناء التشغيل، يتم الحفاظ على زوايا التحكم لجميع الوحدات باستثناء واحدة عند 0 درجة. واحد منهم لديه زاوية يحددها الجهد المطلوب. تتطلب جميع الوحدات ذات الزاوية الصفرية الحد الأدنى فقط من الطاقة التفاعلية للتبديل.
في الشكل. يوضح الشكل 2.8 رسمًا تخطيطيًا محتملاً لمحول مصمم لتقليل استهلاك الطاقة التفاعلية. المحول عبارة عن توصيل متسلسل لوحدات ذات 12 نبضة تحتوي على محولات طاقة. يتم تصنيف كل وحدة عند 4.5 كيلو فولت وتتكون من جسرين بستة نبضات متصلين بالتوازي مع مفاعل طور إلى طور يوازن التيار. وحدتان لهما قيم حالية تبلغ 50 كيلو أمبير، والوحدتان الأخريان - 30 و 20 كيلو أمبير. على سبيل المثال، عند الحد الأقصى للتيار لجهاز تخزين AE، يوفر كل جسر ذو 6 نبضات تيارًا ثابتًا قدره 25 كيلو أمبير. إذا تم قصر دائرة الوحدة ذات 12 نبضة بمفتاح ميكانيكي عند جهد صفر ثم فصلها عن الشبكة ثلاثية الطور، فسوف تتحسن الكفاءة الإجمالية للمحول لأنه سيتم التخلص من انخفاض الجهد الأمامي عبر الثايرستورات الأربعة المتصلة على التوالي .
يجب تحديد قيمة الطاقة النشطة للإخراج لجهاز NEE في جميع أوضاع تشغيله وفقًا لمتطلبات النظام ولا تعتمد على الجهد المتغير على AE نفسه. إحدى الطرق لضمان استيفاء هذا الشرط هي ضبط زوايا التحكم في الصمامات. إن استخدام المحولات الخاضعة للرقابة كحلقة وصل بين AE وشبكة التيار المتردد يجعل من الممكن، من خلال تغيير زوايا تبديل الصمام أثناء دورة تفريغ الشحنة في NEE، تنفيذ أي قانون للتحكم في الطاقة تقريبًا. في هذه الحالة، فإن الطاقة الموجودة في نواقل جهد التيار المتردد ستعتمد على العلاقة بين الجهد على AE وEMF الخلفي للمحول، والتي تحددها قيمة زوايا التحكم. ومع ذلك، فإن طريقة التحكم هذه لديها عدد من القيود. نظرًا لأن قوة جهاز محول NEE يمكن أن تصل إلى عدة مئات من الميغاواط، فيجب تجميع أذرع الجسر من صمامات متصلة متوازية. من أجل الحد من الجهد الزائد، من الضروري توصيل دوائر التخميد ذات السعة النشطة بالتوازي معها. عندما يتم تنظيم المحولات بشكل عميق، تظهر زيادات الجهد العكسي على أذرع الجسر وصماماته الفردية. تصبح معلمات سلاسل التخميد اللازمة للحد منها غير مقبولة بسبب فقدان الطاقة فيها. عند استخدام أجهزة حماية أخرى (على سبيل المثال، الثنائيات الانهيارية) هذه المشكلةبقايا. يؤدي استخدام الثايرستور في تركيبات المحولات القوية إلى زيادة عدد الصمامات في أذرع الجسر ويفرض متطلبات أكثر صرامة على أجهزة الحماية الخاصة بها.


أرز. 2.9. دائرة التبديل لمحولات وحدة التحكم


أرز. 2.10. الخصائص الخارجية للمحول
من ناحية أخرى، مع التنظيم المتماثل العميق بسبب تحول الطور للتيار بالنسبة للجهد في حافلات المحطة، فإن المكون التفاعلي للطاقة هو السائد.

