НАКОПИ́ТЕЛЬ ЭНЕ́РГИИ

НАКОПИ́ТЕЛЬ ЭНЕ́РГИИ, уст­рой­ст­во, вос­при­ни­маю­щее, со­хра­няю­щее и вы­де­ляю­щее энер­гию для ис­поль­зо­ва­ния без пре­об­ра­зо­ва­ния её ви­да. Н. э. раз­ли­ча­ют­ся объ­ё­мом за­па­сае­мой энер­гии, ско­ро­стью её на­ко­п­ле­ния и от­да­чи («за­ряд­ки» и «раз­ряд­ки»), удель­ной энер­го­ём­ко­стью (плот­но­стью на­ко­п­лен­ной энер­гии), воз­мож­ны­ми сро­ка­ми её хра­не­ния и др. па­ра­мет­ра­ми, вклю­чая на­дёж­ность и стои­мость из­го­тов­ле­ния и об­слу­жи­ва­ния. Напр., при про­из-ве элек­трич. энер­гии с ис­поль­зо­ва­ни­ем во­зоб­нов­ляе­мых ис­точ­ни­ков (во­да, ве­тер, солн­це и др.) воз­ни­ка­ет про­бле­ма не­по­сто­ян­ст­ва их мощ­но­сти. По­это­му энер­гию ис­точ­ни­ка при её из­быт­ке не­об­хо­ди­мо за­пас­ти в Н. э., а за­тем уже рас­хо­до­вать эту на­ко­п­лен­ную энер­гию в не­об­хо­ди­мом ко­ли­че­ст­ве. При этом Н. э. бу­дет иг­рать роль демп­фи­рую­ще­го уст­рой­ст­ва, сгла­жи­ваю­ще­го ко­ле­ба­ния мощ­но­сти ис­точ­ни­ка (напр., гид­ро­ак­ку­му­ли­рую­щая эле­кт­ро­стан­ция). Ес­ли вид энер­гии при этом ме­ня­ет­ся, напр. с элек­три­че­ской на ме­ха­ни­че­скую, то этот пе­ре­ход осу­ще­ст­в­ля­ет пре­об­ра­зо­ва­тель энер­гии, в дан­ном слу­чае элек­тро­дви­га­тель.

Н. э. де­лят­ся на три осн. груп­пы: на­ко­пи­те­ли элек­тро­энер­гии (элек­три­че­ские ак­ку­му­ля­то­ры, ём­ко­ст­ные и ин­дук­тив­ные на­ко­пи­те­ли), на­ко­пи­те­ли ме­ха­нич. энер­гии (ста­тич. и ди­на­мич.) и на­ко­пи­те­ли те­п­ло­вой энер­гии (с фа­зо­вым пе­ре­хо­дом и без не­го); не рас­смат­ри­ва­ют­ся ма­ло­зна­чи­мые с энер­ге­тич. точ­ки зре­ния на­ко­пи­те­ли, напр. фос­фо­рес­ци­рую­щие со­ста­вы – на­ко­пи­те­ли све­то­вой энер­гии.

На­ко­пи­те­ли элек­тро­энер­гии. Из мно­же­ст­ва элек­трич. ак­ку­му­ля­то­ров наи­бо­лее пер­спек­тив­ны­ми для при­ме­не­ния как в бы­то­вой элек­трон­ной тех­ни­ке, так и в элек­тро­мо­би­лях яв­ля­ют­ся ли­тий-ион­ные ак­ку­му­ля­то­ры. Их удель­ная энер­го­ём­кость (од­на из са­мых вы­со­ких для элек­трич. ак­ку­му­ля­то­ров) 400–720 кДж/кг, удель­ная мощ­ность ок. 300 Вт/кг. Важ­ное дос­то­ин­ст­во – от­сут­ст­вие т. н. эф­фек­та па­мя­ти (низ­кий уро­вень са­мо­раз­ря­да); не­дос­тат­ки – от­но­си­тель­но не­боль­шой срок служ­бы (св. 1000 цик­лов), под­вер­жен­ность ста­ре­нию (срок служ­бы не бо­лее 5 лет). Из ём­ко­ст­ных на­ко­пи­те­лей наи­бо­лее пер­спек­тив­ны элек­тро­хи­ми­че­ские кон­ден­са­то­ры (су­пер­кон­ден­са­то­ры, или ио­ни­сто­ры), ко­то­рые, по мне­нию отеч. и за­ру­беж­ных спе­циа­ли­стов, в бу­ду­щем мо­гут вы­тес­нить элек­тро­хи­мич. ак­ку­му­ля­то­ры. Удель­ная энер­го­ём­кость их в де­сят­ки раз боль­ше, чем у обыч­ных элек­тро­ли­тич. кон­ден­са­то­ров. Лю­бая ка­туш­ка ин­дук­тив­но­сти яв­ля­ет­ся ин­дук­тив­ным на­ко­пи­те­лем элек­тро­энер­гии, но срок хра­не­ния энер­гии ни­что­жен из-за ак­тив­но­го со­про­тив­ле­ния об­мо­ток. В ус­ло­ви­ях сверх­про­во­ди­мо­сти ин­дук­тив­ные на­ко­пи­те­ли при­об­ре­та­ют тех­нич. ре­аль­ность.

