WikiDer > Гравитационная батарея

Gravity battery

А гравитационная батарея это тип электрического накопителя, который хранит гравитационная энергия, энергия, запасенная в объекте в результате изменения высоты из-за сила тяжести, также называемая потенциальной энергией. Гравитационная батарея работает, используя избыточную энергию из сети, чтобы поднять массу для генерации гравитационной потенциальной энергии, которая затем сбрасывается, чтобы преобразовать потенциальную энергию в электричество через электрический генератор. Энергия, вырабатываемая гравитационной батареей, является формой устойчивой энергии. Одна из форм гравитационной батареи - это батарея, которая высвобождает массу, например бетонный блок, для выработки электричества. Наиболее распространенная гравитационная батарея используется в гидроаккумулирующая энергия, где вода перекачивается на более высокие высоты для хранения энергии и высвобождается через водяные турбины для выработки электроэнергии.[1]

Разработка

Самой ранней формой устройства, которое использовало гравитацию для механического движения, было маятниковые часы, изобретенный в 1656 году Христианом Гюйгенсом. Часы приводились в действие силой тяжести, которая заставляла маятник двигаться вперед и назад. С тех пор гравитационные батареи превратились в системы, которые могут использовать силу гравитации и превращать ее в электричество для крупномасштабного хранения энергии.

Первая гравитационная гидроаккумулирующая система (PSH) была разработана в 1907 году в Швейцарии. В 1930 году гидроаккумулирующая компания пришла в Соединенные Штаты компанией Connecticut Electric and Power Company. По состоянию на 2019 год общая мировая мощность ПСХ составляет 168 ГВт (гигаватт).[2] Соединенные Штаты имеют мощность 23 ГВт от PSH, что составляет почти 2% системы энергоснабжения и 95% накопления энергии в коммунальных предприятиях США. Электроэнергия с гидроаккумулятором в настоящее время является крупнейшей формой хранения энергии в сети в мире.[3][4][5][6]

В 2012 году Мартин Риддифорд и Джим Ривз разработали первый действующий прототип GravityLight, малогабаритная гравитационная батарея, которая сейчас продается в некоторых странах.[7]

EnergyVault, компания по хранению энергии, также в настоящее время работает над исследованиями и испытаниями для разработки крупномасштабных гравитационных батарей. Компания EnergyVault, основанная Биллом Гроссом, Андевой Педретти и Робертом Пикони в 2017 году, в настоящее время занимается расширением масштабов создания GravityLight. EnergyVault разрабатывает кран, который вырабатывает электричество за счет падения бетонных блоков, а не воды. EnergyVault не указала дату выпуска своего продукта, но прототипы находятся в разработке, а концепция многослойных блоков EnergyVault строится как многообещающая технология длительного хранения.[8][9][10]

Gravitricity, еще одна компания, производящая гравитационные батареи, работает над другим подходом к новой системе хранения энергии. Основанная в 2011 году изобретателем Питером Френкелем, компания Gravitricity в настоящее время строит прототип 10-метровой 250-киловаттной гравитационной батареи в Шотландии, которая планирует начать пробную эксплуатацию и подключение к сети в 2021 году.[11]

Механизмы и детали

Гравитационные батареи могут иметь разную конструкцию и структуру, но все гравитационные батареи используют одни и те же физические свойства для генерации энергии. Гравитационная потенциальная энергия - это работа, необходимая для перемещения объекта в направлении, противоположном гравитации Земли, выраженная уравнением

где U - гравитационная потенциальная энергия, m - масса объекта, g - ускорение объекта под действием силы тяжести (9,8 м / с на Земле), h - высота объекта. С использованием принцип работы-энергии, общее количество произведенной энергии можно выразить уравнением

где E - общее количество генерируемой энергии, а h1 и h2 представляют собой начальную и конечную высоту объекта. Изменение энергии прямо коррелирует с вертикальным перемещением массы; чем больше поднимается масса, тем больше гравитационной потенциальной энергии сохраняется. Изменение энергии также напрямую связано с массой объекта; чем тяжелее масса, тем больше изменение энергии.

В гравитационной батарее масса перемещается или поднимается, чтобы генерировать гравитационную потенциальную энергию, которая преобразуется в электричество. Гравитационные батареи накапливают гравитационную потенциальную энергию, поднимая массу на определенную высоту с помощью насоса, крана или двигателя. После того, как масса поднята, она теперь хранит определенную гравитационную потенциальную энергию в зависимости от массы объекта и того, насколько высоко он был поднят. Накопленная гравитационная потенциальная энергия затем преобразуется в электричество. Масса опускается или отпускается, чтобы вернуться к исходной высоте, что заставляет генератор вращаться и вырабатывать электричество.

