Hay una pregunta: "¿Qué método de almacenamiento de energía es preferible en una situación determinada?". Por ejemplo, ¿qué método de almacenamiento de energía debo elegir para una casa privada o una cabaña equipada con una instalación solar o eólica? Obviamente, en este caso nadie construirá una gran estación de almacenamiento por bombeo, pero es posible instalar un tanque grande, elevándolo a una altura de 10 metros. ¿Pero será suficiente una instalación de este tipo para mantener un suministro eléctrico constante en ausencia de sol?

Para responder a las preguntas que surgen, es necesario desarrollar algunos criterios de evaluación de baterías que permitan evaluaciones objetivas. Y para hacer esto, es necesario considerar varios parámetros del variador que le permitan obtener estimaciones numéricas.

¿Capacidad o carga acumulada?

Cuando se habla o escribe sobre baterías de automóvil, a menudo se menciona un valor llamado capacidad de la batería y expresado en amperios-hora (para baterías pequeñas, en miliamperios-hora). Pero, estrictamente hablando, el amperio-hora no es una unidad de capacidad. En teoría eléctrica, la capacitancia se mide en faradios. ¡Y el amperio-hora es una unidad de medida de carga! Es decir, la carga acumulada debe considerarse (y llamarse así) como una característica de la batería.

En física, la carga se mide en culombios. Un culombio es la cantidad de carga que pasa a través de un conductor con una corriente de 1 amperio en un segundo. Dado que 1 C/s es igual a 1 A, al convertir horas a segundos, encontramos que un amperio-hora será igual a 3600 C.

Cabe señalar que incluso a partir de la definición de culombio queda claro que la carga caracteriza un determinado proceso, es decir, el proceso de paso de la corriente a través de un conductor. Lo mismo se desprende incluso del nombre de otra cantidad: un amperio-hora es cuando una corriente de un amperio fluye a través de un conductor durante una hora.

A primera vista, puede parecer que aquí hay algún tipo de inconsistencia. Después de todo, si hablamos de conservación de energía, entonces la energía acumulada en cualquier batería debe medirse en julios, ya que el julio en física es la unidad de medida de energía. Pero recordemos que la corriente en un conductor ocurre solo cuando hay una diferencia de potencial en los extremos del conductor, es decir, se aplica voltaje al conductor. Si el voltaje en los terminales de la batería es de 1 voltio y por el conductor fluye una carga de un amperio-hora, encontramos que la batería ha entregado 1 V · 1 Ah = 1 Wh de energía.

Así, en relación a las baterías, es más correcto hablar de energía acumulada (energía almacenada) o carga acumulada (almacenada). Sin embargo, dado que el término "capacidad de la batería" está muy extendido y de alguna manera es más familiar, lo usaremos, pero con algunas aclaraciones, es decir, hablaremos de capacidad energética.

Capacidad energética: la energía que desprende una batería completamente cargada cuando se descarga al valor más bajo permitido.

Usando este concepto, intentaremos calcular y comparar aproximadamente la capacidad energética. varios tipos Dispositivos de almacenamiento de energía.

Capacidad energética de las baterías químicas.

Una batería eléctrica completamente cargada con una capacidad (carga) declarada de 1 Ah es teóricamente capaz de entregar 1 amperio de corriente durante una hora (o, por ejemplo, 10 A durante 0,1 horas o 0,1 A durante 10 horas). Pero demasiada corriente de descarga de la batería conduce a una entrega de energía menos eficiente, lo que reduce de forma no lineal el tiempo de funcionamiento con dicha corriente y puede provocar un sobrecalentamiento. En la práctica, la capacidad de la batería se calcula basándose en un ciclo de descarga de 20 horas hasta el voltaje final.

Para las baterías de automóvil, es 10,8 V. Por ejemplo, la inscripción en la etiqueta de la batería "55 Ah" significa que es capaz de entregar una corriente de 2,75 amperios durante 20 horas y el voltaje en los terminales no bajará de 10,8 V. .

Los fabricantes de baterías suelen indicar especificaciones técnicas de sus productos, la energía almacenada en Wh (Wh), y no la carga almacenada en mAh (mAh), lo que, en general, no es correcto. Calcule la energía almacenada a partir de la carga almacenada en caso general No es fácil: requiere la integración de la energía instantánea suministrada por la batería durante todo el período de su descarga. Si no se necesita mayor precisión, en lugar de la integración, puede utilizar los valores medios de voltaje y consumo de corriente y utilizar la fórmula:

1Wh = 1V 1Ah.

Es decir, la energía almacenada (en Wh) es aproximadamente igual al producto de la carga almacenada (en Ah) y el voltaje promedio (en Voltios): mi = q · Ud.. Por ejemplo, si la capacidad (en el sentido habitual) de una batería de 12 voltios se establece en 60 Ah, entonces la energía almacenada, es decir, su capacidad energética, será de 720 W hora.

Capacidad energética de los dispositivos de almacenamiento de energía gravitacional.

En cualquier libro de texto de física se puede leer que el trabajo A realizado por alguna fuerza F al elevar un cuerpo de masa m a una altura h se calcula mediante la fórmula A = m g h, donde g es la aceleración caída libre. Esta fórmula tiene lugar en el caso en que el cuerpo se mueve lentamente y las fuerzas de fricción pueden despreciarse. Trabajar contra la gravedad no depende de cómo levantemos el cuerpo: verticalmente (como el peso de un reloj), a lo largo de un plano inclinado (como cuando tiramos de un trineo cuesta arriba una montaña) o de cualquier otra forma.

