Enerģija tiek uzkrāta ATP veidā, kas pēc tam tiek izmantota organismā vielu sintēzei, siltuma izdalīšanai, muskuļu kontrakcijām utt. ☢ Enerģijas procesi šūnās: enerģijas uzglabāšana un izmantošana Enerģijas prasības dzīves laikā

enerģijas apmaiņa- tā ir sarežģītu organisko savienojumu pakāpeniska sadalīšanās, kas notiek ar enerģijas izdalīšanos, kas tiek uzkrāta ATP molekulu makroerģiskajās saitēs un pēc tam tiek izmantota šūnu dzīves procesā, tostarp biosintēzei, t.i. plastmasas apmaiņa.

Aerobi organismi ražo:

1. Sagatavošanas- biopolimēru sadalīšana monomēros.
2. bezskābekļa Glikolīze ir glikozes sadalīšanās pirovīnskābe.
3. Skābeklis- pirovīnskābes sadalīšana oglekļa dioksīdā un ūdenī.

Sagatavošanas posms

Enerģijas metabolisma sagatavošanas stadijā ar pārtiku saņemtie organiskie savienojumi tiek sadalīti vienkāršākos, parasti monomēros. Tātad ogļhidrāti tiek sadalīti cukuros, tostarp glikozē; olbaltumvielas - līdz aminoskābēm; tauki - līdz glicerīnam un taukskābēm.

Lai gan enerģija tiek atbrīvota, tā netiek uzkrāta ATP un tāpēc to nevar izmantot vēlāk. Enerģija tiek izkliedēta siltuma veidā.

Polimēru sadalīšanās daudzšūnu kompleksos dzīvniekos notiek gremošanas traktā, iedarbojoties uz enzīmiem, ko šeit izdala dziedzeri. Tad izveidotie monomēri uzsūcas asinīs galvenokārt caur zarnām. Uzturvielas tiek transportētas caur šūnām asinīs.

Tomēr ne visas vielas gremošanas sistēmā sadalās monomēros. Daudzu šķelšanās notiek tieši šūnās, to lizosomās. Vienšūnu organismos absorbētās vielas nonāk gremošanas vakuolos, kur tās tiek sagremotas.

Iegūtos monomērus var izmantot gan enerģijas, gan plastmasas apmaiņai. Pirmajā gadījumā tie tiek sadalīti, bet otrajā gadījumā no tiem tiek sintezētas pašu šūnu sastāvdaļas.

Enerģijas metabolisma anoksiskā stadija

Bezskābekļa stadija notiek šūnu citoplazmā un aerobo organismu gadījumā ietver tikai glikolīze - enzīmu daudzpakāpju glikozes oksidēšana un tās sadalīšana pirovīnskābei, ko sauc arī par piruvātu.

Glikozes molekula satur sešus oglekļa atomus. Glikolīzes laikā tas tiek sadalīts divās piruvāta molekulās, kas ietver trīs oglekļa atomus. Šajā gadījumā tiek atdalīta daļa ūdeņraža atomu, kas tiek pārnesti uz NAD koenzīmu, kas, savukārt, piedalīsies skābekļa stadijā.

Daļa no glikolīzes laikā atbrīvotās enerģijas tiek uzkrāta ATP molekulās. Vienā glikozes molekulā tiek sintezētas tikai divas ATP molekulas.

Enerģija, kas paliek piruvātā un tiek glabāta NAD, tiks tālāk iegūta no aerobiem nākamajā enerģijas metabolisma posmā.

Anaerobos apstākļos, kad nav šūnu elpošanas skābekļa stadijas, piruvāts tiek “neitralizēts” pienskābē vai tiek fermentēts. Šajā gadījumā enerģija netiek uzkrāta. Tādējādi šeit noderīgu enerģijas izvadi nodrošina tikai neefektīva glikolīze.

skābekļa stadija

Skābekļa solis notiek mitohondrijās. Tam ir divi apakšposmi: Krebsa cikls un oksidatīvā fosforilācija. Skābeklis, kas nonāk šūnās, tiek izmantots tikai otrajā. Krebsa cikls ražo un atbrīvo oglekļa dioksīdu.

Krebsa cikls notiek mitohondriju matricā, to veic daudzi fermenti. Tas nesaņem pašu pirovīnskābes molekulu (vai taukskābi, aminoskābi), bet gan ar koenzīma-A palīdzību no tās atdalīto acetilgrupu, kas ietver divus bijušā piruvāta oglekļa atomus. Daudzpakāpju Krebsa cikla laikā acetilgrupa tiek sadalīta divās CO 2 molekulās un ūdeņraža atomos. Ūdeņradis apvienojas ar NAD un FAD. Notiek arī IKP molekulas sintēze, kas vēlāk noved pie ATP sintēzes.

Katrā glikozes molekulā ir divi Krebsa cikli, kas ražo divus piruvātus. Tādējādi veidojas divas ATP molekulas. Ja enerģijas metabolisms beigtos šeit, tad glikozes molekulas kopējā sadalīšanās rezultātā iegūtu 4 ATP molekulas (divas no glikolīzes).

