Андрей
я могу стараться, думать, развиваться и делиться опытом
The more you see the less you know, или "Век живи, век учись"
Андрей Махнов
Все записи
текст

Аккумуляторы вокруг нас

Какими они бывают.
Аккумуляторы вокруг нас

Загорская ГАЭС Фото: psih1989 wikimapia.org

Что-то модно, что-то вышло из моды, а что-то – вечно. Человечество пользуется десятками разных аккумуляторов. Одни из них, никель-водородные, больше почти не применяются. Другие, литий-ионные, особенно распространены в эру информационных технологий, а третьи соседствуют с цивилизацией уже несколько веков. Свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, серебряно-цинковые – и это только малая часть обитателей таинственного мира накопителей энергии. Чтобы разобраться, как работают разные виды аккумуляторов, мы вскроем оболочку аккумуляторных «терминаторов» и заглянем внутрь физико-химических процессов их работы.

Энергия таблицы Менделеева

Любой аккумулятор предназначен для того, чтобы накапливать энергию, а впоследствии использовать ее. Накапливаться может энергия различных видов – не только электрическая, но и механическая, и энергия в форме тепла. Разные технологии требуют накопления разных форм энергии. Научно-технический прогресс складывается по такому сценарию, при котором на первый план практического применения во всех сферах вышли именно электрические аккумуляторы. По базовому принципу действия они условно делятся на три типа. Первый тип – это химические аккумуляторы, они же химические источники тока многоразового действия. Второй тип – это конденсаторы, и третий, принципиально отличающийся от первых двух, – электромагниты.

Химический аккумулятор – это устройство, превращающее энергию химических реакций в электроэнергию. При этом сама химическая энергия не расходуется безвозвратно после перехода реагентов, а накапливается: электроэнергия от внешнего источника тока запускает новые химические процессы и создает новые запасы химической энергии. Именно по такому принципу и происходит подзарядка аккумуляторов от сети. Сама возможность такой подзарядки обеспечивается обратимостью химических реакций, поэтому ключевой вопрос – материалы, из которых сделаны элементы аккумулятора. В зависимости от металла, из которого изготовлены электроды, устройство либо будет подзаряжаться при подключении к Сети, либо нет. В ноутбуках, планшетах и мобильных телефонах стоят именно химические аккумуляторы, сделанные, как правило, на основе лития, третьего элемента таблицы Менделеева. В автомобильных аккумуляторах тот же самый эффект накопления энергии достигается благодаря использованию свинца и серной кислоты – из них получаются свинцово-кислотные аккумуляторы.

В спортивном электрокаре Tzero установлен свинцово-кислотный аккумулятор Optima Yellow Top, который производит 150 кВ (200л/с) мощности. Фото: D0li0, commons.wikimedia.org

Аккумуляторы на основе лития, несмотря на важные преимущества – высокую емкость, низкий саморазряд и долговечность, – обладают серьезным недостатком: при повреждении или нарушении условий эксплуатации эти аккумуляторы могут становиться взрывоопасными. При работе свинцово-кислотных аккумуляторов таких нежелательных эффектов пока не наблюдалось. Они «завоевали» автомобильную промышленность из-за простоты и дешевизны производства.

Прямиком из XVIII века

Конденсаторы, в отличие от химических аккумуляторов, не накапливают какую-то еще форму энергии, кроме электроэнергии, а работают непосредственно с электрическим зарядом. Первый прототип конденсатора был придуман и сконструирован еще в 1745 году и вошел в историю физики под красивым названием «лейденская банка» – в честь нидерландского города Лейден, в котором состоялось изобретение. Простейшую конструкцию конденсатора можно представить как систему из двух пластин-электродов, разделенных прослойкой диэлектрика, то есть вещества, плохо проводящего электричество. Конденсаторы, которые применяются на практике, устроены посложнее и могут содержать как многослойные электроды, так и много слоев самого диэлектрика, но базовый принцип от этого не меняется. Суть работы состоит в том, что конденсатор, включенный в цепь переменного тока, будет циклическим образом заряжаться и разряжаться и тем самым проводить колебания переменного тока. Благодаря такому свойству конденсаторы широко применяются в самых разных видах электронных приборов и аппаратуры. Это и обычные источники электропитания, и высокоэнергетические системы – электромагнитные ускорители или импульсные лазеры. Есть модели трамваев, чьи тяговые электродвигатели могут работать даже на обесточенных участках, и в этих технологиях также применяются конденсаторы.