En todos los casos, trabaje A = m · g · h. Al bajar el cuerpo a su nivel original, la fuerza de gravedad producirá el mismo trabajo que gastó la fuerza F para levantar el cuerpo. Esto significa que al levantar un cuerpo tenemos acumulado un trabajo igual a m · g · h, es decir, el cuerpo elevado tiene una energía igual al producto de la fuerza de gravedad que actúa sobre este cuerpo por la altura a la que se eleva. Esta energía no depende del camino por el que se produjo el ascenso, sino que está determinada únicamente por la posición del cuerpo (la altura a la que se eleva o la diferencia de alturas entre la posición inicial y final del cuerpo) y es llamada energía potencial.

Usando esta fórmula, estimemos la capacidad energética de una masa de agua bombeada a un tanque con una capacidad de 1000 litros, elevado a 10 metros sobre el nivel del suelo (o el nivel de una turbina de hidrogenerador). Supongamos que el tanque tiene forma de cubo con una longitud de arista de 1 m. Entonces, según la fórmula del libro de texto de Landsberg, A = 1000 kg · (9,8 m/s2) · 10,5 m = 102900 kg · m2/. s2. Pero 1 kg m2/s2 es igual a 1 julio, y cuando lo convertimos a vatios hora, obtenemos solo 28,583 vatios hora. Es decir, para obtener una capacidad de energía igual a la capacidad de una batería eléctrica convencional de 720 vatios-hora, es necesario aumentar el volumen de agua en el tanque en 25,2 veces.

El tanque deberá tener una longitud de nervadura de aproximadamente 3 metros. Además, su capacidad energética será igual a 845 vatios-hora. Esto es más que la capacidad de una batería, pero el volumen de instalación es significativamente mayor que el tamaño de una batería de automóvil convencional de plomo y zinc. Esta comparación sugiere que tiene sentido considerar no la energía almacenada en un sistema en sí mismo, sino en relación con la masa o el volumen del sistema en cuestión.

Capacidad energética específica

Entonces llegamos a la conclusión de que es aconsejable correlacionar la capacidad de energía con la masa o el volumen del dispositivo de almacenamiento, o del propio portador, por ejemplo, el agua vertida en un tanque. Se pueden considerar dos indicadores de este tipo.

Nos referiremos a la capacidad energética específica de masa como la capacidad energética de un dispositivo de almacenamiento dividida por la masa de este dispositivo de almacenamiento.

La capacidad de energía volumétrica específica será la capacidad de energía de un dispositivo de almacenamiento dividida por el volumen de este dispositivo de almacenamiento.

Ejemplo. La batería de plomo-ácido Panasonic LC-X1265P, diseñada para 12 voltios, tiene una carga de 65 amperios-hora y pesa 20 kg. y dimensiones (LxAnxAl) 350 · 166 · 175 mm. Su vida útil en t = 20 C es de 10 años. Así, su intensidad energética específica de masa será 65 · 12 / 20 = 39 vatios-hora por kilogramo, y su intensidad energética específica volumétrica será de 65 · 12 / (3,5 · 1,66 · 1,75) = 76,7 vatios-hora por decímetro cúbico o 0,0767 kWh por metro cúbico.

Para el dispositivo de almacenamiento de energía gravitacional basado en un tanque de agua con un volumen de 1000 litros, discutido en la sección anterior, la intensidad energética de la masa específica será de sólo 28,583 vatios-hora/1000 kg = 0,0286 Wh/kg, que es 1363 veces menor. que la intensidad energética masiva de la batería de plomo-zinc. Y aunque la vida útil de un acumulador gravitacional puede resultar mucho más larga, desde un punto de vista práctico el tanque parece menos atractivo que una batería recargable. Veamos algunos ejemplos más de acumuladores de energía y evaluemos su energía específica. intensidad.

Capacidad energética del acumulador de calor.

La capacidad calorífica es la cantidad de calor que absorbe un cuerpo cuando se calienta 1°C. Dependiendo de a qué unidad cuantitativa pertenezca la capacidad calorífica, se distingue la capacidad calorífica másica, volumétrica y molar.

La capacidad calorífica específica de masa, también llamada simplemente capacidad calorífica específica, es la cantidad de calor que se debe suministrar por unidad de masa de una sustancia para calentarla por unidad de temperatura. En el SI se mide en julios divididos por kilogramos por kelvin (J kg−1 K−1).

La capacidad calorífica volumétrica es la cantidad de calor que se debe suministrar a una unidad de volumen de una sustancia para calentarla por unidad de temperatura. En el SI se mide en julios por metro cúbico por kelvin (J m−3 K−1).

La capacidad calorífica molar es la cantidad de calor que se debe suministrar a 1 mol de una sustancia para calentarla por unidad de temperatura. En el SI se mide en julios por mol por kelvin (J/(mol K)).

Un mol es una unidad de medida de la cantidad de una sustancia en el Sistema Internacional de Unidades. Un mol es la cantidad de sustancia en un sistema que contiene tantos elementos estructurales como átomos hay en el carbono 12 que pesa 0,012 kg.

La capacidad calorífica específica se ve afectada por la temperatura de la sustancia y otros parámetros termodinámicos. Por ejemplo, medir la capacidad calorífica específica del agua dará diferentes resultados a 20°C y 60°C. Además, la capacidad calorífica específica depende de cómo se permite que cambien los parámetros termodinámicos de la sustancia (presión, volumen, etc.); por ejemplo, la capacidad calorífica específica a presión constante (CP) y a volumen constante (CV) son generalmente diferentes.

La transición de una sustancia de un estado de agregación a otro va acompañada de un cambio abrupto en la capacidad calorífica en un punto de transformación de temperatura específico para cada sustancia: el punto de fusión (transición sólido en líquido), punto de ebullición (transición de líquido a gas) y, en consecuencia, temperaturas de transformaciones inversas: congelación y condensación.

Las capacidades caloríficas específicas de muchas sustancias se dan en libros de referencia, generalmente para un proceso a presión constante. Por ejemplo, la capacidad calorífica específica del agua líquida en condiciones normales- 4200 J/(kg·K); hielo - 2100 J/(kg·K).

