كيفية توفير الطاقة الكهربائية. تم حل مشكلة تخزين الكهرباء الزائدة

هل لاحظتم أنه في أسماء محطات إنتاج الطاقة كلمة "كهرباء" موجودة دائما؟ أي أنه بغض النظر عما نطبقه "على المدخلات"، فإن "الخرج" هو طاقة على شكل كهرباء.

منذ اكتشاف أن التيار الكهربائي يمكن أن يتدفق في المعادن، وينشأ جهد كهربائي في إطار سلكي يدور في مجال مغناطيسي، أصبح من الواضح أنه تم الحصول على طريقة ممتازة لتحويل ونقل وتوزيع الطاقة.

في الواقع، كيف يمكن نقل طاقة الماء المتساقط أو الحرارة المنبعثة أثناء الاحتراق إلى مسافة بعيدة؟ وبطبيعة الحال، من الممكن استخدام دوران العجلة الهيدروليكية التي تحرك المطحنة في الموقع. يمكنك نقل الماء الساخن عبر الأنابيب كما يفعلون في المدن لتدفئة المنازل. لكن لا تقم بتثبيت عمود دوار متعدد الكيلومترات! نعم، وسوف يبرد الماء إذا كانت الأنابيب طويلة جدًا.

لكن المولدات الكهربائية، التي تستقبل الطاقة من حيث المبدأ من كل ما يمكن أن يخلق دورانًا، تنتج تيارًا كهربائيًا، والذي ينقل بعد ذلك الطاقة عبر الأسلاك لمئات وآلاف الكيلومترات. فهي تتغذى على السيارات الكهربائية، والمصابيح في شوارع المدن وفي منازلنا، وجميع الأجهزة التي تكفي لتوصيلها بالشبكة. ليس من قبيل المبالغة أن نقول إن العالم كله تقريبًا يعتمد اليوم على الكهرباء، مثلما يعتمد الطفل على اللهاية.

وماذا تفعل إذا لم يتم إمداد الطاقة إلى مكان ما عبر "الأسلاك"؟ ثم سوف تساعدنا البطاريات. هذا هو حقا المنقذ! في أجهزة الراديو المحمولة ومسجلات الأشرطة والآلات الحاسبة وأجهزة السمع - في العدد الهائل من الأجهزة الحديثة، "تجلس" مصادر الكهرباء الصغيرة هذه.

بالإضافة إلى هذه الأجهزة المصغرة، هناك أيضًا بطاريات كبيرة جدًا، مألوفة لك بالطبع من السيارات. بالنسبة لهم، يتم إنتاج أكثر من 100 مليون بطارية رصاص سنويًا. وغواصات الديزل التابعة لأساطيل جميع الدول مجهزة ببطاريات مماثلة يصل وزنها إلى 180 طنًا!

لسوء الحظ، فإن الكتلة الكبيرة، وكذلك المواد الكيميائية الضارة المستخدمة فيها، لا تزال تشكل عقبة أمام إنشاء النقل على الجر الكهربائي المستقل.

وهذه مهمة ناضل من أجلها آلاف العلماء والمهندسين والمخترعين لعقود من الزمن. حتى الآن، لم يكن من الممكن تصميم بطارية جديدة بشكل أساسي من شأنها أن تسمح لك بالابتعاد عن مصادر الطاقة الأخرى لفترة طويلة، أي دون إعادة الشحن المتكرر.

ومع ذلك، يبدو أن الوضع البيئي سيجبرنا ببساطة على تقديم هذا الاختراع. بعد كل شيء، قاموا بإنشاء بطارية تتكون بالكامل من البلاستيك! إنه يعمل بشكل رائع في كل من الحرارة والبرودة، ويمكن تفريغه وشحنه حتى مائة مرة، وهو غير سام تقريبًا. لا يمكن مقارنة كل شيء بالبطاريات المعروفة بالفعل، لكن هذه خطوة مشجعة!

وفي هذه الساعة تكمن الطبيعة الحزينة وتتنهد بشدة والحرية البرية ليست عزيزة عليها. حيث لا يمكن فصل الشر عن الخير. وتحلم بعمود التوربين اللامع، وصوت العمل المعقول، وغناء الأنابيب، وتوهج السد، والأسلاك المملوءة بالتيار. N. Zabolotsky حسنا، طبيعة هادئة مسكون الرجل! لم يستطع تحمله...

اضطر علماء الآثار أكثر من مرة إلى إجهاد أدمغتهم عند التنقيب في مواقع القدماء. على سبيل المثال، وجدوا عصا ذات نهاية محترقة. يقول البعض أنهم حاولوا شحذ الرمح أو السهم في النار، ويقول آخرون أن هذه هي الطريقة التي حصلوا بها على النار. يتفق المتنازعون على أن الإنسان بدأ في إنتاج النار بشكل مستقل منذ حوالي 100 ألف عام. على وجه التحديد من تلقاء نفسها ، لأن ...

لقد مرت آلاف السنين، لكن الإنسان لم يتمكن من "تسخير" النار لجعلها تعمل. ثم تحولت أفكاره إلى الماء المتحرك. متى وأين دارت أول عجلة مائية؟ تم إطلاقه، على ما يبدو، في الهند القديمة، وفي الشرق الأوسط، وفي روما القديمة. أينما كان، وقد استخدم الإنسان هذه العجلات منذ فترة طويلة ...

مع اختراع المحرك البخاري، وبعد ذلك التوربين، تمكن الناس أخيرًا من جعل الحرارة المنبعثة أثناء الاحتراق تدور وتحريك آليات مختلفة. كانت هذه شفرات التوربينات، وعجلات المركبات، وأعمدة المولدات الحالية. المشكلة هي أنه من المستحيل استخدام كل الطاقة المنبعثة أثناء احتراق الوقود بكفاءة - لتحويلها إلى عمل مفيد لنا. في…

نعم، إنها البيئة التي تملي بالفعل، وقريبا، على ما يبدو، ستحدد تماما متطلبات أي مصادر للطاقة. فلا عجب أن يلجأ الناس مرارًا وتكرارًا إلى ما قدمته الطبيعة نفسها منذ فترة طويلة وبإصرار. بعد كل شيء ، إذا انتهت احتياطيات الوقود الأحفوري عاجلاً أم آجلاً ، وإذا قمنا بحرقها بانتهاك التوازن الحراري للأرض ، فلا ...

هل من الممكن اختراع مثل هذا المصدر للطاقة، مثل هذا المحرك الذي سيعمل "إلى الأبد" وليس له أي عيوب على الإطلاق؟ لن تلوث البيئة، ولن تزعج التوازن الحراري للكوكب، ولن تنتج أي شيء على الإطلاق، باستثناء الطاقة "النظيفة". وبعبارة أخرى، سيكون نوعا من الجهاز المثالي الذي ينقذنا من جميع مشاكل الطاقة. مئات السنين لها تاريخ من الخلق ...

بالطبع، لقد سمعت أن التيار ثابت ومتغير. فيما يلي علامات الزائد والناقص على البطاريات والمراكم. يشير هذا إلى أن لديك مصدر تيار مباشر أمامك. بمعنى آخر، إذا قمت بتوصيل مصباح كهربائي أو جهاز به، فإن الجسيمات المشحونة ستعمل على طول السلسلة، لتشكل تيارًا كهربائيًا، وفي اتجاه واحد. أ…

قادت الدراسات التي أجريت على أصغر بنية للمادة الناس إلى اكتشاف الطاقة الذرية. للأسف، في البداية الإنجاز المتميزتستخدم لصنع الأسلحة. لكن الناس وجدوا طريقة ليس فقط لإطلاق الطاقة الذرية بشكل فوري ومتفجّر، ولكنهم تمكنوا أيضًا من كبحها، أي جعل التفاعلات النووية تتقدم بشكل أبطأ، إذا جاز التعبير، تحت السيطرة. ثم الطاقة الهائلة المخبأة في أصغر...

عندما نقف تحت أشعة الشمس، نشعر بشكل مباشر بكمية الطاقة التي تحملها معهم. لكننا ما زلنا غير قادرين على تخزينها بالطريقة التي تفعلها النباتات. ومع ذلك، هناك العديد من المشاريع والاختراعات والأفكار في هذا المجال. على سبيل المثال، بطاريات أشباه الموصلات، والتي تسمح بتحويل طاقة الإشعاع الشمسي مباشرة إلى كهرباء. يتم تثبيت مصادر الطاقة هذه على الألواح الشمسية ...

أثبت علماء الآثار أن أقدم جهاز لتخزين الطاقة - دولاب الموازنة - قد تم تصنيعه منذ خمسة آلاف ونصف عام. لقد كانت عبارة عن عجلة خزفية مصنوعة من الطين المحروق، والتي تدور لفترة طويلة بعد الدوران، مما يؤدي إلى استنفاد الطاقة المخزنة تدريجيًا. خلصت الأبحاث التي أجريت في القطب الشمالي مؤخرًا إلى أن الشعر الأبيض للحيوانات الشمالية، وخاصة الدببة، لديه القدرة على التقاط ما يصل إلى 95 بالمائة ...