Типы гравитационных батарей

В одной из структур гравитационной батареи используется очень высокая конструкция с большой массой. Эту высокую конструкцию можно построить над землей, например, высокое здание или башню, или в поверхности земли можно просверлить глубокую яму на определенную глубину, необходимую для того, чтобы аккумулятор соответствовал техническим требованиям. Груз поднимается на вершину башни или на вершину отверстия с помощью системы шкивов. Энергия необходима для жизни массы, но эта энергия обычно является избыточной энергией, которая используется в те времена, когда производство энергии превышает потребность. Когда излишек энергии иссякает, масса сбрасывается для выработки электричества через генератор.[12]

EnergyVault работает над разработкой крупномасштабных гравитационных батарей. Гравитационная батарея, над разработкой которой они работают, представляет собой башню для хранения энергии, построенную из бетонных блоков. 120-метровые краны используют избыточную энергию электросети для подъема и штабелирования бетонных блоков, каждый из которых весит 32 тонны. Энергия восстанавливается, когда кирпичи падают, чтобы генерировать энергию путем вращения генератора. Один коммерческий блок может хранить 20 МВтч энергии, чего достаточно для питания 2000 швейцарских домов в день.[9]

Блок гравитационной батареи Gravitricity состоит из трансформируемой электрической лебедки / генератора, кабелей, большого веса и вертикальной шахты, идущей на глубину от 150 до 1500 метров под землей. Электрическая лебедка поднимает груз массой от 500 до 5000 тонн на верхнюю часть вала. Когда груз отпускается, он вращает электрическую лебедку в магнитном поле для выработки энергии. Система вырабатывает 10 МВтч, чего достаточно для 2 000 домов в течение двух часов. Аккумулятор также можно контролировать, чтобы быстро сбросить вес для небольшого выброса энергии большой мощности.[11]

Другой формой гравитационной батареи является гидроаккумуляторная гидроэлектростанция (PSH), крупнейшая форма хранения энергии в сети. PSH использует воду вместо твердой массы, которая перекачивается из более низкого резервуара в более высокий резервуар, прежде чем будет выпущена через турбины для создания энергии.

Гравитационные батареи также были разработаны для работы в меньших масштабах. GravityLight - это небольшой фонарь с гравитационным питанием, который вручную поднимает мешок с камнями или песком, а затем позволяет ему упасть для выработки энергии. GravityLight был разработан, чтобы помочь почти миллиарду людей в мире, у которых нет электричества, так как он избавит людей, не имеющих доступа к электричеству, от необходимости полагаться на керосиновые лампы, которые являются дорогими и опасными, и загрязнение. [7][13][14]

Тяжелые поезда, идущие в гору, могут высвободить свою потенциальную энергию, используя рекуперативное торможение спускаться с горы и действовать таким образом как гравитационная батарея.[15]

Экономика и эффективность

Стоимость гравитационных батарей зависит от конструкции.

Стоимость эксплуатации гидроаккумулирующей гидроаккумулирующей энергии составляет 165 долларов США за кВт · ч, с нормированная стоимость хранения (LOCS) 0,17 долл. США / кВтч.[16][17] Насосы и турбины систем PSH работают с КПД 90%. [18]

Предлагаемая EnergyVault система гравитационных батарей составляет от 7 до 8 миллионов в цене здания, но имеет LOCS 0,05 долл. США / кВтч и КПД в оба конца 88-92%. Это на 50% дешевле по сравнению с LOCS литий-ионных аккумуляторов, стоимость которых составляет 0,25–0,35 доллара США / кВтч. [19]

Ожидается, что демонстрационный образец Gravitricity мощностью 250 кВт будет стоить 1,25 миллиона долларов, что обещает 50-летний срок службы и эффективность 80-90%. Относительные затраты на установки гравитационного хранения, которые будут использовать груз весом 2000 тонн, подвешенный к лебедкам в заброшенных шахтах, по сравнению с литий-ионные батареи, указывают на то, что, хотя «первоначальная стоимость высока», 25-летний срок службы такого оборудования - без снижения емкости во время использования - делает «убедительное предложение» для крупномасштабной балансировки энергосистемы.[20]

В отличие от PSH, солнечных панелей и ветряных турбин, которые могут работать только при определенных условиях или в определенных областях, гравитационные батареи, подобные тем, которые предлагаются EnergyVault и Gravitricity, могут быть построены в любой точке мира с использованием материалов со строительной площадки.[12][21]

Портативная гравитационная батарея GravityLight доступна для коммерческого использования по цене 119 долларов.[14]

Воздействие на окружающую среду

Гравитационные батареи - это форма устойчивой энергии.

