Накопление энергии и последующее ее использование является одной из основных проблем в развитии альтернативной энергетики. Человечество уже сделало первые шаги в освоении энергии природных стихий: солнца, ветра и течения воды, и даже сумело получить при этом неплохие результаты.
Сегодня, даже скептически настроенные граждане, признали, что энергии солнца и ветра вполне достаточно для удовлетворения практически всех потребностей человека в электричестве. При этом понятно, что получить электрическую энергию несложно, намного труднее научиться хранить ее длительное время и использовать лишь при необходимости.
Для хранения полученной энергии в большинстве случаев используются химические аккумуляторы, не потому, что это выгодно, а потому, что понятно абсолютному большинству граждан. Действительно, при использовании химических аккумуляторов система функционирует так же, как электрический фонарик, работающий на батарейке: есть заряд в источнике питания, он работает. Закончился заряд, фонарик также погас.
Но химические аккумуляторы могут хранить запас энергии лишь ограниченное количество времени: они способны самопроизвольно разряжаться, и даже выходить из строя. Более надежными и долговечными являются так называемые «альтернативные» накопители энергии, которые можно условно разделить на три вида:
- Пневматические
- Гравитационные
- Кинетические
Все они имеют свои достоинства и недостатки, но при этом действительно позволяют сделать запас энергии.
Несмотря на то, что все накопители энергии имеют принципиальные различия и, мягко говоря, не похожи друг на друга, они должны иметь одинаковую структуру и состоять из:
- Аккумулирующего элемента, непосредственно участвующего в накоплении энергии
- Блока, предназначенного для преобразования мощности
- Регулирующий элемент, увеличивающий или уменьшающий поток энергии
Блок, с помощью которого происходит преобразование мощности, является связывающим звеном между самой энергетической системой и аккумулирующим элементом.
Чтобы было понятней, рассмотрим один из накопителей гравитационной энергии: бассейн с водой, расположенный на возвышенности.
Из курса физики средней школы известно, что любое тело, находящееся на определенном расстоянии над поверхностью земли, обладает запасом энергии
E=mgh, где
m-масса тела
g-ускорение свободного падения
h-высота
Это значит, что для создания запаса энергии нужно воду поднять на определенную высоту. При этом нужно помнить, что запас энергии прямо пропорционален высоте.
В этом случае аккумулирующим элементов является поднятый на высоту объем воды, в роли преобразователя мощности выступает электрический обычный насос, подключенный, например, к солнечной батарее, вырабатывающей электрическую энергию.
В итоге, получив электричество, его удалось преобразовать в энергию гравитации и сделать запас в виде объема воды, поднятого на определенную высоту по отношению к уровню земли.
Если исключить возможность испарения воды, ее замерзания или утечки, то понятно, что такой запас энергии может храниться бесконечно долго. Преобразовать его в электричество можно в любой момент, открыв сбросной кран, и направив поток воды на генератор.
Все предельно просто, но для потребителя, решившего устроить в своем загородном доме собственную электрическую сеть, важно не то, как в принципе можно сделать запас энергии, а то, какие альтернативные аккумуляторы есть в продаже, где их купить и сколько при этом придется заплатить.
Попробуем общими усилиями выяснить, доступны ли эти устройства для собственника альтернативного источника энергии.
Поиск и покупка гравитационного аккумулятора
В торговой сети немало гравитационных аккумуляторов, или устройств, к которым идеально подходит этот термин. Например, песочные часы. Их принцип действия основан именно на запасе энергии в верхней их части и использовании ее при простом движении тонкой струйки песка через отверстие между двумя колбами. Обратите внимание, что именно размер этого отверстия является тем самым регулирующим элементом, с помощью которого можно уменьшить или увеличить расход энергии.
Гравитационным аккумулятором также являются часы с гирями, колодец с журавлем и много других не менее интересных вещей и предметов, окружающих нас в повседневной жизни. Но все они имеют одно общее: их нельзя использовать в автономной электрической сети для накопления энергии.
И все же в сети интернет нашелся вполне готовый гравитационный аккумулятор, специально разработанный для накопления энергии и используемый в комплекте с солнечными батареями и ветрогенераторами. Вернее, не сам аккумулятор, а патент на его изобретение и подробное описание самого изобретения с чертежами и пояснениями.
Вот ссылка на него http://www.ntpo.com/patents_electricity/electricity_6/electricity_58.shtml
А это схема устройства
Несущая конструкция аккумулятора (фигура 1) имеет раму 1 на колесах 2, направляющие 3, вертикальные опоры 4, тележку 5 на колесах 6, направляющие 7, привод, выполненный в виде трех звездочек 8, 9, 10, смонтированных на тележке 5, объединенных цепью 11, звездочки 12, 13, объединенные цепью 14, редуктор 15 (фигура 2), пару конических шестерен 16, тормоз 17, тяговый двигатель 18, крюк 19 для гири 20, шахту 21, емкость для свободного конца цепи 22.
Нетрудно догадаться, что речь идет о довольно сложной громоздкой конструкции, производство которой в настоящее время никто не ведет. Покупка ее составляющих элементов, их монтаж и установка вряд ли окупятся в короткие сроки, да и сама конструкция вызывает опасения и больше подходит для установки где-то в районе промышленных площадок или производственных цехов, но никак не на территории садового участка.
По этой причине гравитационный аккумулятор нужно сделать самим, купив для этого в магазине все необходимые детали и элементы. При этом такой накопитель энергии лучше устраивать на участке, имеющем неровный рельеф.