للتعويض عن ذلك، هناك حاجة إلى قوة كبيرة بشكل غير مقبول من أجهزة التعويض (في الحد الأقصى، يساوي قوة المحطة). هذه الظروف تجعل من الصعب التنظيم ضمن نطاق واسع من زوايا التحكم. يمكن زيادة قيمها باستخدام التحكم المتناوب في المحولات، حيث يعمل جزء من الجسور في وضع المقوم، والآخر في وضع العاكس. مع قانون التحكم غير المتماثل هذا، من الممكن توسيع حد التحكم في جهد خرج المحول عند عامل طاقة مقبول للمحطة. ومع ذلك، يبدو أنه من المستحيل تخصيص وظيفة التحكم في جهاز NEE بشكل كامل لتنظيم زوايا تبديل الصمامات. يُنصح بدمجها مع طرق أخرى لضمان استقلالية الطاقة في حافلات EE عن الجهد الموجود على AE.
في الشكل. يوضح الشكل 2.9 رسمًا تخطيطيًا لوحدة التحكم NEE (في الحالة التي يتكون فيها جهاز تحويل المحطة من جسرين)، مما يجعل من الممكن تغيير EMF الخلفي للمحول (اعتمادًا على جهد AE) عن طريق تبديل الجسور من اتصال متوازي إلى اتصال تسلسلي عند شحن NEE والعكس عندما تكون رتبته. ينطبق هذا على أي عدد من جسور المحولات في المحطة. يجب أن يتم توصيل أنود كل جسر من خلال أجهزة التبديل إلى أنود وكاثود الجسر السابق على طول المسار الحالي وأنود الجسر التالي، والكاثود - إلى أنود وكاثود الجسر التالي على طول المسار الحالي و الكاثود من السابق.
دعونا نفكر في تشغيل NEE في وضع الانعكاس، لأنه في هذا الوضع يكون من المهم التأكد من أن الطاقة في ناقلات التخزين مستقلة عن الجهد في AE.
دعونا نفكر في الخاصية الخارجية للمحول في الحالة التي يتم فيها الحفاظ على قيمة الطاقة النشطة في حافلات التيار المتردد قريبة من الثبات. في اللحظة الأولية (عند الحد الأقصى لجهد AE)، يعمل المحول مع جسور متصلة بالسلسلة. يتم ضمان الحفاظ على تيار تفريغ معين عن طريق ضبط زوايا التحكم في العاكس (النقاط 1-2 في الشكل 2.10). في الوقت الحالي، ينخفض ​​الجهد الكهربائي على AE إلى القيمة التي يمكن الحفاظ عليها قيمة معينةالحالي بسبب تشغيل جسر واحد (النقطة 2) ، يتم تحويل الجسور من اتصال تسلسلي إلى اتصال متوازي ، وهو ما يتوافق مع الانتقال من النقطة 2 الخصائص الخارجيةالمحولات إلى النقطة 3. في هذه الحالة، لا تتغير التيارات المتدفقة عبر جسور المحولات، وبالتالي تيار وقوة المحطة على حافلات التيار المتردد، لأن اللفات الأولية للمحولات متصلة بالتوازي. يتم تحديد موضع النقطة 4 من خلال النسبة المئوية لنقص استخدام AE.
يجب تحديد العدد الإجمالي لجسور المحطات حسب الحد المسموح به لضبط زوايا التحكم للصمامات وعامل استخدام AE المحدد. تم إنشاء الدائرة (انظر الشكل 2.9) بحيث لا يتم فصل المحطات عن EPS عند التبديل في وضع الانعكاس ولا تقطع أجهزة التبديل تيار التشغيل المباشر. ولذلك فإن تصنيعها لن يسبب صعوبات إضافية. لا تتجاوز الأحمال الزائدة قصيرة المدى للجسور أثناء التبديل تلك المسموح بها لمحولات نقل التيار المستمر.