Con base en los datos presentados, puede intentar estimar la capacidad calorífica de un acumulador de calor de agua (resumen). Supongamos que la masa de agua que contiene es de 1000 kg (litros). Lo calentamos a 80 °C y dejamos que despida calor hasta que enfríe a 30 °C. Si no le preocupa el hecho de que la capacidad calorífica es diferente en diferentes temperaturas, podemos suponer que el acumulador de calor liberará 4200 * 1000 * 50 J de calor. Es decir, la capacidad energética de dicho acumulador de calor es de 210 megajulios o 58,333 kilovatios-hora de energía.

Si comparamos este valor con la carga de energía de una batería de automóvil convencional (720 vatios-hora), vemos que la capacidad energética del acumulador térmico en cuestión es igual a la capacidad energética de aproximadamente 810 baterías eléctricas.

La intensidad energética masiva específica de dicho acumulador de calor (incluso sin tener en cuenta la masa del recipiente en el que realmente se almacenará el agua calentada y la masa del aislamiento térmico) será de 58,3 kWh/1000 kg = 58,3 Wh/kg. Esto ya resulta ser más que la intensidad energética masiva de una batería de plomo-zinc, igual, como se calculó anteriormente, a 39 Wh/kg.

Según cálculos aproximados, el acumulador de calor es comparable a una batería de automóvil convencional en términos de capacidad de energía volumétrica específica, ya que un kilogramo de agua es un decímetro de volumen, por lo tanto su capacidad de energía volumétrica específica también es igual a 76,7 Wh/kg, lo que coincide exactamente con la capacidad calorífica específica volumétrica de la batería de plomo-ácido. Es cierto que al calcular el acumulador de calor solo tuvimos en cuenta el volumen de agua, aunque también sería necesario tener en cuenta el volumen del tanque y el aislamiento térmico. Pero en cualquier caso, la pérdida no será tan grande como en el caso de un dispositivo de almacenamiento por gravedad.

Otros tipos de dispositivos de almacenamiento de energía.

El artículo "Revisión de los dispositivos de almacenamiento de energía (acumuladores)" proporciona cálculos de la intensidad energética específica de algunos dispositivos de almacenamiento de energía más. Tomemos prestados algunos ejemplos de allí.

Almacenamiento de condensadores

Con una capacidad de capacitor de 1 F y un voltaje de 250 V, la energía almacenada será: E = CU2 /2 = 1 ∙ 2502 /2 = 31,25 kJ ~ 8,69 W h. Si utiliza condensadores electrolíticos, su peso puede ser de 120 kg. La energía específica del dispositivo de almacenamiento es 0,26 kJ/kg o 0,072 W/kg. Durante el funcionamiento, el variador puede proporcionar una carga de no más de 9 W durante una hora. La vida útil de los condensadores electrolíticos puede alcanzar los 20 años. En términos de densidad de energía, los ionistores se acercan a las baterías químicas. Ventajas: la energía acumulada se puede utilizar en un corto período de tiempo.

Acumuladores tipo accionamiento por gravedad

Primero, levantamos un cuerpo que pesa 2000 kg a una altura de 5 m, luego el cuerpo desciende bajo la influencia de la gravedad, haciendo girar el generador eléctrico. E = mgh ~ 2000 ∙ 10 ∙ 5 = 100 kJ ~ 27,8 W·h. Capacidad energética específica 0,0138 W h/kg. Durante el funcionamiento, el variador puede proporcionar una carga de no más de 28 W durante una hora. La vida útil del variador puede ser de 20 años o más.

Ventajas: la energía acumulada se puede utilizar en un corto período de tiempo.

Volante

La energía almacenada en el volante se puede encontrar usando la fórmula E = 0,5 J w2, donde J es el momento de inercia del cuerpo en rotación. Para un cilindro de radio R y altura H:

J = 0,5 p r R4 H

Donde r es la densidad del material del que está hecho el cilindro.

Limite la velocidad lineal en la periferia del volante Vmax (aproximadamente 200 m/s para acero).

Vmax = wmax R o wmax = Vmax /R

Entonces Emáx = 0,5 J w2máx = 0,25 p r R2 H V2máx = 0,25 M V2máx

La energía específica será: Emax /M = 0,25 V2max

Para un volante cilíndrico de acero, el contenido máximo de energía específica es aproximadamente 10 kJ/kg. Para un volante que pesa 100 kg (R = 0,2 m, H = 0,1 m), la energía máxima acumulada puede ser 0,25 ∙ 3,14 ∙ 8000 ∙ 0,22 ∙ 0,1 ∙ 2002 ~ 1 MJ ~ 0,278 kW h. Durante el funcionamiento, el variador puede proporcionar una carga de no más de 280 W durante una hora. La vida útil del volante puede ser de 20 años o más. Ventajas: la energía acumulada se puede utilizar durante un corto período de tiempo y el rendimiento se puede mejorar significativamente.

