أعطت الطبيعة الإنسان مجموعة متنوعة من مصادر الطاقة: الشمس والرياح والأنهار وغيرها. عيب مولدات الطاقة المجانية هذه هو عدم الاستقرار. لذلك ، خلال فترات الطاقة الزائدة ، يتم تخزينها في أجهزة التخزين وقضاء فترات الركود المؤقت. تتميز أجهزة تخزين الطاقة بالمعلمات التالية:
- كمية الطاقة المخزنة ؛
- سرعة تراكمها وارجاعها
- جاذبية محددة ؛
- وقت تخزين الطاقة
- موثوقية ؛
- تكلفة التصنيع و الصيانة و غيرها
هناك العديد من الطرق لتنظيم محركات الأقراص. من أكثرها ملاءمة التصنيف وفقًا لنوع الطاقة المستخدمة في جهاز التخزين ، ووفقًا لطريقة تراكمها وإعادتها. تنقسم أجهزة تخزين الطاقة إلى الأنواع الرئيسية التالية:
- ميكانيكي
- حراري
- كهربائي ؛
- مادة كيميائية.
تراكم الطاقة الكامنة
جوهر هذه الأجهزة واضح ومباشر. عندما يتم رفع الحمولة ، تتراكم الطاقة الكامنة ؛ عند خفضها ، فإنها تؤدي عملاً مفيدًا. تعتمد ميزات التصميم على نوع الحمولة. يمكن أن تكون صلبة أو سائلة أومادة فضفاضة. كقاعدة عامة ، فإن تصميمات الأجهزة من هذا النوع بسيطة للغاية ، ومن ثم الموثوقية العالية وعمر الخدمة الطويل. يعتمد وقت تخزين الطاقة المخزنة على متانة المواد ويمكن أن تصل إلى آلاف السنين. لسوء الحظ ، هذه الأجهزة ذات كثافة طاقة منخفضة.
التخزين الميكانيكي للطاقة الحركية
في هذه الأجهزة ، يتم تخزين الطاقة في حركة الجسم. عادة ما تكون هذه حركة تذبذبية أو انتقالية.
تتركز الطاقة الحركية في الأنظمة التذبذبية في الحركة الترددية للجسم. يتم توفير الطاقة واستهلاكها في أجزاء ، بالتزامن مع حركة الجسم. الآلية معقدة للغاية ومتقلبة في الإعداد. تستخدم على نطاق واسع في الساعات الميكانيكية. عادة ما تكون كمية الطاقة المخزنة صغيرة وهي مناسبة فقط لتشغيل الجهاز نفسه.
أجهزة تخزين تعمل بالجيروسكوب
يتركز مخزن الطاقة الحركية في دولاب الموازنة الدوارة. الطاقة المحددة للحدافة تتجاوز بشكل كبير طاقة الحمل الساكن المماثل. من الممكن الحصول على طاقة كبيرة أو إخراجها في فترة زمنية قصيرة. وقت تخزين الطاقة قصير ، وفي معظم التصميمات يقتصر على بضع ساعات. تتيح التقنيات الحديثة إمكانية توفير وقت تخزين الطاقة لعدة أشهر. الحذافات حساسة جدًا للصدمات. طاقة الجهاز تعتمد بشكل مباشر على سرعة دورانه. لذلك ، في عملية تراكم وعودة الطاقة ، يحدث تغيير في سرعة دوران دولاب الموازنة. ولحمولة مثلكقاعدة عامة ، مطلوب سرعة دوران ثابتة ومنخفضة.
المزيد من الأجهزة الواعدة هي عجلات فائقة السرعة. وهي مصنوعة من شريط فولاذي أو ألياف صناعية أو أسلاك. قد يكون التصميم كثيفًا أو به مساحة فارغة. إذا كان هناك مساحة خالية ، تنتقل ملفات الشريط إلى محيط الدوران ، تتغير لحظة القصور الذاتي في دولاب الموازنة ، ويتم تخزين جزء من الطاقة في الزنبرك المشوه. في مثل هذه الأجهزة ، تكون سرعة الدوران أكثر ثباتًا منها في الهياكل الصلبة ، كما أن استهلاكها للطاقة أعلى بكثير. هم أيضا أكثر أمانا.
الحذافات الفائقة الحديثة مصنوعة من ألياف كيفلر. أنها تدور في فراغ غرفة على تعليق مغناطيسي. قادرة على تخزين الطاقة لعدة أشهر.