يو.ن.إلديشيف تعد مشكلة تخزين الطاقة واحدة من أهم المشاكل ليس فقط في قطاع الطاقة، ولكن أيضًا في الاقتصاد (وكذلك في العلوم) ككل. ولم يتم حلها بشكل كامل بعد. إن عدم قدرتنا على تخزين وتخزين الطاقة التي نتلقاها بشكل فعال يضر بشكل خاص بتطوير طرق "نظيفة" نسبيًا لإنتاجها باستخدام مصادر الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الكهرومائية أو الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح. ففي نهاية المطاف، ما زلنا غير قادرين على توفير إمدادات مضمونة من الطاقة للمستهلكين من هذه المصادر بسبب التغيرات اليومية والموسمية المفهومة، بل وحتى التي لا يمكن التنبؤ بها، في قدراتهم. ولذلك فإن أي معلومات حول الإنجازات في هذا المجال هي ذات أهمية كبيرة.
مشروع الميثان
حول طريقة جديدة لتخزين الطاقة الواردة من مصادر الطاقة المتجددة (أحد عيوبها الرئيسية هو على وجه التحديد عدم الاستقرار وعدم القدرة على التنبؤ بتوليد الطاقة) ، أعلنت الخدمة الصحفية لجمعية فراونهوفر مؤخرًا (جمعية جوزيف فراونهوفر هي النظير الألماني لـ الأكاديمية الروسية للعلوم الهندسية، هدفها الرئيسي هو تعزيز تطوير البحوث التطبيقية). طور علماء ألمان تقنية يتم من خلالها تحويل الكهرباء الزائدة المولدة بواسطة محطات الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح وغير المطلوبة في الوقت الحالي إلى غاز الميثان. يمكن تخزين الغاز الذي يتم الحصول عليه بهذه الطريقة لفترة طويلة بشكل تعسفي واستخدامه حسب الحاجة بمساعدة البنية التحتية للغاز الموجودة بالفعل.
المشروع التجريبي، الذي طوره مركز أبحاث الطاقة الشمسية والهيدروجين، والذي يقع في شتوتغارت (ألمانيا)، يتم تنفيذه حاليًا من قبل شركات متعاونة في النمسا وألمانيا. ومن المقرر إطلاق محطة صناعية تعتمد على هذه التقنية بقدرة عشرات الميجاوات في عام 2012.
وفقًا للمطورين، يستخدم النظام التجريبي الذي تم بناؤه في شتوتغارت الطاقة الزائدة الناتجة عن الألواح الشمسية وتوربينات الرياح (توربينات الرياح) لفصل الماء كهربائيًا إلى أكسجين وهيدروجين. بعد ذلك، يتحد الهيدروجين الناتج مع ثاني أكسيد الكربون المزود للنظام، ليشكل غاز الميثان، والذي يمكن بالفعل تخزينه واستخدامه لتوليد الطاقة في أي وقت. وفقا للعلماء، فإن كفاءة مثل هذا التحويل أعلى من 60٪.
ليس سراً أن الطرق "الكلاسيكية" لتخزين الكهرباء في المكثفات والبطاريات تتطلب إنشاء بنية تحتية خاصة (إضافية ومكلفة إلى حد ما). على عكس هذه الطرق لتخزين الطاقة في شكل غاز الميثان في ألمانيا، كما هو الحال في العديد من البلدان الأخرى، فإن جميع البنية التحتية اللازمة موجودة بالفعل - وهذا نظام موزع لمرافق تخزين الغاز ذات السعة الكبيرة. ولذلك، يرى واضعو هذه التكنولوجيا أنها قد تكون لها آفاق جيدة، لأن مثل هذا التحويل بكفاءة لائقة هو «بالتأكيد أفضل من الفقدان الكامل للكهرباء التي لا يمكن استخدامها هنا والآن». وحتى الآن، لم يتم اقتراح الكثير من البدائل الحقيقية لـ "تحويل الغاز" كطريقة لتخزين الطاقة.
"كعب أخيل" للمراكم الهيدروليكية
شرطة الأمن العام ل مظهريمكن أن تختلف بشكل كبير: العديد من محطات التخزين لا يمكن تمييزها تقريبًا عن محطة الطاقة الكهرومائية التقليدية الموجودة على نهر ذي منحدر كبير، ولكن هناك أيضًا تلك التي تحتوي على خزان تخزين غير عادي للغاية، مثل محطة تاوم سوك في ميسوري (الولايات المتحدة الأمريكية) التي تجذب انتباه العديد من السياح. ولكن على أي حال، فإن هذه الطريقة لتخزين وإعادة توزيع الطاقة لها عيب خطير - الحاجة إلى تنفير مساحات كبيرة للمسابح العلوية والسفلية، فضلا عن أعمال البناء واسعة النطاق (والمكلفة).
بديل الماء
واحدة من أقدم أجهزة تخزين الطاقة هي محطة توليد الطاقة بالضخ (PSPP). هذا هو اسم نوع من محطات الطاقة الكهرومائية، المصممة خصيصًا لمعادلة عدم التجانس اليومي للحمل الكهربائي. تستخدم محطة توليد الطاقة المخزنة بالضخ مجموعة من المولدات الكهربائية والمضخات الكهربائية أو وحدات الطاقة الكهرومائية الخاصة القابلة للعكس والقادرة على العمل كمولدات ومضخات. خلال الحد الأدنى من استهلاك الطاقة، يتلقى مزود الطاقة الكهرباء الرخيصة من شبكة الكهرباء وينفقها على ضخ المياه إلى المنبع، أي أنه يعمل كمضخة. وخلال فترات الذروة لاستهلاك الطاقة في الصباح والمساء، يقوم جهاز PSP بتصريف المياه من المنبع إلى المصب، بينما يقوم بتوليد كهرباء "ذروة" باهظة الثمن، والتي يوفرها لشبكة الكهرباء، أي يعمل كمولد كهربائي.
نظرًا لأن كفاءة مثل هذه المحطة في كلا الوضعين أقل من 100٪، فمن الواضح أنه نتيجة لذلك، تستهلك محطة توليد الطاقة المخزنة بالضخ كهرباء أكثر مما تنتج، أي أنها غير مربحة رسميًا. ومع ذلك، لا ينبغي لأحد أن ينسى أن PSP يستهلك طاقة "رخيصة"، ولكنه يسلم طاقة "باهظة الثمن" للشبكة، وبالتالي فإن النتيجة الاقتصادية لا تتطابق مع توازن الطاقة ولا يتم تحديدها بعمليات حسابية بسيطة. والحقيقة هي أنه في أنظمة الطاقة الكبيرة، هناك نسبة كبيرة هي قدرة محطات الطاقة الحرارية والنووية، التي لا يمكنها تقليل توليد الكهرباء بسرعة عندما ينخفض ​​استهلاك الطاقة، أو تفعل ذلك بخسائر كبيرة. وهذا هو السبب في أن التكلفة التجارية للكهرباء خلال فترة الاستهلاك الأعلى ("الذروة") في نظام الطاقة أعلى بكثير مما كانت عليه خلال فترة استهلاكها الأدنى، كما تبين أن استخدام محطة توليد الطاقة التي يتم ضخها للتخزين أمر مكلف. - فعال، مما يزيد من انتظام الحمل على السعات الأخرى لنظام الطاقة، وموثوقية مصدر الطاقة ككل.
تبدو محطة توليد الطاقة المخزنة بالضخ وكأنها نظام تخزين طاقة بسيط وموثوق به العديد من المزايا ونقطة ضعف واحدة فقط، ولكنها مهمة جدًا: لا يمكن بناؤها في كل مكان، وتستهلك مساحة كبيرة.
يمكن تخزين الطاقة... في الثلاجة
وفي الآونة الأخيرة نسبياً، اقتُرح توفير "طاقة الرياح" (الكهرباء التي يتم الحصول عليها من توربينات الرياح) عن طريق تغيير درجة الحرارة في مستودعات الثلاجات الضخمة، وهو ما لا يتطلب أي تكاليف رأسمالية تقريباً. قامت مجموعة من الباحثين من جامعات في بلغاريا والدنمارك وإسبانيا وهولندا بتطوير مشروع Night Wind، الذي يهدف إلى إنشاء نظام تخزين طاقة أوروبي يتم توليده بواسطة توربينات الرياح، بناءً على استخدام عناصر البنية التحتية الحالية.
الفكرة بسيطة: في الليل، عندما ينخفض ​​استهلاك الكهرباء وتستمر توربينات الرياح في العمل، يُقترح استخدام الكهرباء المولدة منها لخفض درجة الحرارة في الثلاجات الموجودة في مستودعات المواد الغذائية الكبيرة. وأظهرت التقديرات أنه يكفي خفض درجة الحرارة بمقدار درجة واحدة فقط مقارنة بالمعدل المعتاد. بمعنى آخر، سيتم "تخزين" الطاقة نتيجة لتبريد آلاف الأطنان من المنتجات المختلفة، والتي سيتم تخزينها بالطريقة المعتادة في مكان ما في الدنمارك أو هولندا أو فرنسا. خلال النهار، عندما يزيد استهلاك الكهرباء عدة مرات، يمكن ببساطة فصل كل هذه الثلاجات العملاقة عن الشبكة حتى ترتفع درجة الحرارة فيها تدريجياً بنفس الدرجة 1 درجة مئوية، أي تعود إلى قيمتها المعتادة.
وعلى الرغم من أنه، كما هو معروف، فإن الثلاجات نفسها، حتى أكبرها، بالطبع، لا تنتج أي كهرباء، إلا أن مثل هذه التقلبات في درجات الحرارة تكون درجة واحدة فقط مع فترة يوم، إذا تم تطبيقها في جميع المستودعات المبردة الكبيرة في أوروبا ، بحسب مؤلفي المشروع ، ستكون معادلة لظهور مجمع فائق بسعة 50 جيجاوات / ساعة في شبكة الكهرباء العامة!
أثبت مؤلفو المشروع فعالية الفكرة في عام 2007 من خلال تركيب توربين رياح بجوار أحد أكبر مستودعات التبريد في بيرغن (هولندا) وإنشاء نظام تحكم إلكتروني للثلاجة وفقًا للمبدأ الموضح أعلاه. والآن أصبح مصير المشروع في أيدي خبراء اقتصاد الطاقة، الذين يتعين عليهم أن يقرروا مدى ملاءمة الاعتماد على هذه الطريقة المحددة لتخزين الطاقة.
الحذافات
لا يزال العديد من الخبراء يعتبرون الحذافات أداة واعدة جدًا لتخزين الطاقة. الحديث عنهم مستمر منذ أكثر من عقد من الزمان. ولكن فقط في مؤخرالقد تم تطوير مشاريع عملية حقًا توضح قدرات محركات الأقراص هذه في الممارسة العملية.
مرة أخرى في عام 1964، البروفيسور ن. اقترح غوليا (رئيس القسم في جامعة موسكو الصناعية الحكومية مؤخرًا) نوعًا جديدًا من دولاب الموازنة، والذي كان من المفترض أن يكون بمثابة جهاز لتخزين الطاقة. لم يكن قرصًا صلبًا، بل كان نواة تحتوي على مئات وحتى آلاف الطبقات من الشريط الفولاذي الرقيق (البلاستيكي لاحقًا) ملفوفًا حوله، ومحاطًا بغلاف، تم إنشاء فراغ بداخله لتقليل فقد الاحتكاك. كما اتضح فيما بعد، يمكن لمثل هذه الحذافات الفائقة أن "تمتص" قدرًا كبيرًا من الطاقة لكل وحدة كتلة، لأن الطاقة المخزنة بها تم تحديدها في المقام الأول من خلال سرعة الدوران القصوى (نظرًا لأنها كانت متناسبة مع مربعها، وتعتمد خطيًا على الكتلة) ) والتي بدورها كانت محدودة بقوة المادة المختارة.
تتمتع الحذافات الفائقة الحديثة ذات اللفات المصنوعة من ألياف الكربون باستهلاك طاقة محدد يصل إلى 130 وات/كجم. هذا أدنى إلى حد ما من أداء أفضل بطاريات الليثيوم أيون، لكن تخزين دولاب الموازنة له مزاياه: فهو أرخص بكثير وأكثر متانة وأكثر أمانًا (ليس فقط من أجل صحة موظفي الخدمة، ولكن أيضًا، بنفس القدر من الأهمية، من أجل البيئة).
لقد جرب المخترع نفسه الكثير من الحذافات الفائقة منذ 40 عامًا، لأنه اعتبرها أجهزة واعدة لتخزين الطاقة للنقل، بل وقام ببناء عدة عينات من هذه المركبات. كما فكر في استخدامها في قطاع الطاقة كبديل للبطاريات، ولكن حتى وقت قريب، كانت فكرة استخدام الحذافات لتخزين الطاقة ليس في المختبرات، ولكن على المستوى الصناعي وفي شبكات الطاقة الحالية، تبدو غريبة وحتى طوباوية. إلى المتخصصين. في السنوات الأخيرة فقط بدأت بعض الشركات في الغرب إجراء أبحاث جادة في هذا المجال.
وهكذا، قام متخصصون من شركة Beacon Power الأمريكية بتطوير مجموعة من الحذافات الفائقة الثابتة المصممة للاتصال بشبكات الطاقة الصناعية. وهي مصنوعة من عدد كبير من طبقات المواد المركبة شديدة التحمل المعتمدة على ألياف الكربون، بحيث يمكنها تحمل الأحمال الضخمة، مما يسمح لها بزيادة سرعة دورانها إلى المستوى القياسي البالغ 22.5 ألف دورة في الدقيقة في بيئة ذات فراغ عالٍ. تدور الحذافات ذات التعليق المغناطيسي في حاويات أسطوانية يبلغ ارتفاعها حوالي متر واحد (النماذج الجديدة ستكون بالفعل أطول من الشخص)، حيث يتم إنشاء فراغ بداخلها. يمكن أن تصل كتلة هذا الهيكل إلى 1 طن.
على العمود الفولاذي للحذافة (في نفس المكان - داخل غلاف أسطواني فولاذي محكم الغلق) يوجد دوار لآلة كهربائية قابلة للانعكاس - مولد محرك بمغناطيس دائم، يقوم بتدوير دولاب الموازنة، أو تخزين الطاقة، أو التخلص منها ، توليد تيار كهربائي عند توصيل الحمل.
العمر التشغيلي المقدر لمثل هذا التصميم هو 20 عامًا، ويتراوح نطاق درجة حرارة التشغيل من -40 إلى +50 درجة مئوية، ويقاوم الزلازل التي تصل قوتها إلى 7.6 درجة على مقياس ريختر، وبعبارة أخرى، يتميز بخصائص الآن غير واقعي تمامًا بالنسبة للبطاريات الكيميائية الموجودة.
الهواء يوفر الطاقة
تعتزم شركة Magnum Energy HC الأمريكية استخدام الكهوف تحت الأرض على عمق حوالي 1.5 كيلومتر لتخزين الهواء المسال المستخدم في توليد الكهرباء. ومن المخطط إنشاء مرافق تخزين بالقرب من مدينة دلتا في ولاية يوتا، حيث توجد احتياطيات ضخمة من الملح تحت الأرض، والتي من المتوقع أن يتم غسلها باستخدام معدات خاصة. في المرحلة الأولى، من المخطط تجهيز مرافق التخزين ل غاز طبيعيتم استخراجها في مكان قريب - في جبال روكي. بعد تطوير التكنولوجيا، تعتزم الشركة البدء في إنشاء مخزن ... للهواء.
وفقا لمؤلفي هذا المشروع، يمكن اعتبار ضغط الهواء أحد أرخص الطرق لتخزين الطاقة. على سبيل المثال، في يوم صاف، ستنتج محطة الطاقة الشمسية فائضًا من الكهرباء. سيتم إرسالها لضغط وضخ الهواء. عند الحاجة إلى الكهرباء، سيضطر الهواء إلى تشغيل التوربينات. لذلك يأمل المؤلفون في التغلب على الصعوبة الرئيسية في الاستخدام الواسع النطاق لمصادر الطاقة المتجددة - عدم استقرار توليد الكهرباء، وبالتالي مشكلة تخزين وتحويل الطاقة منها.
ومع ذلك، في حين أن كمية الطاقة المخزنة بهذه الطريقة صغيرة - تصل إلى 25 كيلو واط / ساعة مع قوة قصوى تصل إلى 200 كيلو واط. وبحسب المطورين، فإن فقدان الطاقة المخزنة والمأخوذة من هذه الأجهزة التخزينية لا يتجاوز 2%، وهي أفضل بكثير من أنظمة تخزين الطاقة القائمة على مبادئ أخرى (محطات توليد الطاقة المخزنة بالضخ والبطاريات الكيميائية وغيرها). في الوقت نفسه، من الواضح أن عمر تخزين الطاقة في الحذافات، على عكس هذه الأنظمة، قصير - حتى الآن لا يمكننا التحدث إلا عن استخدامها كمخزن مؤقت يعوض الذروة والانخفاضات الحادة في استهلاك الكهرباء خلال النهار .
يمكن لمجموعات العديد من هذه الأجهزة المتصلة بالتوازي أن تتراكم بالفعل احتياطيات طاقة ملموسة تمامًا؛ في الوقت نفسه، ستكون الميزة الرئيسية هي أن هذا سيحدث بسرعة كبيرة (بنفس السرعة التي يمكن بها "المطالبة" بالمتراكمة). ولكن هذا مهم جدا. والحقيقة هي أن أي من قدرات التوليد الصناعية الحالية (على سبيل المثال، في محطات الطاقة الحرارية) لا يمكن أن تستجيب بسرعة للتغيرات في الحمل، وبشكل عام، فإن أي تغييرات في أوضاع عملها غير مربحة للغاية.
في مثل هذه المواقف المرتبطة بالقفزات الحادة في حمل الشبكة، يمكن أن تكون محركات دولاب الموازنة حلاً معقولاً تمامًا. وفقًا للمطورين، فإن وقت استجابة هذه الأنظمة رائع بكل بساطة - حوالي 5 مللي ثانية.
لقد أثبتت التركيبات التي تحتوي على هذه المجمعات بالفعل فعاليتها في الاختبارات في عدد من المستوطناتالولايات المتحدة، التي لم ينس سكانها بعد كابوس مدنهم التي فقدت الطاقة بسبب انقطاع التيار الكهربائي، وهي مستعدة لفعل الكثير لتقليل احتمالية وقوع مثل هذه الأحداث مرة أخرى.
ومع ذلك، يبدو أن نظام الطاقة الروسي، والذي، بسبب عدد من الميزات، أكثر مقاومة لتقلبات الأحمال بشكل ملحوظ من شبكة الطاقة الأمريكية، يمكن أن تكون أجهزة التخزين هذه مفيدة.
اختراع...شفرات
طريقة مثيرة للاهتماموجد سيموس غارفي، الأستاذ بجامعة نوتنغهام (بريطانيا العظمى)، أن طواحين الهواء الموجودة في أعالي البحار لا ينبغي أن تكون مجهزة بمولدات كهربائية على الإطلاق، لأن مثل هذه الأجهزة القوية التي تولد التيار حتى عند أدنى سرعات العمود تكون ثقيلة جدًا وبالتالي باهظة الثمن. بدلاً من ذلك، يقترح صنع شفرات طواحين الهواء... مجوفة. داخل كل واحد منهم، يجب أن يتحرك المكبس الثقيل بحرية. عندما ينزل النصل، يتحرك المكبس نحو نهايته، وعندما يرتفع، ينزلق المكبس، على العكس من ذلك، نحو المحور، ويضغط الهواء الذي دخل عبر الفتحات الموجودة في السكن. يتم ضخ الهواء المضغوط في أكياس خاصة مصنوعة من قماش صناعي رقيق ومتين، تطفو على عمق 500 متر!
تعمل هذه الخزانات، التي يتم منعها من الانفجار بسبب ضغط طبقات المياه المغطاة، كنوع من الحواجز التي تضمن توليد الطاقة بشكل موحد حتى مع ظروف الرياح التي لا يمكن التنبؤ بها. ومن الأسطوانات تحت الماء، يتم توفير الهواء عبر الأنابيب إلى مولدات توربينية مدمجة إضافية. وبحسب التقديرات فإن إمداداتها من المفترض أن تكون كافية للحفاظ على دورانها لعدة أيام، حتى مع الهدوء التام.
إن "أنظمة الطاقة المتجددة بالهواء المضغوط المتكاملة (ICARES)" مثيرة للإعجاب من حيث نطاقها: وفقًا لغارفي، حتى لا تتدلى المكابس على أطراف الشفرات بسبب قوى الطرد المركزي، يجب أن تتحرك التوربينة ببطء وتكون شديدة الحركة. كبير - قطره أكثر من 200 متر (مثالي 500 متر). أما بالنسبة لمخازن الطاقة تحت الماء، فيرى المؤلف أنها عبارة عن مجموعات عملاقة من وسائد هوائية ضخمة (قطرها 20 مترًا).
يجري العمل في المشروع منذ عام 2006، والآن أنشأت الجامعة شركة نمرود للطاقة، والتي ستكون مهمتها الرئيسية هي تسويق هذه التكنولوجيا. ومن المتوقع أن تظهر أنظمة ICARES في السوق خلال عام. ولكن في البداية سيتم استخدامها لتخزين الطاقة المولدة من محطات توليد الطاقة من أنواع أخرى. والتوربينات البحرية العملاقة من نمرود، وفقا لتوقعات المطورين، قد تظهر في غضون 10-15 سنة.
بطارية غير عادية وبعض الطرق الأخرى
اليوم، يرتبط النشاط العالي إلى حد ما في الغرب أيضًا بمشاريع تخزين الكهرباء المولدة، على وجه الخصوص، في توربينات الرياح التي تحظى بشعبية كبيرة هنا، في شكل هيدروجين تم الحصول عليه بمساعدتها. علاوة على ذلك، في مثل هذه المشاريع، يُقترح استخدام الهيدروجين ليس كوقود، ولكن كحامل طاقة مؤقت. ومع ذلك، وفقا للخبراء، فإن مثل هذه المخططات، التي يمكن أن تكون فعالة للغاية من وجهة نظر الطاقة ومقبولة تماما من وجهة نظر بيئية، للأسف لا تزال باهظة الثمن.
كما أن الأبحاث المتعلقة بالتقنيات المختلفة لضخ الهواء المضغوط إلى مرافق التخزين تحت الأرض أو تحت الماء لا تتوقف أيضًا.
ولكن، كما أشرنا سابقًا، فإن كل طريقة من طرق تخزين الطاقة المذكورة لها مزاياها وعيوبها، كل واحدة منها جيدة بطريقتها الخاصة، لكن لا يمكن اعتبار أي منها مثاليًا. وفي هذا الصدد، ظهرت مؤخرًا دعوات للعودة إلى البطاريات الكيميائية التي تبدو طويلة ومدروسة بشكل شامل. ومع ذلك، ليس عاديا تماما - ذاب.
في الواقع، تم أيضًا اختراع ما يسمى بالبطاريات الساخنة منذ سنوات عديدة. العديد من أصنافها معروفة ولها خصائص محددة تحسد عليها. الآن فقط ليس من السهل توفير درجة حرارة التشغيل اللازمة لهم بمئات الدرجات المئوية، لذلك يفرض هذا الشرط قيودًا خطيرة على المجالات الممكنة لتطبيقها، وكذلك على مدتها المحتملة (جميع المقترحات السابقة لاستخدام هذه البطاريات على تبين أن النطاق الكبير غير قادر على المنافسة بسبب مدته القصيرة للغاية). ومع ذلك، في محافظة أوموري اليابانية، على سبيل المثال، هناك مجمع مكون من 17 وحدة كبيرة من بطاريات كبريت الصوديوم الساخنة بقدرة 34 ميجاوات، والتي ترتبط بالشبكة من خلال محولات التيار المتردد/المستمر، تعمل منذ عدة سنوات. يعد هذا المجمع جزءًا من مزرعة رياح فوتاماتا الجديدة، مما يعمل بشكل كبير على تسهيل توليد الطاقة غير المتكافئ لتوربينات الرياح (مما يسمح بتلبية ذروة الاستهلاك اليومي وتجميع الطاقة في الليل).
لكن البطارية الجديدة، التي أنشأها العلماء الأمريكيون نموذجا أوليا، وفقا لتقديراتهم، ستكون أرخص بثلاث مرات من أفضل البطاريات اليوم، وأكثر متانة، والأهم من ذلك، أقوى بكثير. توصل البروفيسور دونالد سادواي وزملاؤه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إلى جهاز أصلي لتخزين الطاقة الكهربائية، والذي، في رأيهم، سيسمح باستخدام الطاقة المستلمة من الألواح الشمسية ليلاً (أو طاقة الرياح في الطقس الهادئ). في المستقبل القريب في المستقبل القريب. مثل هذه البطارية، بحجم حاوية القمامة المألوفة للأمريكيين في منزل فردي (يبلغ حجمها حوالي 150 لترًا)، وفقًا لسادوفاي، يمكن أن تصبح سمة أساسية للمنزل "الأخضر"، حيث توفر جميع احتياجاتها من الطاقة حتى في المنزل. ذروة الاستهلاك، وسيتم إعادة شحنها من طواحين الهواء والألواح الشمسية "المتقلبة". حسنًا، وفقًا للمطورين، فإن مجموعات كبيرة من هذه البطاريات ستكون قادرة تمامًا على توفير الكهرباء لمستوطنات بأكملها - محطة تخزين بسعة 13 جيجاوات (كافية لتزويد مدينة كبيرة بالطاقة) ستستغرق 6 هكتارات فقط.
كيف يتم تحقيق كثافة الطاقة هذه؟ والحقيقة هي أنه، كما يؤكد المطورون، فإن هذه البطاريات قادرة على إعطاء واستقبال تيار أكثر بعشر مرات من جميع أنواع البطاريات الكيميائية المعروفة.
وإدراكًا منه أن الكثير من التيار يمكن أن يؤدي بسهولة إلى إتلاف الجهاز، مما يؤدي ببساطة إلى ذوبان الهيكل بأكمله، اقترح سادواي: دع الحالة المنصهرة تكون هي القاعدة لجميع أجزاء البطارية. في البطاريات الساخنة القديمة، بالإضافة إلى الحالات وجهات الاتصال، كان هناك عنصر صلب آخر مهم (غير منصهر) - إلكتروليت صلب (سيراميك موصل خاص)، وفي البطارية الجديدة لا توجد أجزاء صلبة بالداخل على الإطلاق، باستثناء الجزء الخارجي في الحالة، كل شيء سائل - المنحل بالكهرباء والأقطاب الكهربائية. وجميع عناصر النظام الجديد غير العادي لا تمتزج مع بعضها البعض لاختلاف كثافتها، كما لا يختلط الزيت والماء في وعاء في حالة سكون. وبما أن البطارية الجديدة مصممة لتصبح جهازًا ثابتًا لتخزين الطاقة، فيبدو أنه لا يوجد شيء يمكن خلط السوائل به.
تشبه البطارية المطورة "زجاجًا" مقاومًا للحرارة (تعمل العلبة كجهة اتصال خارجية أولى)، ومغطاة بغطاء (جهة الاتصال الخارجية الثانية). بينهما - عازل، وحول قذيفة عازلة للحرارة. في قاع الحاوية، وضع الباحثون الأنتيمون (هذا هو القطب الكهربائي الداخلي الأول)، يليه كبريتيد الصوديوم (المنحل بالكهرباء)، والمغنيسيوم في الأعلى (القطب الداخلي الثاني). جميع المكونات منصهرة.
عند الشحن، تصبح طبقة المنحل بالكهرباء في مثل هذه البطارية أرق، والأقطاب الكهربائية المنصهرة أكثر سمكا. أثناء التفريغ، يحدث كل شيء بترتيب عكسي: تنتقل مادة الأقطاب الكهربائية (الأيونات) جزئيًا إلى المنحل بالكهرباء، بحيث تنمو الطبقة السائلة المركزية، وتتقلص الأقطاب الكهربائية الجانبية.
مثل هذا النظام، الذي يستخدم مبدأ غير عادي إلى حد ما في التشغيل والتصميم للبطاريات الكيميائية، كما اتضح فيما بعد، قادر على تحمل عدد كبير من دورات الشحن والتفريغ، أكبر بعدة مرات من أي شيء يمكن أن تثبته البطاريات السابقة، بالإضافة إلى ذلك ، يمكنه إعطاء واستقبال تيارات هائلة دون أي ضرر (ببساطة لا يوجد شيء يفشل في النظام). وأخيرا، تبين أن جميع مكونات هذه البطارية غير مكلفة بشكل مدهش، حتى تتمكن من تثبيت مثل هذه الأنظمة في أي مكان.
بني المؤلفون النموذج المبدئيبطارية ذائبة. قدرتها المحددة ليست مثيرة للإعجاب حتى الآن. ولكن هذا ليس بالغ الأهمية - بالنسبة لجهاز تخزين الطاقة الثابت، فإن كتلة النظام ليست مهمة للغاية. بالإضافة إلى ذلك، يعتقد العلماء أن جميع خصائص البطارية الجديدة يمكن تحسينها بشكل جدي من خلال الحفاظ على مبدأ التشغيل، ولكن اختيار مكونات أخرى.
يعد المطورون بإحضار النموذج الأولي الذي تم إنشاؤه إلى نسخة تجارية في غضون خمس سنوات. وهذا سريع جدًا، مع الأخذ في الاعتبار أن البطاريات الساخنة من الأنواع السابقة، رغم أنها اخترعت منذ زمن طويل جدًا، إلا أنها لا تزال تعتبر غريبة رغم كل محاولات تحسينها.
استنادًا إلى موقع sciencedaily.com، وphysorg.com، وmembrane.ru ومصادر أخرى