Súper volante

Debido a sus características de diseño, un súper volante, a diferencia de los volantes convencionales, en teoría puede almacenar hasta 500 Wh por kilogramo de peso. Sin embargo, por alguna razón el desarrollo de los supervolantes se detuvo.

acumulador neumático

Se bombea aire a una presión de 50 atmósferas a un tanque de acero con una capacidad de 1 m3. Para soportar esta presión, las paredes del tanque deben tener un espesor aproximado de 5 mm. Para realizar el trabajo se utiliza aire comprimido. En un proceso isotérmico, el trabajo A realizado por un gas ideal durante la expansión a la atmósfera está determinado por la fórmula:

A = (M/m)∙R∙T∙ln(V2/V1)

Donde M es la masa del gas, m es la masa molar del gas, R es la constante universal de los gases, T es la temperatura absoluta, V1 es el volumen inicial del gas, V2 es el volumen final del gas. Teniendo en cuenta la ecuación de estado para un gas ideal (P1 ∙ V1 = P2 ∙ V2) para esta implementación del dispositivo de almacenamiento V2 / V1 = 50, R = 8,31 J/(mol grados), T = 293 0K, M / m ~ 50: 0,0224 ~ 2232, trabajo de gas durante la expansión 2232 ∙ 8,31 ∙ 293 ∙ ln 50 ~ 20 MJ ~ 5,56 kW · hora por ciclo. La masa del accionamiento es de aproximadamente 250 kg. La energía específica será de 80 kJ/kg. Durante el funcionamiento, el dispositivo de almacenamiento neumático puede proporcionar una carga de no más de 5,5 kW durante una hora. La vida útil de un acumulador neumático puede ser de 20 años o más.

Ventajas: el tanque de almacenamiento se puede ubicar bajo tierra, se pueden usar cilindros de gas estándar en la cantidad requerida con el equipo adecuado como depósito, cuando se usa un motor eólico, este último puede accionar directamente la bomba del compresor, hay un número bastante grande de Dispositivos que utilizan directamente la energía del aire comprimido.

Tabla comparativa de algunos dispositivos de almacenamiento de energía.

Resumamos todos los valores de los parámetros de los dispositivos de almacenamiento de energía obtenidos anteriormente en una tabla resumen. Pero primero, observemos que la intensidad energética específica nos permite comparar los dispositivos de almacenamiento con el combustible convencional.

La principal característica del combustible es su calor de combustión, es decir. la cantidad de calor liberado durante la combustión completa. Se distingue entre calor específico de combustión (MJ/kg) y calor volumétrico (MJ/m3). Al convertir MJ a kWh obtenemos:

Combustible Capacidad energética (kWh/kg) Leña 2,33-4,32 Esquisto bituminoso 2,33 – 5,82 Turba 2,33 – 4,66 Lignito 2,92 -5,82 Hulla aprox. 8,15 Antracita 9,08 – 9,32 Petróleo 11,63 Gasolina 12,8 kWh/kg, 9,08 kWh/litro

Como podemos ver, la intensidad energética específica del combustible supera significativamente la intensidad energética de los dispositivos de almacenamiento de energía. Dado que los generadores diésel se utilizan a menudo como fuente de energía de respaldo, incluiremos en la tabla final la intensidad energética del combustible diésel, que es igual a 42624 kJ/kg o 11,84 kW-hora/kg. Y a modo de comparación agreguemos el gas natural y el hidrógeno, ya que este último también puede servir como base para la creación de dispositivos de almacenamiento de energía.

El contenido energético másico específico del gas envasado (propano-butano) es de 36 mJ/kg. o 10 kWh/kg, y para el hidrógeno, 33,58 kWh/kg.

Como resultado obtenemos la siguiente tabla con los parámetros de los dispositivos de almacenamiento de energía considerados (las dos últimas filas de esta tabla se agregaron para comparar con los portadores de energía tradicionales):

Dispositivo de almacenamiento de energía Características de posibles
implementaciones de unidades de almacenamiento Reservado
energía, kWh Capacidad de energía específica,
W·h/kg Tiempo máximo de funcionamiento
para una carga de 100 W, minutos Intensidad energética volumétrica específica,
W h/dm3 Vida útil,
años de antigüedad martinete peso 2 t, altura
elevación 5 m 0,0278 0,0139 16,7 2,78/volumen del conductor en dm más de 20 Gravedad hidráulica Masa de agua 1000 kg, altura de bombeo 10 m 0,0286 0,0286 16,7 0,0286 más de 20 Batería de condensador con una capacidad de 1 F,
voltaje 250 V, peso 120 kg 0,00868 0,072 5,2 0,0868 hasta 20 Volante Volante de acero con un peso de 100 kg, diámetro 0,4 m, espesor 0,1 m 0,278 2,78 166,8 69,5 más de 20 Batería de plomo-ácido Capacidad 190 A hora, voltaje de salida 12 V, peso 70 kg 1,083 15,47 650 60-75 3 ... 5 Neumático Tanque de acero con un volumen de 1 m3, con un peso de 250 kg con aire comprimido a una presión de 50 atmósferas 0,556 22,2 3330 0,556 más de 20 Acumulador térmico Volumen de agua 1000 l., calentado a 80 °C, 58,33 58,33 34998 58,33 hasta 20 Cilindro de hidrógeno Volumen 50 l., densidad 0,09 kg/m³, relación de compresión 10:1 (peso 0,045 kg) 1,5 33580 906,66 671600 más de 20 Cilindro con propano-butano Volumen de gas 50 l, densidad 0,717 kg/m³, relación de compresión 10:1 (peso 0,36 kg) 3,6 10000 2160 200000 más de 20 Bidón con combustible diésel Volumen 50 l. (=40kg) 473,6 11840 284160 236800 más de 20

Las cifras que figuran en esta tabla son muy aproximadas; los cálculos no tienen en cuenta muchos factores, por ejemplo, el coeficiente; acción útil aquel generador que utiliza la energía almacenada, los volúmenes y pesos de los equipos necesarios, etcétera. Sin embargo, estas cifras permiten, en mi opinión, dar una evaluación inicial de la intensidad energética potencial de varios tipos de dispositivos de almacenamiento de energía.

Y, como se desprende de la tabla anterior, la mayoría mirada efectiva El dispositivo de almacenamiento está representado por un cilindro de hidrógeno. Si para producir hidrógeno se utiliza energía “gratuita” (en exceso) procedente de fuentes renovables, entonces el dispositivo de almacenamiento de hidrógeno puede resultar el más prometedor.

