Asili ilimpa mwanadamu vyanzo mbalimbali vya nishati: jua, upepo, mito na vingine. Hasara ya jenereta hizi za bure za nishati ni ukosefu wa utulivu. Kwa hiyo, wakati wa nishati ya ziada, huhifadhiwa katika vifaa vya kuhifadhi na kutumika wakati wa kushuka kwa uchumi kwa muda. Vifaa vya kuhifadhi nishati vina sifa ya vigezo vifuatavyo:
- kiasi cha nishati iliyohifadhiwa;
- kasi ya mkusanyiko na urejeshaji wake;
- mvuto maalum;
- muda wa kuhifadhi nishati;
- kutegemewa;
- gharama ya utengenezaji na matengenezo na mengineyo.
Kuna njia nyingi za kupanga hifadhi. Mojawapo ya rahisi zaidi ni uainishaji kulingana na aina ya nishati inayotumiwa kwenye kifaa cha kuhifadhi, na kulingana na njia ya kusanyiko na kurudi kwake. Vifaa vya kuhifadhi nishati vimegawanywa katika aina kuu zifuatazo:
- mitambo;
- joto;
- umeme;
- kemikali.
Mkusanyiko wa nishati inayowezekana
Kiini cha vifaa hivi ni moja kwa moja. Wakati mzigo unapoinuliwa, nishati inayowezekana hukusanywa; inapopunguzwa, hufanya kazi muhimu. Vipengele vya kubuni hutegemea aina ya mizigo. Inaweza kuwa imara, kioevu audutu huru. Kama sheria, miundo ya vifaa vya aina hii ni rahisi sana, kwa hivyo kuegemea juu na maisha marefu ya huduma. Wakati wa uhifadhi wa nishati iliyohifadhiwa inategemea uimara wa vifaa na inaweza kufikia milenia. Kwa bahati mbaya, vifaa kama hivyo vina msongamano mdogo wa nishati.
Hifadhi ya mitambo ya nishati ya kinetiki
Katika vifaa hivi, nishati huhifadhiwa katika mwendo wa mwili. Kawaida hii ni harakati ya kupotosha au ya kutafsiri.
Nishati ya kinetic katika mifumo ya oscillatory hujilimbikizia katika mwendo wa kurudishana wa mwili. Nishati hutolewa na kuliwa kwa sehemu, kwa wakati na harakati za mwili. Utaratibu ni ngumu sana na hauna maana katika kuweka. Inatumika sana katika saa za mitambo. Kiasi cha nishati iliyohifadhiwa kwa kawaida ni kidogo na kinafaa tu kwa uendeshaji wa kifaa chenyewe.
Vifaa vya kuhifadhi vinavyotumia umeme wa Gyroscope
Hifadhi ya nishati ya kinetiki imejilimbikizia katika gurudumu la kuruka linalozunguka. Nishati maalum ya flywheel inazidi kwa kiasi kikubwa nishati ya mzigo sawa wa tuli. Inawezekana kupokea au kutoa nguvu kubwa kwa muda mfupi. Muda wa kuhifadhi nishati ni mfupi, na kwa miundo mingi ni mdogo kwa saa chache. Teknolojia za kisasa hufanya iwezekanavyo kuleta muda wa kuhifadhi nishati kwa miezi kadhaa. Flywheels ni nyeti sana kwa mshtuko. Nishati ya kifaa inategemea moja kwa moja kasi ya mzunguko wake. Kwa hiyo, katika mchakato wa kusanyiko na kurudi kwa nishati, mabadiliko katika kasi ya mzunguko wa flywheel hutokea. Na kwa mzigo kamakama sheria, kasi thabiti, ya chini ya mzunguko inahitajika.
Vifaa zaidi vya kuahidi ni magurudumu ya juu zaidi. Wao hufanywa kutoka kwa mkanda wa chuma, nyuzi za synthetic au waya. Ubunifu unaweza kuwa mnene au kuwa na nafasi tupu. Ikiwa kuna nafasi ya bure, coils za tepi huhamia kwenye pembezoni ya mzunguko, wakati wa inertia ya mabadiliko ya flywheel, sehemu ya nishati huhifadhiwa katika chemchemi iliyoharibika. Katika vifaa vile, kasi ya mzunguko ni imara zaidi kuliko katika miundo imara, na matumizi yao ya nishati ni ya juu zaidi. Pia ziko salama zaidi.
