Накопителем энергии можно назвать систему, которая дает возможность аккумулирования энергии какого-либо вида за время заряда, и передачи этой энергии спустя время ее потребителю за период разряда для совершения полезной работы.
Аккумуляторы энергии бывают:
- электрическими,
- тепловыми,
- механическими.
Изобрел прибор для накопления механической энергии Армстронг. Его прибор был основан на поднимании на высоту груза или на воздухе под высоким давлением.
Основными направлениями применения накопителей энергии считают:
- аккумулирование лишней на какой-то момент времени энергии и использование ее при необходимости;
- трансформирования одного вида энергии в другую, преобразование характеристик энергии.
Механическая энергия – это энергия перемещения (поступательного движения и вращения) и энергия взаимодействия тел или их частей, то есть кинетическая и потенциальная энергия.
Для механических накопителей (как и любого другого вида накопителей энергии) характерными режимами работы стали:
- накопление энергии (заряд),
- отдача энергии (разряд),
- хранение энергии – промежуточный режим.
В режиме заряда к механическому накопителю подводится механическая энергия от внешнего источника. Конкретный тип реализации источника определен типом механического накопителя.
В состоянии разряда большая часть запасенной энергии отдается накопителем потребителю. Небольшая доля накопленной энергии теряется в режиме хранения и имеются потери в режиме разряда.
Разнообразие механических накопителей энергии
Механические накопители энергии применяются с древних времен. Их несомненными плюсами являются:
- конструктивная простота;
- неограниченный срок хранения запасенной энергии;
- большая надежность;
- исключительно длительный срок эксплуатации.
Основным недостатком механических накопителей считают малую удельную плотность запасаемой ими энергии.
Выделим следующие группы механических аккумуляторов энергии:
- Гравитационные механические накопители.
- Кинетические механические накопители
- Накопители, использующие силы упругости.
Механические накопители можно разделить на:
- статические,
- динамические,
- комбинированные.
Статические накопители механической энергии аккумулируют энергию:
- при упругом изменении формы (объема) рабочего тела;
- при его движении против сил тяжести в поле гравитации.
Рабочее тело данных накопителей статично в режиме хранения, в состоянии заряда и разряда рабочее тело движется.
Динамические накопители копят кинетическую энергию (в основном) в массивных твердых телах, находящихся во вращении. Примером динамических механических аккумуляторов энергии можно считать накопительные устройства ускорителей элементарных частиц, запасающих кинетическую энергию заряженных частиц, циклически перемещающихся по замкнутым траекториям.
Комбинированные накопители механической энергии аккумулируют и кинетическую, и потенциальную энергию. Таким накопителем считают супермаховик из сверхпрочного волокнистого материала с малым модулем упругости. В этом маховике аккумулируется кинетическая энергия и потенциальная энергия упругой деформации.
Гравитационные механические накопители
Эти накопители используют тот факт, что каждое тело, поднятое на некоторую высоту $h$ над Землей, обладает потенциальной энергией, которая способна переходить в кинетическую энергию этого тела при его опускании. При этом потенциальную энергию вычисляют при помощи формулы:
$E_p=mgh (1),$
где $m$ - масса тела, поднятого над уровнем земли; $g$ - ускорение свободного падения.
В среде гравитационных механических накопителей выделяют:
- жидкостные накопители;
- твердотельные накопители.
В жидкостных гравитационных накопителях в качестве рабочего тела используют жидкость, в этой связи у накопителей данного вида имеется ряд недостатков, например:
- жидкость может быстро испаряться;
- малая плотность рабочего тела, которая приводит к росту конструктивных размеров.
К преимуществам твердотельных накопителей относят небольшую стоимость. Существенным недостатком можно считать большую массу накопителя и большой размер. Как пример твердотельного гравитационного накопителя можно рассматривать каждый груз, поднятый выше, чем находится уровень избранной поверхности.
Кинетические накопители энергии
Среди кинетических механических накопителей энергии можно выделить:
- колебательные накопители,
- гироскопические накопители.
Колебательные накопители кинетической энергии аккумулируют энергию возвратно – поступательном движении груза в состоянии резонанса. Движения груза могут быть как поступательные, так и вращение. В этих накопителях энергия поступает и расходуется порционно, совпадая с движениями груза. Необходимость создания условий резонанса ведет к существенному усложнению механизма и делает его зависимым от настройки. Данные накопители применяются в механических часах, имеющих пружинный или гравитационный маятник.
Гироскопические накопители аккумулируют энергию маховика, который находится во вращении с большой скоростью. В настоящее время запасаемая при помощи маховика энергия достигла 3 ГДж/кг. Удельная энергия данного накопителя существенно выше, чем она же у гравитационного накопителя. К преимуществам маховиков относят возможность передачи и получения почти неограниченную мощность.
К недостаткам этих накопителей относят:
- их высокую стоимость;
- сложность изготовления;
- высокая скорость вращения маховика требует наличие сложной системы трансформации крутящего момента.
Механические накопители энергии, использующие силы упругости
Удельная емкость аккумулируемой энергии этих накопителей очень велика. Учитывая малые габариты накопителей, их энергетическая емкость обладает самым большим значением в среде механических накопителей. Массивные маховики, имеющие большие скорости вращения обладают большей энергетической емкостью в сравнении с накопителями, использующими силы упругости. Однако последние:
- могут иметь гораздо меньшую массу;
- меньше чувствительны к факторам окружающей среды;
- имеют большее время хранения энергии.
Существуют накопители энергии на основе сжатого воздуха. Данные аккумулятора накапливают энергию за счет упругости сжатого газа. Газ закачивают в баллон. В случае необходимости получения электрической энергии, газ под давлением из баллона подают на турбину, которая выполняет механическую работу или вращает электрический генератор. Если необходима небольшая мощность, то вместо турбины пользуются поршневым двигателем, который оказывается в этом случае более эффективным. Почти любой компрессор в настоящее время имеет подобный накопитель, который называют ресивером. С увеличением давления воздуха, больше энергии запасают в одном и том же объеме. Так получают большие потоки энергии.