يتيح المخطط الموصوف، بالاشتراك مع تنظيم زوايا التحكم في الصمام، الحفاظ على الطاقة النشطة المطلوبة التي توفرها المحطة، حتى التفريغ الكامل للعنصر النشط دون انقطاع مصدر الطاقة. بمساعدتها، من الممكن ضمان استقلالية الطاقة النشطة المستهلكة عن الجهد الكهربائي الموجود على AE وفي وضع الشحن الخاص بها (عندما تعمل الجسور في وضع المقوم)، ولكن مع فصل المحطة عن EPS طوال مدة إعادة الاستخدام .
هناك طريقة أخرى لتنظيم قوة RES وهي توصيل AE بمحول المحطة على أجزاء. للقيام بذلك، يجب تقسيم AE إلى أقسام، كل منها متصل بشكل مستقل عن بعضها البعض بحافلات DC لجهاز التحويل. في هذه الحالة، تتقلب قوة المحطة حول قيمة متوسطة معينة؛ يجب فصل الأجزاء المشحونة أو المفرغة بالكامل عن المحول قبل توصيلها مرة أخرى. إن التجزئة الدقيقة الكافية لـ AE إلى أقسام مع تنظيم زوايا التحكم في المحول سوف تقلل إلى مستوى مقبول التغيير غير المتكافئ في الطاقة النشطة لـ AE أثناء دورة التشغيل.
آخر الأساليب المعروفةتنظيم دوائر تفريغ الشحن لبنوك المكثفات (استخدام المحولات مع تنظيم الجهد تحت الحمل، وتبديل مكثفات البطارية من التوصيل المتسلسل إلى التوصيل المتوازي والعكس، وتوصيل المحولات بشبكة التيار المتردد من خلال محولات ثابتة حثية سعوية، باستخدام محولات تعويضية بتبديل صناعي كأجهزة تحويل صمام التيار، وما إلى ذلك) تتطلب اهتمامًا خاصًا.
وبالتالي، فإن NPS مع جهاز تحكم يعتمد على محول 12 نبضة، عند استخدام الطرق التي تمت مناقشتها أعلاه، سوف يلبي جميع متطلبات مصادر الطاقة القصوى في EPS.
دعونا ننتقل الآن إلى النظر في الأنواع الممكنة من أجهزة التخزين لمصادر الطاقة غير الكهربائية.
أجهزة تخزين الطاقة الكهروكيميائية. تعد أجهزة تخزين الطاقة الكهروكيميائية أو البطاريات الكهروكيميائية من أكثر أنواع أجهزة التخزين شيوعًا.
تتكون البطارية الكهروكيميائية (ECB) من العديد من الخلايا المتصلة على التوالي والتوازي. يتم شحنه خارج ساعات الذروة ويتم تفريغه خلال ساعات الذروة. أثناء عملية الشحن، يتم تحويل الطاقة الكهربائية بطريقة كهروكيميائية إلى طاقة كيميائية. أثناء التفريغ، يتم إطلاق الطاقة المتراكمة في رد فعل عكسي. منتهي عمل عظيملتحسين EAB. اتضح أنه يمكن أيضًا استخدام بطاريات الرصاص في محطات الطاقة الكهربائية. ومع ذلك، فإن تكلفة هذه العناصر مرتفعة. تعتمد أنواع البطاريات الجديدة على الاستخدام التفاعلات الكيميائيةوالمواد مثل الزنك والكبريت والصوديوم وغيرها، متوفرة بكميات كافية ورخيصة نسبياً. اختبار بطاريات كلوريد الزنك العاملة في درجات حرارة منخفضة‎تعطي نتائج مشجعة. من البطاريات التي تتطلب أكثر من درجات حرارة عاليةويمكن ذكر كبريت الصوديوم وكبريت الليثيوم. تعتبر الاختبارات المعملية لـ EAB الخاصة بكبريت الصوديوم ناجحة بشكل خاص.
ويرد في الجدول خصائص الأنواع الواعدة من البطاريات لتسوية قمم الحمل. 2.3.
تتمتع البطاريات الكهروكيميائية بكفاءة تصل إلى 65-70%. ومن المتوقع أن يبلغ عمر البطاريات الواعدة حوالي 20 عامًا مع استثمارات رأسمالية محددة في التركيب تبلغ حوالي 150 دولارًا/كيلوواط وكثافة طاقة محددة تبلغ 250 كيلووات/ساعة/م3.
تتمثل عيوب EAB في العدد المحدود من دورات تفريغ الشحنة (لا تزيد عن 500)، وقصر وقت تخزين الطاقة والأثر البيئي السلبي.
الجدول 2.3

