ธรรมชาติให้แหล่งพลังงานที่หลากหลายแก่มนุษย์: ดวงอาทิตย์ ลม แม่น้ำ และอื่นๆ ข้อเสียของเครื่องกำเนิดพลังงานอิสระเหล่านี้คือการขาดความเสถียร ดังนั้นในช่วงที่พลังงานส่วนเกินจะถูกเก็บไว้ในอุปกรณ์จัดเก็บและใช้จ่ายในช่วงที่เศรษฐกิจถดถอยชั่วคราว อุปกรณ์เก็บพลังงานมีลักษณะตามพารามิเตอร์ต่อไปนี้:
- ปริมาณพลังงานที่สะสม;
- ความเร็วของการสะสมและผลตอบแทน;
- ความถ่วงจำเพาะ;
- เวลาเก็บพลังงาน
- ความน่าเชื่อถือ;
- ค่าผลิตและบำรุงรักษาและอื่นๆ
มีหลายวิธีในการจัดระเบียบไดรฟ์ วิธีที่สะดวกที่สุดคือการจำแนกประเภทตามประเภทของพลังงานที่ใช้ในอุปกรณ์จัดเก็บและตามวิธีการสะสมและส่งคืน อุปกรณ์จัดเก็บพลังงานแบ่งออกเป็นประเภทหลักดังต่อไปนี้:
- เครื่องกล
- ความร้อน;
- ไฟฟ้า;
- เคมี.
การสะสมของพลังงานศักย์
สาระสำคัญของอุปกรณ์เหล่านี้ตรงไปตรงมา เมื่อยกของขึ้น พลังงานศักย์จะสะสม เมื่อลดต่ำลง จะทำงานที่มีประโยชน์ คุณสมบัติการออกแบบขึ้นอยู่กับประเภทของสินค้า เป็นได้ทั้งของแข็ง ของเหลว หรือสารหลวม ตามกฎแล้วการออกแบบอุปกรณ์ประเภทนี้ทำได้ง่ายมาก จึงมีความน่าเชื่อถือสูงและอายุการใช้งานยาวนาน ระยะเวลาในการจัดเก็บพลังงานที่สะสมขึ้นอยู่กับความทนทานของวัสดุและสามารถยาวได้ถึงพันปี ขออภัย อุปกรณ์ดังกล่าวมีความหนาแน่นของพลังงานต่ำ
การจัดเก็บพลังงานจลน์ทางกล
ในอุปกรณ์เหล่านี้ พลังงานจะถูกเก็บไว้ในการเคลื่อนไหวของร่างกาย โดยปกตินี่คือการเคลื่อนที่แบบสั่นหรือแบบแปลน
พลังงานจลน์ในระบบสั่นกระจุกตัวอยู่ในการเคลื่อนไหวแบบลูกสูบของร่างกาย พลังงานจะถูกจ่ายและบริโภคเป็นส่วนๆ ตามเวลาที่ร่างกายเคลื่อนไหว กลไกนี้ค่อนข้างซับซ้อนและไม่แน่นอนในการตั้งค่า ใช้กันอย่างแพร่หลายในนาฬิกาจักรกล ปริมาณพลังงานที่เก็บไว้มักจะมีขนาดเล็กและเหมาะสำหรับการทำงานของอุปกรณ์เท่านั้น
อุปกรณ์เก็บข้อมูลที่ใช้ไจโรสโคป
เก็บพลังงานจลน์ในมู่เล่ที่หมุนได้ พลังงานจำเพาะของมู่เล่มีมากกว่าพลังงานของโหลดสถิตย์ที่คล้ายกันอย่างมาก สามารถรับหรือส่งออกพลังงานที่สำคัญได้ในระยะเวลาอันสั้น ระยะเวลาในการจัดเก็บพลังงานนั้นสั้น และสำหรับการออกแบบส่วนใหญ่นั้นจำกัดไว้เพียงไม่กี่ชั่วโมง เทคโนโลยีสมัยใหม่ทำให้สามารถเก็บพลังงานได้นานหลายเดือน มู่เล่มีความไวต่อแรงกระแทกมาก พลังงานของอุปกรณ์ขึ้นอยู่กับความเร็วของการหมุนโดยตรง ดังนั้นในกระบวนการสะสมและคืนพลังงานจะเกิดการเปลี่ยนแปลงความเร็วของการหมุนของมู่เล่ และสำหรับภาระเช่นตามกฎแล้วต้องใช้ความเร็วรอบคงที่และต่ำ