Hidrógeno se puede utilizar como combustible en un motor de combustión interna convencional que accionará un generador eléctrico, o en pilas de combustible de hidrógeno que producen electricidad directamente. La cuestión de qué método es más rentable requiere una consideración aparte. Bueno, las cuestiones de seguridad en la producción y uso de hidrógeno pueden requerir ajustes al considerar la viabilidad de utilizar uno u otro tipo de dispositivo de almacenamiento de energía. publicado

PD Y recuerda, ¡solo con cambiar tu consumo, estamos cambiando el mundo juntos! ©

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Los conceptos de consumo racional de energía son cada vez más relevantes en el contexto general. desarrollo tecnológico. Esto se debe al hecho de que la eficiencia energética como tal ha pasado de la categoría de propiedades adicionales y a menudo exclusivas al rango de una de las características clave del producto para el consumidor. Baste recordar las baterías más simples que se utilizan en tecnología digital, equipos eléctricos, herramientas eléctricas, etc. También existen aplicaciones a mayor escala de sistemas de almacenamiento de energía, para las cuales la eficiencia energética es especialmente importante. Y esta petición encuentra respuesta por parte de fabricantes especializados que producen dispositivos de almacenamiento de energía con rendimiento mejorado.

Información general sobre dispositivos de almacenamiento de energía.

En la naturaleza hay muchos constantes y fuentes inagotables energía, que se utiliza para satisfacer las diversas necesidades de la humanidad. Pero para su uso final debe pasar por muchas etapas de procesamiento y acumulación. Esta función la realizan centrales eléctricas y subestaciones. El listado de sus tareas inmediatas incluye la generación de energía con características aceptables para su uso, así como su conversión y distribución. La principal infraestructura de suministro de energía para edificios residenciales, instalaciones industriales, equipos de ingeniería y otros consumidores críticos se realiza a través de redes eléctricas estacionarias. Proporcionan un suministro constante, pero hoy en día la demanda de equipos, dispositivos y aparatos eléctricos autónomos crece constantemente. Especialmente para estos consumidores se utiliza un dispositivo de almacenamiento de energía capacitivo, que es independiente pero condicional: a ciertos intervalos debe cargarse desde las mismas redes estacionarias. El ejemplo más sencillo de un dispositivo de almacenamiento de este tipo es la batería de un teléfono. Por ejemplo, una celda de Li-Ion puede tener una capacidad de aproximadamente 2000-3000 mAh. Será suficiente para varias horas o días de duración de la batería del dispositivo que se está reparando, según su modelo. Pero una vez agotado este volumen, es necesario conectar la batería a una toma de 220 V para restablecerla.

Accionamientos mecánicos

Esta categoría de unidades tiene la historia de existencia más larga. Para ilustrar tales dispositivos, podemos citar el ejemplo de los sistemas gravitacionales. Hoy en día ya casi no se utilizan, pero antes las puertas basculantes con contrapeso estaban muy extendidas. Utilizan la energía de la carga, que se acumula en momento correcto se devuelve de una forma u otra; depende del diseño de la unidad. Además de las cargas ordinarias, el líquido también actúa como elemento acumulador activo. Las ventajas de tales sistemas incluyen la flexibilidad estructural. Los ingenieros podrían utilizar extensas redes de tuberías a través de las cuales el agua transferiría energía a los embalses asociados. Hoy en día, estos dispositivos de almacenamiento de energía se presentan en forma de estaciones de almacenamiento por bombeo. Es cierto que los dispositivos de almacenamiento de líquidos se caracterizan por un corto tiempo de almacenamiento, ya que el agua se evapora y requiere una renovación regular.

Accionamientos cinéticos

Este grupo está representado principalmente por mecanismos oscilatorios en los que el proceso de acumulación se realiza mediante movimientos alternativos, rotacionales o lineales de la misma carga. La peculiaridad de tales diseños es que, si es necesario, el retorno de energía no se realizará de forma continua, sino en porciones, en ciclos. Ejemplo clásico acumulador cinético Son relojes mecánicos. En este caso, la "carga" se produce al darle cuerda al mecanismo, seguido de una liberación gradual de energía del péndulo de resorte. Una interpretación más moderna de los mecanismos cinéticos es el acumulador giroscópico. El acumulador de energía se basa en este caso en un volante giratorio con función de impacto. Estos sistemas se utilizan en tecnología hidráulica y neumática.

Almacenamiento térmico

Desde un punto de vista tecnológico esto es ejemplo más simple acumulación de energía, cuyos procesos el hombre encuentra en todas partes. Una valla metálica calentada bajo los rayos directos del sol ya se convierte en un acumulador de calor, ya que lo retiene en su estructura. Además, otros materiales pueden actuar como acumuladores de calor. La eficiencia de su funcionamiento en esta capacidad dependerá de la capacidad calorífica específica y volumétrica. Por ejemplo, la capacidad calorífica del agua es de 4,2 kJ, mientras que la del acero es pequeña: sólo 0,46 kJ. Y sin embargo, cuando estamos hablando de En cuanto a la acumulación selectiva, se utilizan con mayor frecuencia dispositivos de almacenamiento de energía térmica de metal o aceite. Esta decisión se justifica por el deseo de optimizar el diseño. Los convectores y radiadores modernos se fabrican principalmente de acero y aluminio. Nuevamente, algunos modelos están llenos de materiales que son más beneficiosos en términos de retención de energía térmica.

Almacenamiento de energía eléctrica

La forma más común de energía es la electricidad. Por lo tanto, esta categoría se está desarrollando de manera más activa, ofreciendo soluciones nuevas y más avanzadas. En en este momento El acumulador eléctrico más común es el condensador de radio. Se caracteriza por una alta tasa de liberación y acumulación de energía, sin limitar los procesos de trabajo por las condiciones ambientales. Por ejemplo, la mayoría de los modelos se pueden utilizar en condiciones de alta o extrema bajas temperaturas. Y nuevamente, con fines de optimización, los acumuladores de energía eléctrica se llenan con celdas electrolíticas especiales con una alta capacidad específica.

