La naturaleza le dio al hombre una variedad de fuentes de energía: el sol, el viento, los ríos y otros. La desventaja de estos generadores de energía libre es la f alta de estabilidad. Por lo tanto, durante los períodos de exceso de energía, se almacena en dispositivos de almacenamiento y se gasta durante los períodos de recesión temporal. Los dispositivos de almacenamiento de energía se caracterizan por los siguientes parámetros:
- cantidad de energía almacenada;
- velocidad de su acumulación y devolución;
- gravedad específica;
- tiempo de almacenamiento de energía;
- fiabilidad;
- costo de fabricación y mantenimiento y otros.
Hay muchas formas de organizar las campañas. Una de las más convenientes es la clasificación según el tipo de energía utilizada en el dispositivo de almacenamiento, y según el método de su acumulación y retorno. Los dispositivos de almacenamiento de energía se dividen en los siguientes tipos principales:
- mecánica;
- térmica;
- eléctrico;
- química.
Acumulación de energía potencial
La esencia de estos dispositivos es sencilla. Cuando se levanta una carga, se acumula energía potencial; cuando se baja, realiza un trabajo útil. Las características de diseño dependen del tipo de carga. Puede ser sólido, líquido osustancia suelta. Como regla general, los diseños de dispositivos de este tipo son extremadamente simples, de ahí la alta confiabilidad y la larga vida útil. El tiempo de almacenamiento de la energía almacenada depende de la durabilidad de los materiales y puede llegar a milenios. Lamentablemente, estos dispositivos tienen una baja densidad de energía.
Almacenamiento mecánico de energía cinética
En estos dispositivos, la energía se almacena en el movimiento de un cuerpo. Por lo general, se trata de un movimiento oscilatorio o de traslación.
La energía cinética en los sistemas oscilatorios se concentra en el movimiento alternativo del cuerpo. La energía se suministra y se consume en porciones, al compás del movimiento del cuerpo. El mecanismo es bastante complejo y caprichoso en su configuración. Ampliamente utilizado en relojes mecánicos. La cantidad de energía almacenada suele ser pequeña y solo es adecuada para el funcionamiento del propio dispositivo.
Dispositivos de almacenamiento alimentados por giroscopio
La reserva de energía cinética se concentra en un volante giratorio. La energía específica de un volante excede significativamente la energía de una carga estática similar. Es posible recibir o emitir una potencia significativa en un corto período de tiempo. El tiempo de almacenamiento de energía es corto y, para la mayoría de los diseños, se limita a unas pocas horas. Las tecnologías modernas permiten llevar el tiempo de almacenamiento de energía a varios meses. Los volantes son muy sensibles a los golpes. La energía del dispositivo depende directamente de la velocidad de su rotación. Por tanto, en el proceso de acumulación y retorno de energía, se produce un cambio en la velocidad de giro del volante. Y para una carga comopor regla general, se requiere una velocidad de rotación constante y baja.
Los superflywheels son dispositivos más prometedores. Están hechos de cinta de acero, fibra sintética o alambre. El diseño puede ser denso o tener espacios vacíos. Si hay espacio libre, las bobinas de la cinta se mueven hacia la periferia de rotación, cambia el momento de inercia del volante, parte de la energía se almacena en el resorte deformado. En tales dispositivos, la velocidad de rotación es más estable que en estructuras sólidas y su consumo de energía es mucho mayor. También son más seguros.
Los súper volantes modernos están hechos de fibra de Kevlar. Giran en una cámara de vacío sobre una suspensión magnética. Capaz de almacenar energía durante varios meses.
Almacenamiento mecánico mediante fuerzas elásticas
Este tipo de dispositivo es capaz de almacenar una enorme energía específica. De los accionamientos mecánicos, tiene la mayor intensidad energética para dispositivos con dimensiones de varios centímetros. Los volantes grandes con velocidades de rotación muy altas tienen un contenido de energía mucho mayor, pero son muy vulnerables a las influencias externas y tienen un tiempo de almacenamiento de energía más corto.
Almacenamiento mecánico de energía de resorte
Capaz de entregar la mayor potencia mecánica de cualquier clase de almacenamiento de energía. Está limitado solo por la resistencia a la tracción del resorte. La energía de un resorte comprimido se puede almacenar durante varias décadas. Sin embargo, debido a la constante deformación, la fatiga se acumula en el metal y la capacidad del resortedisminuye Al mismo tiempo, los resortes de acero de alta calidad, en condiciones de funcionamiento adecuadas, pueden funcionar durante cientos de años sin una pérdida apreciable de capacidad.
Las funciones de resorte pueden ser realizadas por cualquier elemento elástico. Las bandas elásticas, por ejemplo, son docenas de veces superiores a los productos de acero en términos de energía almacenada por unidad de masa. Pero la vida útil del caucho debido al envejecimiento químico es de solo unos pocos años.
Dispositivos de almacenamiento mecánico que utilizan la energía de los gases comprimidos
En este tipo de dispositivos, la energía se almacena comprimiendo el gas. En presencia de un exceso de energía, el gas se bombea a presión al interior del cilindro mediante un compresor. Según sea necesario, se utiliza gas comprimido para hacer girar una turbina o un generador eléctrico. A bajas capacidades, es recomendable utilizar un motor de pistones en lugar de una turbina. El gas en un recipiente bajo la presión de cientos de atmósferas tiene una alta densidad de energía específica durante varios años, y con accesorios de alta calidad, durante décadas.
Almacenamiento de energía térmica
La mayor parte del territorio de nuestro país se encuentra en las regiones del norte, por lo que una parte importante de la energía se gasta en calefacción. En este sentido, es necesario resolver regularmente el problema de mantener el calor en el variador y extraerlo de allí si es necesario.
En la mayoría de los casos, no es posible lograr una alta densidad de energía térmica almacenada y períodos significativos de su conservación. Dispositivos efectivos existentes enDebido a algunas de sus características y alto precio, no son adecuados para una amplia aplicación.
Almacenamiento debido a la capacidad calorífica
Esta es una de las formas más antiguas. Se basa en el principio de acumulación de energía térmica cuando una sustancia se calienta y de transferencia de calor cuando se enfría. El diseño de tales unidades es extremadamente simple. Puede ser una pieza de cualquier sustancia sólida o un recipiente cerrado con un refrigerante líquido. Los acumuladores de energía térmica tienen una vida útil muy larga, un número casi ilimitado de ciclos de acumulación y liberación de energía. Pero el tiempo de almacenamiento no supera varios días.
Almacenamiento de energía eléctrica
La energía eléctrica es la forma más conveniente en el mundo moderno. Es por eso que los dispositivos de almacenamiento eléctrico son ampliamente utilizados y desarrollados. Desafortunadamente, la capacidad específica de los dispositivos baratos es pequeña y los dispositivos con una capacidad específica alta son demasiado caros y de corta duración. Los dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica son condensadores, ionistores, baterías.
Condensadores
Este es el tipo de almacenamiento de energía más masivo. Los capacitores son capaces de operar a temperaturas de -50 a +150 grados. El número de ciclos de acumulación-retorno de energía es de decenas de miles de millones por segundo. Al conectar varios capacitores en paralelo, puede obtener fácilmente la capacitancia requerida. Además, hay condensadores variables. El cambio de la capacitancia de dichos capacitores se puede hacer mecánica o eléctricamente o por temperatura. Muy a menudo, los condensadores variables se pueden encontrar encircuitos oscilatorios.
Los condensadores se dividen en dos clases: polares y no polares. La vida útil de los polares (electrolíticos) es más corta que los no polares, son más dependientes de las condiciones externas, pero al mismo tiempo tienen una mayor capacidad específica.
Como los condensadores de almacenamiento de energía no son dispositivos muy exitosos. Tienen una capacidad baja y una densidad específica insignificante de energía almacenada, y su tiempo de almacenamiento se calcula en segundos, minutos, raramente horas. Los condensadores han encontrado aplicación principalmente en la electrónica y la ingeniería eléctrica de potencia.
El cálculo del condensador, por regla general, no causa dificultades. Toda la información necesaria sobre los diferentes tipos de condensadores se presenta en los manuales técnicos.
Ionistas
Estos dispositivos ocupan una posición intermedia entre los condensadores polares y las baterías. A veces se los denomina "supercondensadores". En consecuencia, tienen una gran cantidad de etapas de carga y descarga, la capacidad es mayor que la de los condensadores, pero un poco menor que la de las baterías pequeñas. El tiempo de almacenamiento de energía es de hasta varias semanas. Los ionistas son muy sensibles a la temperatura.
Baterías de alimentación
Las baterías electroquímicas se utilizan si necesita almacenar mucha energía. Los dispositivos de plomo-ácido son los más adecuados para este propósito. Fueron inventados hace unos 150 años. Y desde entonces, no se ha introducido nada fundamentalmente nuevo en el dispositivo de batería. Han aparecido muchos modelos especializados, la calidad de los componentes ha aumentado significativamente,fiabilidad de la batería. Cabe señalar que el dispositivo de una batería creada por diferentes fabricantes difiere solo en detalles menores para diferentes propósitos.
Las baterías electroquímicas se dividen en tracción y arranque. La tracción se utiliza en el transporte eléctrico, sistemas de alimentación ininterrumpida, herramientas eléctricas. Tales baterías se caracterizan por una descarga larga y uniforme y su gran profundidad. Las baterías de arranque pueden proporcionar una corriente alta en un corto período de tiempo, pero la descarga total no es aceptable para ellas.
Las baterías electroquímicas tienen un número limitado de ciclos de carga y descarga, en promedio de 250 a 2000. Incluso si no se usan, fallan después de algunos años. Las baterías electroquímicas son sensibles a la temperatura, requieren largos tiempos de carga y requieren un mantenimiento estricto.
El dispositivo debe recargarse periódicamente. La batería instalada en el vehículo se carga en movimiento desde el generador. En invierno esto no es suficiente, una batería fría no acepta bien la carga y aumenta el consumo de electricidad para arrancar el motor. Por lo tanto, es necesario cargar adicionalmente la batería en una habitación cálida con un cargador especial. Una de las desventajas significativas de los dispositivos de plomo-ácido es su gran peso.
Baterías para dispositivos de bajo consumo
Si se requieren dispositivos móviles de bajo peso, elija los siguientes tipos de baterías: níquel-cadmio,iones de litio, híbrido de metal, iones de polímero. Tienen una mayor capacidad específica, pero el precio es mucho mayor. Se utilizan en teléfonos móviles, ordenadores portátiles, cámaras, videocámaras y otros dispositivos pequeños. Los diferentes tipos de baterías difieren en sus parámetros: número de ciclos de carga, vida útil, capacidad, tamaño, etc.
Las baterías de iones de litio de alta potencia se utilizan en vehículos eléctricos e híbridos. Son de peso ligero, alta capacidad específica y alta confiabilidad. Al mismo tiempo, las baterías de iones de litio son muy inflamables. La ignición puede ocurrir por un cortocircuito, deformación mecánica o destrucción de la carcasa, violaciones de los modos de carga o descarga de la batería. Apagar un incendio es bastante difícil debido a la alta actividad del litio.
Las baterías son la columna vertebral de muchos electrodomésticos. Por ejemplo, un dispositivo de almacenamiento de energía para un teléfono es una batería externa compacta colocada en una carcasa duradera e impermeable. Le permite cargar o alimentar su teléfono celular. Los potentes dispositivos móviles de almacenamiento de energía son capaces de cargar cualquier dispositivo digital, incluso computadoras portátiles. En tales dispositivos, por regla general, se instalan baterías de iones de litio de alta capacidad. El almacenamiento de energía para el hogar tampoco está completo sin baterías. Pero estos son dispositivos mucho más complejos. Además de la batería, incluyen un cargador, un sistema de control y un inversor. Los dispositivos pueden operar tanto desde una red fija como desde otras fuentes. La potencia de salida es de 5 kW en promedio.
Conduceenergía química
Distinguir entre los tipos de unidades "combustible" y "no combustible". Requieren tecnologías especiales y, a menudo, equipos voluminosos de alta tecnología. Los procesos utilizados permiten obtener energía en diferentes formas. Las reacciones termoquímicas pueden tener lugar tanto a bajas como a altas temperaturas. Los componentes para reacciones a alta temperatura se introducen solo cuando es necesario obtener energía. Antes de eso, se almacenan por separado, en diferentes lugares. Los componentes para las reacciones a baja temperatura suelen estar en el mismo contenedor.
Almacenamiento de energía mediante el uso de combustible
Este método incluye dos etapas completamente independientes: la acumulación de energía ("carga") y su uso ("descarga"). El combustible tradicional, por regla general, tiene una gran capacidad energética específica, la posibilidad de almacenamiento a largo plazo y facilidad de uso. Pero la vida no se detiene. La introducción de nuevas tecnologías impone una mayor demanda de combustible. La tarea se resuelve mejorando los existentes y creando nuevos combustibles de alta energía.
La amplia introducción de nuevas muestras se ve obstaculizada por el desarrollo insuficiente de los procesos tecnológicos, los altos riesgos de incendio y explosión en el trabajo, la necesidad de personal altamente calificado y el alto costo de la tecnología.
Almacenamiento de energía química sin combustible
En este tipo de almacenamiento, la energía se almacena convirtiendo unas sustancias químicas en otras. Por ejemplo, la cal apagada, cuando se calienta, pasa a un estado de cal viva. Al descargar, la energía almacenadaliberado como calor y gas. Esto es exactamente lo que sucede cuando la cal se apaga con agua. Para que comience la reacción, generalmente es suficiente combinar los componentes. En esencia, este es un tipo de reacción termoquímica, solo que ocurre a una temperatura de cientos y miles de grados. Por lo tanto, el equipo utilizado es mucho más complejo y costoso.