المواد المستخدمة الكاثود والأنود	المنحل بالكهرباء	درجة الحرارة، درجة مئوية	ممكن كثافة طاقة، واط/كجم	ممكن كثافة قوة، ث/كجم
أكسيد الرصاص
الزنك - الكلور	محلول مائي
الصوديوم - الكبريت
الليثيوم - الكبريت

تتضمن سلسلة الدورة التكنولوجية لإنتاج الكهرباء بالضرورة رابطًا كجهاز تخزين (بطارية). في الطرق التقليديةتوليد الكهرباء احتياطيات الطاقةتتراكم بشكل أولي "غير كهربائي"، وتقع هذه الوصلة - جهاز تخزين الطاقة - أمام المولد الكهربائي مباشرة.

تم تصميم خزان محطة الطاقة الكهرومائية للتراكم الطاقة المحتملة مياه النهرفي مجال الجاذبية الأرضية، ورفعها إلى ارتفاع معين بمساعدة السد. تقوم محطة الطاقة الحرارية بتجميع في مرافق تخزينها احتياطيات الوقود الصلب أو السائل اللازمة للتشغيل دون انقطاع، أو تزود الغاز الطبيعي عبر خط أنابيب، وتضمن قيمته الحرارية احتياطي الطاقة المطلوب. تمثل قضبان المفاعل في محطات الطاقة النووية مصدرًا للوقود النووي الذي يحتوي على مورد معين من الطاقة النووية المتاحة للاستخدام.

يتوفر وضع الطاقة الثابتة لجميع أنواع مولدات الطاقة المدرجة. يتم تنظيم كمية الطاقة المنتجة ضمن حدود واسعة حسب مستوى استهلاك الطاقة اليومي. المصادر البديلة (الرياح، المد والجزر، الطاقة الحرارية الأرضية، طاقة شمسية) لا يمكن أن يوفر طاقة ثابتة مضمونة للمولد عند المستوى المطلوب في اللحظةمستوى. وبالتالي، فإن جهاز التخزين ليس بمثابة مخزن للموارد بقدر ما هو جهاز تخميد، مما يجعل استهلاك الطاقة أقل اعتمادًا على التقلبات في مصدر الطاقة. يتم تجميع طاقة المصدر في جهاز التخزين ويتم استهلاكها لاحقًا حسب الحاجة على شكل طاقة كهربائية. علاوة على ذلك، فإن سعره يعتمد إلى حد كبير على تكلفة محرك الأقراص.

السمة المميزة للمحرك هي مصادر بديلةالطاقة هي أيضًا حقيقة أن الطاقة المتراكمة فيها يمكن إنفاقها على أغراض أخرى. على سبيل المثال، بمساعدتهم، يمكن إنشاء مجالات مغناطيسية قوية وفائقة القوة.

وحدات قياس الطاقة المقبولة في الفيزياء والطاقة والعلاقات بينهما: 1 كيلووات ساعة أو 1000 واط 3600 ثانية – أي 3.6 ميجا جول. وبناءً على ذلك، فإن 1 ميجا جول يعادل 1/3.6 كيلووات ساعة، أو 0.278 كيلووات ساعة

بعض أجهزة تخزين الطاقة الشائعة:

دعونا نبدي تحفظًا على الفور: المراجعة أعلاه ليست تصنيفًا كاملاً لأجهزة تخزين الطاقة المستخدمة في قطاع الطاقة؛ بالإضافة إلى تلك التي تمت مناقشتها هنا، هناك أجهزة حرارية، ونابضية، وتحريضية، وأنواع أخرى مختلفة من أجهزة تخزين الطاقة.

1. تخزين نوع المكثف

الطاقة المخزنة بواسطة مكثف 1 F بجهد 220 فولت هي: E = CU2 /2 = 12202 /2 كيلوجول = 24200 جول = 0.0242 ميجا جول ~ 6.73 وات ساعة. يمكن أن يصل وزن أحد هذه المكثفات الإلكتروليتية إلى 120 كجم. وتبين أن الطاقة النوعية لكل وحدة كتلة تزيد قليلاً عن 0.2 كيلوجول/كجم. يمكن تشغيل محرك الأقراص كل ساعة مع حمل يصل إلى 7 وات. يمكن أن تستمر المكثفات الإلكتروليتية لمدة تصل إلى 20 عامًا. الأيونات (المكثفات الفائقة) لها حجم كبير كثافة الطاقةوالطاقة (حوالي 13 وات/ساعة = 46.8 كيلوجول/لتر وما يصل إلى 6 كيلووات/لتر، على التوالي)، مع مورد يبلغ حوالي مليون دورة إعادة شحن. الميزة التي لا يمكن إنكارها لجهاز تخزين المكثف هي القدرة على استخدام الطاقة المتراكمة في فترة زمنية قصيرة.

2. أجهزة التخزين من نوع الجاذبية

تقوم أجهزة تخزين الطاقة من نوع سائق الكومة بتخزين الطاقة عند رفع سائق الكومة الذي يزن 2 طن أو أكثر إلى ارتفاع حوالي 4 أمتار مولد كهربائي. كمية الطاقة المنتجة E = mgh in بشكل مثالي(دون الأخذ في الاعتبار خسائر الاحتكاك) ستكون ~ 2000 10 4 كيلو جول = 80 كيلو جول ~ 22.24 واط ساعة. وتبين أن الطاقة المحددة لكل وحدة كتلة لامرأة جوز الهند تساوي 0.04 كيلو جول / كجم. في غضون ساعة، يكون محرك الأقراص قادرًا على توفير حمولة تصل إلى 22 وات. يتجاوز عمر الخدمة المتوقع للهيكل الميكانيكي 20 عامًا. ويمكن أيضًا استهلاك الطاقة المتراكمة بواسطة الجسم في مجال الجاذبية في فترة زمنية قصيرة، وهي ميزة لهذا الخيار.