Almacenamiento de químicos

Durante el funcionamiento de tales unidades, se produce una reacción química. La fuente de energía en este caso será la propia organización de las condiciones para esta reacción y asegurar la actividad de los componentes involucrados. Además, la salida puede generar energía de diferentes tipos. Por ejemplo, se puede liberar hidrógeno del agua durante la electrólisis directa. La mayoría de las veces, con tales métodos de acumulación, lo que se libera es combustible. Puede transformarse dentro del complejo de reacción química o transferirse al consumidor en su forma original. Por lo tanto, los acumuladores de energía también pueden actuar como convertidores, aunque tal ampliación de funciones complica técnicamente el sistema.

Almacenamiento electroquímico

Este tipo de propulsión, como su nombre indica, es combinada o híbrida. Porque reacciones quimicas Se caracterizan por un alto grado de eficiencia y bajo costo; lógicamente se combinan con la tarea de generar el tipo de energía más popular: la electricidad. El elemento activo en tales dispositivos es el electrolito. En particular, el dispositivo de almacenamiento de energía de un teléfono suele estar fabricado con células de iones de litio o de polímero de litio. Lo mismo se aplica a las baterías para herramientas eléctricas. En términos de características, se trata de baterías bastante ventajosas, que se caracterizan por un rendimiento decente, alta capacidad y pequeño en tamaño. Pero las baterías electroquímicas tienen un número limitado de ciclos de carga y descarga, lo que constituye su principal desventaja.

Soluciones modernas

Empresas líderes en desarrollo. alta tecnología, también están promoviendo la dirección de las baterías capacitivas. Por ejemplo, los ingenieros de Tesla crearon una unidad Powerwall 2 que pesa 122 kg, basándose en las mismas baterías de iones de litio. Esta instalación es modular y es capaz de almacenar unos 13,5 kWh. LG ofrece desarrollos similares. Por ejemplo, el sistema Chem RESU tiene alrededor de 10 kWh, pero en otras características de rendimiento no es inferior a la unidad Tesla. Esta batería es un dispositivo de almacenamiento de energía universal que se puede utilizar tanto en la vida cotidiana como en la industria. Lo principal es que la potencia cumpla con los requisitos de los sistemas consumidores.

Conclusión

En el segmento del almacenamiento de energía también existen diferentes áreas de desarrollo tecnológico. Les une una sola cosa: el cumplimiento de los requisitos de los consumidores finales. Por ejemplo, los dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica para equipos y dispositivos de pequeño tamaño deben cumplir con los requisitos de confiabilidad y confiabilidad. El amplio mercado de la tecnología digital está más centrado en tamaños de almacenamiento compactos y en aumentar su capacidad. Obviamente, no es fácil combinar todas las cualidades enumeradas en un solo dispositivo, por lo que los desarrolladores aún se esfuerzan por orientar inicialmente sus productos a áreas de aplicación específicas.

Dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica de gran capacidad.

Los dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica son el elemento más importante futuras redes activo-adaptativas. Los dispositivos de almacenamiento de energía realizan una serie de funciones:

• alineación de los horarios de carga en la red (acumulación de energía eléctrica durante los períodos de disponibilidad de energía excedente (barata) y suministro a la red durante los períodos de escasez);
• asegurar, en combinación con dispositivos FACTS, mayores límites de estabilidad;
• asegurar el suministro de energía ininterrumpida a instalaciones especialmente importantes, las necesidades propias de las centrales y subestaciones de energía;
• Amortiguando las fluctuaciones de energía, estabilizando el funcionamiento de fuentes de energía eléctrica descentralizadas de baja inercia.

El alcance de los servicios de JSC "STC FGC UES" para la implementación de dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica de alta capacidad:

• estudio de factibilidad
• recomendaciones para elegir lugares de instalación
• diseño de propulsión híbrida
• recomendaciones para la estructura de almacenamiento
• implementación de sistemas de gestión de almacenamiento

Información previa

Los dispositivos de almacenamiento de energía se dividen en electrostáticos, que incluyen baterías recargables de alta capacidad (HCAB), dispositivos de almacenamiento de energía basados ​​en condensadores moleculares y dispositivos de almacenamiento de energía basados ​​en superconductores de baja temperatura.

Baterías electrostáticas de alta energía (baterías electrostáticas de alta capacidad)
Todos los tipos de dispositivos de almacenamiento electrostático se comunican con la red a través de dispositivos electrónicos de potencia: convertidores de corriente o voltaje.

Actualmente, varias empresas extranjeras producen y realizan aplicaciones prácticas de ABBE a gran escala.

Experiencia en el uso de ABBE:

Tipo de electrolito	Objeto	Potencia, megavatios	Tiempo de funcionamiento, mín.	Año de instalación
Ácido sulfúrico	BEWAG, fuente de alimentación Zap. Berlina
	Reserva y mantenimiento de frecuencia de la red de baja potencia de Puerto Rico
	Chinno (California), diversos emplazamientos para estudiar las capacidades de control de carga, frecuencia, tensión y potencia reactiva
Níquel-cadmio	GVEA, garantiza el suministro eléctrico ininterrumpido a la costa de Alaska cerca de Anchorage
azufre de sodio	Parque Eólico de Rokkacho, Japón. En total se implementaron 100 objetos.			2008 (más grande)
Bromo de zinc	Subestación Detroit Edison Site, Michigan. Para mantener el voltaje de sus propias necesidades.
Redox de vanadio	Una de las fábricas de alta tecnología más grandes de Japón. Cargar alineación del gráfico