التخزين الميكانيكي باستخدام قوى مرنة
هذا النوع من الأجهزة قادر على تخزين طاقة محددة ضخمة. من بين المحركات الميكانيكية ، تتميز بأعلى كثافة للطاقة للأجهزة ذات أبعاد عدة سنتيمترات. تحتوي الحذافات الكبيرة ذات السرعات العالية جدًا على محتوى طاقة أعلى بكثير ، لكنها معرضة جدًا للتأثيرات الخارجية ولديها وقت تخزين طاقة أقصر.
التخزين الميكانيكي لطاقة الربيع
قادرة على تقديم أعلى قوة ميكانيكية من أي فئة تخزين للطاقة. يقتصر فقط على قوة شد الربيع. يمكن تخزين الطاقة في الزنبرك المضغوط لعدة عقود. ومع ذلك ، بسبب التشوه المستمر ، يتراكم التعب في المعدن وقدرة الزنبركالنقصان. في الوقت نفسه ، يمكن أن تعمل النوابض الفولاذية عالية الجودة ، في ظل ظروف التشغيل المناسبة ، لمئات السنين دون خسارة ملحوظة في السعة.
يمكن إجراء وظائف الربيع بواسطة أي عناصر مرنة. الأربطة المطاطية ، على سبيل المثال ، تتفوق بعشرات المرات على منتجات الصلب من حيث الطاقة المخزنة لكل وحدة كتلة. لكن عمر خدمة المطاط بسبب الشيخوخة الكيميائية هو بضع سنوات فقط.
أجهزة التخزين الميكانيكية باستخدام طاقة الغازات المضغوطة
في هذا النوع من الأجهزة ، يتم تخزين الطاقة عن طريق ضغط الغاز. في حالة وجود فائض من الطاقة ، يتم ضخ الغاز تحت ضغط في الاسطوانة باستخدام ضاغط. عند الحاجة ، يتم استخدام الغاز المضغوط لتشغيل التوربينات أو المولد الكهربائي. عند السعات المنخفضة ، يُنصح باستخدام محرك مكبس بدلاً من التوربينات. يحتوي الغاز الموجود في وعاء تحت ضغط مئات من الغلاف الجوي على كثافة طاقة محددة عالية لعدة سنوات ، وبتركيبات عالية الجودة - لعقود.
تخزين الطاقة الحرارية
تقع معظم أراضي بلدنا في المناطق الشمالية ، لذلك يتم إنفاق جزء كبير من الطاقة للتدفئة. في هذا الصدد ، من الضروري حل مشكلة الاحتفاظ بالحرارة في المحرك بانتظام واستخراجها من هناك إذا لزم الأمر.
في معظم الحالات ، لا يمكن تحقيق كثافة عالية من الطاقة الحرارية المخزنة وأي فترات مهمة من الحفاظ عليها. الأجهزة الفعالة الموجودة فينظرا لبعض ميزاته وسعره المرتفع لا يصلح للتطبيق الواسع
التخزين بسبب السعة الحرارية
هذه من أقدم الطرق. يعتمد على مبدأ تراكم الطاقة الحرارية عند تسخين مادة ما ونقل الحرارة عند تبريدها. تصميم هذه المحركات بسيط للغاية. يمكن أن تكون قطعة من أي مادة صلبة أو حاوية مغلقة مع سائل تبريد. تتميز مراكم الطاقة الحرارية بعمر خدمة طويل جدًا ، وعدد غير محدود تقريبًا من دورات التراكم وإطلاق الطاقة. لكن وقت التخزين لا يتجاوز عدة أيام.
تخزين الطاقة الكهربائية
الطاقة الكهربائية هي الشكل الأكثر ملاءمة لها في العالم الحديث. هذا هو السبب في أن أجهزة التخزين الكهربائية تستخدم على نطاق واسع وأكثرها تطوراً. لسوء الحظ ، السعة المحددة للأجهزة الرخيصة صغيرة ، والأجهزة ذات السعة المحددة العالية باهظة الثمن وقصيرة العمر. أجهزة تخزين الطاقة الكهربائية هي المكثفات ، المؤيِّنات ، البطاريات.
