Хотели бы вы иметь смартфон с аккумулятором, от которого можно «прикурить» автомобиль? И при этом, чтобы он заряжался на считанные секунды? Фантастика - скажете вы. Тем не менее, учёные из Университета Иллинойса опубликовали свою работу, которая дарит нам надежду увидеть такие супербатареи в будущем.
Это переворачивает представление о батареях. Она может выдать гораздо больше мощности, чем кто-либо может представить. В последние десятилетия электроника стала компактнее. «Думающие» части компьютеров так же стали меньше. А батареи - значительно отстают. Наша микротехнология может всё это изменить. Теперь источник питания такой же высокопроизводительный, как и всё остальное.
С современными источниками питания пользователю приходится выбирать между мощностью и ёмкостью. Для некоторых применений нужно большое количество энергии(например, при передаче радиосигнала на большие расстояния). Конденсаторы способны быстро её высвобождать, но при этом запасая её лишь в небольших количествах. Для других задач, вроде длительного прослушивания радио, нужна большая ёмкость источника, которую имеют, например, топливные элементы и батареи. Но они отдают электроэнергию довольно медленно.
Батареи, созданные командой под руководством Уильяма Кинга(William P. King), позволяют создавать бескомпромиссные аккумуляторы, выдающие высокую мощность и при этом обладающие высокой ёмкостью. Причем, с помощью несложной подстройки производственного процесса, возможно варьировать соотношение этих параметров.
Как известно, эффективность батареи напрямую зависит от площади поверхности её электродов. Команде удалось значительно её увеличить с помощью следующего технологического процесса. Сначала на стеклянную подложку наносится слой полистирола. Затем в эту структуру «вводится» электролитический никель, служащий основой будущих катодов, а шарики полистирола вытравливаются. На получившуюся губчатую поверхность гальваническим способом наносятся никель-олово - на анод и диоксид марганца - на катод. Вся суть процесса наглядно представлена на следующей иллюстрации:
В конечном итоге получается структура с огромной площадью поверхности, освобождая больше свободного пространства для протекания химических реакций.
Учёным удалось создать батарейку формата «microbattery». На графике ниже представлено её сравнение с обычной батарейкой Sony CR1620:
С такими батареями возможна, например, передача радиосигнала на расстояние в 30 раз большее, чем с обычными источниками питания или сокращение размера аккумулятора в 30 раз. Кроме того, батареи способны заряжаться в 1000 раз быстрее современных. Впечатляет, не правда ли?
В настоящий момент учёные работают над интеграцией своих батарей с другими электронными компонентами, а так же разрабатывают процесс производства, который позволит запустить их в серию по приемлемой цене.
Экология потребления.Наука и техника: Будущее электротранспорта во многом зависит от совершенствования аккумуляторов - они должны весить меньше, заряжаться быстрее и при этом производить больше энергии.
Будущее электротранспорта во многом зависит от совершенствования аккумуляторов - они должны весить меньше, заряжаться быстрее и при этом производить больше энергии. Ученые уже добились некоторых результатов. Команда инженеров создала литий-кислородные батареи, которые не растрачивают энергию впустую и могут служить десятилетиями. А австралийский ученый представил ионистор на основе графена, который может заряжаться миллион раз без потери эффективности.
Литий-кислородные аккумуляторы мало весят и производят много энергии и могли бы стать идеальными комплектующими для электромобилей. Но у таких батарей есть существенный недостаток - они быстро изнашиваются и выделяют слишком много энергии в виде тепла впустую. Новая разработка ученых из МТИ, Аргонской национальной лаборатории и Пекинского университета обещает решить эту проблему.
Созданные командой инженеров литий-кислородные аккумуляторы используют наночастицы, в которых содержится литий и кислород. При этом кислород при изменении состояний сохраняется внутри частицы и не возвращается в газовую фазу. Это отличает разработку от литий-воздушных батарей, которые получают кислород из воздуха и выпускают его в атмосферу во время обратной реакции. Новый подход позволяет сократить потерю энергии (величина электрического напряжения сокращается почти в 5 раз) и увеличить срок службы батареи.
Литий-кислородная технология также хорошо адаптирована к реальным условиям, в отличие от литий-воздушных систем, которые портятся при контакте с влагой и CO2. Кроме того, аккумуляторы на литии и кислороде защищены от избыточной зарядки - как только энергии становится слишком много, батарея переключается на другой тип реакции.