Внедрение гравитационных батарей в более крупном масштабе снизит потребность в ископаемом топливе, значительно сократив выбросы CO2.

Гравитационные батареи более безопасны для окружающей среды, чем литий-ионные, поскольку литий-ионные батареи имеют более короткий срок службы и проблемы возникают при их утилизации.[1]

Гравитационная (химическая) батарея

С 1870 по 1930 гг.[22] Термин «гравитационная батарея» использовался для описания набора популярных типов батарей, в которых сила тяжести использовалась для разделения химических компонентов на основе их соответствующих плотностей.[23]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Chaturvedi, D.K .; Ядав, Шубхам; Шривастава, Таманна; Кумари, Танви (27 июля 2020 г.). «Система накопления электроэнергии: Гравитационная батарея». Четвертая Всемирная конференция по интеллектуальным тенденциям в системах, безопасности и устойчивости 2020 г. (WorldS4). Лондон, Великобритания: IEEE: 412–416. Дои:10.1109 / WorldS450073.2020.9210321. ISBN 978-1-7281-6823-4.
  2. ^ "Международный - Управление энергетической информации США". Управление энергетической информации. Получено 30 октября, 2020.
  3. ^ «Большинство гидроаккумулирующих генераторов в США были построены в 1970-х годах - сегодня в энергетике - Управление энергетической информации США (EIA)». www.eia.gov. Получено 16 ноября, 2020.
  4. ^ «Гидроэнергетика». Ассоциация накопителей энергии. Получено 16 ноября, 2020.
  5. ^ «ГАЭС». Energy.gov. Получено 16 ноября, 2020.
  6. ^ «Отчет о гидроаккумулирующих предприятиях за 2018 год» (PDF). Национальная гидроэнергетическая ассоциация. 1 января 2018 г.. Получено 3 ноября, 2020.
  7. ^ а б «Когда гравитация равна свету». 3 июля 2018 г.. Получено 28 октября, 2020.
  8. ^ Спектор, Джулиан (3 апреля 2020 г.). «Остались 5 самых многообещающих технологий длительного хранения». Greentech Media. Получено 28 октября, 2020.
  9. ^ а б «EnergyVault». EnergyVault: создание возобновляемого мира. EnergyVault. 2020.
  10. ^ Келли-Детвайлер, Питер (14 октября 2019 г.). «Energy Vault получает 110 миллионов долларов от SoftBank для хранения энергии с помощью силы тяжести». Forbes. Получено 30 октября, 2020.
  11. ^ а б «Быстрое и долговечное хранение энергии». Гравитация. Получено 28 октября, 2020.
  12. ^ а б говорит Лен Гардинер (20 февраля 2020 г.). "Что такое гравитационные батареи?". TheGreenAge. Получено 29 октября, 2020.
  13. ^ «GravityLight - свет от подъема гири». deciwatt.global. Получено 29 октября, 2020.
  14. ^ а б "GravityLight". Дециватт. Получено 1 ноября, 2020.
  15. ^ Мэсси, Нафанаил. «Хранение энергии выходит на рельсы на западе». Scientific American. В архиве с оригинала 4 декабря 2017 г.. Получено 31 декабря, 2017.
  16. ^ «Отчет о технологиях хранения энергии и характеристиках затрат» (PDF). Министерство энергетики США. 1 июля 2019 г.,. Получено 1 ноября, 2020.
  17. ^ «Накопительная гидроаккумуляция - смета для возможной системы». Дивный новый климат. 5 апреля 2010 г.. Получено 16 ноября, 2020.
  18. ^ «Прокачай хранилище | Сделай математику». Получено 16 ноября, 2020.
  19. ^ «Башня силы: гравитационное хранилище эволюционирует не только с гидроаккумулятором». www.power-technology.com. Получено 29 октября, 2020.
  20. ^ О'Нил, Нисан (23 апреля 2018 г.). «Является ли гравитация и старые шахты следующим прорывом в хранении энергии?». Новости Имперского колледжа. Имперский колледж Лондон.
  21. ^ «Полная перезагрузка страницы». IEEE Spectrum: Новости технологий, инженерии и науки. Получено 16 ноября, 2020.
  22. ^ "Google Ngram ищет популярность термина Gravity Battery". В архиве с оригинала 8 апреля 2020 г.
  23. ^ "Гравитационные батареи Роберта Мюррея-Смита".