Потенциальная энергия сжатого воздуха

Космос

Способ хранения электричества

В настоящее время известны два способа хранения электроэнергии: это аккумуляторные батареи и потенциальная энергия воды, поднятая вверх в водохранилище, которую можно накапливать ночью, когда расход электроэнергии мал, а днём сбрасывать с плотины на турбину.

Но аккумуляторные батареи долго не хранят электроэнергию, а поднимая воду на высоту надо затоплять значительные территории.

Я предлагаю третий вариант хранения электроэнергии: можно ночью, когда небольшой расход электроэнергии, излишнюю энергию направить на расщепление воды в замкнутом резервуаре на водород и кислород с тем, чтобы днём, когда будет пик потребления электроэнергии сжигать водород с кислородом с выделением энергии в соответствии с известной химической формулой.

В соответствии с этой формулой после сжигания будет снова образовываться вода, которую можно будет ночью снова расщеплять. А высвобождающейся энергией можно питать линии электропередач, чтобы троллебусы и трамваи ходили по городу.

Таким образом, получается замкнутое и безопасное хранение электроэнергии.

Безопасное с той точки зрения, что не нужны будут частные автомобили на водородном топливе, которых будет много и все они будут очень взрывоопасны.

Так можно, на мой взгляд, запасаться электроэнергией в ночные часы.

>Ресурсосбережение и энергоэффективность наСТРОИТЕЛЬНОМ ФОРУМЕ

Сжатый газ как аккумулятор энергии

О способности сжатого газа совершать работу знают практически все. Достаточно вспомнить о пробке, вылетающей из шампанского или о шипящей струе газа из баллона, способной вращать вертушку.
Происходит это благодаря наличию в нем запаса энергии. Это значит, что для аккумуляции энергии нужно просто сжать газ, приведя его в рабочее состояние.
Именно таким образом выглядит простейший пневматический аккумулятор, в который нагнетается воздух при помощи насоса, работающего на электроэнергии, получаемой от альтернативного источника: ветрогенератора, солнечной батареи, а также от различных теплоэлектрогенераторов.
Принцип его работы предельно прост: достаточно сжать воздух, например в обычном газовом баллоне, а затем, при необходимости, подключить струю воздуха к электрогенератору и получить нужное количество электричества.
Эта идея с успехом реализована на практике. Полученное устройство называется пневматический аккумулятор, и имеет ряд достоинств и преимуществ по сравнению с обычным аккумулятором, используемым в качестве накопителя в автономной электрической сети.
Чем хорош пневматический аккумулятор
Весит он немного ( в основном его вес определяется массой газового баллона), может хранить запас энергии бесконечно долго, не требует особого ухода или технического обслуживания, а его стоимость складывается из стоимости нагнетающего насоса и баллона. При этом следует отметить, что узким звеном в данном случае является нагнетающий насос, срок эксплуатации которого не менее семи лет. В этой системе выйти из строя может только он. В целом система достаточно надежна и может работать без ремонта и замены достаточно длительный период.