مكثفات
هذا هو أضخم أنواع تخزين الطاقة. المكثفات قادرة على العمل في درجات حرارة من -50 إلى +150 درجة. عدد دورات تراكم وعودة الطاقة هو عشرات المليارات في الثانية. من خلال توصيل عدة مكثفات على التوازي ، يمكنك بسهولة الحصول على السعة المطلوبة. بالإضافة إلى ذلك ، هناك مكثفات متغيرة. يمكن تغيير سعة هذه المكثفات ميكانيكيًا أو كهربائيًا أو حسب درجة الحرارة. في أغلب الأحيان ، يمكن العثور على المكثفات المتغيرة بتنسيقالدوائر التذبذبية.
تنقسم المكثفات إلى فئتين - قطبية وغير قطبية. عمر خدمة القطبية (كهربائيا) أقصر من غير القطبية ، فهي تعتمد بشكل أكبر على الظروف الخارجية ، ولكن في نفس الوقت لديها سعة محددة أكبر.
لأن مكثفات تخزين الطاقة ليست أجهزة ناجحة للغاية. لديهم سعة منخفضة وكثافة معينة غير مهمة للطاقة المخزنة ، ويتم حساب وقت تخزينها بالثواني والدقائق ونادراً ساعات. تم استخدام المكثفات بشكل رئيسي في الإلكترونيات والهندسة الكهربائية للطاقة
حساب المكثف ، كقاعدة عامة ، لا يسبب صعوبات. يتم عرض جميع المعلومات اللازمة حول أنواع مختلفة من المكثفات في الأدلة الفنية.
Ionistors
تحتل هذه الأجهزة موقعًا وسيطًا بين المكثفات القطبية والبطاريات. يشار إليها أحيانًا باسم "المكثفات الفائقة". وفقًا لذلك ، لديهم عدد كبير من مراحل تفريغ الشحن ، السعة أكبر من قدرة المكثفات ، ولكنها أقل قليلاً من البطاريات الصغيرة. يصل وقت تخزين الطاقة إلى عدة أسابيع. المؤيِّنات حساسة جدًا لدرجة الحرارة.
بطاريات الطاقة
تستخدم البطاريات الكهروكيميائية إذا كنت بحاجة لتخزين الكثير من الطاقة. تعد أجهزة الرصاص الحمضية هي الأنسب لهذا الغرض. تم اختراعهم منذ حوالي 150 عامًا. ومنذ ذلك الحين ، لم يتم إدخال أي جديد جوهري في جهاز البطارية. ظهرت العديد من النماذج المتخصصة ، وزادت جودة المكونات بشكل كبير ،موثوقية البطارية. يشار إلى أن جهاز البطارية الذي تم إنشاؤه بواسطة جهات تصنيع مختلفة يختلف فقط في التفاصيل الصغيرة لأغراض مختلفة.
البطاريات الكهروكيميائية مقسمة إلى جر وبدء. يستخدم الجر في النقل الكهربائي ، وإمدادات الطاقة غير المنقطعة ، والأدوات الكهربائية. تتميز هذه البطاريات بتفريغ منتظم طويل وعمق كبير. يمكن لبطاريات البادئ أن تقدم تيارًا عاليًا في فترة زمنية قصيرة ، لكن التفريغ العميق غير مقبول بالنسبة لها.
البطاريات الكهروكيميائية لها عدد محدود من دورات الشحن والتفريغ ، في المتوسط من 250 إلى 2000. حتى لو لم يتم استخدامها ، فإنها تفشل بعد بضع سنوات. البطاريات الكهروكيميائية حساسة لدرجة الحرارة ، وتتطلب فترات شحن طويلة ، وتتطلب صيانة صارمة.
يحتاج الجهاز الى اعادة الشحن بشكل دوري. يتم شحن البطارية المثبتة في السيارة من المولد. في فصل الشتاء لا يكفي ذلك ، فالبطارية الباردة لا تقبل الشحن بشكل جيد ، ويزداد استهلاك الكهرباء لبدء تشغيل المحرك. لذلك ، من الضروري شحن البطارية بالإضافة إلى ذلك في غرفة دافئة بشاحن خاص. من أهم عيوب أجهزة الرصاص الحمضية وزنها الثقيل.
بطاريات للأجهزة منخفضة الطاقة
إذا كانت الأجهزة المحمولة ذات الوزن المنخفض مطلوبة ، فاختر الأنواع التالية من البطاريات: النيكل والكادميوم ،ليثيوم أيون ، معدن هجين ، بوليمر أيون. لديهم سعة محددة أعلى ، لكن السعر أعلى من ذلك بكثير. يتم استخدامها في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والكاميرات وكاميرات الفيديو وغيرها من الأجهزة الصغيرة. تختلف أنواع البطاريات المختلفة في معاييرها: عدد دورات الشحن ، ومدة الصلاحية ، والسعة ، والحجم ، وما إلى ذلك.