Ученые провели 120 циклов заряда-разряда, при этом производительность снизилась лишь на 2%.
Пока что ученые создали лишь опытный образец аккумулятора, но в течение года они намерены разработать прототип. Для этого не нужны дорогие материалы, а производство во многом схоже с производством традиционных литий-ионных батарей. Если проект будет реализован, то в ближайшем будущем электромобили будут сохранять в два раза больше энергии при той же массе.
Инженер из Технологического университета Суинберна в Австралии решил другую проблему аккумуляторов - скорость их подзарядки. Разработанный им ионистор заряжается практически мгновенно и может использоваться в течение многих лет без потери эффективности.
Хан Линь использовал графен - один из самых прочных материалов на сегодняшний день. За счет структуры, напоминающей соты, графен обладает большой площадью поверхности для хранения энергии. Ученый напечатал графеновые пластины на 3D-принтере - такой способ производства также позволяет сократить затраты и нарастить масштабы.
Созданный ученым ионистор производит столько же энергии на килограмм веса, сколько и литий-ионный аккумуляторы, но заряжается за несколько секунд. При этом вместо лития в нем используется графен, который стоит намного дешевле. По словам Хана Линя, ионистор может проходить миллионы циклов зарядки без потери качества.
Сфера производства аккумуляторов не стоит на месте. Братья Крайзель из Австрии создали новый тип батарей, которые весят почти в два раза меньше аккумуляторов в Tesla Model S.
Норвежские ученые из Университета Осло изобрели аккумулятор, который можно полностью . Однако их разработка предназначена для городского общественного транспорта, который регулярно делает остановки - на каждой из них автобус будет подзаряжаться и энергии хватит, чтобы добраться до следующей остановки.
Ученые Калифорнийского университета в Ирвайне приблизились к созданию вечной батареи. Они разработали аккумулятор из нанопроволоки, который можно перезаряжать сотни тысяч раз.
А инженеры Университета Райса сумели создать , работающий при температуре 150 градусов Цельсия без потери эффективности. опубликовано
Редкий владелец iPhone при активной работе вечером не ставит смартфон на зарядку. Чего уж там, большинство конкурентных аппаратов аналогичного уровня тоже страдают от прожорливого ПО и скупой ёмкости батареи не меньше. Розетка или прикуриватель зачастую выручают расточительных на mAh пользователей, но бывают ситуации, когда остаётесь только вы, айфон и красный индикатор, грозящий обесточить девайс. Как раз для подобных случаев и были придуманы так называемые Power Banks, готовые в любой момент времени подпитать технику энергией. Мы решили помочь потенциальным покупателям с выбором и отсеяли семь самых качественных внешних аккумуляторов , отличающих качественной сборкой, дизайном, весом и прочими параметрами.
Практика показала, что доверять следует исключительно брендовым производителям обозреваемых аксессуаров, так как китайский рынок только привлекает 100 000 mAh за 2-3 тысячи рублей, но на деле получателю достаются набитые болтами коробочки или недостаток самих батареек внутри, количество которых способно зарядить iPhone максимум раза полтора. Самое главное, бренд предоставляет реальную ёмкость, позволяющую более-менее подсчитать количество полных зарядок устройства. Поэтому никаких кустарных производителей, только маститые бренды!
Mi Power Bank 16000 mAh
Открывает парад внешних аккумуляторов довольно известный китайский производитель Xiaomi . Его мощностей хватило на 3 энергетических резервуара ёмкостью 5000, 10400 и 16000 mAh. Из-за специфики материала возьмём максимальную версию. Официальный сайт обещает 5 полных зарядок iPhone 6, аккумулятор которого рассчитан на 1810 mAh. С помощью этих данных можно легко подстроиться под остальные устройства, зная их ёмкость.
Внешне Mi Power Bank выглядит весьма приземлённо и стильно, даже создаётся ощущение, будто Джони Айв не терял времени даром в какой-нибудь китайской командировке. Он напоминает небольшой алюминиевый пульт от слегка устаревшего телевизора, только его выдаёт вес в 350 г и отсутствие кнопок сверху. Зато есть одна большая клавиша включения, рядом с которой расположились индикаторы заряда внешнего аккумулятора, вход micro USB для подключения к источнику питания и два выхода USB, ответственных за выведение вашей техники из предсмертного состояния.