1. أطفئ الأضواء أثناء انتقالك من غرفة إلى أخرى. قم بتثبيت أجهزة استشعار الحركة الحرارية التي ستطفئ الأضواء لك.
2. استخدم الإضاءة المحلية: الأضواء، مصابيح الأرضية، الشمعدانات. على سبيل المثال، من أجل عدم تشغيل مصادر الضوء الرئيسية في كل مرة، من الأفضل تثبيت الإضاءة الخلفية من شريط LED في الغرفة.
3. تذكر أن النظافة هي مفتاح الادخار. النوافذ المتسخة ومصابيح السقف المتربة تقلل من مستوى الإضاءة في الغرفة بنسبة تصل إلى 35٪.
4. عند الإصلاح، ضع في اعتبارك أن الجدران الخفيفة ستعكس ما يصل إلى 80٪ من تدفق الضوء، والظلام - حوالي 12٪ فقط.
5. استبدال المصابيح المتوهجة بأخرى موفرة للطاقة ومصابيح LED. سيؤدي استبدال مصباح واحد فقط إلى توفير حوالي 1000 روبل سنويًا.

خذ على سبيل المثال موسكو. 1 كيلوواط ساعة في التكاليف الرأسمالية تعريفات الطاقة الكهربائية للسكان وفئات المستهلكين المساوية لها في إقليم موسكو، باستثناء منطقتي ترويتسكي ونوفوموسكوفسك الإداريتين 5.38 روبل. تخيل أنه في ثلاث شقق يتم تشغيل ثلاث مصابيح كهربائية لمدة ثماني ساعات يوميًا: مصابيح LED وموفرة للطاقة ومصابيح متوهجة. للحصول على صورة أكثر موضوعية، سنختار مصابيح ذات قوة تعطي نفس مستوى الإضاءة تقريبًا. وهذا ما حصلنا عليه.

نوع المصباح	قاد	توفير الطاقة	ساطع
استهلاك الطاقة، كيلوواط	0,013	0,025	0,1
عمر المصباح، ساعات	50 000	8 000	1 000
تكلفة المصباح، فرك.	248	200	11
تكلفة ساعة التشغيل تكلفة ساعة التشغيل = التعرفة × الطاقة + تكلفة المصباح ⁄ المورد، فرك.	0,0749	0,1595	0,549
الادخار بالساعة التوفير في الساعة = تكلفة تشغيل المصباح المتوهج − تكلفة تشغيل مصباح مماثل، فرك.	0,4741	0,3895	-
فترة الاسترداد وقت الاسترداد بالساعات = (تكلفة المصباح − تكلفة المصباح المتوهج) ⁄ التوفير بالساعة، يشاهد	499,89	485,24	-
فترة الاسترداد فترة الاسترداد بالأيام = فترة الاسترداد بالساعات ⁄ 8، أيام	62,49	60,65	-
الادخار السنوي التوفير السنوي = (8 × 365 − ساعات الاسترداد) × التوفير بالساعة، فرك.	1147,37	948,34	-

اتضح أنه خلال شهرين، سيسمح لك مصباح واحد موفر للطاقة بتوفير 40 كوبيل كل ساعة، و 10 مصابيح كهربائية - 4 روبل.