К тому же есть немало устройств, которые можно привести в рабочее состояние непосредственно при помощи сжатого газа.
Вывод простой: сжатый газ может использоваться как аккумулятор для хранения избыточного количества энергии, полученного при работе различных генераторов.
Для определения эффективности пневматического аккумулятора проведем небольшой расчет, для которого достаточно иметь запас знаний по физике в объеме школьного курса.
Расчет пневматического аккумулятора
Возьмем стальную емкость, способную выдержать давление в пятьдесят атмосфер. Для этого ее стенки должны иметь толщину, равную приблизительно пяти миллиметрам. Следует обратить внимание на то, что любое техническое устройство должно быть абсолютно безопасным для человека и иметь запас прочности, достаточный для этого.
При этом температура будет оставаться постоянной, что позволяет вести речь об изотермическом процессе.
Для расчета используется идеальный газ, представляющий собой вещество, молекулы которого можно считать бесконечно малыми и не взаимодействующими между собой. В действительности воздух при нормальных условиях может считаться идеальным газом, так как взаимодействием между молекулами газов, составляющих его, можно пренебречь.
Работа, совершенная идеальным газом в изотермическом процессе, может быть рассчитана следующим образом
Где
N — число частиц газа,
T — температура, V1 и V2 — объём газа в начале и конце процесса,
k -постоянная Больцмана Ее значение равно
Использовать в расчетах число частиц газа менее удобно, чем количество молей, поэтому можно «пойти другим путем», а именно использовать газовую постоянную
R = kNA
Где N с индексом А число Авагадро, тогда A = (M/m)RTln (V2 / V1)
Где
T — абсолютная температура,
V1 — начальный объем газа,
V2 — конечный объем газа.
M — масса газа,
m — молярная масса газа
R — универсальная газовая постоянная,
В соответствии с уравнением идеального газа
P1 V1 = P2 V2
Напомним, что по условиям задачи воздух закачивается в сосуд, объемом один кубический метр под давлением в 50 атмосфер, при постоянной температуре. Условимся, что температура окружающей среды равна 20 градусов по Цельсию. Тогда абсолютная температура воздуха составит
Т=273+20=293
Получаем, что при
V2 / V1 = 50
T = 293 0K,
R = 8.31 Дж/(моль o град),
M / m ~ 50 : 0.0224 ~ 2232
Следовательно, значение работы газа при расширении составит 2232 ∙ 8.31 ∙ 293 ∙ ln 50 ~ 20 МДж ~ 5.89 кВт o час.
Массу газа рассчитать нетрудно, она составит 249,89кг, следовательно, запасенная энергия будет равна78,9 кДж/кг.
Такой накопитель энергии может обеспечить в течение часа нагрузку в автономной электрической сети, составляющую 5,4кВт. Как видите, показатели отличные. Количество аккумуляторов может быть любым, а для безопасности их можно закопать в землю.
Перспективы использования сжатого воздуха в качестве аккумулятора энергии
Нетрудно предположить, что сжатый воздух является идеальным веществом для аккумуляции энергии. Его не нужно специально хранить, запасать или доставлять к месту использования, он не меняет своих свойств даже при длительном хранении и его можно использовать как для выброса в атмосферу, так и для совершения работы.

Процесс нагнетания воздуха в баллоны технически не представляет сложностей, что позволяет говорить о широких перспективах использования этого проекта.
Узким местом этой идеи является необходимость установки резервуаров, способных выдерживать давление огромных величин, ведь не секрет, что чем больший объем воздуха направлен на хранение в пневматический аккумулятор, тем большее давление создается в нем и тем большее значение потенциала этой системы.
В данном случае при повышении давления в резервуаре возрастают требования к его прочности и безопасности, но при хранении запаса воздуха с относительно небольшим избыточным давлением возрастает его объем, а, значит, и объем используемого резервуара.
Для решения этой задачи используются различные подходы. В частности, в одном из штатов США предполагается закачивать воздух в пещеры, вымытые в отложениях солей.
В других проектах предполагается использовать для этих целей баллоны, расположенные в открытом море.
Как видите, идей немало, главное, суметь их воплотить.>История науки и техники Com New

Энергия… в воздухе!

«Бесполезно было ждать от резины энергии больше, чем она в состоянии накопить», – успокаивал я себя, глядя на предмет моей гордости – авторское свидетельство на изобретение «резиноаккумулятора». Мне удавалось растягивать жгут лишь до известных пределов, в конце концов резина не выдерживала и лопалась. При этом вся накопленная энергия «вылетала» из нее, как пробка из бутылки шампанского.

А кстати, почему вылетает пробка из бутылки с шампанским? Потому же, почему и пуля из пневматического ружья. Сжатый газ способен совершать работу благодаря накопленной в нем энергии. Той самой потенциальной энергии, что запасалась в устройствах, которые я мастерил раньше. Воздух, как и любой газ, обладает упругостью. Более того, воздух, например, можно сжимать гораздо сильнее, в большее число раз, чем растягивать пружину или резину. Хорошо, если пружину удается растянуть вдвое; резину иногда растягивают раз в пять-шесть. А воздух сжимай хоть в 500 раз – ничего ему не сделается. То есть в сжатом воздухе, если рассуждать теоретически, можно накопить огромную энергию. Но газ не поддается сжатию сам по себе, нужен сосуд – баллон, в котором этот газ находился бы. Баллон должен быть очень прочным, иначе его разорвет давление.

А прочные вещи всегда тяжелые, поэтому сам баллон, как правило, намного тяжелее, чем газ внутри него. Правда, и газ, сжатый, например, в 500 раз, нелегок – по плотности он уже приближается к жидкости…

Но все-таки, сколько энергии сумеет накопить сжатый воздух? Может ли он претендовать на звание «энергетической капсулы»? Я, наверное, первый раз в жизни листал свой школьный учебник по физике с таким нетерпением, прежде чем нашел то, что искал.