Такой вот лёгкий, компактный, доступный во множестве расцветок, и вместительный Power Bank имеет лишь один минус — и это не цена, которая, кстати, даже не превышает планку 2000 рублей ! Аккумулятор Mi очень любят подделывать, поэтому процесс покупки превращается в лотерею, но, к счастью, даже отечественные дилеры приготовили весьма демократичные предложения .
Anker 2nd Gen Astro E5 16000 mAh
Особо не отличающееся размером от Mi Power Bank детище Anker уже внешне заманивает покупателя элегантным чёрным корпусом с «влитыми» индикаторами, обозначающими заполненность аккумулятора. Деловитость Anker 2nd Gen Astro E5 выдаёт ещё и наличие чехольчика для переноски, которым вы можете интриговать окружающих, ассоциирующих слово «анкер» исключительно с крепежом и болтами.
Версия E5 с 16000 mAh на борту обеспечит 6.2 полных зарядок iPhone 6 (1810 mAh), 1.3 зарядки iPad Air (8850 mAh) и т.д. Энергетические возможности более-менее идентичны Mi. Кстати, вы уже убедились в том, что расходуется не вся заявленная ёмкость, а куда меньший объём? Количество полных зарядок зависит от нескольких факторов, о которых мы расскажем в отдельном материале. Это не жульничество производителя, а технические тонкости, поэтому не переживайте и читайте дальше.
Интересная фишка этого аккумулятора — IQ зарядка. Эта эксклюзивная опция, по словам разработчиков, быстрее распознаёт подпитываемый аппарат и наполняет батарейку. Оба выхода USB снабжены данной технологией. Между ними логично расположился Micro USB для зарядки самого Astro E5. Рядом есть сигнальный фонарь, загорающий во включённом состоянии. А за вход в него отвечает клавиша на корпусе сбоку. Короткое нажатие по ней отображает оставшиеся mAh в Power Bank, сильное же давление включает и выключает устройство.
Придраться тут можно к маркости корпуса, который любит собирать отпечатки пальцев похлеще Touch ID. Во всём остальном Anker постарались на славу: модный вид, батареи LG, двойная IQ-зарядка, ценник в $40 . Доставку в Россию Amazon организовать не может, но на помощь придут сервисы-посредники, способные переправить посылку через океан даже за $10 .
RAVPower® Xtreme 23000 mAh
В ресторанах предусмотрены порции для больших компаний, а в мире внешних аккумуляторов есть RAVPower Xtreme 23000 mAh . Он и сам большой — едва не дотягивает до iPad mini, но его можно понять: таким громадным девайсом можно прокормить даже ноутбук! iPhone 6 заряжается целиком 8.2 раза, iPad Air — 1.68. Для раздачи энергии выведены 2 USB-порта и 2 альтернативных выхода, к которым подключается целый ворох переходников, идущих в комплекте.
Почти 600 г лития заключены в брутально-сдержанном корпусе, где отчётливо выделяются клавиша включения и небольшой экранчик, показывающий текущий заряд RAVPower Xtreme. Не нужно догадываться по огонькам — аппарат выдаёт очевидные проценты и не морочит голову.
Потратить на данный Power Bank придётся 99$ . Ситуация с доставкой — как и у продукта Anker. Нужно пользоваться услугами посредников.
UNU Ultrapak Tour 10000 mAh
Оказывается, можно завоёвывать аудиторию не только сумасшедшей ёмкостью, дизайном или доступностью! UNU Ultrapak Tour
предстал эдаким исключением из правил, так как отличился скоростной зарядкой самого себя. Да-да, вы правильно поняли, этот внешний аккумулятор умеет восполнять собственные запасы энергии где-то за полтора часа. Некоторые китайские подделки заряжают за это время один iPhone, а тут — целых 10 000 mAh.
При этом карманная батарейка детально информирует пользователя о ходе пополнения закромов через дисплей, расположенный на поверхности. На нём отображаются не только проценты, но и время завершения. Насчёт точности ничего сказать не можем, потому что подобное выясняется только в процессе практики.