อุปกรณ์ที่น่าสนใจกว่านั้นคือซุปเปอร์ฟลายวีล พวกเขาทำจากเทปเหล็ก เส้นใยสังเคราะห์หรือลวด การออกแบบอาจมีความหนาแน่นหรือมีที่ว่าง หากมีที่ว่าง ขดลวดของเทปจะเคลื่อนไปที่ขอบของการหมุน โมเมนต์ความเฉื่อยของมู่เล่จะเปลี่ยนไป พลังงานส่วนหนึ่งจะถูกเก็บไว้ในสปริงที่ผิดรูป ในอุปกรณ์ดังกล่าว ความเร็วในการหมุนจะคงที่มากกว่าในโครงสร้างที่เป็นของแข็ง และการใช้พลังงานก็สูงกว่ามาก พวกเขายังปลอดภัยอีกด้วย
มู่เล่ซุปเปอร์ทันสมัยทำจากเส้นใยเคฟลาร์ พวกมันหมุนในห้องสุญญากาศบนระบบกันสะเทือนแบบแม่เหล็ก เก็บไฟได้นานหลายเดือน
การจัดเก็บเครื่องกลโดยใช้แรงยืดหยุ่น
อุปกรณ์ประเภทนี้สามารถเก็บพลังงานเฉพาะจำนวนมากได้ ไดรฟ์เชิงกลนั้นมีความเข้มของพลังงานสูงสุดสำหรับอุปกรณ์ที่มีขนาดหลายเซนติเมตร มู่เล่ขนาดใหญ่ที่มีความเร็วรอบการหมุนสูงมากจะมีปริมาณพลังงานที่สูงกว่ามาก แต่พวกมันก็เสี่ยงต่ออิทธิพลภายนอกอย่างมากและมีเวลาในการจัดเก็บพลังงานที่สั้นลง
คลังเก็บพลังงานสปริง
สามารถส่งมอบพลังงานกลสูงสุดของระดับการจัดเก็บพลังงานใดๆ มันถูกจำกัดด้วยความต้านทานแรงดึงของสปริงเท่านั้น พลังงานในสปริงอัดสามารถเก็บไว้ได้นานหลายทศวรรษ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการเสียรูปอย่างต่อเนื่อง ความล้าจึงสะสมอยู่ในโลหะ และความจุของสปริงลดลง ในเวลาเดียวกัน สปริงเหล็กคุณภาพสูงภายใต้สภาวะการทำงานที่เหมาะสม สามารถทำงานได้หลายร้อยปีโดยไม่สูญเสียกำลังการผลิตที่เห็นได้ชัดเจน
ฟังก์ชั่นสปริงสามารถทำได้ด้วยองค์ประกอบที่ยืดหยุ่นได้ ตัวอย่างเช่น แถบยางนั้นเหนือกว่าผลิตภัณฑ์เหล็กหลายสิบเท่าในแง่ของพลังงานสะสมต่อหน่วยมวล แต่อายุการใช้งานของยางอันเนื่องมาจากอายุของสารเคมีนั้นเพียงไม่กี่ปี
อุปกรณ์จัดเก็บเครื่องกลที่ใช้พลังงานจากก๊าซอัด
ในอุปกรณ์ประเภทนี้ พลังงานจะถูกกักเก็บโดยการอัดแก๊ส ในที่ที่มีพลังงานมากเกินไป ก๊าซจะถูกปั๊มภายใต้แรงดันเข้าไปในกระบอกสูบโดยใช้คอมเพรสเซอร์ ตามความจำเป็น ก๊าซอัดจะใช้เพื่อหมุนกังหันหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ที่ความจุต่ำ แนะนำให้ใช้มอเตอร์ลูกสูบแทนเทอร์ไบน์ ก๊าซในภาชนะภายใต้ความกดดันจากบรรยากาศหลายร้อยบรรยากาศมีความหนาแน่นของพลังงานจำเพาะสูงเป็นเวลาหลายปี และด้วยข้อต่อคุณภาพสูง - เป็นเวลาหลายทศวรรษ
เก็บพลังงานความร้อน
อาณาเขตส่วนใหญ่ของประเทศของเราตั้งอยู่ในภาคเหนือ ดังนั้นพลังงานส่วนสำคัญจึงถูกบังคับให้ใช้พลังงานเพื่อให้ความร้อน ในเรื่องนี้ จำเป็นต้องแก้ปัญหาเรื่องการเก็บความร้อนในไดรฟ์อย่างสม่ำเสมอและดึงออกจากที่นั่นหากจำเป็น
ในกรณีส่วนใหญ่ เป็นไปไม่ได้ที่จะบรรลุพลังงานความร้อนที่เก็บไว้ที่มีความหนาแน่นสูงและช่วงระยะเวลาที่สำคัญของการอนุรักษ์พลังงานนั้น อุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพที่มีอยู่ในเนื่องจากคุณสมบัติบางอย่างและราคาสูงจึงไม่เหมาะกับการใช้งานแบบกว้างๆ