يستخدم المجمع الهيدروليكي طاقة الماء (التي تزن حوالي 8-10 طن) التي يتم ضخها من البئر إلى خزان برج المياه. وفي حركة عكسية، وتحت تأثير الجاذبية، يقوم الماء بتدوير توربين المولد الكهربائي. يمكن لمضخة التفريغ التقليدية ضخ المياه بسهولة إلى ارتفاع يصل إلى 10 أمتار. الطاقة المخزنة هي E = mgh ~ 10000 8 10 J = 0.8 MJ = 0.223 kW ساعة. وتبين أن الطاقة النوعية لكل وحدة كتلة تساوي 0.08 كيلوجول/كجم. الحمل الذي يوفره محرك الأقراص لمدة ساعة هو في حدود 225 واط. يمكن أن يستمر محرك الأقراص لمدة 20 عامًا أو أكثر. يمكن لمحرك الرياح تشغيل المضخة مباشرة (دون تحويل الطاقة إلى كهرباء، وهو ما يرتبط ببعض الخسائر)؛ ويمكن استخدام المياه الموجودة في خزان البرج، إذا لزم الأمر، لتلبية احتياجات أخرى.

3. التخزين على أساس دولاب الموازنة

يتم تحديد الطاقة الحركية لدولاب الموازنة الدوارة على النحو التالي: E = J w2/2، J تعني لحظة القصور الذاتي للأسطوانة المعدنية (نظرًا لأنها تدور حول محور التماثل)، w هي السرعة الزاوية للدوران.

مع نصف القطر R والارتفاع H، فإن الأسطوانة لديها لحظة من القصور الذاتي:

J = M R^2 /2 = pi * p R^4 H/2

حيث p هي كثافة المعدن - مادة الأسطوانة، والناتج pi* R^2 H هو حجمه.

أقصى سرعة خطية ممكنة للنقاط على سطح الأسطوانة Vmax (حوالي 200 م/ث للحذافة الفولاذية).

Vmax = wmax*R، ومن هنا wmax = Vmax/R

الحد الأقصى لطاقة الدوران الممكنة Emax = J wmax^2/2 = 0.25 pi*p R2^2 H V2max = 0.25 M Vmax^2

الطاقة لكل وحدة كتلة هي: Emax/M = 0.25 Vmax^2

الطاقة النوعية إذا كانت دولاب الموازنة الأسطوانية مصنوعة من الفولاذ ستكون حوالي 10 كيلوجول/كجم. دولاب الموازنة وزنها 200 كجم (مع الأبعاد الخطية H = 0.2 m، R = 0.2 m) يخزن الطاقة Emax = 0.25 pi 8000 0.22 0.2 2002 ~ 2 MJ ~ 0.556 kWh. الحد الأقصى للحمل الذي يوفره محرك دولاب الموازنة لمدة ساعة لا يتجاوز 560 واط. قد تستمر دولاب الموازنة لمدة 20 عامًا أو أكثر. المزايا: إطلاق سريع للطاقة المتراكمة، وإمكانية تحسين الأداء بشكل ملحوظ عن طريق اختيار المواد وتغيير الخصائص الهندسية للحدافة.

4. التخزين على شكل بطارية كيميائية (حمض الرصاص)

البطارية الكلاسيكية القابلة لإعادة الشحن بسعة 190 أمبير بجهد خرج 12 فولت وتفريغ 50٪، قادرة على توفير تيار يبلغ حوالي 10 أمبير لمدة 9 ساعات. ستكون الطاقة المنطلقة 10 أمبير 12 فولت 9 ساعات = 1.08 كيلووات ساعة، أو ما يقرب من 3.9 ميجا جول لكل دورة. بأخذ كتلة البطارية التي تساوي 65 كجم، نحصل على طاقة نوعية قدرها 60 كيلوجول/كجم. الحد الأقصى للحمل الذي يمكن أن توفره البطارية لمدة ساعة لا يتجاوز 1080 واط. فترة الضمانيتراوح عمر الخدمة للبطارية عالية الجودة من 3 إلى 5 سنوات، اعتمادًا على كثافة الاستخدام. من الممكن استقبال الكهرباء مباشرة من البطارية بتيار خرج يصل إلى آلاف الأمبيرات، بجهد خرج يبلغ 12 فولت، وهو ما يتوافق مع معيار السيارات. تتوافق العديد من الأجهزة المصممة لجهد ثابت يبلغ 12 فولت مع البطارية؛ وتتوفر محولات 12/220 فولت ذات طاقة خرج مختلفة.