Как и соседи по подборке, UNU Ultrapak имеет два порта USB с 1 и 2.1 А, приготовленным для ваших iPhone, iPad и других гаджетов. Разработчики не удосужились написать конкретные показатели и лишь обозначили, что смартфоны восстановят 400-500% заряда, фаблеты — 300-400%, планшеты — 80-120%. Сами понимаете, все эти устройства могут радикально отличаться как ёмкостью, так и энергоэффективностью «железа», поэтому выстраивать их в одну линию глупо. Тоже оставляем данный пункт методу проб и ошибок.
Что ж, за скорость надо платить. А если конкретно, то $99 . Доставки в Россию нет, рекомендуем обратиться к посреднику.
iWalk Extreme TRIO 10000 mAh
Мы продолжаем выявлять сильные стороны в интересных предложениях на рынке внешних аккумуляторов. До этого момента ещё ни разу не были упомянуты встроенные кабели. В iWalk Extreme TRIO уютно вшиты коннекторы Lightning и MicroUSB, позволяющие забыть про дополнительные «шнурки». На самом деле, необычная пирамидная выделка так хитро сделана, что под своим корпусом спрятала отсеки для кабелей. Они не выпирают, не мешаются, а в нужный момент всегда приходятся кстати.
Девайс тонкий и лёгкий (400 г). Все необходимые разъёмы инженеры тоже убрали с глаз: на торце вы найдёте один USB, раздающий скоростные 2.4 А, кнопку «Вкл/Выкл» и стандартный входной Micro USB, чтобы пополнить запасы энергии внешнего аккумулятора. Миниатюрное табло удачно вписалось в местную концепцию и дотошно высвечивает проценты заряда, вольтаж и число ампер, которые отдаёт iWalk Extreme.
И чёрная, и белая модели одинаково стоят $79 . Не так дёшево, как хотелось бы, однако за эту сумму вы получите не только 10 000 mAh: два провода, выделяющийся облик, табло, креативный подход к упаковке — вполне оправданно. Думаем, никого не удивим, если скажем, что доставка в РФ напрямую через Amazon не осуществляется.
Limefuel Blast L240X PRO 24000 mAh
Написали про утончённость и хватит. Limefuel Blast L240X PRO — самый вместительный внешний аккумулятор из нашей подборки. Не предоставляя потенциальным покупателям никакой информации относительно времени зарядки мобильных устройств и ноутбуков, девайс берёт своё цифрами. 24000 mAh внушают доверие! Особенно, если учесть, что стоимость данной переносной батарейки меньше, чем у модника iWalk Extreme — $69.99 против $79. Там вы платили за дизайнерские решения, а здесь за mAh, которые уместились в непримечательной обертке с зелёным свечением.
Кроме того, в этой коробочке жизненной энергии нашли своё место 4 выходных порта USB, чтобы делиться с друзьями. Кстати, шустрая зарядка на 2.4 А здесь тоже присутствует. Остальное стандартно: Micro USB, «лампочка» и зелёный индикатор ёмкости.
Native Union JUMP 800 mAh
В конце мы решили слегка дать вам отдохнуть от большущих mAh и поиздеваться необычным внешним аккумулятором, который славится не своей ёмкостью, а самой что ни на есть компактностью. Native Union JUMP — это не просто коробочка для наушников iPhone! В ней есть место 800 mAh, чтобы продержать смартфон на плаву хоть какое-то время, и интересный ход со встроенным кабелем Lightning.
В предыдущей заметке были кратко перечислены различные способы аккумулирования, то есть накопления и сохранения энергии. В силу ограниченности объема отдельной статьи обзор получился довольно поверхностным. И, пожалуй, основной вопрос, который остался за рамками той статьи, можно сформулировать так: «Какой способ хранения энергии предпочтителен в той или иной ситуации?». К примеру, какой способ аккумулирования энергии выбрать для частного дома или дачи, оборудованных солнечной или ветровой установкой? Очевидно, что крупную гидроаккумулирующую станцию в этом случае строить никто не будет, однако установить большую емкость, подняв ее на высоту 10 метров, возможно. Но будет ли такая установка достаточна для поддержания постоянного электроснабжения при отсутствии солнца?