การจัดเก็บเนื่องจากความจุความร้อน
นี่เป็นหนึ่งในวิธีที่เก่าแก่ที่สุด โดยอาศัยหลักการของการสะสมพลังงานความร้อนเมื่อสารได้รับความร้อนและการถ่ายเทความร้อนเมื่อเย็นตัวลง การออกแบบไดรฟ์ดังกล่าวทำได้ง่ายมาก อาจเป็นชิ้นส่วนของสารที่เป็นของแข็งหรือภาชนะปิดที่มีสารหล่อเย็นเหลว ตัวสะสมพลังงานความร้อนมีอายุการใช้งานยาวนานมาก แทบไม่จำกัดจำนวนรอบของการสะสมและการปล่อยพลังงาน แต่ระยะเวลาในการจัดเก็บไม่เกินหลายวัน
กักเก็บพลังงานไฟฟ้า
พลังงานไฟฟ้าเป็นรูปแบบที่สะดวกที่สุดในโลกสมัยใหม่ นั่นคือเหตุผลที่อุปกรณ์จัดเก็บไฟฟ้าใช้กันอย่างแพร่หลายและพัฒนามากที่สุด น่าเสียดายที่ความจุจำเพาะของอุปกรณ์ราคาถูกมีขนาดเล็ก และอุปกรณ์ที่มีความจุจำเพาะสูงมีราคาแพงเกินไปและมีอายุสั้น อุปกรณ์เก็บพลังงานไฟฟ้า ได้แก่ คาปาซิเตอร์ อิออน แบตเตอรี
ตัวเก็บประจุ
นี่คือแหล่งกักเก็บพลังงานขนาดใหญ่ที่สุด ตัวเก็บประจุสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิตั้งแต่ -50 ถึง +150 องศา จำนวนรอบการสะสม-ส่งคืนพลังงานคือหมื่นล้านต่อวินาที ด้วยการเชื่อมต่อตัวเก็บประจุหลายตัวแบบขนาน คุณสามารถรับความจุที่ต้องการได้อย่างง่ายดาย นอกจากนี้ยังมีตัวเก็บประจุแบบแปรผัน การเปลี่ยนความจุของตัวเก็บประจุดังกล่าวสามารถทำได้โดยกลไกหรือทางไฟฟ้าหรือตามอุณหภูมิ ส่วนใหญ่แล้ว ตัวเก็บประจุแบบแปรผันสามารถพบได้ในวงจรออสซิลเลเตอร์
ตัวเก็บประจุแบ่งออกเป็นสองคลาส - แบบมีขั้วและแบบไม่มีขั้ว อายุการใช้งานของขั้วไฟฟ้า (อิเล็กโทรไลต์) สั้นกว่าแบบไม่มีขั้ว ขึ้นอยู่กับสภาวะภายนอกมากกว่า แต่ในขณะเดียวกัน ขั้วไฟฟ้าก็มีความจุจำเพาะที่มากกว่า
เนื่องจากตัวเก็บประจุเก็บพลังงานไม่ใช่อุปกรณ์ที่ประสบความสำเร็จมากนัก พวกเขามีความจุต่ำและความหนาแน่นจำเพาะที่ไม่มีนัยสำคัญของพลังงานที่เก็บไว้ และเวลาในการจัดเก็บจะคำนวณเป็นวินาที นาที หรือแทบจะเป็นชั่วโมง ตัวเก็บประจุพบการใช้งานส่วนใหญ่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และวิศวกรรมไฟฟ้ากำลัง
ตามกฎแล้วการคำนวณตัวเก็บประจุจะไม่ทำให้เกิดปัญหา ข้อมูลที่จำเป็นทั้งหมดเกี่ยวกับตัวเก็บประจุประเภทต่างๆ มีอยู่ในคู่มือทางเทคนิค
ไอออนิสเตอร์
อุปกรณ์เหล่านี้ใช้ตำแหน่งกลางระหว่างตัวเก็บประจุแบบมีขั้วและแบตเตอรี่ บางครั้งเรียกว่า "supercapacitors" ดังนั้นจึงมีขั้นตอนการคายประจุจำนวนมากความจุมากกว่าตัวเก็บประจุ แต่น้อยกว่าแบตเตอรี่ขนาดเล็กเล็กน้อย ระยะเวลาในการจัดเก็บพลังงานนานถึงหลายสัปดาห์ ไอออนิสเตอร์ไวต่ออุณหภูมิมาก