На­ко­пи­те­ли ме­ха­ни­че­ской энер­гии – са­мый древ­ний класс та­ких уст­ройств, ос­во­ен­ный ещё дои­сто­рич. че­ло­ве­ком. Мно­гие ви­ды этих кон­ст­рук­ций от­ли­ча­ют­ся пре­дель­ной про­сто­той и прак­ти­че­ски нео­гра­ни­чен­ным сро­ком служ­бы и хра­не­ния за­па­сён­ной энер­гии. Од­на­ко их удель­ная энер­го­ём­кость, как пра­ви­ло, очень ма­ла. Напр., под­ня­тый на выс. 10 м груз обес­пе­чи­ва­ет удель­ную энер­го­ём­кость все­го 0,1 кДж/кг, сталь­ная пру­жи­на – ок. 0,3 кДж/кг, а рас­тя­ну­тая ре­зи­на – ок. 3 кДж/кг. В га­зо­вых ме­ха­нич. на­ко­пи­те­лях энер­гия на­ка­п­ли­ва­ет­ся за счёт уп­ру­го­сти сжа­то­го га­за. При из­быт­ке энер­гии ком­прес­сор за­ка­чи­ва­ет газ в бал­лон. Ко­гда тре­бу­ет­ся ис­поль­зо­вать за­па­сён­ную энер­гию, сжа­тый газ по­да­ёт­ся в тур­би­ну, не­по­сред­ст­вен­но вы­пол­няю­щую не­об­хо­ди­мую ме­ха­нич. ра­бо­ту или вра­щаю­щую элек­тро­ге­не­ра­тор. Вме­сто тур­би­ны мож­но при­ме­нять порш­не­вой дви­га­тель, ко­то­рый бо­лее эф­фек­ти­вен при не­боль­ших мощ­но­стях. Прак­ти­че­ски ка­ж­дый совр. пром. ком­прес­сор ос­на­щён по­доб­ным ак­ку­му­ля­то­ром – ре­си­ве­ром. Сжа­тый при дав­ле­нии 20 МПа газ в проч­ном ре­зер­вуа­ре мо­жет обес­пе­чить дос­та­точ­но вы­со­кую удель­ную энер­го­ём­кость (ок. 30 кДж/кг) в те­че­ние прак­ти­че­ски не­ог­ра­ни­чен­но­го вре­ме­ни (ме­ся­цы, го­ды, а при вы­со­ком ка­че­ст­ве ме­тал­лич. бал­ло­на и за­пор­ной ар­ма­ту­ры – де­сят­ки лет). Од­на­ко кпд та­ко­го на­ко­пи­те­ля не­ве­лик (по­ряд­ка 60%) из-за ох­ла­ж­де­ния га­за при рас­ши­ре­нии. Под­ня­тый груз, в т. ч. и во­да, все­воз­мож­ные пру­жи­ны, ре­зи­но­вые эле­мен­ты, сжа­тый газ – это ста­тич. на­ко­пи­те­ли. Совр. ди­на­мич. или ма­хо­вич­ные Н. э. (см. Ма­хо­вик) обес­пе­чи­ва­ют не­дос­ти­жи­мые для др. на­ко­пи­те­лей удель­ные энер­ге­тич. и осо­бен­но мощ­но­ст­ные по­ка­за­те­ли. Так, су­пер­ма­хо­вик из гра­фи­то­во­го во­лок­на мас­сой 10 кг при 60 тыс. об/мин, на­ка­п­ли­ваю­щий ок. 20 МДж энер­гии, мо­жет пе­ре­дать че­рез вал диа­мет­ром 30 мм мощ­ность св. 16 МВт. Это свой­ст­во ма­хо­ви­ков крат­ко­вре­мен­но вы­де­лять ог­ром­ную мощ­ность ис­поль­зу­ет­ся, напр., в удар­ных ге­не­ра­то­рах.