Чтобы ответить на возникающие вопросы, необходимо выработать какие-то критерии оценки аккумуляторов, позволяющие получить объективные оценки. А для этого нужно рассмотреть различные параметры накопителей, позволяющие получить числовые оценки.
Емкость или накопленный заряд?
Когда говорят или пишут об автомобильных аккумуляторах, часто упоминают величину, которую называют емкостью аккумулятора и выражают в ампер-часах (для небольших аккумуляторов — в миллиампер-часах). Но, строго говоря, ампер-час не является единицей емкости. Емкость в теории электричества измеряют в фарадах. А ампер-час - это единица измерения заряда ! То есть характеристикой аккумулятора нужно считать (и так это и называть) накопленный заряд .
В физике заряд измеряют в кулонах. Кулон - это величина заряда, прошедшего через проводник при силе тока 1 ампер за одну секунду. Поскольку 1 Кл/c равен 1 А, то, переведя часы в секунды, получаем, что один ампер-час будет равен 3600 Кл.
Следует обратить внимание, что даже из определения кулона видно, что заряд характеризует некий процесс, а именно процесс прохождения тока по проводнику. То же самое следует даже из названия другой величины: один ампер-час — это когда ток силой в один ампер протекает по проводнику в течение часа.
На первый взгляд может показаться, что тут какая-то нестыковка. Ведь если мы говорим о сохранении энергии, то накопленная в любом аккумуляторе энергия должна измеряться в джоулях, поскольку именно джоуль в физике служит единицей измерения энергии. Но давайте вспомним, что ток в проводнике возникает только тогда, когда имеется разность потенциалов на концах проводника, то есть к проводнику приложено напряжение. Если напряжение на клеммах аккумулятора равно 1 вольту и по проводнику протекает заряд в один ампер-час, мы и получаем, что аккумулятор отдал 1 В · 1 А·ч = 1 Вт·ч энергии.
Таким образом, применительно к аккумуляторам правильнее говорить о накопленной энергии (запасенной энергии) или о накопленном (запасенном) заряде . Тем не менее, поскольку термин «емкость аккумулятора» широко распространен и как-то более привычен, будем использовать и его, но с некоторым уточнением, а именно, будем говорить про энергетическую емкость .
Ёмкость энергетическая - энергия, отдаваемая полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого значения.
Используя это понятие, попытаемся приблизительно посчитать и сравнить энергетическую емкость различных типов накопителей энергии.
Энергетическая емкость химических аккумуляторов
Полностью заряженный электрический аккумулятор с заявленной ёмкостью (зарядом) в 1 А·ч теоретически способен обеспечить силу тока 1 ампер в течение одного часа (или, например, 10 А в течение 0,1 часа, или 0,1 А в течение 10 часов). Но слишком большой ток разряда аккумулятора приводит к менее эффективной отдаче электроэнергии, что нелинейно уменьшает время его работы с таким током и может приводить к перегреву. На практике ёмкость аккумуляторов приводят, исходя из 20-часового цикла разряда до конечного напряжения. Для автомобильных аккумуляторов оно составляет 10,8 В. Например, надпись на маркировке аккумулятора «55 А·ч» означает, что он способен выдавать ток 2,75 ампер на протяжении 20 часов, и при этом напряжение на клеммах не опустится ниже 10,8 В.
Производители аккумуляторов часто указывают в технических характеристиках своих изделий запасаемую энергию в Вт·ч (Wh), а не запасаемый заряд в мА·ч (mAh), что, вообще говоря, не правильно. Вычислить запасаемую энергию по запасаемому заряду в общем случае непросто: требуется интегрирование мгновенной мощности, выдаваемой аккумулятором за всё время его разряда. Если большая точность не нужна, можно вместо интегрирования воспользоваться средними значениями напряжения и потребляемого тока и воспользоваться формулой:
1 Вт·ч = 1 В · 1 А·ч. То есть запасаемая энергия (в Вт·ч ) приблизительно равна произведению запасаемого заряда (в А·ч ) на среднее напряжение (в Вольтах ): E = q · U . Например, если указано, что емкость (в обычном смысле) 12-вольтового аккумулятора равна 60 А·ч, то запасаемая энергия, то есть его энергетическая ёмкость, составит 720 Вт · часов.