พลังงานแบตเตอรี่
แบตเตอรี่ไฟฟ้าเคมีใช้ถ้าคุณต้องการเก็บพลังงานจำนวนมาก อุปกรณ์ตะกั่วกรดเหมาะที่สุดสำหรับจุดประสงค์นี้ พวกเขาถูกประดิษฐ์ขึ้นเมื่อประมาณ 150 ปีที่แล้ว และตั้งแต่นั้นมา ก็ไม่มีอะไรใหม่โดยพื้นฐานเลยในอุปกรณ์แบตเตอรี่ มีโมเดลเฉพาะจำนวนมากปรากฏขึ้นคุณภาพของส่วนประกอบเพิ่มขึ้นอย่างมากความน่าเชื่อถือของแบตเตอรี่ เป็นที่น่าสังเกตว่าอุปกรณ์ของแบตเตอรี่ที่สร้างขึ้นโดยผู้ผลิตหลายรายแตกต่างกันในรายละเอียดปลีกย่อยสำหรับวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกันเท่านั้น
แบตเตอรี่ไฟฟ้าเคมีแบ่งออกเป็นแรงดึงและสตาร์ท แรงฉุดใช้ในการขนส่งไฟฟ้า เครื่องสำรองไฟ เครื่องมือไฟฟ้า แบตเตอรี่ดังกล่าวมีลักษณะการคายประจุที่สม่ำเสมอและมีความลึกมาก แบตเตอรี่สตาร์ทเตอร์สามารถส่งกระแสไฟสูงได้ในระยะเวลาอันสั้น แต่การคายประจุที่ลึกจะไม่เป็นที่ยอมรับสำหรับแบตเตอรี่เหล่านี้
แบตเตอรี่ไฟฟ้าเคมีมีจำนวนรอบการชาร์จ-คายประจุที่จำกัด โดยเฉลี่ย 250 ถึง 2000 แม้ว่าจะไม่ได้ใช้งาน แต่ก็ล้มเหลวหลังจากผ่านไปสองสามปี แบตเตอรี่ไฟฟ้าเคมีไวต่ออุณหภูมิ ต้องชาร์จนาน และต้องบำรุงรักษาอย่างเข้มงวด
ต้องชาร์จอุปกรณ์เป็นระยะ แบตเตอรี่ที่ติดตั้งในรถจะถูกชาร์จจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ในฤดูหนาวนี้ไม่เพียงพอแบตเตอรี่ที่เย็นไม่รับการชาร์จที่ดีและการใช้ไฟฟ้าเพื่อสตาร์ทเครื่องยนต์เพิ่มขึ้น ดังนั้นจึงจำเป็นต้องชาร์จแบตเตอรี่เพิ่มเติมในห้องอุ่นด้วยเครื่องชาร์จพิเศษ ข้อเสียที่สำคัญอย่างหนึ่งของอุปกรณ์ตะกั่วกรดคือน้ำหนักมาก
แบตเตอรี่สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานต่ำ
หากต้องการอุปกรณ์พกพาที่มีน้ำหนักเบา ให้เลือกแบตเตอรี่ประเภทต่อไปนี้: นิกเกิลแคดเมียมลิเธียมไอออน, เมทัล-ไฮบริด, โพลีเมอร์-ไอออน พวกเขามีความจุเฉพาะที่สูงกว่า แต่ราคาสูงกว่ามาก ใช้ในโทรศัพท์มือถือ แล็ปท็อป กล้อง กล้องวิดีโอ และอุปกรณ์ขนาดเล็กอื่นๆ แบตเตอรี่ประเภทต่างๆ แตกต่างกันไปตามพารามิเตอร์: จำนวนรอบการชาร์จ อายุการเก็บรักษา ความจุ ขนาด ฯลฯ
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนกำลังสูงใช้ในรถยนต์ไฟฟ้าและรถยนต์ไฮบริด น้ำหนักเบา ความจุจำเพาะสูงและความน่าเชื่อถือสูง ในขณะเดียวกัน แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนก็ไวไฟสูงมาก การจุดระเบิดอาจเกิดขึ้นจากการลัดวงจร การเสียรูปทางกลหรือการทำลายของเคส การละเมิดโหมดการชาร์จหรือการคายประจุของแบตเตอรี่ การดับไฟค่อนข้างยากเนื่องจากมีลิเธียมกิจกรรมสูง