استخدام الأجهزة الكهربائية بشكل صحيح

1. في حالة عدم وجود تعرفة ثنائية، قم بإيقاف تشغيل جميع الأجهزة الكهربائية غير الضرورية في الليل، و جهاز شحن- بعد إعادة الشحن الكامل للمعدات.
2. يجب إزالة الجليد من الثلاجة بانتظام إذا لم يكن بها نظام خاص لمنع الصقيع. تأكد من وضع الجهاز بعيدًا قدر الإمكان عن السخانات ومن توفير التهوية الطبيعية للجدار الخلفي. ضع فيه الأطباق الباردة فقط!
3. راقب أداء شعلات الموقد الكهربائي وضع عليها فقط الأطباق ذات الحجم المناسب ذات القاع المسطح.
4. قم بتغطية القدور والمقالي بالأغطية: فهي تقلل من فقدان الحرارة بمقدار الثلث تقريبًا.
5. حاول عدم التحميل الزائد على الغسالة (التحميل الزائد يزيد من استهلاك الكهرباء بنسبة تصل إلى 10%) واستخدم إعداد درجة الحرارة المتوسطة. الغسيل عند 30 درجة يستهلك طاقة أقل بنسبة 35% من الغسيل عند 40 درجة.
6. استخدم غلاية كهربائية بدلًا من الموقد الكهربائي لتسخين المياه. سيكون هذا أكثر اقتصادا بكثير. قم بغلي كمية السائل المطلوبة في الوقت الحالي فقط.
7. قم بتنظيف المراوح وفلاتر مكيف الهواء بانتظام.
8. الأشياء التي تتطلب منخفضة نظام درجة الحرارةبعد إطفاء المكواة.
9. لا تترك الأجهزة، بما في ذلك أجهزة الميكروويف وأجهزة التلفزيون وأجهزة الكمبيوتر والماسحات الضوئية والطابعات وأجهزة المودم، في وضع الاستعداد. سيوفر هذا أكثر من 200 كيلووات في الساعة سنويًا.
10. استخدام المنافذ الكهربائية مع جهاز توقيت.

شراء الأجهزة المنزلية الموفرة للطاقة

1. يتم تمييز جميع الأجهزة الكهربائية بالأحرف اللاتينية من A+++ إلى G. اختر المعدات ذات فئة متدنيةالاستهلاك المسمى A و B.
2. قم بشراء الأجهزة التي تستخدم أحدث تقنيات توفير الطاقة. على سبيل المثال، أصبحت مواقد الحث أكثر شيوعًا لأنها تقوم فقط بتسخين الجزء السفلي من أواني الطهي ولا تهدر الطاقة. كفاءة هذه اللوحات تصل إلى 95٪!

تثبيت عداد التعريفتين

1. يتيح لك عداد التعريفتين الادخار في الليل. هذه العدادات مفيدة لأولئك الذين يمكنهم استخدام الطاقة بكثافة الأجهزة: غسالة صحون وغسالة ملابس، ماكينة الخبز - من 23.00 إلى 7.00. في المتوسط، يدفع العداد تكاليفه لمدة عام.

لا تضيعوا الحرارة الخاصة بك

1. بدلاً من المدفأة التقليدية، استخدم مكيف الهواء المضبوط على وضع التدفئة. إذا سمحت الشركة المصنعة بذلك بالطبع. لا يمكن استخدام العديد من مكيفات الهواء في درجات حرارة منخفضة.
2. يعد سخان الأشعة تحت الحمراء أكثر اقتصادا بنسبة 30-80٪ من الأنواع الأخرى.
3. إذا كان هناك بطاريات كهربائية في المنزل، حاولي الحفاظ عليها نظيفة حتى لا يمتص الغبار بعضاً من الحرارة، ولا تضطري إلى ارتفاع درجة الحرارة.
4. باستخدام سخان الماء، خفض درجة حرارة تسخين الماء.
5. استبدل سخان المياه المخزن لديك بسخان مياه فوري. لذلك لن تهدر الكهرباء للحفاظ باستمرار على درجة حرارة معينة من الماء.
6. تسخين الماء فقط عند الضرورة. افصلي الغلاية عن مصدر التيار الكهربائي عند مغادرة المنزل وفي الليل.
7. قم بتنظيف سخان الماء منه مرة كل ثلاثة أشهر، مما يزيد من استهلاك الطاقة بنسبة 15-20%.
   • افصل الجهاز عن التيار الكهربائي وأوقف إمداد المياه.
   • استنزاف الماء تماما.
   • قم بإزالة غطاء الغلاية، وافصل الأسلاك بعناية، ثم قم بفك منظم الحرارة.
   • قم بفك الصواميل التي تحمل الحافة. ادفع الحافة لأعلى، وقم بتدويرها واسحبها للخارج.
   • يمكنك الآن تنظيف عنصر التسخين باستخدام فرشاة سلكية. سيساعد أيضًا محلول حمض الأسيتيك والماء الساخن (1: 5) على التخلص من البلاك. فقط ضع عنصر التسخين فيه لمدة 30 دقيقة وتأكد من أن المطاط الختم لا يتلامس مع الحمض.

بيئة الاستهلاك: العلوم والتكنولوجيا: إحدى المشاكل الرئيسية للطاقة البديلة هي عدم تكافؤ إمداداتها من المصادر المتجددة. دعونا نفكر في كيفية تخزين أنواع الطاقة (رغم أنه للاستخدام العملي سنحتاج بعد ذلك إلى تحويل الطاقة المخزنة إلى كهرباء أو حرارة).

إحدى المشاكل الرئيسية للطاقة البديلة هي عدم تكافؤ إمداداتها من المصادر المتجددة. تشرق الشمس خلال النهار فقط وفي الطقس الصافي تهب الرياح أو تهدأ. نعم، والحاجة إلى الكهرباء ليست ثابتة، فمثلاً يستغرق الإضاءة أقل في النهار، وأكثر في المساء. ويحب الناس أن تغمر المدن والقرى بالأضواء ليلاً. حسنًا، أو على الأقل الشوارع مضاءة فقط. لذلك تنشأ المهمة - توفير الطاقة المستلمة لبعض الوقت من أجل استخدامها عندما تكون الحاجة إليها قصوى، والتدفق غير كاف.

هناك 6 أنواع رئيسية من الطاقة: الجاذبية، والميكانيكية، والحرارية، والكيميائية، والكهرومغناطيسية، والنووية. لقد تعلمت البشرية حتى الآن كيفية إنشاء بطاريات صناعية للطاقة من الأنواع الخمسة الأولى (حسنًا، باستثناء أن مخزونات الوقود النووي المتوفرة هي من أصل صناعي). سننظر هنا في كيفية تخزين وتخزين كل نوع من هذه الأنواع من الطاقة (على الرغم من أنه للاستخدام العملي سنحتاج بعد ذلك إلى تحويل الطاقة المتراكمة إلى كهرباء أو حرارة).

مراكم طاقة الجاذبية

في المجمعات من هذا النوع، في مرحلة تراكم الطاقة، يرتفع الحمل، ويتراكم الطاقة الكامنة، وفي الوقت المناسب يتراجع، مما يعيد هذه الطاقة بالفائدة. إن استخدام المواد الصلبة أو السوائل كبضائع يضفي خصائصه الخاصة على تصميم كل نوع. يشغل الموقع الوسيط بينهما استخدام المواد السائبة (الرمل، الرصاص، الكرات الفولاذية الصغيرة، إلخ).

تخزين طاقة الحالة الصلبة للجاذبية

إن جوهر أجهزة التخزين الميكانيكية الجاذبية هو أن حمولة معينة ترتفع إلى ارتفاع ويتم إطلاقها في الوقت المناسب، مما يجبر محور المولد على الدوران على طول الطريق. مثال على تنفيذ طريقة تخزين الطاقة هذه هو الجهاز الذي اقترحته شركة Advanced Rail Energy Storage (ARES) في كاليفورنيا. الفكرة بسيطة: في الوقت الذي تنتج فيه الألواح الشمسية وطواحين الهواء الكثير من الطاقة، يتم قيادة سيارات ثقيلة خاصة صعودًا بمساعدة المحركات الكهربائية. في الليل وفي المساء، عندما لا تكون هناك مصادر طاقة كافية لتزويد المستهلكين، تتوقف السيارات وتعيد المحركات التي تعمل كمولدات الطاقة المتراكمة إلى الشبكة.

تتميز جميع أجهزة التخزين الميكانيكية من هذه الفئة تقريبًا بتصميم بسيط للغاية، وبالتالي موثوقية عالية وعمر خدمة طويل. إن وقت تخزين الطاقة المخزنة مرة واحدة يكون غير محدود عمليا، ما لم ينهار الحمل والعناصر الهيكلية بمرور الوقت بسبب الشيخوخة أو التآكل.

يمكن إطلاق الطاقة المخزنة في رفع المواد الصلبة في وقت قصير جدًا. يتم فرض قيود على الطاقة المستلمة من هذه الأجهزة فقط من خلال تسارع السقوط الحر، والذي يحدد الحد الأقصى لمعدل الزيادة في سرعة الحمل المتساقط.

لسوء الحظ، فإن استهلاك الطاقة النوعية لهذه الأجهزة منخفض ويتم تحديده بواسطة الصيغة الكلاسيكية E = m · g · h. وبالتالي، من أجل تخزين الطاقة اللازمة لتسخين لتر واحد من الماء من 20 درجة مئوية إلى 100 درجة مئوية، من الضروري رفع طن من البضائع إلى ارتفاع 35 مترًا على الأقل (أو 10 أطنان × 3.5 متر). لذلك، عندما تكون هناك حاجة لتخزين المزيد من الطاقة، فإن هذا يؤدي على الفور إلى الحاجة إلى إنشاء هياكل ضخمة ومكلفة، كنتيجة حتمية.

عيب هذه الأنظمة هو أيضا أن المسار الذي يتحرك فيه الحمل يجب أن يكون حرا ومستقيما إلى حد ما، ومن الضروري أيضا استبعاد إمكانية الدخول العرضي للأشياء والأشخاص والحيوانات في هذه المنطقة.

تخزين السوائل الجاذبية

على عكس البضائع ذات الحالة الصلبة، عند استخدام السوائل، ليست هناك حاجة لإنشاء أعمدة مستقيمة ذات مقطع عرضي كبير لارتفاع المصعد بالكامل - يتحرك السائل أيضًا بشكل مثالي على طول الأنابيب المنحنية، والتي يجب أن يكون المقطع العرضي منها كافيًا فقط تمرير الحد الأقصى لتدفق التصميم من خلالها. ولذلك، ليس من الضروري وضع الخزانات العلوية والسفلية تحت بعضها البعض، ولكن يمكن أن تكون متباعدة بمسافة كبيرة بما فيه الكفاية.

هذه الفئة هي التي تشمل محطات توليد الطاقة التي يتم ضخها للتخزين (PSPPs).

هناك أيضًا مراكم هيدروليكية أصغر حجمًا لطاقة الجاذبية. أولاً، نقوم بضخ 10 أطنان من الماء من خزان تحت الأرض (بئر) إلى حاوية على برج. ثم يتدفق الماء من الخزان تحت تأثير الجاذبية إلى الخزان، مما يؤدي إلى تدوير التوربين بمولد كهربائي. يمكن أن تصل مدة خدمة محرك الأقراص هذا إلى 20 عامًا أو أكثر. المزايا: عند استخدام توربينات الرياح، يمكن للأخيرة تشغيل مضخة مياه مباشرة، ويمكن استخدام المياه من الخزان الموجود على البرج لاحتياجات أخرى.

لسوء الحظ، فإن الحفاظ على الأنظمة الهيدروليكية في حالة فنية مناسبة أكثر صعوبة من الحفاظ عليها في الحالة الصلبة - ويتعلق هذا في المقام الأول بضيق الخزانات وخطوط الأنابيب وإمكانية خدمة معدات الإغلاق والضخ. وهناك شرط آخر مهم - في لحظات تراكم واستخدام الطاقة، يجب أن يكون السائل العامل (على الأقل جزء كبير منه) في حالة تجميع سائلة، ولا يكون في شكل جليد أو بخار. ولكن في بعض الأحيان في مثل هذه البطاريات، من الممكن الحصول على طاقة مجانية إضافية، على سبيل المثال، عند تجديد الخزان العلوي بمياه الذوبان أو مياه الأمطار.

تخزين الطاقة الميكانيكية

تتجلى الطاقة الميكانيكية في تفاعل وحركة الأجسام الفردية أو جزيئاتها. وهي تشمل الطاقة الحركية لحركة أو دوران الجسم، وطاقة التشوه أثناء الانحناء، والتمدد، والالتواء، وضغط الأجسام المرنة (الينابيع).

تخزين الطاقة الجيروسكوبية

في المراكم الجيروسكوبية، يتم تخزين الطاقة على شكل طاقة حركية لدولاب الموازنة الذي يدور بسرعة. إن الطاقة المحددة المخزنة لكل كيلوغرام من وزن دولاب الموازنة أكبر بكثير مما يمكن تخزينه في كيلوغرام من الوزن الساكن، حتى عند رفعه إلى أعلى ارتفاع كبيروتعد أحدث التطورات التقنية العالية بكثافة من الطاقة المخزنة تضاهي الطاقة الكيميائية لكل وحدة كتلة على الإطلاق أنواع فعالةالوقود الكيميائي.