Энергетическая емкость накопителей гравитационной энергии
В любом учебнике физики вы можете прочитать, что работа A, совершаемая некоторой силой F при подъеме тела массы m на высоту h вычисляется по формуле A = m · g · h, где g — ускорение свободного падения. Эта формула имеет место в том случае, когда движение тела происходит медленно и силами трения можно пренебречь. Работа против силы тяжести не зависит от того, как мы поднимаем тело: по вертикали (как гирю в часах), по наклонной плоскости (как при втаскивании санок в гору) или еще каким-либо способом. Во всех случаях работа A = m · g · h. При опускании тела на первоначальный уровень сила тяжести произведет такую же работу, какая была затрачена силой F на подъем тела. Значит, поднимая тело, мы запасли работу, равную m · g · h, т. е. поднятое тело обладает энергией, равной произведению силы тяжести, действующей на это тело, и высоты, на которую оно поднято. Эта энергия не зависит от того, по какому пути происходил подъем, а определяется лишь положением тела (высотой на которую оно поднято или разностью высот между первоначальным и окончательным положением тела) и называется потенциальной энергией.
Оценим по этой формуле энергетическую емкость массы воды, закачанной в цистерну емкостью 1000 литров, поднятую на 10 метров над уровнем земли (или уровнем турбины гидрогенератора). Будем считать, что цистерна имеет форму куба с длиной ребра 1 м. Тогда, согласно формуле в учебнике Ландсберга , A = 1000 кг · (9,8 м/с 2) · 10,5 м = 102900 кг · м 2 /с 2 . Но 1 кг · м 2 /с 2 равен 1 джоулю, а переводя в ватт-часы, получим всего 28,583 ватт-часов. То есть, чтобы получить энергетическую емкость, равную емкости обычного электроаккумулятора 720 ватт-часов, нужно увеличить объем воды в цистерне в 25,2 раза. Цистерна должна будет иметь длину ребра примерно 3 метра. При этом ее энергетическая емкость будет равна 845 ватт-часам. Это больше емкости одного аккумулятора, но зато и объем установки существенно больше, чем размер обычного свинцово-цинкового автомобильного аккумулятора. Это сравнение подсказывает, что имеет смысл рассматривать не запасенную энергию в некоторой системе энергию саму по себе, а по отношению к массе или объему рассматриваемой системы.
Удельная энергетическая емкость
Итак мы пришли к заключению, что энергетическую емкость целесообразно соотносить с массой или объемом накопителя, или собственно носителя, например, воды, залитой в цистерну. Можно рассмотреть два показателя этого рода.
Массовой удельной энергоемкостью будем называть энергетическую емкость накопителя, отнесенную к массе этого накопителя.
Объемной удельной энергоемкостью будем называть энергетическую емкость накопителя, отнесенную к объему этого накопителя.
Пример. Свинцово-кислотный аккумулятор Panasonic LC-X1265P, рассчитанный на напряжение 12 вольт, имеет заряд 65 ампер-часов, вес — 20 кг. и размеры (ДхШхВ) 350 · 166 · 175 мм. Срок его службы при t = 20 C — 10 лет. Таким образом его массовая удельная энергоёмкость составит 65 · 12 / 20 = 39 ватт-часов на килограмм, а объёмная удельная энергоёмкость — 65 · 12 / (3,5 · 1,66 · 1,75) = 76,7 ватт-часов на кубический дециметр или 0,0767 кВт-часа на кубический метр.
Для рассмотренного в предыдущем разделе накопителя гравитационной энергии на основе цистерны с водой объемом 1000 литров удельная массовая энергоёмкость составит всего 28,583 ватт-часов/1000 кг = 0, 0286 Вт-ч/кг., что в 1363 раза меньше, чем массовая энергоемкость свинцово-цинкового аккумулятора. И хотя срок службы гравитационного накопителя может оказаться существенно больше, все же с практической точки зрения цистерна кажется менее привлекательной, чем аккумуляторная батарея.
Рассмотрим еще несколько примеров накопителей энергии и оценим их удельные энергоемкости.
Энергоёмкость теплоаккумулятора
Теплоёмкость — количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании его на 1 °С. В зависимости от того, к какой количественной единице относится теплоёмкость, различают массовую, объёмную и молярную теплоёмкость.