แบตเตอรี่คือหัวใจของเครื่องใช้ไฟฟ้ามากมาย ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์เก็บพลังงานสำหรับโทรศัพท์คือแบตเตอรี่ภายนอกขนาดกะทัดรัดที่ใส่ไว้ในเคสกันน้ำที่ทนทาน ช่วยให้คุณสามารถชาร์จหรือจ่ายไฟให้กับโทรศัพท์มือถือของคุณได้ อุปกรณ์เก็บพลังงานแบบพกพาอันทรงพลังสามารถชาร์จอุปกรณ์ดิจิตอลใดๆ แม้แต่แล็ปท็อป ในอุปกรณ์ดังกล่าวจะมีการติดตั้งแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนความจุสูง การจัดเก็บพลังงานสำหรับบ้านยังไม่สมบูรณ์หากไม่มีแบตเตอรี่ แต่สิ่งเหล่านี้เป็นอุปกรณ์ที่ซับซ้อนกว่ามาก นอกจากแบตเตอรี่แล้ว ยังมีที่ชาร์จ ระบบควบคุม และอินเวอร์เตอร์อีกด้วย อุปกรณ์สามารถทำงานได้ทั้งจากเครือข่ายคงที่และจากแหล่งอื่น กำลังขับโดยเฉลี่ย 5 กิโลวัตต์
ขับพลังงานเคมี
แยกแยะระหว่างไดรฟ์ประเภท "เชื้อเพลิง" และ "ไม่ใช่เชื้อเพลิง" พวกเขาต้องการเทคโนโลยีพิเศษและมักเป็นอุปกรณ์ไฮเทคขนาดใหญ่ กระบวนการที่ใช้ทำให้สามารถรับพลังงานในรูปแบบต่างๆได้ ปฏิกิริยาเทอร์โมเคมีสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งที่อุณหภูมิต่ำและสูง ส่วนประกอบสำหรับปฏิกิริยาอุณหภูมิสูงจะถูกนำมาใช้เฉพาะเมื่อจำเป็นต้องได้รับพลังงานเท่านั้น ก่อนหน้านั้นจะถูกเก็บไว้แยกต่างหากในที่ต่างๆ ส่วนประกอบสำหรับปฏิกิริยาที่อุณหภูมิต่ำมักจะอยู่ในภาชนะเดียวกัน
เก็บพลังงานโดยใช้เชื้อเพลิง
วิธีนี้รวมถึงสองขั้นตอนที่เป็นอิสระอย่างสมบูรณ์: การสะสมพลังงาน ("การชาร์จ") และการใช้ ("การคายประจุ") ตามกฎแล้วเชื้อเพลิงแบบดั้งเดิมมีความจุพลังงานจำเพาะสูง ความเป็นไปได้ของการจัดเก็บระยะยาว และความสะดวกในการใช้งาน แต่ชีวิตไม่หยุดนิ่ง การแนะนำเทคโนโลยีใหม่ทำให้ความต้องการเชื้อเพลิงเพิ่มขึ้น งานได้รับการแก้ไขโดยการปรับปรุงที่มีอยู่และสร้างเชื้อเพลิงพลังงานสูงใหม่
การแนะนำตัวอย่างใหม่อย่างกว้างๆ ถูกขัดขวางโดยการพัฒนากระบวนการทางเทคโนโลยีที่ไม่เพียงพอ อันตรายจากไฟไหม้และการระเบิดในการทำงาน ความต้องการบุคลากรที่มีคุณสมบัติสูง และต้นทุนเทคโนโลยีที่สูง
กักเก็บพลังงานเคมีแบบไม่ใช้เชื้อเพลิง
ในการจัดเก็บประเภทนี้ พลังงานจะถูกจัดเก็บโดยการแปลงสารเคมีบางชนิดไปเป็นสารเคมีอื่นๆ ตัวอย่างเช่น เมื่อถูกความร้อน ปูนขาวจะเข้าสู่สถานะปูนขาว เมื่อคายประจุ พลังงานที่สะสมไว้ปล่อยออกมาเป็นความร้อนและก๊าซ นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อปูนขาวโดนน้ำ เพื่อให้ปฏิกิริยาเริ่มต้น โดยทั่วไปก็เพียงพอที่จะรวมส่วนประกอบต่างๆ เข้าด้วยกัน โดยพื้นฐานแล้ว นี่คือปฏิกิริยาเทอร์โมเคมีชนิดหนึ่ง มันเกิดขึ้นที่อุณหภูมิหลายร้อยและหลายพันองศาเท่านั้น ดังนั้นอุปกรณ์ที่ใช้จึงซับซ้อนและมีราคาแพงกว่ามาก