ميزة أخرى ضخمة لدولاب الموازنة هي القدرة على إرجاع أو استقبال طاقة كبيرة جدًا بسرعة، تقتصر فقط على قوة شد المواد في حالة ناقل الحركة الميكانيكي أو "قدرة" ناقل الحركة الكهربائي أو الهوائي أو الهيدروليكي.

ولسوء الحظ، فإن الحذافات حساسة للاهتزازات والدوران في مستويات أخرى غير مستوى الدوران، لأن هذا يخلق أحمالًا جيروسكوبية ضخمة تميل إلى ثني المحور. بالإضافة إلى ذلك، فإن وقت تخزين الطاقة المتراكمة بواسطة دولاب الموازنة قصير نسبيًا، وبالنسبة للتصميمات التقليدية، يتراوح عادةً من بضع ثوانٍ إلى عدة ساعات. علاوة على ذلك، يصبح فقدان الطاقة بسبب الاحتكاك ملحوظا للغاية ... ومع ذلك، فإن التقنيات الحديثة تجعل من الممكن زيادة وقت التخزين بشكل كبير - ما يصل إلى عدة أشهر.

أخيرًا، هناك لحظة أخرى غير سارة - تعتمد الطاقة المخزنة بواسطة دولاب الموازنة بشكل مباشر على سرعة دورانها، وبالتالي، مع تراكم الطاقة أو إطلاقها، تتغير سرعة الدوران طوال الوقت. في الوقت نفسه، يتطلب الحمل في كثير من الأحيان سرعة دوران مستقرة، لا تتجاوز عدة آلاف من الثورات في الدقيقة. لهذا السبب، قد تكون الأنظمة الميكانيكية البحتة لنقل الطاقة من وإلى دولاب الموازنة معقدة للغاية بحيث لا يمكن تصنيعها. في بعض الأحيان يمكن تبسيط الموقف عن طريق ناقل الحركة الكهروميكانيكي باستخدام مولد محرك موجود على نفس عمود دولاب الموازنة أو متصل به بواسطة علبة تروس صلبة. ولكن بعد ذلك، فإن فقدان الطاقة لأسلاك التدفئة واللفات أمر لا مفر منه، والذي يمكن أن يكون أعلى بكثير من خسائر الاحتكاك والانزلاق في المتغيرات الجيدة.

من الأمور الواعدة بشكل خاص ما يسمى بالحذافات الفائقة، والتي تتكون من لفائف من الشريط الفولاذي أو الأسلاك أو الألياف الاصطناعية عالية القوة. يمكن أن يكون اللف كثيفًا، أو يمكن أن يحتوي على مساحة فارغة تم تركها خصيصًا. في الحالة الأخيرة، عندما تنحل دولاب الموازنة، تتحرك لفات الشريط من مركزها إلى محيط الدوران، مما يغير عزم القصور الذاتي للحدافة، وإذا كان الشريط زنبركي، فسيتم تخزين جزء من الطاقة في الطاقة من التشوه المرن للربيع. نتيجة لذلك، في مثل هذه الحذافات، لا ترتبط سرعة الدوران بشكل مباشر بالطاقة المتراكمة وهي أكثر استقرارًا بكثير من أبسط الهياكل المكونة من قطعة واحدة، كما أن استهلاكها للطاقة أعلى بشكل ملحوظ.

بالإضافة إلى زيادة كثافة الطاقة، فهي أكثر أمانًا في حالة وقوع حوادث مختلفة، لأنه على عكس شظايا دولاب الموازنة الكبيرة المتجانسة، القابلة للمقارنة في الطاقة والقوة التدميرية مع قذائف المدفع، فإن شظايا الزنبرك لديها "قوة ضارة" أقل بكثير وعادة ما تكون فعالة جدًا إبطاء دولاب الموازنة المنفجر بسبب الاحتكاك بجدران العلبة. لنفس السبب، فإن الحذافات الصلبة الحديثة، المصممة للعمل في أوضاع قريبة من إعادة توزيع قوة المواد، غالبا ما تكون غير متجانسة، ولكنها منسوجة من الكابلات أو الألياف المشربة بمادة رابطة.

توفر التصميمات الحديثة المزودة بغرفة دوران مفرغة وتعليق مغناطيسي للحذافة الفائقة المصنوعة من ألياف الكيفلار كثافة طاقة مخزنة تزيد عن 5 ميجا جول / كجم، ويمكنها تخزين الطاقة الحركية لأسابيع وأشهر. وفقًا لتقديرات متفائلة، فإن استخدام ألياف "فائقة الكربون" للخدمة الشاقة لللف سيزيد من سرعة الدوران والكثافة النوعية للطاقة المخزنة عدة مرات أكثر - ما يصل إلى 2-3 جيجا جول / كجم (يعدون بأن دورة واحدة من مثل هذه الحذافة التي تزن 100-150 كجم ستكون كافية لمسافة مليون كيلومتر أو أكثر، أي طوال عمر السيارة تقريبًا!). ومع ذلك، فإن تكلفة هذه الألياف أعلى بعدة مرات من تكلفة الذهب، لذلك حتى الشيوخ العرب لا يستطيعون شراء مثل هذه الآلات بعد ... يمكن العثور على مزيد من التفاصيل حول محركات دولاب الموازنة في كتاب نوربي غوليا.

تخزين طاقة الرنين الجيروسكوبي

هذه المحركات هي نفس دولاب الموازنة، ولكنها مصنوعة من مادة مرنة (على سبيل المثال، المطاط). ونتيجة لذلك، فقد أصبح له خصائص جديدة بشكل أساسي. مع زيادة السرعة، تبدأ "النمو" - "البتلات" في التكون على مثل هذه الحذافة - أولاً تتحول إلى شكل بيضاوي، ثم إلى "زهرة" بثلاث أو أربع "بتلات" أو أكثر ... علاوة على ذلك، بعد التكوين تبدأ "البتلات"، ولا تتغير سرعة دوران دولاب الموازنة عمليًا، ويتم تخزين الطاقة في موجة الرنين من التشوه المرن لمادة دولاب الموازنة، التي تشكل هذه "البتلات".

في أواخر السبعينيات وأوائل الثمانينيات، شاركت N. Z. Garmash في مثل هذه الإنشاءات في دونيتسك. كانت نتائجه مثيرة للإعجاب - وفقًا لتقديراته، مع سرعة تشغيل دولاب الموازنة تبلغ 7-8 آلاف دورة في الدقيقة فقط، كانت الطاقة المخزنة كافية لتسافر السيارة مسافة 1500 كيلومتر مقابل 30 كيلومترًا باستخدام دولاب الموازنة التقليدي من نفس الحجم. ولسوء الحظ، فإن المعلومات الأحدث حول هذا النوع من محركات الأقراص غير معروفة.

المراكم الميكانيكية التي تستخدم القوى المرنة

تتمتع هذه الفئة من الأجهزة بسعة محددة كبيرة جدًا من الطاقة المخزنة. إذا كان من الضروري مراقبة أبعاد صغيرة (عدة سنتيمترات)، فإن كثافة طاقتها هي الأعلى بين أجهزة التخزين الميكانيكية. إذا لم تكن متطلبات خصائص الوزن والحجم صارمة للغاية، فإن الحذافات الكبيرة فائقة السرعة تتجاوزها من حيث كثافة الطاقة، ولكنها أكثر حساسية للعوامل الخارجية ولديها وقت تخزين طاقة أقل بكثير.

المراكم الميكانيكية الربيعية

يمكن أن يوفر ضغط وتمديد الزنبرك تدفقًا وإمدادًا كبيرًا جدًا من الطاقة لكل وحدة زمنية - وربما تكون أعلى قوة ميكانيكية بين جميع أنواع أجهزة تخزين الطاقة. كما هو الحال في الحذافات، فهي محدودة فقط بقوة شد المواد، لكن الينابيع عادة ما تنفذ حركة انتقالية عاملة مباشرة، وفي الحذافات لا يمكنك الاستغناء عن ناقل حركة معقد إلى حد ما (ليس من قبيل الصدفة أن تستخدم الأسلحة الهوائية إما نوابض ميكانيكية أو عبوات الغاز، والتي تكون في الأساس عبارة عن نوابض هوائية مشحونة مسبقًا؛ حتى الأسلحة الناريةللقتال عن بعد، تم أيضًا استخدام أسلحة زنبركية - الأقواس والأقواس، والتي، قبل فترة طويلة من العصر الجديد، استبدلت القاذفة بالكامل بتراكم الطاقة الحركية في القوات المحترفة).

يمكن أن يصل عمر تخزين الطاقة المتراكمة في الزنبرك المضغوط إلى سنوات عديدة. ومع ذلك، يجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه تحت تأثير التشوه المستمر، فإن أي مادة تتراكم التعب بمرور الوقت، وتتغير الشبكة البلورية للمعدن الزنبركي ببطء، وكلما زادت الضغوط الداخلية وارتفاع درجة الحرارة المحيطة، كلما كان ذلك أسرع وأسرع إلى حد أكبر سيحدث هذا. لذلك، بعد عدة عقود، قد يكون الربيع المضغوط، دون تغيير خارجي، "تفريغ" كليا أو جزئيا. ومع ذلك، فإن الينابيع الفولاذية عالية الجودة، إذا لم تتعرض لارتفاع درجة الحرارة أو انخفاض حرارة الجسم، تكون قادرة على العمل لعدة قرون دون فقدان واضح للقدرة. على سبيل المثال، لا تزال ساعة الحائط الميكانيكية القديمة من أحد المصانع الكاملة تعمل لمدة أسبوعين - تمامًا كما فعلت منذ أكثر من نصف قرن عندما تم تصنيعها.

إذا كان من الضروري "شحن" و"تفريغ" الزنبرك تدريجيًا بشكل متساوٍ، فإن الآلية التي توفر ذلك يمكن أن تكون معقدة للغاية ومتقلبة (انظر إلى نفس الساعة الميكانيكية - في الواقع، تخدم الكثير من التروس والأجزاء الأخرى هذا الغرض بالذات ). يمكن أن يؤدي ناقل الحركة الكهروميكانيكي إلى تبسيط الموقف، لكنه عادة ما يفرض قيودًا كبيرة على الطاقة اللحظية لمثل هذا الجهاز، وعند العمل بقدرات منخفضة (بضع مئات واط أو أقل)، تكون كفاءته منخفضة جدًا. مهمة منفصلة هي تراكم الطاقة القصوى في الحد الأدنى من الحجم، لأنه في هذه الحالة تنشأ ضغوط ميكانيكية قريبة من القوة النهائية للمواد المستخدمة، الأمر الذي يتطلب حسابات دقيقة بشكل خاص وصنعة لا تشوبها شائبة.

عند الحديث عن الينابيع هنا، من الضروري أن نأخذ في الاعتبار ليس فقط المعدن، ولكن أيضًا العناصر الصلبة المرنة الأخرى. والأكثر شيوعا بينها هي الأربطة المطاطية. بالمناسبة، من حيث الطاقة المخزنة لكل وحدة كتلة، يتجاوز المطاط الفولاذ بعشرة أضعاف، لكنه يخدم نفس الكمية تقريبًا، وعلى عكس الفولاذ، فإنه يفقد خصائصه بعد بضع سنوات حتى بدون الاستخدام النشط وفي ظل ظروف خارجية مثالية. الظروف - بسبب الشيخوخة الكيميائية السريعة نسبيًا وتدهور المادة.

التخزين الميكانيكي للغاز

في هذه الفئة من الأجهزة، يتم تخزين الطاقة بسبب مرونة الغاز المضغوط. مع وجود فائض من الطاقة، يضخ الضاغط الغاز إلى الاسطوانة. وعندما يتطلب الأمر استخدام الطاقة المخزنة، يتم إمداد الغاز المضغوط إلى التوربين، الذي يقوم مباشرة بالأعمال الميكانيكية اللازمة أو يقوم بتدوير المولد الكهربائي. بدلاً من التوربين، يمكنك استخدام محرك مكبس، وهو أكثر كفاءة عند الطاقة المنخفضة (بالمناسبة، هناك أيضًا ضواغط محرك مكبس قابلة للعكس).

تم تجهيز كل ضاغط صناعي حديث تقريبًا ببطارية مماثلة - جهاز استقبال. صحيح أن الضغط نادرًا ما يتجاوز 10 أجهزة الصراف الآلي، وبالتالي فإن احتياطي الطاقة في مثل هذا المستقبل ليس كبيرًا جدًا، ولكن حتى هذا يسمح عادةً بزيادة موارد التثبيت وتوفير الطاقة عدة مرات.

يمكن للغاز المضغوط لضغط عشرات ومئات من الأجواء أن يوفر كثافة محددة عالية بما فيه الكفاية من الطاقة المخزنة لفترة غير محدودة تقريبًا (أشهر، سنوات، وبجودة عالية لجهاز الاستقبال والصمامات - عشرات السنين - ليس كذلك من دون سبب أن الأسلحة الهوائية التي تستخدم خراطيش الغاز المضغوط أصبحت منتشرة على نطاق واسع). ومع ذلك، فإن الضاغط المزود بتوربين أو محرك ترددي المتضمن في التثبيت عبارة عن أجهزة معقدة للغاية ومتقلبة ولها موارد محدودة للغاية.

من التقنيات الواعدة لإنشاء احتياطيات الطاقة ضغط الهواء على حساب الطاقة المتاحة في وقت لا توجد فيه حاجة مباشرة لهذه الأخيرة. يتم تبريد الهواء المضغوط وتخزينه عند ضغط يتراوح بين 60 إلى 70 ضغطًا جويًا. وإذا لزم الأمر استخدام الطاقة المخزنة، يتم استخراج الهواء من المجمع، ويسخن، ومن ثم يدخل إلى توربين غازي خاص، حيث تقوم طاقة الهواء المضغوط والمسخن بتدوير مراحل التوربين، الذي يتم توصيل عموده بمصدر كهربائي المولد الذي ينتج الكهرباء لنظام الطاقة.