Magurudumu makubwa ya kuruka ya kisasa yametengenezwa kutoka kwa nyuzi za Kevlar. Wanazunguka kwenye chumba cha utupu kwenye kusimamishwa kwa sumaku. Inaweza kuhifadhi nishati kwa miezi kadhaa.
Hifadhi ya mitambo kwa kutumia nguvu elastic
Kifaa cha aina hii kina uwezo wa kuhifadhi nishati kubwa mahususi. Ya anatoa za mitambo, ina nguvu ya juu ya nishati kwa vifaa vilivyo na vipimo vya sentimita kadhaa. Magurudumu makubwa ya kuruka yenye kasi ya juu sana ya mzunguko yana maudhui ya juu zaidi ya nishati, lakini yanaathiriwa sana na athari za nje na yana muda mfupi wa kuhifadhi nishati.
Hifadhi ya mitambo ya nishati ya spring
Ina uwezo wa kutoa nishati ya hali ya juu zaidi ya kiwango cha hifadhi ya nishati. Ni mdogo tu kwa nguvu ya mvutano wa chemchemi. Nishati katika chemchemi iliyoshinikwa inaweza kuhifadhiwa kwa miongo kadhaa. Hata hivyo, kutokana na deformation ya mara kwa mara, uchovu hujilimbikiza katika chuma, na uwezo wa springhupungua. Wakati huo huo, chemchemi za chuma za ubora wa juu, chini ya hali nzuri ya uendeshaji, zinaweza kufanya kazi kwa mamia ya miaka bila kupoteza uwezo wake.
Vitendaji vya majira ya kuchipua vinaweza kutekelezwa kwa vipengele vyovyote elastic. Mikanda ya mpira, kwa mfano, ni mara kadhaa bora kuliko bidhaa za chuma katika suala la nishati iliyohifadhiwa kwa kila kitengo. Lakini maisha ya huduma ya mpira kutokana na kuzeeka kwa kemikali ni miaka michache tu.
Vifaa vya kuhifadhi mitambo vinavyotumia nishati ya gesi iliyobanwa
Katika aina hii ya kifaa, nishati huhifadhiwa kwa kubana gesi. Katika uwepo wa ziada ya nishati, gesi hupigwa chini ya shinikizo kwenye silinda kwa kutumia compressor. Inapohitajika, gesi iliyoshinikizwa hutumiwa kugeuza turbine au jenereta ya umeme. Kwa uwezo mdogo, ni vyema kutumia motor ya pistoni badala ya turbine. Gesi katika chombo kilicho na shinikizo la mamia ya angahewa huwa na msongamano wa juu wa nishati mahususi kwa miaka kadhaa, na ikiwa na vifaa vya ubora wa juu - kwa miongo kadhaa.
Hifadhi ya nishati ya joto
Sehemu kubwa ya nchi yetu iko katika mikoa ya kaskazini, kwa hivyo sehemu kubwa ya nishati inalazimika kutumiwa kupasha joto. Katika suala hili, ni muhimu kutatua mara kwa mara tatizo la kuweka joto kwenye gari na kuiondoa kutoka huko ikiwa ni lazima.
Mara nyingi, haiwezekani kufikia msongamano mkubwa wa nishati ya joto iliyohifadhiwa na vipindi vyovyote muhimu vya uhifadhi wake. Vifaa vilivyopo vyema katikakutokana na baadhi ya vipengele vyake na bei ya juu haifai kwa matumizi mapana.
Hifadhi kutokana na uwezo wa kuongeza joto
Hii ni mojawapo ya njia za kale zaidi. Inategemea kanuni ya mkusanyiko wa nishati ya joto wakati dutu inapokanzwa na uhamisho wa joto wakati umepozwa. Ubunifu wa anatoa kama hizo ni rahisi sana. Inaweza kuwa kipande cha dutu yoyote ngumu au chombo kilichofungwa na baridi ya kioevu. Wakusanyaji wa nishati ya joto wana maisha marefu ya huduma, karibu idadi isiyo na kikomo ya mizunguko ya kusanyiko na kutolewa kwa nishati. Lakini muda wa kuhifadhi hauzidi siku kadhaa.
Hifadhi ya nishati ya umeme
Nishati ya umeme ndiyo aina yake rahisi zaidi katika ulimwengu wa kisasa. Ndiyo maana vifaa vya kuhifadhi umeme vinatumiwa sana na vinatengenezwa zaidi. Kwa bahati mbaya, uwezo maalum wa vifaa vya bei nafuu ni ndogo, na vifaa vilivyo na uwezo maalum ni ghali sana na ni vya muda mfupi. Vifaa vya kuhifadhi nishati ya umeme ni capacitors, ionistors, betri.