Сжатый газ в баллоне выделяет энергию, вращая пневмодвигатель

Чтобы узнать, сколько энергии накоплено в газе, нужно умножить его давление на объем. Кубометр воздуха весит чуть больше килограмма. Допустим, мы сожмем воздух в 500 раз, его давление будет – 500 атм, или около 50 МПа (мегапаскалей). Тогда весь кубометр воздуха уместится в сосуде емкостью 2 литра. Если предположить, что баллон весит примерно столько же, сколько и воздух (а это должен быть очень хороший крепкий баллон!), значит, на каждый килограмм баллона придется только около литра сжатого воздуха. Но этот литр, или одна тысячная кубометра, умноженный на 50 МПа, даст в результате 50 кДж энергии!

Совсем неплохой показатель – 50 кДж/кг! Плотность энергии почти вдвое выше, чем у лучшей резины. И долговечность такого аккумулятора очень высока – воздух не резина, он не изнашивается. Масса воздушного аккумулятора для автомобиля будет всего 500 кг. Его уже вполне можно установить на автомобиле в качестве двигателя.

Окрыленный этим открытием, я поспешил поделиться радостью со своим приятелем. Но тот в ответ лишь ухмыльнулся и сунул мне под нос только что полученный журнал, где говорилось, что не так давно итальянцы построили автомобиль-воздуховоз, способный с одной заправки воздухом пройти более 100 км.

Автомобиль-пневмокар, работающий на потенциальной энергии сжатого в баллонах газа

Вскоре выяснилось, что и это далеко не новость. Еще в позапрошлом веке во французском городе Нанте ходил трамвай, работавший от баллонов со сжатым воздухом. Десяти баллонов воздуха, сжатого всего до 3 МПа, при общем объеме 2800 л, трамваю хватало, чтобы проходить на накопленной в воздухе энергии путь в 10—12 км.

В США уже в начале прошлого века был изготовлен автомобиль-пневмокар, работавший на энергии сжатого воздуха.

Все равно я решил построить модель такого воздуховоза, чтобы самому убедиться в преимуществах и недостатках воздушного аккумулятора. Как мне представлялось, модель автомобиля-воздуховоза сделать несложно. По моим расчетам, для этого нужен был углекислотный огнетушитель, например автомобильный, который выбрасывает струю газа, а не пены, и тяговый пневмодвигатель, скажем, от воздушной дрели или гайковерта.

Но, увы, первое же испытание воздуховоза разочаровало меня. Я направил сжатый углекислый газ из огнетушителя в пневмодвигатель, а тот, чуть-чуть поработав… замерз. Да-да, покрылся инеем и остановился!

Объяснение этому поразительному явлению я нашел в том же учебнике физики.

В принципе любой сжатый газ при резком расширении сильно охлаждается. Когда я, ничего не подозревая, крутанул вентиль баллона сразу до отказа, и газ под большим давлением вырвался из отверстия, расширение оказалось столь интенсивным, что газ стал превращаться в снег. Не обычный, а углекислотный, с очень низкой температурой. Такой снег, только спрессованный, часто называют «сухим льдом», потому что он переходит в газ, минуя жидкую фазу. Мне не раз приходилось видеть «сухой лед», когда я покупал мороженое. Но главное – охлаждение значительно снизило запас энергии в сжатом газе. Ведь давление газа при охлаждении стремительно падает, а значит, уменьшается и количество выделяемой энергии. Это и послужило основной причиной остановки пневмодвигателя.

Можно, конечно, нагреть охлажденный газ, чтобы вернуть ему прежнюю температуру. Но ведь нагрев – затрата энергии. Газ когда-то сжимали, закачивая в баллон. Тут-то он и нагревался: газы, как известно, при сжатии нагреваются. Вот если бы горячий газ сразу же был пущен в работу, тогда бы он охладился до исходной температуры. А при хранении баллон с горячим газом в конце концов остывает, принимает температуру окружающего воздуха. Отсюда, за счет расширения, и столь сильное охлаждение газа при выходе его из баллона, отсюда и «сухой лед».

Как ни горько мне было читать об этом в учебнике, но это было правдой, подтвержденной моим собственным опытом по «замораживанию» пневмодвигателя. Вроде бы и учился я неплохо, по физике имел только «отлично», однако почему-то начисто забыл о тех явлениях, которые на уроках в школе казались мне такими простыми и понятными.

Тем не менее с воздушным аккумулятором надо было что-то предпринимать.