Oksidatīvā fosforilēšana rodas uz cristae - mitohondriju iekšējās membrānas izaugumiem. To nodrošina enzīmu un koenzīmu konveijers, veidojot tā saukto elpošanas ķēdi, kas beidzas ar enzīmu ATP sintetāzi.

Ūdeņradis un elektroni tiek pārnesti caur elpošanas ķēdi no koenzīmiem NAD un FAD. Pārnešana tiek veikta tā, ka ūdeņraža protoni uzkrājas iekšējās mitohondriju membrānas ārējā pusē, un pēdējie ķēdes fermenti pārnes tikai elektronus.

Galu galā elektroni tiek pārnesti uz skābekļa molekulām, kas atrodas membrānas iekšpusē, kā rezultātā tie kļūst negatīvi uzlādēti. Rodas elektriskā potenciāla gradienta kritiskais līmenis, kas noved pie protonu kustības pa ATP sintetāzes kanāliem. Ūdeņraža protonu kustības enerģija tiek izmantota ATP molekulu sintezēšanai, un paši protoni savienojas ar skābekļa anjoniem, veidojot ūdens molekulas.

Elpošanas ķēdes darbības enerģijas izvade, kas izteikta ATP molekulās, ir liela un kopumā svārstās no 32 līdz 34 ATP molekulām uz vienu sākotnējo glikozes molekulu.

Šis materiāls ir balstīts uz rakstu "Pārskats par enerģijas uzglabāšanas ierīču veidiem", kas iepriekš publicēts vietnē http://khd2.narod.ru/gratis/accumul.htm, pievienojot vairākas rindkopas no citiem avotiem, piemēram, http://khd2.narod.ru/gratis/accumul.htm. ://battery-info.lv/alternatives.

Viena no galvenajām alternatīvās enerģijas problēmām ir tās nevienmērīgā piegāde no atjaunojamiem avotiem. Saule spīd tikai dienā un bez mākoņiem vējš vai nu pūš, vai norimst. Jā, un elektrības nepieciešamība nav nemainīga, piemēram, apgaismojumam pa dienu vajag mazāk, vakarā vairāk. Un cilvēkiem patīk, ja pilsētas un ciematus naktī pārpludina apgaismojums. Nu, vai vismaz tikai ielas ir apgaismotas. Tātad rodas uzdevums - kādu laiku ietaupīt saņemto enerģiju, lai to izmantotu, kad tās nepieciešamība ir maksimāla, un plūsma nav pietiekama.

HES TaumSauk ASV. Neskatoties uz mazo jaudu, tas ir pazīstams visā pasaulē, pateicoties augšējam sirds formas baseinam.

Ir arī mazāka mēroga gravitācijas enerģijas hidrauliskie akumulatori. Vispirms mēs iesūknējam 10 tonnas ūdens no pazemes rezervuāra (akas) konteinerā uz torņa. Tad ūdens no tvertnes gravitācijas ietekmē ieplūst atpakaļ tvertnē, griežot turbīnu ar elektrisko ģeneratoru. Šādas piedziņas kalpošanas laiks var būt 20 gadi vai vairāk. Priekšrocības: izmantojot vēja turbīnu, pēdējā var tieši darbināt ūdens sūkni, ūdeni no tvertnes uz torņa var izmantot citām vajadzībām.

Diemžēl hidrauliskās sistēmas ir grūtāk uzturēt pareizā tehniskā stāvoklī nekā cietvielu sistēmas - pirmkārt, tas attiecas uz tvertņu un cauruļvadu hermētiskumu un noslēgšanas un sūknēšanas iekārtu darbināmību. Un vēl viens svarīgs nosacījums - enerģijas uzkrāšanas un izmantošanas brīžos darba šķidrumam (vismaz diezgan lielai daļai) ir jābūt šķidrā agregācijas stāvoklī, nevis ledus vai tvaika veidā. Bet dažreiz šādos akumulatoros ir iespējams iegūt papildu brīvo enerģiju, piemēram, papildinot augšējo rezervuāru ar kausētu vai lietus ūdeni.

Mehāniskā enerģijas uzkrāšana

Mehāniskā enerģija izpaužas atsevišķu ķermeņu vai to daļiņu mijiedarbībā, kustībā. Tas ietver ķermeņa kustības vai rotācijas kinētisko enerģiju, deformācijas enerģiju lieces, stiepšanās, vērpšanas, elastīgo ķermeņu (atsperu) saspiešanas laikā.

Žiroskopiskā enerģijas uzglabāšana

Ufimceva žiroskopiskais akumulators.

Žiroskopiskajos akumulatoros enerģija tiek uzkrāta strauji rotējoša spararata kinētiskās enerģijas veidā. Īpatnējā enerģija, kas tiek uzkrāta uz katru spararata svara kilogramu, ir daudz lielāka par to, ko var uzkrāt statiskā svara kilogramā, pat paceļot to lielā augstumā, un jaunākie augsto tehnoloģiju sasniegumi sola uzkrātās enerģijas blīvumu, kas ir salīdzināms ar ķīmisko enerģiju. visefektīvāko ķīmiskās degvielas veidu masas vienībā. Vēl viens milzīgs spararata pluss ir iespēja ātri atgriezt vai saņemt ļoti lielu jaudu, ko ierobežo tikai materiālu stiepes izturība mehāniskās transmisijas gadījumā vai elektrisko, pneimatisko vai hidraulisko transmisiju "ietilpība".