Viwezeshaji
Hii ndiyo aina kubwa zaidi ya hifadhi ya nishati. Capacitors ni uwezo wa kufanya kazi kwa joto kutoka -50 hadi +150 digrii. Idadi ya mizunguko ya kurejesha nishati ni makumi ya mabilioni kwa sekunde. Kwa kuunganisha capacitors kadhaa kwa sambamba, unaweza kupata urahisi uwezo unaohitajika. Kwa kuongeza, kuna capacitors ya kutofautiana. Kubadilisha uwezo wa capacitors vile inaweza kufanyika kwa mitambo au umeme au kwa joto. Mara nyingi, capacitors tofauti zinaweza kupatikana ndanisaketi za oscillatory.
Capacitors imegawanywa katika makundi mawili - polar na yasiyo ya polar. Maisha ya huduma ya polar (electrolytic) ni mafupi kuliko yasiyo ya polar, yanategemea zaidi hali ya nje, lakini wakati huo huo wana uwezo maalum zaidi.
Kama vibano vya kuhifadhi nishati si vifaa vyenye ufanisi mkubwa. Wana uwezo mdogo na wiani maalum usio na maana wa nishati iliyohifadhiwa, na wakati wake wa kuhifadhi huhesabiwa kwa sekunde, dakika, mara chache masaa. Vifungashio vimepata matumizi hasa katika uhandisi wa umeme na umeme.
Hesabu ya capacitor, kama sheria, haileti ugumu. Taarifa zote muhimu juu ya aina tofauti za capacitor zimewasilishwa katika miongozo ya kiufundi.
Ionistors
Vifaa hivi vinachukua nafasi ya kati kati ya capacitor ya polar na betri. Wakati mwingine hujulikana kama "supercapacitors". Ipasavyo, wana idadi kubwa ya hatua za kutokwa kwa malipo, uwezo ni mkubwa kuliko ule wa capacitors, lakini kidogo kidogo kuliko ile ya betri ndogo. Muda wa kuhifadhi nishati ni hadi wiki kadhaa. Ionistors ni nyeti sana kwa halijoto.
Betri za nguvu
Betri za kemikali za kielektroniki hutumika kama unahitaji kuhifadhi nishati nyingi. Vifaa vya asidi ya risasi vinafaa zaidi kwa kusudi hili. Zilivumbuliwa takriban miaka 150 iliyopita. Na tangu wakati huo, hakuna kitu kipya ambacho kimeanzishwa kwenye kifaa cha betri. Mifano nyingi maalum zimeonekana, ubora wa vipengele umeongezeka kwa kiasi kikubwa,kuegemea kwa betri. Ni muhimu kukumbuka kuwa kifaa cha betri iliyoundwa na watengenezaji tofauti hutofautiana tu katika maelezo madogo kwa madhumuni tofauti.
Betri za Electrochemical zimegawanywa katika kuvuta na kuanza. Traction hutumiwa katika usafiri wa umeme, vifaa vya nguvu visivyoweza kuingiliwa, zana za nguvu. Betri kama hizo zina sifa ya kutokwa kwa sare ndefu na kina chake kikubwa. Betri zinazowasha zinaweza kutoa mkondo wa juu kwa muda mfupi, lakini uondoaji wa kina kirefu haukubaliki kwao.
Betri za kemikali za kielektroniki zina idadi ndogo ya mizunguko ya kutokwa kwa chaji, kwa wastani kutoka 250 hadi 2000. Hata kama hazijatumiwa, hazifanyi kazi baada ya miaka michache. Betri za elektroni huvumilia halijoto, zinahitaji muda mrefu wa kuchaji na zinahitaji uangalizi mkali.
Kifaa kinahitaji kuchajiwa mara kwa mara. Betri iliyowekwa kwenye gari inashtakiwa kwa mwendo kutoka kwa jenereta. Katika majira ya baridi, hii haitoshi, betri ya baridi haikubali malipo vizuri, na matumizi ya umeme kuanza injini huongezeka. Kwa hiyo, ni muhimu kuongeza malipo ya betri katika chumba cha joto na chaja maalum. Mojawapo ya hasara kuu za vifaa vya asidi ya risasi ni uzito wao mzito.