Массовая удельная теплоёмкость, также называемая просто удельной теплоёмкостью - это количество теплоты, которое необходимо подвести к единице массы вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. В СИ измеряется в джоулях, деленных на килограмм на кельвин (Дж·кг −1 ·К −1).
Объёмная теплоёмкость - это количество теплоты, которое необходимо подвести к единице объёма вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. В СИ измеряется в джоулях на кубический метр на кельвин (Дж·м −3 ·К −1).
Молярная теплоёмкость - это количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 молю вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры. В СИ измеряется в джоулях на моль на кельвин (Дж/(моль·К)).
Моль - единица измерения количества вещества в Международной системе единиц. Моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг.
На значение удельной теплоёмкости влияет температура вещества и другие термодинамические параметры. К примеру, измерение удельной теплоёмкости воды даст разные результаты при 20 °C и 60 °C. Кроме того, удельная теплоёмкость зависит от того, каким образом позволено изменяться термодинамическим параметрам вещества (давлению, объёму и т. д.); например, удельная теплоёмкость при постоянном давлении (CP) и при постоянном объёме (CV), вообще говоря, различны.
Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое сопровождается скачкообразным изменением теплоёмкости в конкретной для каждого вещества температурной точке превращения - температура плавления (переход твёрдого тела в жидкость), температура кипения (переход жидкости в газ) и, соответственно, температуры обратных превращений: замерзания и конденсации.
Удельные теплоёмкости многих веществ приведены в справочниках обычно для процесса при постоянном давлении. К примеру, удельная теплоёмкость жидкой воды при нормальных условиях - 4200 Дж/(кг·К); льда - 2100 Дж/(кг·К).
Исходя из приведенных данных можно попытаться оценить теплоемкость водяного теплоаккумулятора (абстрактного). Предположим, что масса воды в нем равна 1000 кг (литров). Нагреваем ее до 80 °C и пусть она отдает тепло, пока не остынет до 30 °C. Если не заморачиваться тем, что теплоемкость различна при разной температуре, можно считать, что теплоаккумулятор отдаст 4200 * 1000 * 50 Дж тепла. То есть энергетическая емкость такого теплоаккумулятора составляет 210 мегаджоулей или 58,333 киловатт-часов энергии.
Если сравнить эту величину с энергетическим зарядом обычного автомобильного аккумулятора (720 ватт-часов), то видим, что для энергетическая емкость рассматриваемого теплоаккумулятора равна энергетической емкости примерно 810 электрических аккумуляторов.
Удельная массовая энергоемкость такого теплоаккумулятора (даже без учета массы сосуда, в котором собственно будет храниться нагретая вода, и массы теплоизоляции) составит 58,3 кВт-ч/1000 кг = 58,3 Вт-ч/кг. Это уже получается поболее, чем массовая энергоемкость свинцово-цинкового аккумулятора, равная, как было подсчитано выше, 39 Вт-ч/кг.
По приблизительным подсчетам теплоаккумулятор сравним с обычным автомобильным аккумулятором и по объёмной удельной энергоёмкости, поскольку килограмм воды — это дециметр объема, следовательно его объемная удельная энергоемкость тоже равна 76,7 Вт-ч/кг., что в точности совпадает с объемной удельной теплоемкостью свинцово-кислотного аккумулятора. Правда, в расчете для теплоаккумулятора мы учитывали только объем воды, хотя нужно было бы учесть еще объем бака и теплоизоляции. Но в любом случае проигрыш будет уже не так велик, как для граыитационного накопителя.
Другие виды накопителей энергии
В статье «Обзор накопителей (аккумуляторов) энергии » приведены расчеты удельных энергоемкостей еще некоторых накопителей энергии. Позаимствуем оттуда некоторые примеры
Конденсаторный накопитель
При емкости конденсатора 1 Ф и напряжении 250 В запасенная энергия составит: E = CU 2 /2 = 1 ∙ 250 2 /2 = 31.25 кДж ~ 8.69 Вт · час. Если использовать электролитические конденсаторы, то их масса может составить 120 кг. Удельная энергия накопителя при этом 0.26 кДж/кг или 0,072 Вт/кг. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 9 Вт. Срок службы электролитических конденсаторов может достигать 20 лет. Ионисторы по плотности запасаемой энергии приближаются к химическим аккумуляторным батареям. Достоинства: накопленная энергия может быть использована в течение короткого промежутка времени.