لتخزين الهواء المضغوط، يقترح، على سبيل المثال، استخدام أعمال المناجم المناسبة أو خزانات تحت الأرض تم إنشاؤها خصيصًا في الصخور المالحة. المفهوم ليس جديدًا، فقد تم تسجيل براءة اختراع تخزين الهواء المضغوط في كهف تحت الأرض في عام 1948، وتعمل أول محطة لتخزين طاقة الهواء المضغوط (CAES) بقدرة 290 ميجاوات في محطة هانتورف للطاقة في ألمانيا منذ عام 1978. . أثناء مرحلة ضغط الهواء، يتم فقدان كمية كبيرة من الطاقة على شكل حرارة. ويجب تعويض هذه الطاقة المفقودة بالهواء المضغوط قبل أن تتوسع التوربينة الغازية، ولهذا السبب يتم استخدام الوقود الهيدروكربوني لرفع درجة حرارة الهواء. وهذا يعني أن المنشآت بعيدة عن أن تكون فعالة بنسبة 100%.

هناك اتجاه واعد لتحسين فعالية CAES. وهو يتألف من الاحتفاظ والحفاظ على الحرارة المتولدة أثناء تشغيل الضاغط في مرحلة ضغط وتبريد الهواء، مع ما يلي ذلك إعادة استخدامعند إعادة تسخين الهواء البارد (ما يسمى بالاستجمام). ومع ذلك، فإن هذا الإصدار من CAES يواجه صعوبات فنية كبيرة، خاصة في اتجاه إنشاء نظام تخزين الحرارة على المدى الطويل. إذا تم حل هذه المشاكل، فإن AA-CAES (Advanced Adiabatic-CAES) يمكن أن يمهد الطريق لأنظمة تخزين الطاقة واسعة النطاق، وهي القضية التي أثارها الباحثون في جميع أنحاء العالم.

اقترح أعضاء الشركة الكندية الناشئة Hydrostor حلاً آخر غير عادي، وهو ضخ الطاقة إلى فقاعات تحت الماء.

تخزين الطاقة الحرارية

في ظروفنا المناخية، يتم إنفاق جزء كبير جدًا (غالبًا ما يكون الجزء الرئيسي) من الطاقة المستهلكة على التدفئة. لذلك، سيكون من المناسب جدًا تجميع الحرارة مباشرة في المخزن ثم استعادتها مرة أخرى. ولسوء الحظ، في معظم الحالات، تكون كثافة الطاقة المخزنة منخفضة للغاية، ويكون وقت حفظها محدودًا للغاية.

توجد مراكم حرارية تحتوي على مواد تخزين الحرارة الصلبة أو القابلة للاستهلاك؛ سائل؛ بخار؛ الكيميائية الحرارية. مع عنصر التدفئة الكهربائية. يمكن توصيل مراكم الحرارة بنظام يحتوي على غلاية وقود صلب أو نظام شمسي أو نظام مشترك.

تخزين الطاقة بسبب السعة الحرارية

في هذا النوع من البطاريات، تتراكم الحرارة بسبب السعة الحرارية للمادة التي تعمل كمائع التشغيل. المثال الكلاسيكي لمراكم الحرارة هو الموقد الروسي. تم تدفئتها مرة واحدة في اليوم ثم قامت بتدفئة المنزل خلال النهار. في الوقت الحاضر، غالبًا ما يعني المراكم الحرارية حاويات لتخزين الماء الساخن، مبطنة بمادة ذات خصائص عزل حراري عالية.

هناك أيضًا مراكم حرارية تعتمد على ناقلات حرارية صلبة، على سبيل المثال، في الطوب الخزفي.

المواد المختلفة لها قدرات حرارية مختلفة. بالنسبة للأغلبية، يكون في النطاق من 0.1 إلى 2 كيلوجول/(كجم ك). يتمتع الماء بسعة حرارية عالية بشكل غير عادي - تبلغ سعته الحرارية في الطور السائل حوالي 4.2 كيلوجول/(كجم كلفن). فقط الليثيوم الغريب جدًا لديه قدرة حرارية أعلى - 4.4 كيلوجول/(كجم · كلفن).

ومع ذلك، بالإضافة إلى السعة الحرارية النوعية (بالكتلة)، يجب أيضًا أن تؤخذ في الاعتبار السعة الحرارية الحجمية، مما يجعل من الممكن تحديد مقدار الحرارة اللازمة لتغيير درجة حرارة نفس الحجم من المواد المختلفة بنفس المقدار . ويتم حسابها من السعة الحرارية النوعية (الكتلة) المعتادة بضربها في الكثافة النوعية للمادة المقابلة. يجب توجيه السعة الحرارية الحجمية عندما يكون حجم المجمع الحراري أكثر أهمية من وزنه.

على سبيل المثال، تبلغ السعة الحرارية النوعية للصلب 0.46 كيلو جول / (كجم ك) فقط، ولكن الكثافة تبلغ 7800 كجم / م 3، ولنقل، بالنسبة للبولي بروبيلين - 1.9 كيلو جول / (كجم ك) - أكثر من 4 مرات أكثر، ولكن كثافته 900 كجم/متر مكعب فقط. لذلك، بنفس الحجم، سيكون الفولاذ قادرًا على تخزين حرارة أكثر بمقدار 2.1 مرة من مادة البولي بروبيلين، على الرغم من أنه سيكون أثقل بحوالي 9 مرات. ومع ذلك، نظرًا للسعة الحرارية العالية للمياه بشكل غير عادي، لا يمكن لأي مادة أن تتجاوزها من حيث السعة الحرارية الحجمية. ومع ذلك، فإن السعة الحرارية الحجمية للحديد وسبائكه (الصلب والحديد الزهر) تختلف عن الماء بأقل من 20% - في المتر المكعب الواحد يمكنهم تخزين أكثر من 3.5 ميجا جول من الحرارة لكل درجة تغير في درجة الحرارة، وهي السعة الحرارية الحجمية. من النحاس أقل قليلاً - 3.48 ميجا جول /(مكعب. م ك). تبلغ السعة الحرارية للهواء في الظروف العادية حوالي 1 كيلو جول / كجم ، أو 1.3 كيلو جول / م 3 ، لذلك من أجل تسخين متر مكعب من الهواء بمقدار 1 درجة ، يكفي تبريد أقل قليلاً من 1/3 لتر من الماء بنفس الدرجة (بطبيعة الحال، أكثر سخونة من الهواء).

نظرًا لبساطة الجهاز (ما الذي يمكن أن يكون أبسط من قطعة صلبة ثابتة أو خزان مغلق مزود بحامل حرارة سائل؟)، تتمتع أجهزة تخزين الطاقة هذه بعدد غير محدود تقريبًا من دورات تخزين وإرجاع الطاقة وعمر خدمة طويل جدًا - بالنسبة لناقلات الحرارة السائلة حتى يجف السائل أو حتى يتلف الخزان بسبب التآكل أو لأسباب أخرى، بالنسبة للحالة الصلبة لا توجد مثل هذه القيود. لكن وقت التخزين محدود للغاية، وعادة ما يتراوح من عدة ساعات إلى عدة أيام - لفترة أطول، لم يعد العزل الحراري التقليدي قادرًا على الاحتفاظ بالحرارة، وتكون الكثافة النوعية للطاقة المخزنة منخفضة.

وأخيرا، ينبغي التأكيد على ظرف آخر، ل عمل فعالليس فقط السعة الحرارية مهمة، ولكن أيضًا التوصيل الحراري لمادة المجمع الحراري. مع الموصلية الحرارية العالية، حتى للتغيرات السريعة إلى حد ما في الظروف الخارجية، سوف يستجيب المجمع الحراري بكتلته بأكملها، وبالتالي بكل الطاقة المخزنة - أي بأكبر قدر ممكن من الكفاءة.

في حالة التوصيل الحراري السيئ، فإن الجزء السطحي من مجمع الحرارة فقط سيكون لديه الوقت للرد، والتغيرات قصيرة المدى في الظروف الخارجية لن يكون لديها الوقت للوصول إلى الطبقات العميقة، وجزء كبير من مادة هذه سيتم في الواقع استبعاد تراكم الحرارة من العمل.

يحتوي مادة البولي بروبيلين، المذكورة في المثال الذي تمت مناقشته أعلاه، على موصلية حرارية أقل بحوالي 200 مرة من الفولاذ، وبالتالي، على الرغم من السعة الحرارية الكبيرة إلى حد ما، لا يمكن أن يكون تراكمًا فعالًا للحرارة. ومع ذلك، من الناحية الفنية، يتم حل المشكلة بسهولة عن طريق تنظيم قنوات خاصة لتداول سائل التبريد داخل المجمع الحراري، ولكن من الواضح أن مثل هذا الحل يعقد التصميم بشكل كبير، ويقلل من موثوقيته واستهلاك الطاقة، وسيتطلب بالتأكيد صيانة دورية ، وهو أمر لا يكاد يكون ضروريًا لقطعة متجانسة من المادة.

قد يبدو الأمر غريبًا، إلا أنه في بعض الأحيان يكون من الضروري تجميع وتخزين الحرارة وليس الحرارة، بل البرودة. تقدم الشركات في الولايات المتحدة "مركمات" قائمة على الجليد للتركيب في مكيفات الهواء منذ أكثر من عقد من الزمن. في الليل، عندما يكون هناك وفرة من الكهرباء ويتم بيعها بأسعار مخفضة، يقوم مكيف الهواء بتجميد الماء، أي أنه يدخل في وضع الثلاجة. خلال النهار، تستهلك طاقة أقل عدة مرات، وتعمل كمروحة. يتم إيقاف تشغيل الضاغط المتعطش للطاقة في هذا الوقت. .

تراكم الطاقة أثناء التغير في حالة المادة

إذا نظرت بعناية إلى المعلمات الحرارية للمواد المختلفة، فيمكنك أن ترى أنه عندما تتغير حالة التجميع (تصلب الذوبان، التبخر والتكثيف)، يحدث امتصاص كبير أو إطلاق الطاقة. بالنسبة لمعظم المواد، تكون الطاقة الحرارية لمثل هذه التحولات كافية لتغيير درجة حرارة نفس الكمية من نفس المادة بعدة عشرات أو حتى مئات الدرجات في نطاقات درجات الحرارة تلك التي لا تتغير فيها حالة التجميع. ولكن، كما تعلم، حتى تصبح حالة تجميع الحجم الكامل للمادة هي نفسها، فإن درجة حرارتها تكون ثابتة تقريبًا! لذلك، سيكون من المغري للغاية تجميع الطاقة عن طريق تغيير حالة التجميع - يتم تجميع الكثير من الطاقة، وتتغير درجة الحرارة قليلاً، ونتيجة لذلك لن يكون من الضروري حل المشكلات المرتبطة بالتسخين إلى درجات حرارة عالية ، وفي الوقت نفسه يمكن الحصول على سعة جيدة لمثل هذا المجمع الحراري.

ذوبان وتبلور

لسوء الحظ، في الوقت الحاضر، لا يوجد عمليا أي مواد رخيصة وآمنة وقابلة للتحلل طاقة عظيمةالمرحلة الانتقالية، حيث تقع نقطة انصهارها في النطاق الأكثر صلة - من حوالي +20 درجة مئوية إلى +50 درجة مئوية (الحد الأقصى +70 درجة مئوية لا يزال درجة حرارة آمنة نسبيًا ويمكن تحقيقها بسهولة). كقاعدة عامة، في نطاق درجة الحرارة هذا، تذوب المركبات العضوية المعقدة، والتي ليست مفيدة للصحة وغالبا ما تتأكسد بسرعة في الهواء.

ولعل أنسب المواد هي البارافينات التي تقع درجة انصهار معظمها، حسب نوعها، في نطاق 40..65 درجة مئوية (على الرغم من وجود بارافينات "سائلة" أيضًا بنقطة انصهار تبلغ 27 درجة مئوية أو أقل، وكذلك الأوزوكريت الطبيعي المرتبط بالبرافينات، والذي تكون درجة انصهاره في حدود 58..100 درجة مئوية). يعتبر كل من البارافينات والأوزوكيريت آمنين تمامًا ويستخدمان أيضًا للأغراض الطبية للتدفئة المباشرة للبقع المؤلمة على الجسم.

ومع ذلك، مع سعة حرارية جيدة، فإن موصليتها الحرارية تكون صغيرة جدًا - صغيرة جدًا لدرجة أن البارافين أو الأوزوكريت المطبق على الجسم، عند تسخينه إلى 50-60 درجة مئوية، يشعر بالحرارة اللطيفة فقط، ولكن ليس حارقًا، كما هو الحال مع الماء المسخن إلى درجة حرارة عالية. نفس درجة الحرارة - بالنسبة للطب، هذا جيد، ولكن بالنسبة لمراكم الحرارة - ناقص مطلق. بالإضافة إلى ذلك، فإن هذه المواد ليست رخيصة جدًا، على سبيل المثال، كان سعر الجملة للأوزوسيريت في سبتمبر 2009 حوالي 200 روبل للكيلوغرام الواحد، وتكلفة كيلوغرام البارافين من 25 روبل (تقني) إلى 50 وأكثر (طعام عالي النقاء، أي مناسب). للاستخدام في تغليف المواد الغذائية). هذه هي أسعار الجملة لدفعات من عدة أطنان، وأسعار التجزئة أغلى بمرة ونصف على الأقل.

ونتيجة لذلك، فإن الكفاءة الاقتصادية لمراكم حرارة البارافين هي سؤال كبير، لأن كيلوغرامًا أو اثنين من البارافين أو الأوزوسيريت مناسب فقط للإحماء الطبي لمنطقة أسفل الظهر المكسورة لبضع عشرات من الدقائق، و لضمان درجة حرارة ثابتة لمسكن أكثر أو أقل اتساعًا لمدة يوم على الأقل، يجب قياس كتلة مراكم حرارة البارافين بالطن، بحيث تقترب تكلفتها فورًا من تكلفة السيارة (وإن كان ذلك في شريحة السعر الأقل) !