Betri za vifaa vyenye nguvu ya chini
Ikiwa vifaa vya mkononi vilivyo na uzito mdogo vitahitajika, basi chagua aina zifuatazo za betri: nikeli-cadmium,lithiamu-ioni, chuma-mseto, polima-ioni. Wana uwezo maalum wa juu, lakini bei ni ya juu zaidi. Zinatumika kwenye simu za rununu, laptops, kamera, camcorder na vifaa vingine vidogo. Aina tofauti za betri hutofautiana katika vigezo vyake: idadi ya mizunguko ya malipo, muda wa rafu, uwezo, saizi, n.k.
Betri za lithiamu-ioni zenye nguvu nyingi hutumika katika magari yanayotumia umeme na mseto. Wao ni uzito mdogo, uwezo maalum wa juu na kuegemea juu. Wakati huo huo, betri za lithiamu-ion zinawaka sana. Kuwasha kunaweza kutokea kutoka kwa mzunguko mfupi, deformation ya mitambo au uharibifu wa kesi, ukiukwaji wa malipo au njia za kutokwa kwa betri. Kuzima moto ni vigumu sana kutokana na shughuli nyingi za lithiamu.
Betri ndio uti wa mgongo wa vifaa vingi. Kwa mfano, kifaa cha kuhifadhi nishati kwa simu ni betri ya nje ya kompakt iliyowekwa kwenye kesi ya kudumu, isiyo na maji. Inakuruhusu kuchaji au kuwasha simu yako ya rununu. Vifaa vyenye nguvu vya kuhifadhi nishati ya rununu vina uwezo wa kuchaji vifaa vyovyote vya dijiti, hata kompyuta ndogo. Katika vifaa vile, kama sheria, betri za lithiamu-ioni za uwezo wa juu zimewekwa. Uhifadhi wa nishati kwa nyumba pia haujakamilika bila betri. Lakini hizi ni vifaa ngumu zaidi. Mbali na betri, ni pamoja na chaja, mfumo wa kudhibiti, na inverter. Vifaa vinaweza kufanya kazi kutoka kwa mtandao uliowekwa na kutoka kwa vyanzo vingine. Nguvu ya kutoa ni 5 kW kwa wastani.
Hifadhinishati ya kemikali
Toa tofauti kati ya aina za hifadhi za "mafuta" na "zisizo za mafuta". Wanahitaji teknolojia maalum na mara nyingi bulky high-tech vifaa. Michakato inayotumiwa hufanya iwezekanavyo kupata nishati kwa aina tofauti. Athari za thermochemical zinaweza kutokea kwa joto la chini na la juu. Vipengele vya athari za joto la juu huletwa tu wakati ni muhimu kupata nishati. Kabla ya hayo, huhifadhiwa tofauti, katika maeneo tofauti. Vipengee vya athari ya halijoto ya chini kwa kawaida huwa katika chombo kimoja.
Hifadhi ya nishati kwa kuendesha mafuta
Njia hii inajumuisha hatua mbili zinazojitegemea kabisa: mkusanyiko wa nishati ("kuchaji") na matumizi yake ("kutoa"). Mafuta ya jadi, kama sheria, ina uwezo mkubwa wa nishati maalum, uwezekano wa kuhifadhi muda mrefu, na urahisi wa matumizi. Lakini maisha hayasimami. Kuanzishwa kwa teknolojia mpya kunaongeza mahitaji ya mafuta. Jukumu linatatuliwa kwa kuboresha zilizopo na kuunda mafuta mapya, yenye nishati nyingi.
Utangulizi mpana wa sampuli mpya unazuiwa na maendeleo duni ya michakato ya kiteknolojia, hatari kubwa ya moto na milipuko kazini, hitaji la wafanyikazi waliohitimu sana, na gharama ya juu ya teknolojia.
Hifadhi ya nishati ya kemikali isiyo na mafuta
Katika aina hii ya hifadhi, nishati huhifadhiwa kwa kubadilisha baadhi ya kemikali kuwa nyingine. Kwa mfano, chokaa cha slaked, inapokanzwa, huenda kwenye hali ya haraka. Wakati wa kutekeleza, nishati iliyohifadhiwailiyotolewa kama joto na gesi. Hii ndio hasa hutokea wakati chokaa kinapigwa na maji. Ili majibu kuanza, ni kawaida ya kutosha kuchanganya vipengele. Kwa asili, hii ni aina ya mmenyuko wa thermochemical, tu inaendelea kwa joto la mamia na maelfu ya digrii. Kwa hivyo, vifaa vinavyotumika ni ngumu zaidi na ni ghali zaidi.
