La nature a donné à l'homme une variété de sources d'énergie: le soleil, le vent, les rivières et autres. L'inconvénient de ces générateurs d'énergie gratuite est le manque de stabilité. Par conséquent, pendant les périodes d'énergie excédentaire, elle est stockée dans des dispositifs de stockage et dépensée pendant les périodes de récession temporaire. Les dispositifs de stockage d'énergie sont caractérisés par les paramètres suivants:
- quantité d'énergie stockée;
- rapidité de son accumulation et retour;
- gravité spécifique;
- temps de stockage d'énergie;
- fiabilité;
- coût de fabrication et de maintenance et autres.
Il existe plusieurs façons d'organiser les trajets. L'une des plus pratiques est la classification selon le type d'énergie utilisée dans le dispositif de stockage, et selon la méthode de son accumulation et de son retour. Les dispositifs de stockage d'énergie sont divisés selon les principaux types suivants:
- mécanique;
- thermique;
- électrique;
- chimique.
Accumulation d'énergie potentielle
L'essence de ces appareils est simple. Lorsqu'une charge est soulevée, l'énergie potentielle s'accumule; lorsqu'elle est abaissée, elle effectue un travail utile. Les caractéristiques de conception dépendent du type de cargaison. Il peut être solide, liquide ousubstance lâche. En règle générale, les conceptions d'appareils de ce type sont extrêmement simples, d'où la grande fiabilité et la longue durée de vie. La durée de stockage de l'énergie stockée dépend de la durabilité des matériaux et peut atteindre des millénaires. Malheureusement, ces appareils ont une faible densité d'énergie.
Stockage mécanique de l'énergie cinétique
Dans ces appareils, l'énergie est stockée dans le mouvement d'un corps. Il s'agit généralement d'un mouvement oscillatoire ou de translation.
L'énergie cinétique dans les systèmes oscillatoires est concentrée dans le mouvement alternatif du corps. L'énergie est fournie et consommée par portions, au rythme des mouvements du corps. Le mécanisme est assez complexe et capricieux dans le réglage. Largement utilisé dans les montres mécaniques. La quantité d'énergie stockée est généralement faible et ne convient qu'au fonctionnement de l'appareil lui-même.
Périphériques de stockage alimentés par gyroscope
La réserve d'énergie cinétique est concentrée dans un volant d'inertie en rotation. L'énergie spécifique d'un volant d'inertie dépasse considérablement l'énergie d'une charge statique similaire. Il est possible de recevoir ou de produire une puissance importante en peu de temps. La durée de stockage de l'énergie est courte et, pour la plupart des conceptions, limitée à quelques heures. Les technologies modernes permettent de porter le temps de stockage de l'énergie à plusieurs mois. Les volants d'inertie sont très sensibles aux chocs. L'énergie de l'appareil dépend directement de la vitesse de sa rotation. Par conséquent, lors du processus d'accumulation et de retour d'énergie, une modification de la vitesse de rotation du volant d'inertie se produit. Et pour une charge commeen règle générale, une vitesse de rotation faible et constante est requise.
Les appareils les plus prometteurs sont les supervolants. Ils sont fabriqués à partir de ruban d'acier, de fibres synthétiques ou de fil. La conception peut être dense ou avoir un espace vide. S'il y a de l'espace libre, les spires de la bande se déplacent vers la périphérie de rotation, le moment d'inertie du volant change, une partie de l'énergie est stockée dans le ressort déformé. Dans de tels dispositifs, la vitesse de rotation est plus stable que dans les structures solides et leur consommation d'énergie est beaucoup plus élevée. Ils sont également plus sûrs.
Les super volants d'inertie modernes sont fabriqués à partir de fibres de Kevlar. Ils tournent dans une chambre à vide sur une suspension magnétique. Capable de stocker de l'énergie pendant plusieurs mois.
Stockage mécanique par forces élastiques
Ce type d'appareil est capable de stocker une énorme énergie spécifique. Parmi les entraînements mécaniques, il a l'intensité énergétique la plus élevée pour les appareils de plusieurs centimètres. Les grands volants d'inertie avec des vitesses de rotation très élevées ont un contenu énergétique beaucoup plus élevé, mais ils sont très vulnérables aux influences extérieures et ont un temps de stockage d'énergie plus court.
Stockage mécanique de l'énergie des sources
Capable de fournir la puissance mécanique la plus élevée de toutes les classes de stockage d'énergie. Elle n'est limitée que par la résistance à la traction du ressort. L'énergie d'un ressort comprimé peut être stockée pendant plusieurs décennies. Cependant, en raison de la déformation constante, la fatigue s'accumule dans le métal et la capacité du ressortdiminue. Dans le même temps, des ressorts en acier de haute qualité, dans des conditions de fonctionnement appropriées, peuvent fonctionner pendant des centaines d'années sans perte appréciable de capacité.
