Zacznę może od totalnych podstaw. Całość zagadnienia sprowadza się do magazynowania energii, co jest procesem stosunkowo trudnym i często mało skutecznym. Energię można magazynować na kilka sposobów - zacznę od tych najbardziej spektakularnych czyli od magazynowania w polu grawitacyjnym Ziemi oraz w postaci energii potencjalnej sprężonego gazu. Jednym z najbardziej znanych w Polsce tego typu rozwiązań to elektrownie szczytowo-pompowe. W istocie takie elektrownie to ogromny akumulatory energii - ładowanie odbywa się przez pompowanie wody do zbiornika na szczycie góry, oddawanie energii - przez napędzanie turbin generatora przez wypływającą z dużą prędkością wodę do zbiornika u podnóża góry. Rozmiary tego robią wrażenie, a taka elektrownia służy przede wszystkim do regulowania pracy sieci energetycznej. Jest to jednak proces dość mało sprawny, ponieważ odzyskuje się ok. 80% energii zużytej do wpompowania wody (jeśli kogoś zainteresuje temat odsyłam tutaj). Inną spektakularną metodą magazynowania energii to elektrownie typu CAES (Compressed Air Energy Storage). Zasada działania jest bardzo podobna: rolę medium magazynującego energię jest gaz, który spręża się do 70 atmosfer. Gwałtowne rozprężanie gazu powoduje ruch turbin i wytwarzanie energii elektrycznej (Zainteresowanych tematem odsyłam tutaj).
Zwykłego zjadacza chleba bardziej jednak zainteresuje gromadzenie energii w polu elektrycznym. Jeśli uważaliście na lekcjach fizyki w gimnazjum, powinniście pamiętać doświadczenie z kondensatorem powietrznym. Są to metalowe płytki rozdzielone powietrzem tak, że nie może przepłynąć przez nie prąd. Najciekawsze w tym jest to, że jeśli podłączymy płytki do źródła zasilania (mówiąc obrazowo: jedną płytkę do plusa, drugą do minusa), zaczną gromadzić się na nich ładunki elektryczne, które zostają „uwięzione” w powstałym polu elektrycznym. Ale trzeba uważać, bo zbyt duże zbliżenie spowoduje powstanie wyładowania w postaci efektownej iskry, zwarcie i natychmiastowe rozładowanie zgromadzonej energii. Jeśli jednak rozładowanie nie nastąpi, to energia ta zostanie zachowana nawet jeśli odłączymy źródło zasilania. Jeśli podłączymy jakieś urządzenie do naszych płytek, urządzenie to może wykonać dzięki zgromadzonej energii jakąś pracę.
Ale i to nie jest najbardziej wygodnym sposobem gromadzenia energii na nasze codzienne potrzeby. Okazuje się, że najlepszym sposobem jest wykorzystanie energii wiązań chemicznych. I tutaj znowu odsyłam do zabaw w gimnazjum - tym razem w pracowni chemicznej - do doświadczeń z dwoma elektrodami włożonymi do naczynia z rozcieńczoną w wodzie solą. Co prawda w polu elektrycznym można zgromadzić dużo energii, jednak jej wykorzystanie jest dość kłopotliwe z uwagi na to, że rozładowanie kondensatorów jest zazwyczaj bardzo gwałtowne. Energię z wiązań chemicznych da się uwalniać stopniowo. W tym wszystkim najtrudniejszy jest dobór odpowiednich materiałów. Po pierwsze wymaga się, aby materiały przewodzące, czyli elektrody, były bardzo dobrymi przewodnikami oraz aby elektrolit mógł zgromadzić w sobie jak największą energię. I to jest to: z jednej strony potrzebujemy pola elektrycznego, które powodowałoby wędrówkę nośników energii wewnątrz elektrolitu, a im większa powierzchnia, tym szybciej i więcej energii można zgromadzić. Z drugiej strony chcemy, aby akumulator zajmował jak najmniej przestrzeni. Aby pogodzić ze sobą te wymagania, akumulatory (te w naszych telefonach) projektuje się z wielu warstw bardzo cienkich przewodników oddzielonych od siebie elektrolitem. Warstwy te można z powodzeniem wyginać i zawijać. Najlepszymi materiałami stosowanymi obecnie jest lit, z którego wykonuje się elektrody oraz specjalna grupa polimerów przewodzących (odkrycie polimerów przewodzących poskutkowało przyznaniem nagrody Nobla z chemii w 2000 roku), które pełnią rolę elektrolitu.
Jak wszystko, materiały z których zbudowane są najpopularniejsze w elektronice akumulatory, mają swoje ograniczenia, związane przede wszystkim z ich ładowaniem. Z jednej strony, owszem, bardzo pożądaną cechą Li-Poly jest to, że stopień naładowania ogniwa jest proporcjonalny do różnicy potencjałów pomiędzy jego elektrodami, co umożliwia precyzyjny pomiar oraz podjęcie przez układ sterujący procesem ładowania decyzji o odłączeniu ogniwa od zasilania w odpowiednim momencie. I to jest w tym wypadku szalenie istotna rzecz, ujawniającą jedną z dużych wad zastosowanych w tym akumulatorze materiałów - jeśli ładowanie przerwie się zbyt późno, napięcie pomiędzy elektrodami wzrośnie do poziomu, który bezpowrotnie uszkodzi akumulator. Każdy akumulator musi być zabezpieczony przed taką ewentualnością. Problemy z układem pilnującym odpowiedniego napięcia ogniwa mogą skończyć się przegrzaniem, zapaleniem, a nawet wybuchem felernego ogniwa.
ps.
Będzie ciąg dalszy.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz