1.2. Классификация способов аккумуляции энергии

Как правило, источники даровой энергии не отличаются стабильностью.

Справка: под даровой энергией подразумевается та энергия, источник которой не зависит от антропологического фактора – например, солнечная энергия. От того, что предпринимателю понадобилась такая энергия в 2 часа ночи, Солнце светить не начнет. Или, к примеру, если один предприниматель использует энергию Солнца, это не исключает возможность ее использования другими предпринимателями.

Солнце, ярко светившее днем, вечером заходит, безветрие может длиться несколько дней подряд, и даже реки – извечный источник даровой энергии – летом могут существенно мельчать или вовсе пересыхать, а зимой – замерзать. Поэтому любой генератор даровой энергии обычно комплектуется тем или иным накопителем, призванным запасать излишки энергии в периоды ее избытка, и компенсировать нехватку тогда, когда источник даровой энергии временно иссякает или оказывается недоступным. ¹

Типы, размеры и возможности таких накопителей могут быть самыми разными – от электрических аккумуляторов и механических пружин весом в доли грамма с габаритами, измеряемыми миллиметрами, запасающих энергию для маленьких устройств на короткое время, – и вплоть до огромных водохранилищ, изменяющих географию и климат целых областей и способных обеспечить свой регион энергией в течение многих месяцев – от паводка до паводка. Различные типы накопителей отличаются не только объемом запасаемой энергии, но и скоростью ее накопления и отдачи («зарядки» и «разрядки»), удельной плотностью накопленной энергии, возможными сроками ее хранения и многими другими параметрами, включая надежность и стоимость изготовления и обслуживания. Правильный выбор накопителя подчеркивает достоинства генератора даровой энергии и способен скрыть многие его недостатки, ошибка же в выборе может сделать эксплуатацию даже самого лучшего накопителя энергии практически невозможной. ²

Справка. Накопитель энергии, или аккумулятор (от латинского слова Accumulator - собиратель) – это устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования. ³

Способов классификации аккумуляции энергии (или накопителей энергии) может быть множество. Например, следующая классификация систем аккумулирования энергии (Таблица 1.2.1).

Таблица 1.2.1.

Классификация систем аккумулирования энергии 1

1. Электрические системы аккумулирования	- электростатическая система (емкостной накопитель); - индуктивная система.
2. Химические системы аккумулирования	- электрохимические батареи или комбинация электрохимических батарей.
3. Механические системы аккумулирования энергии (предназначены для эксплуатации на уровне электрических станций)	- гидроаккумулирующие станции; - газоаккумулирующие станции (аккумулирование энергии в виде механической энергии сжатых газов, в частности водорода); - маховые колеса;
4. Аккумуляторы тепловой энергии	По природе аккумулирования: - теплоемкостные; - аккумуляторы с фазовым переходом; - термохимические аккумуляторы.	По уровню рабочих температур: - низкотемпературные (до 1000С); - среднетемпературные (от 100 до 4000С); - высокотемпературные (свыше 4000С).	По продолжительности периода заряда-разряда: - краткосрочные (до 3 суток); - среднесрочные (до 1 месяца); - межсезонные (до полугода).

Вот еще одна классификация – по видам аккумулирующих систем: ², ³

• Гидроаккумулирующие станции;

• Тепловые аккумуляторы;

• Пневматические аккумуляторы;

• Химические аккумуляторы – батареи;

• Маховики;

• Аккумуляторы на сверхпроводниках;

• Суперконденсаторы;

• Плазмоидные аккумуляторы.

Более подробный анализ аккумулирующих систем представлен ниже.