Dispositivos de almacenamiento de energía basados ​​en condensadores moleculares.
Los dispositivos de almacenamiento molecular se encuentran en la etapa de creación y prueba de prototipos. El almacenamiento de energía inductivo superconductor (SPINE) es una de las aplicaciones de la superconductividad. Aplicación práctica Actualmente, se han encontrado relativamente pocos SPINE móviles. alta intensidad energética(hasta 106 J.), amplia aplicación SPINE es posible tras el desarrollo y creación de SPINE basado en superconductores de alta temperatura. SPINE puede encontrar aplicación en la industria de la energía eléctrica como uno de medios efectivos aumentar la confiabilidad operativa y la estabilidad de los sistemas de energía eléctrica. Al mismo tiempo, se destacan propiedades de los dispositivos de almacenamiento inductivo como la velocidad, la alta eficiencia, la capacidad de automatizar completamente la entrada y salida de energía, la alta intensidad energética específica y la regulación de la potencia activa y reactiva. Se espera que para 2016-2020. Se crearán sistemas de almacenamiento de energía económicos y con suficiente capacidad energética.

Dispositivos de almacenamiento de energía electromagnética.

Los dispositivos de almacenamiento de energía electromagnética incluyen dos tipos de complejos:

• máquinas síncronas con convertidores de frecuencia en el circuito primario con volantes en el eje;
• Máquinas asincronizadas con volantes en el eje.

Actualmente, no existen restricciones prácticas para la creación de unidades del primer tipo con una capacidad de hasta 300 - 400 MW y del segundo tipo con una capacidad de 800 - 1600 MW. El primer tipo de unidades tiene un rango de velocidad más amplio y una mayor capacidad de uso. energía cinética máquinas rotativas, el segundo tipo es capaz de operar en un rango de control de velocidad del 50% de la velocidad síncrona, tiene una potencia del dispositivo convertidor menor que en el primer caso (en el primer caso, la potencia del convertidor es igual a la potencia de las máquinas, en el segundo, proporcional a la profundidad de regulación), tiene un coste menor y puede realizarse a alta potencia. En Rusia, se desarrolló un diseño preliminar de un dispositivo de almacenamiento de volante basado en una máquina vertical asíncrona con una capacidad de 200 MW.

Es posible implementar un dispositivo de almacenamiento de energía basado en supervolantes. El supervolante está hecho de fibra de carbono ultrarresistente obtenida mediante nanotecnología y tiene una capacidad de energía específica de 5 a 15 MJ/kg o 1,4 a 4,17 kWh/kg, inalcanzable para todos los dispositivos de almacenamiento de energía conocidos (electroquímicos). baterías, condensadores, resortes). Esto se explica por el hecho de que el supervolante puede acelerarse a velocidades enormes.

Durante cortes o averías de la red, los dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica para el hogar son muy utilizados. Se instalan principalmente en viviendas particulares y están constantemente conectados. Esto le permite recibir suficiente electricidad para la iluminación y otras necesidades domésticas urgentes durante bastante tiempo.

Normalmente, estos dispositivos se utilizan para generar electricidad. de maneras no convencionales. En tales casos, se producen interrupciones en el suministro y los accionamientos compensan con éxito la falta temporal de energía. En esencia, se trata de baterías que se pueden cargar y descargar.

Dispositivo de almacenamiento

Sin embargo, los dispositivos de almacenamiento de energía realizan funciones más amplias que las de una batería convencional. Son estructuras complejas e integradas capaces no sólo de almacenar energía, sino también de hacerla adecuada para su uso posterior.

Estos dispositivos ocupan una de las posiciones de liderazgo en el mercado de dispositivos de energía alternativa. Se basan en baterías de litio. Consisten en un cargador o controlador de carga, un convertidor de voltaje () y un sistema de control. El diseño de los dispositivos de almacenamiento permite sustituir una gran cantidad de equipos en sistemas de emergencia y en fuentes de alimentación alternativas. La mayoría de los modelos están diseñados para funcionar no solo desde una red estacionaria, sino también desde paneles solares. Su potencia media es de 5 kilovatios. Para un funcionamiento normal, el dispositivo simplemente necesita estar conectado a la red.

Aplicación de dispositivos de almacenamiento de electricidad.

La mayoría de las veces, los dispositivos domésticos de almacenamiento de energía eléctrica se utilizan en hogares individuales. En primer lugar, sirven como principal fuente de energía en situaciones de emergencia y cortes centralizados de redes eléctricas. Con la ayuda de estos dispositivos, es posible agregar energía a instalaciones de energía individuales durante el período de caída de carga durante las horas pico en las redes de distribución general. Muy a menudo, un dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica instalado en casa o en el campo permite en gran medida mejorar la calidad del suministro energético.

Actualmente, muchos consumidores utilizan equipos y electrodomésticos caros. Las sobretensiones a menudo provocan su avería y fallo. Al utilizar unidades, es posible evitar gran cantidad problemas. Se crea un voltaje estable que garantiza el funcionamiento estable de los aparatos eléctricos. No es necesario encender el generador por períodos cortos. Es posible utilizar tarifas con diferentes tipos.

La producción de energía durante el último siglo ha causado enormes daños al medio ambiente de nuestro planeta. El uso de fuentes fósiles, su combustión y la liberación de desechos a la atmósfera es una de las razones del cambio climático en la Tierra.

Presentación del dispositivo de almacenamiento de energía doméstico Tesla Energy Powerwall 2.0 en la exposición en Hawthorne, California, el 30 de abril de 2015.

Cuando la situación se volvió crítica, la gente empezó a pensar en fuentes de energía alternativas. Algunas personas lo piensan y otras lo hacen. El acumulador de energía PowerWall 2 0 es un ejemplo de ello.