Впрочем, при желании необходимый перепад высоты можно устроить самостоятельно, тем более, что в последние годы наблюдается настоящий бум в строительстве каскадов прудов на садовых участках, не имеющих никакого практического применении и предназначенных исключительно для декорирования территории.
Можно совместить «приятное с полезным» и устроить гидравлический аккумулятор на базе такого каскада прудов.
При этом аккумулирующим элементом будет некий объем воды, определяемый емкостью самого верхнего пруда в композиции. Следует помнить, что запас энергии при этом прямо пропорционален как массе воды, так и высоте, на которую она будет поднята. (E=mgh).
Напомним, что элементом, предназначенным для преобразования одного вида энергии в другой, в данном случае выступает обычный насос, например «малыш» или «ручеек». Купить его можно в любом магазине, торгующем товарами для огородников.
И так, самый простой и при этом надежный, гравитационный аккумулятор готов: есть вода, место для ее хранения и преобразователь электрической энергии, получаемой от солнечной батареи в энергию гравитации, представляющий собой обычный насос.
Но всего этого явно недостаточно. Ведь аккумулятор может считаться хорошим только в том случае, если есть возможность использовать сделанный запас энергии в соответствии с теми или иными нуждами. В данном случае, собственник автономной электрической сети, наверняка, хотел бы иметь возможность в любое время преобразовывать энергию гравитации в электрическую энергию.
Для этого потребуется миниатюрная гидроэлектростанция, купить которую не составит особого труда.
Подведем итоги
Гравитационный аккумулятор для загородного дома можно устроить на базе каскада прудов, одного из самых распространенных элементов ландшафтного дизайна. Для этого потребуется насос и мини ГЭС, купить которые можно в простом магазине или в онлайн магазине.
Маховики или кинетические накопители
Маховиками называют устройства, предназначенные для накопления кинетической энергии при его раскрутке до высоких скоростей с помощью электрической энергии. У этих устройств сравнительно низкая энергоемкость и сделать с их помощью действительно большой запас энергии не удастся.
Но при этом маховики просто незаменимы для создания запаса энергии при торможении, например, железнодорожного состава, а затем использования его для разгона поезда или поднятия его в гору. Нетрудно сделать вывод, что маховик отлично подходит для кратковременных запасов энергии, а это значит, что он может использоваться для выравнивания параметров сети и стабилизации ее параметров.
Следует отметить, что маховик, как аккумулятор кинетической энергии, является перспективным устройством . на его использование в энергетике возлагаются немалые надежды. Тысячи ученых, инженеров и проектировщиков именно маховик берут за основу своих проектов, в которых необходимо быстрое преобразование энергии в кинетическую энергию с высоким КПД.
К тому же современные маховики выдерживают почти бесконечное количество циклов разгонов и торможения.
В сети интернет, а также в обычной торговой сети, маховик, пригодный для использования в автономной электрической сети найти пока не удалось. Но автор статьи не теряет надежды и продолжает поиски.
Пневматический аккумулятор
Пневматический аккумулятор занимает лидирующие позиции среди альтернативных аккумуляторов. Дело в том, что газ отлично сжимается, а затем, расширяясь, совершает работу. Все это позволяет практически без проблем преобразовывать использовать электрическую энергию, получаемую от солнечных батарей для работы компрессоров, накачивающих газ в баллоны.
Еще одним достоинством сжатого газа является его способность хранить полученный запас энергии бесконечно долго. Для обратного процесса получения электрической энергии из энергии сжатого газа достаточно открыть запорный вентиль и направить поток газа на лопасти электрического генератора.
Разумеется, в данном случае речь идет лишь о принципиальном устройстве газового аккумулятора. Его разработка и использование потребуют различных доработок. Но главное, состоит в том, что пневматический аккумулятор это вполне реальное и высокоэффективное устройство.
Например, английская компания Energetix разработала и уже активно использует системы бесперебойного питания, работающие при использовании пневматических аккумуляторов. В качестве сжимаемого газа в них используется обычный атмосферный воздух, что значительно облегчает процесс и снижает его себестоимость.
Следует отметить, что при этом никакого вреда окружающей среде не наносится: воздух вначале закачивается в аккумулятор, а затем выпускается из него без изменений своих химических и физических свойств.
Напомним, что запас энергии в пневматическом аккумуляторе зависит от уровня давления воздуха, закачанного в него, а также от прочности самого аккумулятора. Одно дело просто наполнить баллон воздухом, создав в нем избыточное по сравнению с атмосферным, давление, и совсем другое дело, создать в аккумуляторе уровень давления, например, 300 атмосфер. Это уже совсем другая по уровню сложности, техническая задача.
В компании Eskom Holdings было найдено сразу несколько новых технических решений, при этом в их основе лежали уже имеющиеся разработки, используемые в энергетике и машиностроении.
Но не только в Англии пневматические аккумуляторы считаются перспективным направлением в энергетике. В США также считают, что именно сжатый газ может стать отличным накопителем энергии, позволяющим делать ее запасы на любой период времени. Правда в США речь идет о более масштабных проектах, а не о газовых аккумуляторах, использовать которые можно в частном доме. Там планируется располагать накопители газа в выработанных шахтах.
Итак, рассмотрим составляющие элементы пневматического аккумулятора. Это, прежде всего, газовый баллон, способный выдерживать давление в несколько атмосфер. Затем, компрессор для нагнетания воздуха, работающий от электричества, вырабатываемого солнечной батареей.
Затем простейший электрогенератор, приводимый в действие потоком воздуха. Все это можно купить в обычном магазине, а это значит, что пневматический аккумулятор при желании можно устроить в любой автономной электрической сети.
С его помощью альтернативная энергетика станет еще доступней.