نعم، ومن الناحية المثالية، يجب أن تتوافق درجة حرارة انتقال المرحلة تمامًا مع النطاق المريح (20..25 درجة مئوية) - وإلا فلا يزال يتعين عليك تنظيم نوع من نظام التحكم في التبادل الحراري. ومع ذلك، فإن درجة حرارة الانصهار في منطقة 50..54 درجة مئوية، وهي نموذجية للبارافينات عالية النقاء، بالإضافة إلى حرارة عالية للانتقال الطور (أكثر قليلاً من 200 كيلوجول / كجم) مناسبة تمامًا لمراكم الحرارة المصممة لـ توفير إمدادات المياه الساخنة وتسخين المياه، والمشكلة الوحيدة هي انخفاض التوصيل الحراري وارتفاع سعر البارافين.

ولكن في حالة القوة القاهرة، يمكن استخدام البارافين نفسه كوقود ذي قيمة حرارية جيدة (على الرغم من أنه ليس من السهل القيام بذلك - على عكس البنزين أو الكيروسين، لا يحترق البارافين السائل وحتى الصلب في الهواء، ولا يحترق الفتيل أو يلزم وجود جهاز آخر لتزويد منطقة الاحتراق ليس بالبارافين نفسه، بل بأبخرته فقط)!

مثال على جهاز تخزين الطاقة الحرارية المعتمد على تأثير الذوبان والتبلور هو نظام تخزين الطاقة الحرارية المعتمد على السيليكون TESS والذي تم تطويره من قبل الشركة الأسترالية Latent Heat Storage.

التبخر والتكثيف

عادة ما تكون حرارة التبخر والتكثيف أعلى بعدة مرات من حرارة ذوبان التبلور. ويبدو أنه لا يوجد عدد قليل جدًا من المواد التي تتبخر في نطاق درجة الحرارة المناسب. بالإضافة إلى ثاني كبريتيد الكربون السام بصراحة، والأسيتون، وإيثر الإيثيل، وما إلى ذلك، هناك أيضًا كحول إيثيلي (يتم إثبات سلامته النسبية يوميًا من خلال المثال الشخصي لملايين المدمنين على الكحول حول العالم!). في الظروف العادية يغلي الكحول عند درجة حرارة 78 درجة مئوية، وتكون حرارة تبخره أكبر 2.5 مرة من حرارة انصهار الماء (الثلج) وتعادل تسخين نفس الكمية من الماء السائل بمقدار 200 درجة.

ومع ذلك، على عكس الذوبان، عندما نادرا ما تتجاوز التغيرات في حجم المادة نسبة قليلة من المئة، أثناء التبخر، يشغل البخار كامل الحجم المقدم لها. وإذا كان هذا الحجم غير محدود، فسوف يتبخر البخار، ويأخذ معه كل الطاقة المتراكمة بشكل لا رجعة فيه. في الحجم المغلق، سيبدأ الضغط في الارتفاع على الفور، مما يمنع تبخر أجزاء جديدة من سائل العمل، كما هو الحال في قدر الضغط الأكثر شيوعًا، لذلك فإن نسبة صغيرة فقط من مادة العمل تتعرض لتغيير في الحالة التجميع، بينما يستمر الباقي في التسخين، كونه في الطور السائل. هنا ينفتح مجال كبير من النشاط للمخترعين - إنشاء مجمع حراري فعال يعتمد على التبخر والتكثيف مع حجم عمل متغير محكم.

التحولات الطورية من النوع الثاني

بالإضافة إلى التحولات الطورية المرتبطة بالتغير في حالة التجميع، يمكن أن يكون لبعض المواد عدة حالات طورية مختلفة داخل نفس حالة التجميع. عادة ما يكون التغيير في حالات الطور هذه مصحوبًا أيضًا بإطلاق ملحوظ أو امتصاص للطاقة، على الرغم من أنه عادة ما يكون أقل أهمية بكثير من التغيير في حالة تجميع المادة. بالإضافة إلى ذلك، في كثير من الحالات، مع مثل هذه التغييرات، على النقيض من التغيير في حالة التجميع، هناك تباطؤ في درجة الحرارة - يمكن أن تختلف درجات حرارة التحولات الطورية المباشرة والعكسية بشكل كبير، في بعض الأحيان بعشرات أو حتى مئات الدرجات.

تخزين الطاقة الكهربائية

الكهرباء هي الشكل الأكثر ملاءمة وتنوعًا للطاقة في العالم اليوم. ليس من المستغرب أن تتطور أجهزة تخزين الطاقة الكهربائية بسرعة أكبر. لسوء الحظ، في معظم الحالات، تكون السعة النوعية للأجهزة غير المكلفة صغيرة، ولا تزال الأجهزة ذات السعة النوعية العالية باهظة الثمن بحيث لا يمكنها تخزين كميات كبيرة من الطاقة للاستخدام الجماعي وتكون قصيرة العمر للغاية.

المكثفات

أكبر أجهزة تخزين الطاقة "الكهربائية" هي مكثفات الراديو التقليدية. لديهم معدل كبير من تراكم الطاقة وإطلاقها - كقاعدة عامة، من عدة آلاف إلى عدة مليارات من الدورات الكاملة في الثانية، وتكون قادرة على العمل بهذه الطريقة في نطاق درجات حرارة واسعة لسنوات عديدة، أو حتى عقود. من خلال الجمع بين عدة مكثفات على التوازي، يمكنك بسهولة زيادة السعة الإجمالية إلى القيمة المطلوبة.

يمكن تقسيم المكثفات إلى فئتين كبيرتين - المكثفات غير القطبية (عادة "جافة"، أي لا تحتوي على إلكتروليت سائل) والقطبية (عادةً إلكتروليتية). يوفر استخدام المنحل بالكهرباء السائل سعة نوعية أعلى بكثير، ولكنه يتطلب دائمًا احترام القطبية عند الاتصال. بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما تكون المكثفات الإلكتروليتية أكثر حساسية تجاه الظروف الخارجية، بشكل أساسي لدرجة الحرارة ولها عمر خدمة أقصر (بمرور الوقت، يتطاير المنحل بالكهرباء ويجف).

ومع ذلك، فإن المكثفات لها عيبان رئيسيان. أولاً، هذه كثافة محددة منخفضة جدًا للطاقة المخزنة وبالتالي سعة صغيرة (بالنسبة للأنواع الأخرى من أجهزة التخزين). ثانيا، هذه مدة تخزين قصيرة، والتي عادة ما يتم حسابها بالدقائق والثواني ونادرا ما تتجاوز عدة ساعات، وفي بعض الحالات لا تتجاوز أجزاء صغيرة من الثانية. نتيجة لذلك، يقتصر نطاق المكثفات على الدوائر الإلكترونية المختلفة والتراكم قصير المدى الكافي لتصحيح وتصحيح وتصفية التيار في هندسة الطاقة الكهربائية - فهي لا تزال غير كافية للمزيد.

المؤينات

يمكن اعتبار المكثفات، التي يشار إليها أحيانًا باسم "المكثفات الفائقة"، بمثابة نوع من الارتباط الوسيط بين المكثفات الإلكتروليتية والبطاريات الكهروكيميائية. من الأول، ورثوا عددا غير محدود تقريبا من دورات تفريغ الشحنة، ومن الأخير، تيارات شحن وتفريغ منخفضة نسبيا (دورة تفريغ الشحن الكاملة يمكن أن تستمر لمدة ثانية، أو حتى أطول من ذلك بكثير). وتتراوح قدرتها أيضًا بين المكثفات الأكثر سعة والبطاريات الصغيرة - وعادةً ما يكون احتياطي الطاقة من بضع مئات إلى عدة مئات من الجول.

بالإضافة إلى ذلك، تجدر الإشارة إلى حساسية الأيونات العالية إلى حد ما لدرجة الحرارة ووقت تخزين الشحن المحدود - من عدة ساعات إلى عدة أسابيع كحد أقصى.

البطاريات الكهروكيميائية

تم اختراع البطاريات الكهروكيميائية في فجر تطور الهندسة الكهربائية، والآن يمكن العثور عليها في كل مكان - من الهاتف المحمول إلى الطائرات والسفن. وبشكل عام، فهي تعمل على أساس بعض التفاعلات الكيميائية، وبالتالي يمكن أن ننسبها إلى القسم التالي من مقالتنا - "تخزين الطاقة الكيميائية". ولكن بما أن هذه النقطة عادة لا يتم التأكيد عليها، ولكن يتم الاهتمام بحقيقة أن البطاريات تتراكم الكهرباء، فسننظر فيها هنا.

كقاعدة عامة، إذا كان من الضروري تخزين طاقة كبيرة بما فيه الكفاية - من عدة مئات من الكيلوجول أو أكثر - يتم استخدام بطاريات الرصاص الحمضية (مثال على ذلك أي سيارة). ومع ذلك، لديهم أبعاد كبيرة، والأهم من ذلك، الوزن. إذا كانت هناك حاجة إلى وزن منخفض وتنقل للجهاز، فسيتم استخدام أنواع أكثر حداثة من البطاريات - النيكل والكادميوم، وهيدريد المعدن، وأيونات الليثيوم، وأيونات البوليمر، وما إلى ذلك. تكلفة تخزين الطاقة فيها أعلى بشكل ملحوظ، لذلك يقتصر استخدامها عادةً على الأجهزة الصغيرة والاقتصادية نسبيًا مثل الهواتف المحمولة والكاميرات وكاميرات الفيديو وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وما إلى ذلك.

في الآونة الأخيرة، بدأ استخدام بطاريات الليثيوم أيون القوية في السيارات الهجينة والمركبات الكهربائية. بالإضافة إلى الوزن الخفيف والقدرة النوعية الأعلى، على عكس حمض الرصاص، فإنها تسمح بالاستخدام الكامل تقريبًا لقدرتها الاسمية، وتعتبر أكثر موثوقية ولها عمر خدمة أطول، وتتجاوز كفاءتها في استخدام الطاقة في دورة كاملة 90٪، في حين أن يمكن أن تنخفض كفاءة استخدام الطاقة في بطاريات الرصاص عند شحن آخر 20% من السعة إلى 50%.

وفقًا لطريقة الاستخدام، تنقسم البطاريات الكهروكيميائية (البطاريات القوية في المقام الأول) أيضًا إلى فئتين كبيرتين - ما يسمى ببطاريات الجر وبطاريات البدء. عادة، يمكن أن تعمل بطارية البداية بنجاح كبير كبطارية جر (الشيء الرئيسي هو التحكم في درجة التفريغ وعدم إحضارها إلى هذا العمق المقبول لبطاريات الجر)، ولكن عند استخدامها في الاتجاه المعاكس، هناك الكثير من تيار الحمل يمكنه تعطيل بطارية الجر بسرعة كبيرة.

تشمل عيوب البطاريات الكهروكيميائية عددًا محدودًا جدًا من دورات الشحن والتفريغ (في معظم الحالات من 250 إلى 2000، وإذا لم يتم اتباع توصيات الشركات المصنعة، فأقل بكثير)، وحتى في حالة عدم الاستخدام النشط، فإن معظم أنواع البطاريات تتحلل بعد بضع سنوات، وتفقد خصائصها الاستهلاكية.

في الوقت نفسه، فإن عمر العديد من أنواع البطاريات لا يبدأ من بداية تشغيلها، ولكن من لحظة التصنيع. بالإضافة إلى ذلك، تتميز البطاريات الكهروكيميائية بحساسيتها لدرجة الحرارة، ومدة الشحن الطويلة، وأحيانًا أطول بعشرات المرات من وقت التفريغ، والحاجة إلى اتباع منهجية الاستخدام (تجنب التفريغ العميق لبطاريات الرصاص، وعلى العكس من ذلك، مراقبة الشحن الكامل -دورة التفريغ لهيدريد المعدن والعديد من أنواع البطاريات الأخرى). كما أن وقت تخزين الشحن محدود جدًا - عادةً من أسبوع إلى عام. مع البطاريات القديمة، لا تنخفض السعة فحسب، بل تنخفض أيضًا مدة التخزين، ويمكن تقليل كليهما عدة مرات.

لا تتوقف التطورات لإنشاء أنواع جديدة من البطاريات الكهربائية وتحسين الأجهزة الموجودة.

تخزين الطاقة الكيميائية

الطاقة الكيميائية هي الطاقة "المخزنة" في ذرات المواد، والتي يتم إطلاقها أو امتصاصها أثناء التفاعلات الكيميائية بين المواد. يتم إطلاق الطاقة الكيميائية إما على شكل طاقة حرارية أثناء التفاعلات الطاردة للحرارة (على سبيل المثال، احتراق الوقود)، أو يتم تحويلها إلى طاقة كهربائية في الخلايا والبطاريات الكلفانية. وتتميز مصادر الطاقة هذه بكفاءة عالية (تصل إلى 98%) ولكن بقدرة منخفضة.

تسمح لك أجهزة تخزين الطاقة الكيميائية بتلقي الطاقة بالشكل الذي تم تخزينها منه وفي أي شكل آخر. هناك أصناف "وقودية" و "غير وقودية". على عكس أجهزة التخزين الكيميائية الحرارية ذات درجة الحرارة المنخفضة (سنتحدث عنها لاحقًا)، والتي يمكنها تخزين الطاقة ببساطة عن طريق وضعها في مكان كافٍ مكان دافئ، لا يمكن الاستغناء عن التقنيات الخاصة والمعدات عالية التقنية، وأحيانًا مرهقة للغاية. على وجه الخصوص، في حالة التفاعلات الكيميائية الحرارية ذات درجة الحرارة المنخفضة، لا يتم عادةً فصل خليط المواد المتفاعلة ويكون دائمًا في نفس الحاوية، ويتم تخزين المواد المتفاعلة للتفاعلات ذات درجة الحرارة العالية بشكل منفصل عن بعضها البعض ولا يتم دمجها إلا عندما تكون الطاقة ضروري.