تستخدم بطاريات الليثيوم أيون عالية الطاقة في السيارات الكهربائية والمركبات الهجينة. إنها خفيفة الوزن وقدرة محددة عالية وموثوقية عالية. في الوقت نفسه ، تعتبر بطاريات الليثيوم أيون شديدة الاشتعال. يمكن أن يحدث الاشتعال من ماس كهربائى ، أو تشوه ميكانيكي أو تدمير العلبة ، وانتهاكات لشحن البطارية أو تفريغها. يعد إطفاء الحريق أمرًا صعبًا للغاية نظرًا لارتفاع نشاط الليثيوم.
البطاريات هي العمود الفقري للعديد من الأجهزة. على سبيل المثال ، جهاز تخزين الطاقة للهاتف عبارة عن بطارية خارجية مدمجة موضوعة في علبة متينة ومقاومة للماء. يسمح لك بشحن أو تشغيل هاتفك الخلوي. أجهزة تخزين الطاقة المحمولة القوية قادرة على شحن أي أجهزة رقمية ، حتى أجهزة الكمبيوتر المحمولة. في مثل هذه الأجهزة ، كقاعدة عامة ، يتم تثبيت بطاريات ليثيوم أيون عالية السعة. كما أن تخزين الطاقة للمنزل لا يكتمل بدون بطاريات. لكن هذه أجهزة أكثر تعقيدًا. بالإضافة إلى البطارية ، فهي تشتمل على شاحن ونظام تحكم وعاكس. يمكن أن تعمل الأجهزة من شبكة ثابتة ومن مصادر أخرى. قدرة الخرج هي 5 كيلوواط في المتوسط.
محركاتالطاقة الكيميائية
فرق بين أنواع المحركات "الوقود" و "غير الوقود". إنها تتطلب تقنيات خاصة وغالبًا ما تتطلب معدات عالية التقنية ضخمة. تتيح العمليات المستخدمة الحصول على الطاقة بأشكال مختلفة. يمكن أن تحدث التفاعلات الكيميائية الحرارية في درجات حرارة منخفضة وعالية. يتم إدخال مكونات تفاعلات درجات الحرارة العالية فقط عندما يكون ذلك ضروريًا للحصول على الطاقة. قبل ذلك ، يتم تخزينها بشكل منفصل ، في أماكن مختلفة. عادة ما تكون مكونات تفاعلات درجات الحرارة المنخفضة في نفس الحاوية.
تخزين الطاقة عن طريق تشغيل الوقود
تتضمن هذه الطريقة مرحلتين مستقلتين تمامًا: تراكم الطاقة ("الشحن") واستخدامها ("التفريغ"). للوقود التقليدي ، كقاعدة عامة ، سعة طاقة كبيرة محددة ، وإمكانية التخزين على المدى الطويل ، وسهولة الاستخدام. لكن الحياة لا تقف مكتوفة الأيدي. يؤدي إدخال التقنيات الجديدة إلى زيادة الطلب على الوقود. يتم حل المهمة عن طريق تحسين أنواع الوقود الموجودة وإنشاء أنواع وقود جديدة عالية الطاقة.
التقديم الواسع للعينات الجديدة يعوقه التطوير غير الكافي للعمليات التكنولوجية ، ومخاطر الحرائق والانفجارات العالية في العمل ، والحاجة إلى موظفين مؤهلين تأهيلا عاليا ، والتكلفة العالية للتكنولوجيا.
تخزين الطاقة الكيميائية عديم الوقود
في هذا النوع من التخزين ، يتم تخزين الطاقة عن طريق تحويل بعض المواد الكيميائية إلى مواد أخرى. على سبيل المثال ، الجير المطفأ ، عند تسخينه ، ينتقل إلى حالة الجير الحي. عند التفريغ ، الطاقة المخزنةتطلق كحرارة وغاز. هذا هو بالضبط ما يحدث عندما يذوب الجير بالماء. لكي يبدأ التفاعل ، يكفي عادةً دمج المكونات. في الأساس ، هذا نوع من التفاعل الكيميائي الحراري ، فقط يحدث عند درجة حرارة مئات وآلاف الدرجات. لذلك ، فإن المعدات المستخدمة أكثر تعقيدًا وتكلفة.
