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令人耳目一新的机械电池,古老而又常新的储能方式
发布者:admin发布时间:2020-04-03 19:41:01

利用风能或者太阳能等可再生能源发电相比于传统发电方式来说很棒,但它们有一个缺点,它们无法连续并且恒定的提供能源。这意味着,如果我们要想更好地利用它们,我们需要电池,这个古老而又常新的储能手段,来存储它们产生的一些能量以备后用。今天,我们来看看那些与传统化学电池不同的机械电池。

如今,随着政策的扶持,新能源汽车已经走入我们的生活之中,不过,并非每个人都喜欢其中的电化学电池,它们很贵,而且事实上并不环保。

幸运的是,我们还有其他选择,例如机械电池,那些利用物体势能或动能而不是化学物质来储存能量的储能手段。

机械电池许多是在很久以前设计的,但如今他们正在卷土重来。尽管我们现在提出可以以各种全新的方式来存储能量,但那些已经使用了数百年的科技依然可以继续很好地使用,尤其是在采用一些现代科学技术进行革新之后。

自1650年发明第一台气泵以来, 压缩空气已被用来驱动铁路制动器以及许多建筑工程工具,例如钉枪和冲击锤。

首先,一台高压压缩机将空气泵入一个巨大的腔室,例如盐洞或废弃的地库。然后,当我们需要电力时,压缩气体被释放以运行发电涡轮机。由于体积庞大,压缩空气电池能提供像发电厂所提供的那样大规模的能量,一次高达321兆瓦。同时,它们也很便宜而且响应时间也很短,大约在十二分钟以内,不到传统的化石燃料发电机的一半。另外,它们可以储存能量超过一年。

不过热力学告诉我们,一些转化为压缩空气热量的能量会随时间消散进入房间的墙壁。 而且由于空气在减压时也会变冷,它需要重新加热,以免损坏涡轮机。因此,部分能量流失了,这意味着在压缩空气电池中我们输入的能量与输出的能量之间的比例相对较低,即使是现代的压缩空气设施,也只能达到60%到70%的转换效率。低于顶级的化学电池约为90%的转化率。

工程师也许可以对此进行改进,但是就目前而言,我们还有其它古老的机械电池技术,如铁路储能。

铁路储能基本上是由重力驱动的电池,它储存的是火车的重力势能。其过程很简单:机车拉动车厢上坡并可以根据需要增加更多的车厢或者更高的车厢重量来存储更多能量。然后,当火车下坡时,重力势能通过动力回收转化为电能,这项技术在新能源汽车甚至一些电动车中经常能够看到。至少从十四世纪开始,我们就一直使用重力来存储能量,如重锤驱动的机械转塔钟等等。

人们提出了几种类型的现代重力电池,但是到目前为止,唯一正在开发的大型重力电池还是在山坡上进行。

轨道电池的容量约为五十兆瓦,与压缩空气系统相比,每个电池的存储量更少,但它们也有很多优势。比如,我们不需要一个很深的洞穴就能容纳所有能量,铁路储能可以在任何斜率大于百分之五的地方工作。而且它们具有不错的转换效率,大约能达到78%。另外,它们的启动响应时间约为五到十秒比压缩空气电池更好。

飞轮电池利用的是飞轮绕轴旋转的动能,牛顿定律告诉我们运动中的物体倾向于保持这种方式,这些飞轮可以以动能的形式存储大量的能量。然后,我们可以通过减速来获取能量,这与动力回收有些相像。

第一个专门为储能而设计的飞轮电池是1833年为了驱动第一个自行式鱼雷(1866)而研发的。与之前两种“电池”相比,飞轮电池在大型电厂存储中用处不大。摩擦力让它们每天可能会损失多达20%的能量。但是,现代的飞轮电池通过使用高科技材料,例如碳纤维复合材料,在真空中旋转悬浮在超导磁性轴承上使它们更轻更小,限制了损失在摩擦上的能量,并使其以提高其转速并扩大其存储容量成为可能。

不过这也使它们的制造成本极高,尤其是当与压缩空气或铁路蓄电池相比。但是,这项技术仍然值得投资, 因为它们的转换效率可以高达90%,响应时间以数百毫秒为单位。并且飞轮电池凭借相对小巧的尺寸使其可以用于诸如服务器集群,火车上的不间断电源系统, 以及混合动力赛车等领域。