Электромагнит, так же как и конденсатор, может использоваться по назначению только при включении в цепь электрического тока. Однако в случае электромагнита энергия аккумулируется не в форме электрического заряда, а в форме магнитного поля. В простейшем варианте электромагнит – это металлический стержень, на который намотан провод из меди, алюминия или другого проводящего материала. При пропускании тока через обмотку стержень становится сильным магнитом, это позволило широко применять электромагниты в разных областях электротехники. Основные сферы применения – бытовая техника и медицина. Например, микрохирургия глаза: с помощью электромагнитов там извлекают инородные тела. Магнитное поле безболезненно проникает сквозь кожу и кости человека. Магнитная терапия также широко применяется для укрепления костей и тканей, улучшения циркуляции крови.

Вакуумный конденсатор Фото: Warut Roonguthai commons.wikimedia.org

Сила воды и тепла

Значительный интерес для практики представляют также механические и тепловые аккумуляторы, то есть устройства, которые накапливают либо потенциальную энергию упругого материала, либо кинетическую энергию движения (простые примеры – маховик, гироскоп), либо тепло. Например, в системах автономного водоснабжения загородных домов зачастую используются гидроаккумуляторы.

Обычно гидроаккумулятор – это емкость, в которой жидкость поддерживается под давлением с помощью поршня или мембраны. Принцип работы состоит в том, что накапливаемая энергия жидкости, находящейся под давлением, подается в систему и используется в зависимости от устройства: либо создает нужный напор (водоснабжение), либо приводит в действие тот или иной механизм (колеса или тормозную систему, если речь идет о транспорте). Аналогичные устройства применяются и в системах отопления, чтобы создавать напор в трубах. Еще одна важная область применения гидроаккумуляторов – авиационная промышленность: системы торможения колес шасси и выпуска стоек шасси.

Батарея из наполненных водой лейденских банок в музее Германа Бургаве (Нидерланды) Фото: Jos van den Broek commons. wikimedia.org 

Существуют также пневматические аккумуляторы, для которых рабочей средой является не жидкость, а газ. Недостаток такого аккумулятора в том, что при сжатии газа существенная часть энергии переходит в тепло, и за счет этого снижается КПД системы.

Широко применяются устройства, объединяющие достоинства гидро- и пневмоаккумуляторов – так называемые гидроаккумуляторы с пневматическим накопителем, в которых функцию накопителя энергии выполняет газ, а для передачи энергии сжатого газа в систему уже используется гидравлика (то есть жидкость). У таких устройств малая инерционность, и они позволяют создать более надежные конструкции. Пневмогидравлические аккумуляторы используют для обеспечения резервного питания и как амортизаторы.

В отдельную категорию стоит выделить водонапорные башни и ГАЭС, которые по смыслу можно назвать «гравитационными аккумуляторами», поскольку у них принцип основан не на росте потенциальной энергии упругой среды, а на потенциальной энергии воды в поле силы тяжести. По своему главному назначению водонапорная башня – это не что иное, как аккумулятор, в котором роль накапливаемой энергии играет вода. При пониженном водопотреблении избыточный объем воды, подаваемой с помощью насосов, накапливается в баке водонапорной башни. Таким образом, создаются запасы воды, которые расходуются при высоком потреблении. Можно провести аналогию с аккумуляторами в электронике: вода, подаваемая от насосов, играет ту же роль, что электрический ток от внешней сети. А будет ли аккумулятор при этом заряжаться или садиться – зависит как от потребителя, так и от качества техники. В одном случае потребитель – это человек, который сидит в Интернете с телефона или смотрит фильм на ноутбуке, во втором случае потребитель – это тот же самый человек, который после просмотра фильма решил принять душ или набрать ванну.

Гидробашня на территории Политехнического университета в Санкт-Петербурге. Фото: Управление по связям с общественностью Санкт- Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) museum.spbstu.ru

В России работает всего одна гидроаккумулирующая электростанция – Загорская ГАЭС на реке Кунье у Сергиева Посада в Московской области. Шесть ее блоков дают электроэнергию мощностью до 1200 МВт. Проектируются и другие гидроаккумулирующие электростанции – Ленинградская с мощностью 1560 МВт, Курская – 465 МВт, Владимирская – 800 МВт. Всего в европейской части России можно построить около 200 ГАЭС – это удобно в том числе из-за рельефной поверхности.

Мир аккумуляторов широк и многообразен. Само понятие «аккумулятор» уже аккумулирует в себе огромное количество информации и охватывает обширный круг разных технических устройств, между которыми, на первый взгляд, мало общего. Их объединяет одно: они накапливают в себе энергию, жизненно необходимую всему живому на планете. И человечество тоже является сложным и неисчерпаемым аккумулятором энергии – во много раз более взрывоопасным, чем все разновидности техники.


Технологии

Машины и Механизмы
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен
Всего 0 комментариев
Комментарии

Рекомендуем

Актуальное
Петросити
Поэма здоровья
Биосфера
Бесконтактная примерка обуви
OK OK OK OK OK OK OK