5. تخزين نوع هوائي

الهواء الذي يتم ضخه في خزان فولاذي بحجم 1 متر مكعب لضغط 40 ضغط جوي يؤدي العمل في ظل ظروف التمدد متساوي الحرارة. يتم تحديد الشغل A الذي يؤديه الغاز المثالي في ظل الظروف T=const وفقًا للصيغة:

ا = (م / مو) ر تي لن (V2 / V1)

هنا M هي كتلة الغاز، mu هي كتلة 1 مول من نفس الغاز، R = 8.31 J/(mol K)، T هي درجة الحرارة المحسوبة على مقياس كلفن المطلق، V1 وV2 هما الدرجة الأولية والنهائية الحجم الذي يشغله الغاز (عند هذا V2 / V1 = 40 عند توسيعه إلى الضغط الجويداخل الخزان). بالنسبة للتمدد متساوي الحرارة، فإن قانون بويل-ماريوت صالح: P1V1 = P2 V2. لنأخذ T = 298 0K (250C) للهواء M / mu ~ 40: 0.0224 = 1785.6 مول من المادة، يعمل الغاز A = 1785.6 8.31 298 ln 50 ~ 16 MJ ~ 4.45 kWh لكل دورة. يجب أن لا يقل سمك جدران الخزان المصمم لضغط يتراوح بين 40 و 50 ضغط جوي عن 5 مم، وبالتالي فإن كتلة جهاز التخزين ستكون حوالي 250 كجم. الطاقة المحددة المخزنة بواسطة جهاز التخزين الهوائي هذا ستكون تساوي 64 كيلوجول/كجم. ستكون الطاقة القصوى التي يوفرها المجمع الهوائي خلال ساعة التشغيل 4.5 كيلو واط. عمر مضمون، مثل معظم محركات الأقراص القائمة على الأداء العمل الميكانيكيأجزائها الهيكلية من 20 عاما. المزايا من هذا النوعالتخزين: إمكانية وضع الخزان تحت الأرض؛ يمكن أن يكون الخزان عبارة عن أسطوانة غاز قياسية باستخدام المعدات المناسبة؛ ويكون محرك الرياح قادرًا على نقل الحركة مباشرة إلى مضخة الضاغط. بالإضافة إلى ذلك، تستخدم العديد من الأجهزة بشكل مباشر الطاقة المخزنة من الهواء المضغوط في الخزان.

نقدم معلمات الأنواع المدروسة من أجهزة تخزين الطاقة في جدول ملخص:

يكتب جهاز تخزين الطاقة	خصائص الأداء المقدرة	كمية المخزنة الطاقة، كيلوجول	الطاقة النوعية (لكل وحدة كتلة الجهاز)، كيلوجول/كجم	الحد الأقصى للحمل عندما يعمل محرك الأقراص لمدة ساعة، دبليو	عمر الخدمة المتوقع في السنوات
نوع مكثف	سعة البطارية 1 فهرنهايت، الجهد 220 فولت، الوزن 120 كجم	24,2			في غضون 20
نوع كوبرو	وزن كوبرا الأنثى 2000 كجم كحد أقصى ارتفاع 4 م		0.04		على الأقل 20
نوع الجاذبية الهيدروليكية	الكتلة السائلة 8000 كجم، فرق الارتفاع 10 م		0.08		على الأقل 20
دولاب الموازنة	دولاب الموازنة الأسطوانية المصنوعة من الفولاذ 200 كجم، نصف القطر 0.2 م، سمك 0.2 م	2000			على الأقل 20
بطارية الرصاص الحمضية	سعة البطارية 190 ساعة، جهد الخرج 12 فولت، وزن البطارية 60 كجم	3900		1080	الحد الأدنى 3 الحد الأقصى 5
نوع هوائي	خزان فولاذي بسعة 1 م 3، وزن الخزان 2.5ج ضغط الهواء المضغوط 40 أجواء	16000		4500	على الأقل 20