Les fonctions du ressort peuvent être exécutées par n'importe quel élément élastique. Les élastiques, par exemple, sont des dizaines de fois supérieurs aux produits en acier en termes d'énergie stockée par unité de masse. Mais la durée de vie du caoutchouc due au vieillissement chimique n'est que de quelques années.
Dispositifs de stockage mécanique utilisant l'énergie des gaz comprimés
Dans ce type d'appareil, l'énergie est stockée en comprimant le gaz. En présence d'un excès d'énergie, le gaz est pompé sous pression dans la bouteille à l'aide d'un compresseur. Selon les besoins, du gaz comprimé est utilisé pour faire tourner une turbine ou un générateur électrique. A faible puissance, il est conseillé d'utiliser un moteur à piston au lieu d'une turbine. Le gaz dans un récipient sous pression de centaines d'atmosphères a une densité d'énergie spécifique élevée pendant plusieurs années, et avec des raccords de haute qualité - pendant des décennies.
Stockage de l'énergie thermique
La majeure partie du territoire de notre pays est située dans les régions du nord, donc une partie importante de l'énergie est obligée d'être dépensée pour le chauffage. À cet égard, il est nécessaire de résoudre régulièrement le problème de maintien de la chaleur dans le variateur et de l'en extraire si nécessaire.
Dans la plupart des cas, il n'est pas possible d'atteindre une haute densité d'énergie thermique stockée et des périodes significatives de sa conservation. Dispositifs efficaces existants dansen raison de certaines de ses caractéristiques et de son prix élevé, ne convient pas à une large application.
Stockage dû à la capacité calorifique
C'est l'une des voies les plus anciennes. Il est basé sur le principe d'accumulation d'énergie thermique lorsqu'une substance est chauffée et de transfert de chaleur lorsqu'elle est refroidie. La conception de tels lecteurs est extrêmement simple. Il peut s'agir d'un morceau de n'importe quelle substance solide ou d'un récipient fermé avec un liquide de refroidissement. Les accumulateurs d'énergie thermique ont une durée de vie très longue, un nombre presque illimité de cycles d'accumulation et de libération d'énergie. Mais le temps de stockage ne dépasse pas plusieurs jours.
Stockage d'énergie électrique
L'énergie électrique en est la forme la plus pratique dans le monde moderne. C'est pourquoi les dispositifs de stockage électrique sont largement utilisés et les plus développés. Malheureusement, la capacité spécifique des appareils bon marché est faible et les appareils à capacité spécifique élevée sont trop chers et de courte durée. Les dispositifs de stockage d'énergie électrique sont des condensateurs, des ionistors, des batteries.
Condensateurs
Il s'agit du type de stockage d'énergie le plus massif. Les condensateurs sont capables de fonctionner à des températures de -50 à +150 degrés. Le nombre de cycles d'accumulation-retour d'énergie est de plusieurs dizaines de milliards par seconde. En connectant plusieurs condensateurs en parallèle, vous pouvez facilement obtenir la capacité requise. De plus, il existe des condensateurs variables. La modification de la capacité de tels condensateurs peut être effectuée mécaniquement ou électriquement ou par la température. Le plus souvent, les condensateurs variables peuvent être trouvés danscircuits oscillatoires.
Les condensateurs sont divisés en deux classes - polaires et non polaires. La durée de vie des polaires (électrolytiques) est plus courte que celle des non polaires, ils dépendent davantage des conditions extérieures, mais en même temps ils ont une plus grande capacité spécifique.
Comme les condensateurs de stockage d'énergie ne sont pas des appareils très performants. Ils ont une faible capacité et une densité spécifique d'énergie stockée insignifiante, et son temps de stockage est calculé en secondes, minutes, rarement heures. Les condensateurs ont trouvé une application principalement dans l'électronique et l'électrotechnique.
Le calcul du condensateur, en règle générale, ne pose pas de difficultés. Toutes les informations nécessaires sur les différents types de condensateurs sont présentées dans des manuels techniques.
Ionistors
Ces dispositifs occupent une position intermédiaire entre les condensateurs polaires et les batteries. Ils sont parfois appelés "supercondensateurs". En conséquence, ils ont un grand nombre d'étages de charge-décharge, la capacité est supérieure à celle des condensateurs, mais légèrement inférieure à celle des petites batteries. La durée de stockage de l'énergie peut atteindre plusieurs semaines. Les ionistors sont très sensibles à la température.
Alimenter les piles
Les batteries électrochimiques sont utilisées si vous avez besoin de stocker beaucoup d'énergie. Les appareils au plomb sont les mieux adaptés à cette fin. Ils ont été inventés il y a environ 150 ans. Et depuis lors, rien de fondamentalement nouveau n'a été introduit dans le dispositif à batterie. De nombreux modèles spécialisés sont apparus, la qualité des composants a considérablement augmenté,fiabilité de la batterie. Il est à noter que le dispositif d'une batterie créée par différents fabricants ne diffère que par des détails mineurs à des fins différentes.