Fuentes de energía alternativas

La humanidad lleva mucho tiempo inventando los paneles solares y los molinos de viento. Convierten los rayos del sol y el viento en electricidad, que la gente utiliza para sus necesidades diarias. Las baterías solares se utilizan en numerosos ámbitos de la vida humana: en el espacio, en la vida cotidiana y en la producción.

El principio de organizar la construcción de una red eléctrica desde paneles solares y almacenamiento doméstico Tesla PowerWall 2.0

En los países escandinavos, la gente instala baterías en los tejados de sus casas, consume la electricidad y vende el resto a sus vecinos. No sólo pudieron abandonar las fuentes tradicionales de electricidad, sino también ganar una pequeña cantidad de dinero para sus gastos.

La empresa estadounidense Tesla fue más allá y ofreció al mundo PowerPack, una batería solar de nueva generación. Consiste en un techo completo en lugar de pequeños paneles solares individuales. Hay cuatro tipos de este diseño, que le permiten elegir el techo que combine con la arquitectura de su hogar. Esta tecnología es una forma de cubrir todos los costos de electricidad de una familia promedio.

La idea de Tesla es utilizar la energía acumulada para cargar un coche o para alimentar una casa con electricidad utilizando un coche.

¿Dónde poner la energía extra? No siempre es posible consumir toda la electricidad que una persona recibe de los molinos de viento y los paneles solares. Una excelente opción sería un dispositivo de almacenamiento de energía.

Tesla PowerWall

Elon Musk habla sobre la idea de crear nueva era“Energía verde”, un rechazo total a la producción de electricidad a partir de combustibles fósiles terrestres. Un paso adelante fue el lanzamiento del dispositivo de almacenamiento de energía doméstico PowerWall, que debería utilizarse en presencia de turbinas eólicas o paneles solares, en particular PowerPack.

Elon Musk presenta Powerwall de 10 kW

El uso de esta tecnología es una inversión de futuro y una reducción de los costes energéticos. En Estados Unidos, cuando la gente regresa del trabajo, las tasas de consumo de energía aumentan. El uso de PowerWall le permite acumular electricidad de fuentes alternativas durante el día y luego consumirla a hora de la tarde días.

Las estaciones de servicio para automóviles Tesla estarán disponibles en todo el mundo

El dispositivo de almacenamiento de energía puede convertirse en una fuente de energía de respaldo en caso de que se corte el suministro de energía central. Un suministro completo de capacidad será suficiente para alimentar la casa durante varias horas. El excedente se puede vender a los vecinos.

Hay dos versiones disponibles: PowerWall y PowerWall 2.0. Se diferencian en sus reservas de energía. La primera versión tiene dos opciones: 7 kWh ($3000) y 10 kWh ($3500). La segunda versión ofrece una capacidad de 14 kWh por 5,5 mil dólares.

Sistema de paneles solares y Tesla PowerWall montados en la fachada de la casa

Esta innovación también se puede utilizar en la producción. Se pueden combinar dos, tres o más baterías en un solo sistema y el suministro de energía de reserva se puede aumentar significativamente. En total, puedes conectar hasta 9 unidades Tesla. Las pequeñas industrias sólo pueden trabajar en energía alternativa gracias a la tecnología de una empresa americana.

Los beneficios prácticos se complementan con la hermosa apariencia. Una batería Tesla no sólo no estropeará el interior de ninguna estancia, sino que en algunos casos podrá complementarlo. Es de tamaño pequeño y no ocupa mucho espacio.

PowerWall no estropea la apariencia, tiene una carcasa impermeable IP65 y se puede colocar en la pared de la casa para recargar el coche.

La introducción de innovaciones puede suponer un gran paso hacia el futuro, ante la posibilidad de abandonar pronto el uso de fuentes de energía tradicionales. Esto hará que el medio ambiente sea más limpio y normalizará los problemas del cambio climático.

Alternativa para Rusia

Equipo Tesla en mercado ruso no está muy extendido, quizás la razón sea el alto coste del equipo. Calculemos que el precio en EE.UU. por unidad de equipo es de 5.500 dólares para el PowerWall 2.0 de 14 kWh. La instalación cuesta $1,500 y a medida que aumenta la cantidad de equipo, el precio aumenta en $100.

Con la instalación, el costo de PowerWall 2.0 será de $7000/1 pieza. Con un depósito de 500 dólares, los ciudadanos pueden convertirse en propietarios de un dispositivo de almacenamiento.

Con módulos solares de 4 kW, la casa no depende de la energía de la ciudad.

Dado que los paneles solares cuestan alrededor de $200 por pieza y 250 W, se necesitan 16 paneles y un inversor para obtener una casa 100% independiente de energía que funcione con energía solar y Powerwall. Esta condición es válida para un consumo doméstico de 10 kW/día (400 W/hora).

El coste de la energía en EE.UU. es de 10 rublos/día, 2 rublos/noche, el coste del equipo será de unos 14.000 dólares. Los bancos conceden préstamos con una contribución del 10% del coste de los bienes al 2-3% anual, por lo que por 140 dólares al mes el consumidor podrá cargar el coche y abastecer de energía a la casa.

En Rusia todo es más triste. El coste de la electricidad es de 3 a 6 rublos/kW. El coste del equipo después del paso por la aduana será un 54% más. La unidad PowerWall 2.0 por sí sola aumentará su costo a $10,000, excluyendo la instalación y la entrega al sitio.

Las empresas para las cuales la cuestión de proporcionar una fuente de energía de respaldo es una prioridad deben gastar fondos importantes en la compra de equipos o crear construcciones alternativas. Por lo tanto, cuándo nos llegarán los dispositivos de almacenamiento de energía es una pregunta sin respuesta. El foco principal de la empresa de Elon Musk es el mercado energético estadounidense.