Гравитационные накопители копрового типа
Вначале поднимаем тело массой 2000 кг на высоту 5 м. Затем тело опускается под действием силы тяжести, вращая электрогенератор. E = mgh ~ 2000 ∙ 10 ∙ 5 = 100 кДж ~ 27.8 Вт · час. Удельная энергетическая ёмкость 0.0138 Вт · час/кг. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 28 Вт. Срок службы накопителя может составлять 20 и более лет.
Достоинства: накопленная энергия может быть использована в течение короткого промежутка времени.
Маховик
Энергия, запасаемая в маховике, может быть найдена по формуле E = 0.5 J w 2 , где J — момент инерции вращающегося тела. Для цилиндра радиуса R и высотой H:
J = 0.5 p r R 4 H
где r — плотность материала, из которого изготовлен цилиндр.
Предельная линейная скорость на периферии маховика V max (составляет примерно 200 м/с для стали).
V max = w max R или w max = V max /R
Тогда E max = 0.5 J w 2 max = 0.25 p r R 2 H V 2 max = 0.25 M V 2 max
Удельная энергия составит: E max /M = 0.25 V 2 max
Для стального цилиндрического маховика максимальная удельная энергоемкость составляет приблизительно 10 кДж/кг. Для маховика массой 100 кг (R = 0.2 м, H = 0.1 м) максимальная накопленная энергия может составлять 0.25 ∙ 3.14 ∙ 8000 ∙ 0.2 2 ∙ 0.1 ∙ 200 2 ~ 1 МДж ~ 0.278 кВт · час. При работе накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 280 Вт. Срок службы маховика может составлять 20 и более лет. Достоинства: накопленная энергия может быть использована в течение короткого промежутка времени, характеристики могут быть существенно улучшены.
Супермаховик
Супермахови́к в отличие от обычных маховиков способен за счёт конструктивных особенностей теоретически хранить до 500 Вт·ч на килограмм веса. Однако разработки супермаховиков почему-то остановились.
Пневматический накопитель
В стальной резервуар емкостью 1 м 3 закачивается воздух под давлением 50 атмосфер. Чтобы выдержать такое давление, стенки резервуара должны иметь толщину примерно 5 мм. Сжатый воздух используется для выполнения работы. При изотермическом процессе работа A, совершаемая идеальным газом при расширении в атмосферу, определяется формулой:
A = (M / m) ∙ R ∙ T ∙ ln (V 2 / V 1)
где M — масса газа, m — молярная масса газа, R — универсальная газовая постоянная, T — абсолютная температура, V 1 — начальный объем газа, V 2 — конечный объем газа. С учетом уравнения состояния для идеального газа (P 1 ∙ V 1 = P 2 ∙ V 2) для данной реализации накопителя V 2 / V 1 = 50, R = 8.31 Дж/(моль · град), T = 293 0 K, M / m ~ 50: 0.0224 ~ 2232, работа газа при расширении 2232 ∙ 8.31 ∙ 293 ∙ ln 50 ~ 20 МДж ~ 5.56 кВт · час за цикл. Масса накопителя примерно равна 250 кг. Удельная энергия составит 80 кДж/кг. При работе пневматический накопитель может в течение часа обеспечивать нагрузку не более 5.5 кВт. Срок службы пневматического накопителя может составлять 20 и более лет.
Достоинства: накопительный резервуар может быть расположен под землей, в качестве резервуара могут использоваться стандартные газовые баллоны в требуемом количестве с соответствующим оборудованием, при использовании ветродвигателя последний может непосредственно приводить в действие насос компрессора, имеется достаточно большое количество устройств, напрямую использующих энергию сжатого воздуха.
Сравнительная таблица некоторых накопителей энергии
Все полученные выше значения параметров накопителей энергии сведем в обобщающую таблицу. Но вначале заметим, что удельные энергоемкости позволяют сравнивать накопители с обычным топливом.
Основной характеристикой топлива является его теплота сгорания, т.е. количество теплоты, выделяющееся при полном его сгорании. Различают теплоту сгорания удельную (МДж/кг) и объемную (МДж/м3). Переводя МДж в кBт-часы получаем.