تراكم الطاقة عن طريق تشغيل الوقود

خلال مرحلة تخزين الطاقة، يحدث تفاعل كيميائي، ونتيجة لذلك يتم تقليل الوقود، على سبيل المثال، يتم إطلاق الهيدروجين من الماء - عن طريق التحليل الكهربائي المباشر، في الخلايا الكهروكيميائية باستخدام محفز، أو عن طريق التحلل الحراري، على سبيل المثال عن طريق قوس كهربائي أو ضوء الشمس عالي التركيز. يمكن جمع المؤكسد "المحرر" بشكل منفصل (بالنسبة للأكسجين، يعد ذلك ضروريًا في ظل ظروف جسم معزول مغلق - تحت الماء أو في الفضاء) أو "التخلص منه" لأنه غير ضروري، لأنه في وقت استخدام الوقود سوف يكون هذا المؤكسد يكون كافيا في بيئةوليس هناك حاجة لإنفاق المساحة والمال على تخزينها المنظم.

وفي مرحلة استخلاص الطاقة يتم أكسدة الوقود المنتج مع إطلاق الطاقة مباشرة بالشكل المطلوب، بغض النظر عن كيفية الحصول على هذا الوقود. على سبيل المثال، يمكن للهيدروجين أن يوفر الحرارة على الفور (عند حرقه في الموقد)، أو الطاقة الميكانيكية (عندما يتم تغذيته كوقود لمحرك الاحتراق الداخلي أو التوربينات)، أو الكهرباء (عند أكسدته في خلية الوقود). كقاعدة عامة، تتطلب تفاعلات الأكسدة هذه بدءًا إضافيًا (اشتعالًا)، وهو أمر مناسب جدًا للتحكم في عملية استخراج الطاقة.

تعتبر هذه الطريقة جذابة للغاية بسبب استقلالية مراحل تراكم الطاقة ("الشحن") واستخدامها ("التفريغ")، والقدرة النوعية العالية للطاقة المخزنة في الوقود (عشرات الميجاجول لكل كيلوغرام من الوقود) و إمكانية التخزين على المدى الطويل (مع ضيق الحاويات بشكل مناسب - لسنوات عديدة). ). ومع ذلك، فإن توزيعه على نطاق واسع يعوقه التطوير غير المكتمل والتكلفة العالية للتكنولوجيا، وارتفاع مخاطر الحرائق والانفجارات في جميع مراحل العمل مع هذا الوقود، ونتيجة لذلك، الحاجة إلى موظفين مؤهلين تأهيلا عاليا في صيانة وتشغيل هذه الأنظمة. على الرغم من هذه العيوب، يتم تطوير العديد من المنشآت حول العالم التي تستخدم الهيدروجين كمصدر احتياطي للطاقة.

تخزين الطاقة من خلال التفاعلات الكيميائية الحرارية

طويلة ومعروفة على نطاق واسع مجموعة كبيرةالتفاعلات الكيميائية التي، في وعاء مغلق، عند تسخينها، تسير في اتجاه واحد مع امتصاص الطاقة، وعندما تبرد، تسير في الاتجاه المعاكس مع إطلاق الطاقة. غالبًا ما تسمى مثل هذه التفاعلات بالكيمياء الحرارية. كفاءة استخدام الطاقة لمثل هذه التفاعلات، كقاعدة عامة، أقل مما كانت عليه عندما تتغير حالة تجميع المادة، ولكنها أيضًا ملحوظة جدًا.

يمكن اعتبار مثل هذه التفاعلات الكيميائية الحرارية بمثابة نوع من التغيير في حالة الطور لخليط من الكواشف، والمشاكل هنا هي نفسها تقريبًا - من الصعب العثور على خليط رخيص وآمن وفعال من المواد التي تعمل بنجاح بهذه الطريقة في نطاق درجة الحرارة من +20 درجة مئوية إلى +70 درجة مئوية. ومع ذلك، هناك تركيبة مماثلة معروفة منذ فترة طويلة - وهذا هو ملح جلوبر.

يتم الحصول على ميرابيليت (المعروف أيضًا باسم ملح جلوبر، والمعروف أيضًا باسم كبريتات الصوديوم Na2SO4 10H2O ديكاهيدرات) نتيجة للتفاعلات الكيميائية الأولية (على سبيل المثال، عند إضافة كلوريد الصوديوم إلى حمض الكبريتيك) أو يتم استخراجه في "شكل نهائي" كمعدن.

من حيث تخزين الحرارة، والأكثر ميزة مثيرة للاهتمامميرابيليت يكمن في حقيقة أنه عندما ترتفع درجة الحرارة فوق 32 درجة مئوية المياه المربوطةيبدأ في التحرر، ويبدو ظاهريًا وكأنه "ذوبان" البلورات التي تذوب في الماء المنبعث منها. عندما تنخفض درجة الحرارة إلى 32 درجة مئوية، يرتبط الماء الحر مرة أخرى ببنية الهيدرات البلورية - ويحدث "التبلور". ولكن الأهم من ذلك هو أن حرارة تفاعل الجفاف والترطيب عالية جدًا وتبلغ 251 كيلوجول / كجم ، وهي أعلى بشكل ملحوظ من حرارة ذوبان وبلورة البارافينات "الصادقة" ، على الرغم من أنها أقل بمقدار الثلث من حرارة ذوبان الجليد (ماء).

وبالتالي، يمكن لمراكم الحرارة المعتمد على محلول مشبع من الميرابيليت (المشبع عند درجات حرارة أعلى من 32 درجة مئوية) أن يحافظ بشكل فعال على درجة الحرارة عند 32 درجة مئوية مع مورد طويل لتراكم الطاقة أو إرجاعها. بالطبع، درجة الحرارة هذه منخفضة جدًا بالنسبة لإمدادات المياه الساخنة الكاملة (يُنظر إلى الدش بدرجة الحرارة هذه على أنه "بارد جدًا" في أحسن الأحوال)، لكن درجة الحرارة هذه قد تكون كافية لتسخين الهواء.

تخزين الطاقة الكيميائية بدون وقود

وفي هذه الحالة، في مرحلة "الشحن"، تشكل بعض المواد الكيميائية مواد كيميائية أخرى، وخلال هذه العملية يتم تخزين الطاقة في الروابط الكيميائية الجديدة المتكونة (على سبيل المثال، يتم تحويل الجير المطفأ إلى حالة الجير الحي عن طريق التسخين).

عند "التفريغ"، يحدث رد فعل عكسي، مصحوبًا بإطلاق الطاقة المخزنة مسبقًا (عادةً في شكل حرارة، وأحيانًا بشكل إضافي في شكل غاز يمكن تغذيته في التوربين) - على وجه الخصوص، هذا ما يحدث بالضبط عندما "يطفئ" الجير بالماء. وعلى النقيض من طرق الوقود، عادة ما يكون كافيًا ببساطة توصيل المواد المتفاعلة ببعضها البعض لبدء التفاعل - ولا يلزم البدء الإضافي للعملية (الإشعال).

في الواقع، هذا نوع من التفاعل الكيميائي الحراري، ولكن على عكس تفاعلات درجات الحرارة المنخفضة الموصوفة عند النظر في أجهزة تخزين الطاقة الحرارية والتي لا تتطلب أي شروط خاصة، فإننا هنا نتحدث عن درجات حرارة تصل إلى عدة مئات أو حتى آلاف الدرجات. ونتيجة لذلك، فإن كمية الطاقة المخزنة في كل كيلوغرام من المادة العاملة تزداد بشكل كبير، ولكن المعدات أكثر تعقيدًا وأكبر حجمًا وأكثر تكلفة بعدة مرات من المعدات الفارغة. زجاجات بلاستيكيةأو خزان كاشف بسيط.

إن الحاجة إلى استهلاك مادة إضافية - على سبيل المثال، الماء لإطفاء الجير - ليست عيبًا كبيرًا (إذا لزم الأمر، يمكنك جمع المياه المنبعثة عندما يدخل الجير في حالة الجير الحي). لكن ظروف التخزين الخاصة لهذا الجير الحي جدًا، والتي لا يكون انتهاكها محفوفًا بالحروق الكيميائية فحسب، بل أيضًا بالانفجار، تنقل هذه الأساليب وما شابهها إلى فئة تلك التي من غير المرجح أن تظهر في حياة واسعة.

أنواع أخرى من تخزين الطاقة

بالإضافة إلى تلك المذكورة أعلاه، هناك أنواع أخرى من أجهزة تخزين الطاقة. إلا أنها في الوقت الحاضر محدودة للغاية من حيث كثافة الطاقة المخزنة وزمن تخزينها بتكلفة نوعية عالية. لذلك، في حين أنها تستخدم أكثر للترفيه، ولا يعتبر تشغيلها لأية أغراض جدية. ومن الأمثلة على ذلك الدهانات الفسفورية، التي تخزن الطاقة من مصدر ضوء ساطع ثم تتوهج لعدة ثوان، أو حتى دقائق طويلة. هُم التعديلات الحديثةلم تعد تحتوي على الفوسفور السام وهي آمنة تمامًا حتى للاستخدام في ألعاب الأطفال.

تقوم مخازن الطاقة المغناطيسية فائقة التوصيل بتخزينها في مجال ملف مغناطيسي كبير بتيار مباشر. ويمكن تحويله إلى تيار كهربائي متناوب حسب الحاجة. يتم تبريد صهاريج التخزين ذات درجة الحرارة المنخفضة بواسطة الهيليوم السائل وهي متاحة للمنشآت الصناعية. لا تزال صهاريج التخزين المبردة بالهيدروجين السائل ذات درجة الحرارة العالية قيد التطوير وقد تصبح متاحة في المستقبل.

تتميز أجهزة تخزين الطاقة المغناطيسية فائقة التوصيل بحجمها الكبير وتُستخدم عادةً لفترات قصيرة من الوقت، كما هو الحال أثناء عمليات التبديل. نشرت

ويكيميديا ​​​​كومنز

ربما الأكثر الشكل القديمتخزين الطاقة الحديثة مرتبطة بالشبكة. مبدأ التشغيل بسيط: يوجد خزانان للمياه، أحدهما فوق الآخر. عندما يكون الطلب على الكهرباء منخفضا، يمكن استخدام الطاقة لضخ المياه إلى الطابق العلوي. خلال ساعات الذروة، تندفع المياه إلى الأسفل، مما يؤدي إلى تدوير المولد المائي وتوليد الكهرباء. ويجري تطوير مشاريع مماثلة، على سبيل المثال، في ألمانيا في مناجم الفحم المهجورة أو الحاويات الكروية في قاع المحيط.

هواء مضغوط

قوة الجنوب

بشكل عام، تشبه هذه الطريقة الطريقة السابقة، إلا أنه بدلاً من الماء، يتم حقن الهواء في الخزانات. إذا لزم الأمر، يتم إطلاق الهواء وتدوير التوربينات. هذه التكنولوجيا موجودة من الناحية النظرية منذ عدة عقود، ولكن من الناحية العملية، وبسبب تكلفتها العالية، لا يوجد سوى عدد قليل من أنظمة العمل وعدد قليل من أنظمة الاختبار. تقوم شركة Hydrostor الكندية بتطوير ضاغط كبير للحرارة في أونتاريو وأروبا.

ملح مذاب

احتياطي الطاقة الشمسية

يمكن استخدام الطاقة الشمسية لتسخين الملح إلى درجة الحرارة المناسبة. يتم تحويل البخار الناتج على الفور إلى كهرباء بواسطة المولد، أو تخزينه لعدة ساعات كملح منصهر، على سبيل المثال لتدفئة المنازل في المساء. أحد هذه المشاريع هو حديقة الطاقة الشمسية التي تحمل اسم محمد بن راشد آل مكتوم - في الإمارات العربية المتحدة. وفي مختبر Alphabet X، إمكانية استخدام الأملاح المنصهرة مع مضاد التجمد من أجل توفير الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح الزائدة. قامت شركة Georgia Tech مؤخرًا ببناء نظام أكثر كفاءة يستبدل الملح بالمعدن السائل.

بطاريات التدفق

علماء CERN: "الكون لا ينبغي أن يكون موجودًا"

تتكون بطاريات تدفق الأكسدة والاختزال من خزانات ضخمة من الإلكتروليت التي يتم تمريرها عبر الأغشية وإنشاء شحنة كهربائية. عادة، يتم استخدام الفاناديوم كإلكتروليت، وكذلك محاليل الزنك أو الكلور أو الماء المالح. فهي موثوقة وسهلة التشغيل ولها عمر خدمة طويل. أكبر بطارية تدفق في العالم يتم بناؤها في كهوف ألمانيا.

البطاريات التقليدية

أهداف التنمية المستدامة والتقييم

كالماك

وفي الليل تتجمد المياه المخزنة في الخزانات، وفي النهار يذوب الجليد ويبرد المنازل المجاورة، مما يوفر استهلاك مكيفات الهواء. تعتبر هذه التقنية جذابة للمناطق ذات المناخ الحار والليالي الباردة، مثل كاليفورنيا. في شهر مايو من هذا العام، قامت شركة NRG Energy بتسليم 1800 كيس ثلج صناعي لشركة Southern California Edison.

دولاب الموازنة الفائقة

قوة المنارة

تم تصميم هذه التكنولوجيا لتخزين الطاقة الحركية. تعمل الكهرباء على تشغيل المحرك، الذي يقوم بتخزين طاقة الدوران في الأسطوانة. عند الحاجة إليها، تتباطأ دولاب الموازنة. لا يتم استخدام الاختراع على نطاق واسع، على الرغم من أنه يمكن استخدامه لتوفير الطاقة غير المنقطعة.