Гидроаккумулирующие станции (ГАС) состоят из 2 больших резервуаров, разнесенных по высоте. Для аккумулирования энергии вода закачивается в верхний резервуар. Для выдачи энергии вода сливается в нижний резервуар через гидротурбину с генератором. Аккумулирование энергии с помощью ГАС требует, как минимум, 100 м подъема воды (разность высот резервуа­ров), а также искусственного водохранилища значительного объема на вы­соте или подземного водохранилища. КПД гидроподъема и выработки электроэнергии относительно невелико. ¹

Тепловые аккумуляторы – устройства, накапливающие тепло, предназначен­ное для покрытия пиков тепловой нагрузки или для получения других видов энергии. Устройства такого типа эффективны в прямой зависимости от существующей в агрегате и вокруг его разницы температур. Тепловые акку­муляторы уже использовались на спускаемых аппаратах АМС "Венера-9" и других автоматических зондах для охлаждения аппаратуры.²

Пневматические аккумуляторы использует непико­вую энергию для сжатия и хранения воздуха в воздухонепроницаемом под­земном резервуаре или пещере. При пиковой нагрузке запасенный воздух выпускается из пещеры и пропускается через турбину с генератором. Это устройства, накапливающие газ и отдающие ее в моменты наибольшего расходования с преобразованием в другие виды энергии или без этого преобразования. ³

Химические аккумуляторы - устройства для получения электрического тока и напряжений в результате химической реакции, как правило, в груп­пе из однотипных батарей (многоразовых гальванических элементов), со­единенных электрически и конструктивно. В настоящее время широко ис­пользуются в аэрокосмической технике. ⁴

Маховики в настоящее время широко используются, однако для аккумуляции энергии исследования начаты сравнительно не­давно. Маховик состоит из махового колеса, которое вращается с вы­сокой скоростью и имеет связь с электрическим аппаратом, который может работать или как двигатель или как генератор. Использование магнитных подшипников и вакуумной камеры позволяет уменьшить потери энергии (потери ≤ 2%). Основные проблемы в прочности материала колеса, способного выдержать сверхвысокие скорости вращения.

Сверхпроводящие аккумуляторы - электронакопительные системы, со­стоящие из замкнутого проводника с нулевым со­противлением. Достоинство этой системы – компактность, энергоем­кость, способность хранить энергию без потерь на протяжении долгого времени, пока в проводнике будет сохраняться состояние сверхпроводимости. Учитывая, что в настоящее время широко производятся только холодные и теплые сверхпроводники (с хладагентами гелием и азо­том соответственно), надо добавить, что при длительном использовании та­кого аккумулятора понадобятся дополнительные расходы энергии на ох­лаждение сверхпроводников. ¹

Конденсаторные аккумуляторы – системы, накапливающие электричес­кие заряды по принципу работы конденсатора, состоящие из двух и более подвижных или неподвижных элек­тродов (обкладок), разделенных диэлектриком. Достоинство – способность выдать всю или часть запасенной энергии в самые короткие сроки, недостаток – опасность непредвиденного пробоя, который при мгновенном выделении всей запасенной энергии будет сравним со взрывом.

Суперконденсаторы находятся на самой ранней стадии развития в каче­стве аккумулятора энергии. Электрохимический конденсатор состо­ит из двух противоположно заряженных электродов, сепаратора, электро­лита и сборки. В настоящее время только маленькие суперконденсаторы в диапазоне 7-10 Вт широко доступны для домашних электриче­ских устройств. Развитие конденсаторов большего масштаба было сосредо­точено на электрических транспортных средствах.²

Плазмоаккумуляторы используют для хранения большого количества энергии свойства и способность плазмы создавать долгоживущие сгустки энергии в виде шаровой молнии. В 1991 году В.П.Яковлев совместно с В.И.Андриановым, основываясь на собственных исследованиях природы шаровой молнии, получили патент на «безотказный способ синтеза шаровых плазмоидов». В 1994 году они также подали заявку и на «Способ аккумуляции энергии в шаровом плазмоиде и плазменном аккумуляторе» номинальной энергией 85 МДж (около 23 кВт/ч), габаритами 50х50х80 см, массой 50 кг. Несмотря на возможно многообещающие перспективы этого способа аккумуляции, до сих пор не было выделено финансирования для широкомасштабных исследований в этом направлении. ³

Однако наиболее удобной с практической точки зрения автор считает классификацию по способу накопления и отдачи и по типу энергии, «закачиваемой» в накопитель и «выкачиваемой» оттуда (Рисунок 1.2.1).

Рисунок 1.2.1. Классификация по способу накопления и отдачи и по типу энергии, «закачиваемой» в накопитель и «выкачиваемой» оттуда.¹