На­ко­пи­те­ли те­п­ло­вой энер­гии с фа­зо­вым пе­ре­хо­дом име­ют наи­боль­шее прак­тич. зна­че­ние. Они за­па­са­ют и от­да­ют боль­шую те­п­ло­вую энер­гию поч­ти без из­ме­не­ния темп-ры ра­бо­че­го те­ла, ко­то­рое при этом пе­ре­хо­дит, напр., из жид­ко­го со­стоя­ния в твёр­дое и на­обо­рот. В ча­ст­но­сти, гид­рид ли­тия, не­ред­ко ис­поль­зуе­мый в ка­че­ст­ве ра­бо­че­го те­ла на­ко­пи­те­лей те­п­ло­вой энер­гии, пла­вя­щий­ся при темп-ре 650 °C, бу­дет со­хра­нять её вплоть до за­твер­де­ва­ния (удель­ная энер­го­ём­кость 2856 кДж/кг). Под­би­рая ма­те­риа­лы, пла­вя­щие­ся при разл. темп-рах, мож­но по­лу­чать на­ко­пи­те­ли те­п­ло­ты с поч­ти по­сто­ян­ной темп-рой ра­бо­че­го те­ла при на­ко­п­ле­нии и вы­де­ле­нии те­п­ло­вой энер­гии. Напр., в диа­па­зо­не от ком­нат­ных темп-р до 100 °C под­хо­дят па­ра­фин, озо­ке­рит и не­ко­то­рые кри­стал­ло­гид­ра­ты; в диа­па­зо­не 600–800 °C – гид­рид и фто­рид ли­тия; при темп-рах св. 1000 °C – ок­си­ды бе­рил­лия, маг­ния, алю­ми­ния, крем­ния. С по­мо­щью на­ко­пи­те­лей те­п­ло­вой энер­гии мож­но по­лу­чать и ме­ха­нич., и элек­трич. энер­гию, пре­об­ра­зо­вы­вая вид энер­гии со­от­вет­ст­вую­щи­ми пре­об­ра­зо­ва­те­ля­ми. Ме­ха­нич. энер­гию из те­п­ло­вой мож­но по­лу­чить, в ча­ст­но­сти, с по­мо­щью т. н. дви­га­те­лей внеш­не­го сго­ра­ния (па­ро­вых, Стир­лин­га дви­га­те­ля и др.). Элек­трич. энер­гию из те­п­ло­вой по­лу­ча­ют, напр., с по­мо­щью тер­мо­эле­мен­тов или тер­мо­эмис­си­он­ных пре­об­ра­зо­ва­те­лей энер­гии. Од­на­ко удель­ная энер­го­ём­кость все­го уст­рой­ст­ва «на­ко­пи­тель – дви­га­тель» при этом па­да­ет во мно­го раз. На­ко­пи­те­ли те­п­ло­вой энер­гии с фа­зо­вым пе­ре­хо­дом ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся за ру­бе­жом (напр., для на­гре­ва­ния во­ды в квар­ти­рах, имею­щих двой­ной та­риф оп­ла­ты элек­тро­энер­гии). Но­чью ра­бо­чее те­ло в бач­ке, рас­по­ло­жен­ном в под­соб­ном по­ме­ще­нии, в ван­ной или на кух­не, ра­зо­гре­ва­ет­ся до плав­ле­ния де­шё­вой элек­тро­энер­ги­ей, а днём про­пус­кае­мая по труб­кам че­рез рас­плав­лен­ное ра­бо­чее те­ло хо­лод­ная во­да на­гре­ва­ет­ся де­шё­вой ноч­ной элек­тро­энер­ги­ей. Или, напр., тер­мо­би­гу­ди для за­вив­ки во­лос – это то­же Н. э. с фа­зо­вым пе­ре­хо­дом на ос­но­ве па­ра­фи­на. На­ко­пи­те­ли те­п­ло­вой энер­гии без фа­зо­во­го пе­ре­хо­да (напр., сол­неч­ный во­до­на­гре­ва­тель) на­ка­п­ли­ва­ют не­боль­шие ко­ли­че­ст­ва энер­гии на еди­ни­цу сво­ей мас­сы.