Les batteries électrochimiques sont divisées en traction et démarrage. La traction est utilisée dans les transports électriques, les alimentations sans interruption, les outils électriques. Ces batteries se caractérisent par une longue décharge uniforme et sa grande profondeur. Les batteries de démarrage peuvent fournir un courant élevé en peu de temps, mais une décharge profonde n'est pas acceptable pour elles.
Les batteries électrochimiques ont un nombre limité de cycles de charge-décharge, en moyenne de 250 à 2000. Même si elles ne sont pas utilisées, elles échouent après quelques années. Les batteries électrochimiques sont sensibles à la température, nécessitent de longs temps de charge et nécessitent un entretien strict.
L'appareil doit être rechargé périodiquement. La batterie installée sur le véhicule est chargée en mouvement à partir du générateur. En hiver, cela ne suffit pas, une batterie froide n'accepte pas bien une charge, et la consommation d'électricité pour démarrer le moteur augmente. Par conséquent, il est nécessaire de charger en plus la batterie dans une pièce chaude avec un chargeur spécial. L'un des principaux inconvénients des appareils au plomb est leur poids élevé.
Piles pour appareils à faible consommation
Si des appareils mobiles de faible poids sont nécessaires, choisissez les types de batteries suivants: nickel-cadmium,lithium-ion, métal-hybride, polymère-ion. Ils ont une capacité spécifique plus élevée, mais le prix est beaucoup plus élevé. Ils sont utilisés dans les téléphones portables, les ordinateurs portables, les appareils photo, les caméscopes et autres petits appareils. Différents types de batteries diffèrent par leurs paramètres: le nombre de cycles de charge, la durée de conservation, la capacité, la taille, etc.
Les batteries lithium-ion haute puissance sont utilisées dans les véhicules électriques et les véhicules hybrides. Ils sont légers, ont une capacité spécifique élevée et une grande fiabilité. Dans le même temps, les batteries lithium-ion sont très inflammables. L'allumage peut provenir d'un court-circuit, d'une déformation mécanique ou d'une destruction du boîtier, de violations des modes de charge ou de décharge de la batterie. Éteindre un incendie est assez difficile en raison de la forte activité du lithium.
Les batteries sont l'épine dorsale de nombreux appareils. Par exemple, un dispositif de stockage d'énergie pour un téléphone est une batterie externe compacte placée dans un boîtier durable et étanche. Il vous permet de charger ou d'alimenter votre téléphone portable. De puissants dispositifs de stockage d'énergie mobiles sont capables de charger n'importe quel appareil numérique, même les ordinateurs portables. Dans de tels appareils, en règle générale, des batteries lithium-ion de grande capacité sont installées. Le stockage d'énergie pour la maison n'est pas non plus complet sans batteries. Mais ce sont des appareils beaucoup plus complexes. En plus de la batterie, ils comprennent un chargeur, un système de contrôle et un onduleur. Les appareils peuvent fonctionner aussi bien à partir d'un réseau fixe qu'à partir d'autres sources. La puissance de sortie est de 5 kW en moyenne.
Drivesénergie chimique
Distinguer les types de conduites "à carburant" et "sans carburant". Ils nécessitent des technologies particulières et des équipements high-tech souvent volumineux. Les procédés utilisés permettent d'obtenir de l'énergie sous différentes formes. Les réactions thermochimiques peuvent avoir lieu à des températures aussi bien basses qu'élevées. Les composants pour les réactions à haute température ne sont introduits que lorsqu'il est nécessaire d'obtenir de l'énergie. Avant cela, ils sont stockés séparément, à des endroits différents. Les composants pour les réactions à basse température se trouvent généralement dans le même conteneur.
Stockage d'énergie en faisant fonctionner du carburant
Cette méthode comprend deux étapes totalement indépendantes: l'accumulation d'énergie ("charge") et son utilisation ("décharge"). Le combustible traditionnel, en règle générale, a une grande capacité énergétique spécifique, la possibilité d'un stockage à long terme et une facilité d'utilisation. Mais la vie ne s'arrête pas. L'introduction de nouvelles technologies impose des exigences accrues en matière de carburant. La tâche est résolue en améliorant les combustibles existants et en créant de nouveaux combustibles à haute énergie.
L'introduction à grande échelle de nouveaux échantillons est entravée par le développement insuffisant des processus technologiques, les risques élevés d'incendie et d'explosion au travail, le besoin de personnel hautement qualifié et le coût élevé de la technologie.
Stockage d'énergie chimique sans carburant
Dans ce type de stockage, l'énergie est stockée en convertissant certains produits chimiques en d'autres. Par exemple, la chaux éteinte, lorsqu'elle est chauffée, passe à l'état de chaux vive. Lors de la décharge, l'énergie stockéelibéré sous forme de chaleur et de gaz. C'est exactement ce qui se passe lorsque la chaux est éteinte avec de l'eau. Pour que la réaction démarre, il suffit généralement de combiner les composants. Essentiellement, il s'agit d'une sorte de réaction thermochimique, seulement elle se déroule à une température de centaines et de milliers de degrés. Par conséquent, l'équipement utilisé est beaucoup plus complexe et coûteux.
