Сжатый газ как аккумулятор энергии
О способности сжатого газа совершать работу знают практически все. Достаточно вспомнить о пробке, вылетающей из шампанского или о шипящей струе газа из баллона, способной вращать вертушку.
Происходит это благодаря наличию в нем запаса энергии. Это значит, что для аккумуляции энергии нужно просто сжать газ, приведя его в рабочее состояние.
Именно таким образом выглядит простейший пневматический аккумулятор, в который нагнетается воздух при помощи насоса, работающего на электроэнергии, получаемой от альтернативного источника: ветрогенератора, солнечной батареи, а также от различных теплоэлектрогенераторов.
Принцип его работы предельно прост: достаточно сжать воздух, например в обычном газовом баллоне, а затем, при необходимости, подключить струю воздуха к электрогенератору и получить нужное количество электричества.
Эта идея с успехом реализована на практике. Полученное устройство называется пневматический аккумулятор, и имеет ряд достоинств и преимуществ по сравнению с обычным аккумулятором, используемым в качестве накопителя в автономной электрической сети.
Чем хорош пневматический аккумулятор
Весит он немного ( в основном его вес определяется массой газового баллона), может хранить запас энергии бесконечно долго, не требует особого ухода или технического обслуживания, а его стоимость складывается из стоимости нагнетающего насоса и баллона. При этом следует отметить, что узким звеном в данном случае является нагнетающий насос, срок эксплуатации которого не менее семи лет. В этой системе выйти из строя может только он. В целом система достаточно надежна и может работать без ремонта и замены достаточно длительный период.
К тому же есть немало устройств, которые можно привести в рабочее состояние непосредственно при помощи сжатого газа.
Вывод простой: сжатый газ может использоваться как аккумулятор для хранения избыточного количества энергии, полученного при работе различных генераторов.
Для определения эффективности пневматического аккумулятора проведем небольшой расчет, для которого достаточно иметь запас знаний по физике в объеме школьного курса.
Расчет пневматического аккумулятора
Возьмем стальную емкость, способную выдержать давление в пятьдесят атмосфер. Для этого ее стенки должны иметь толщину, равную приблизительно пяти миллиметрам. Следует обратить внимание на то, что любое техническое устройство должно быть абсолютно безопасным для человека и иметь запас прочности, достаточный для этого.
При этом температура будет оставаться постоянной, что позволяет вести речь об изотермическом процессе.
Для расчета используется идеальный газ, представляющий собой вещество, молекулы которого можно считать бесконечно малыми и не взаимодействующими между собой. В действительности воздух при нормальных условиях может считаться идеальным газом, так как взаимодействием между молекулами газов, составляющих его, можно пренебречь.
Работа, совершенная идеальным газом в изотермическом процессе, может быть рассчитана следующим образом
Где
N - число частиц газа,
T - температура,
V1 и V2 - объём газа в начале и конце процесса,
k -постоянная Больцмана
Ее значение равно
Использовать в расчетах число частиц газа менее удобно, чем количество молей, поэтому можно "пойти другим путем", а именно использовать газовую постоянную
R = kNA
Где
N с индексом
А число Авагадро, тогда
A = (M/m)RTln (V2 / V1)
Где
T - абсолютная температура,
V1 - начальный объем газа,
V2 - конечный объем газа.
M - масса газа,
m - молярная масса газа
R - универсальная газовая постоянная,
В соответствии с уравнением идеального газа
P1 V1 = P2 V2
Напомним, что по условиям задачи воздух закачивается в сосуд, объемом один кубический метр под давлением в 50 атмосфер, при постоянной температуре. Условимся, что температура окружающей среды равна 20 градусов по Цельсию. Тогда абсолютная температура воздуха составит
Т=273+20=293
Получаем, что при
V2 / V1 = 50
T = 293 0K,
R = 8.31 Дж/(моль o град),
M / m ~ 50 : 0.0224 ~ 2232
Следовательно, значение работы газа при расширении составит
2232 ∙ 8.31 ∙ 293 ∙ ln 50 ~ 20 МДж ~ 5.89 кВт o час.
Массу газа рассчитать нетрудно, она составит 249,89кг, следовательно, запасенная энергия будет равна78,9 кДж/кг.
Такой накопитель энергии может обеспечить в течение часа нагрузку в автономной электрической сети, составляющую 5,4кВт. Как видите, показатели отличные. Количество аккумуляторов может быть любым, а для безопасности их можно закопать в землю.
Перспективы использования сжатого воздуха в качестве аккумулятора энергии
Нетрудно предположить, что сжатый воздух является идеальным веществом для аккумуляции энергии. Его не нужно специально хранить, запасать или доставлять к месту использования, он не меняет своих свойств даже при длительном хранении и его можно использовать как для выброса в атмосферу, так и для совершения работы.
Процесс нагнетания воздуха в баллоны технически не представляет сложностей, что позволяет говорить о широких перспективах использования этого проекта.
Узким местом этой идеи является необходимость установки резервуаров, способных выдерживать давление огромных величин, ведь не секрет, что чем больший объем воздуха направлен на хранение в пневматический аккумулятор, тем большее давление создается в нем и тем большее значение потенциала этой системы.
В данном случае при повышении давления в резервуаре возрастают требования к его прочности и безопасности, но при хранении запаса воздуха с относительно небольшим избыточным давлением возрастает его объем, а, значит, и объем используемого резервуара.
Для решения этой задачи используются различные подходы. В частности, в одном из штатов США предполагается закачивать воздух в пещеры, вымытые в отложениях солей.
В других проектах предполагается использовать для этих целей баллоны, расположенные в открытом море.
Как видите, идей немало, главное, суметь их воплотить.