Diemžēl spararati ir jutīgi pret grūdieniem un rotācijām citās plaknēs, nevis rotācijas plaknē, jo tas rada milzīgas žiroskopiskas slodzes, kas mēdz saliekt asi. Turklāt spararata uzkrātās enerģijas uzglabāšanas laiks ir salīdzinoši īss, un tradicionālajām konstrukcijām tas parasti svārstās no dažām sekundēm līdz vairākām stundām. Turklāt enerģijas zudumi berzes dēļ kļūst pārāk pamanāmi... Tomēr mūsdienu tehnoloģijas ļauj krasi palielināt uzglabāšanas laiku - līdz pat vairākiem mēnešiem.

Visbeidzot, vēl viens nepatīkams moments - spararata uzkrātā enerģija ir tieši atkarīga no tā griešanās ātruma, tāpēc, enerģijai uzkrājoties vai atbrīvojoties, rotācijas ātrums visu laiku mainās. Tajā pašā laikā slodzei ļoti bieži ir nepieciešams stabils griešanās ātrums, kas nepārsniedz vairākus tūkstošus apgriezienu minūtē. Šī iemesla dēļ tīri mehāniskas sistēmas jaudas pārnešanai uz spararatu un no tā var būt pārāk sarežģītas ražošanai. Dažreiz situāciju var vienkāršot ar elektromehānisko transmisiju, izmantojot motora ģeneratoru, kas atrodas uz tās pašas vārpstas ar spararatu vai ir savienots ar to ar stingru pārnesumkārbu. Bet tad ir neizbēgami enerģijas zudumi apkures vadiem un tinumiem, kas labos variatoros var būt daudz lielāki nekā berzes un slīdēšanas zudumi.

Īpaši daudzsološi ir tā sauktie superspararati, kas sastāv no tērauda lentes, stieples vai augstas stiprības sintētiskās šķiedras tinumiem. Tinums var būt blīvs, vai arī tam var būt īpaši atstāta tukša vieta. Pēdējā gadījumā, spararatam atritinoties, lentes spoles virzās no centra uz griešanās perifēriju, mainot spararata inerces momentu, un, ja lente ir atspere, tad daļu enerģijas uzglabā enerģijā. atsperes elastīgā deformācija. Rezultātā šādos spararatos griešanās ātrums nav tik tieši saistīts ar uzkrāto enerģiju un ir daudz stabilāks nekā vienkāršākajās cietajās konstrukcijās, un to enerģijas patēriņš ir manāmi lielāks. Papildus lielākai enerģijas intensitātei tie ir drošāki dažādu negadījumu gadījumā, jo atšķirībā no liela monolīta spararata fragmentiem, kas pēc enerģijas un iznīcinošās jaudas ir salīdzināmi ar lielgabala lodēm, atsperes fragmentiem ir daudz mazāka "bojājošā jauda" un parasti diezgan. efektīvi palēnināt spararata pārsprāgšanu berzes dēļ pret korpusa sienām. Tā paša iemesla dēļ mūsdienu cietie spararati, kas paredzēti darbam režīmos, kas ir tuvu materiāla stiprības pārdalei, bieži tiek izgatavoti nevis monolīti, bet gan austi no kabeļiem vai šķiedrām, kas piesūcināti ar saistvielu.

Mūsdienīgie dizaini ar vakuuma rotācijas kameru un superspararata magnētisko balstiekārtu, kas izgatavota no Kevlar šķiedras, nodrošina uzkrātās enerģijas blīvumu vairāk nekā 5 MJ / kg, un tie var uzglabāt kinētisko enerģiju nedēļām un mēnešiem. Pēc optimistiskām aplēsēm, lielas noslodzes "superkarbona" ​​šķiedras izmantošana tinumam palielinās rotācijas ātrumu un uzkrātās enerģijas īpatnējo blīvumu daudzkārt vairāk - līdz 2-3 GJ / kg (tiek solīts, ka viens ar šādu spararatu, kas sver 100-150 kg, pietiks, lai nobrauktu miljonu vai vairāk kilometru, t.i., praktiski visu automašīnas kalpošanas laiku!). Taču arī šīs šķiedras izmaksas ir daudzkārt lielākas par zelta izmaksām, tāpēc pat arābu šeihi pagaidām nevar atļauties šādas mašīnas... Sīkāk par spararata piedziņu var atrast Nurbey Gulia grāmatā.

Žirorezonanses enerģijas uzkrāšana

Šīs piedziņas ir tas pats spararats, bet izgatavots no elastīga materiāla (piemēram, gumijas). Tā rezultātā tam ir principiāli jaunas īpašības. Palielinoties ātrumam, uz šāda spararata sāk veidoties "izaugumi" - "ziedlapiņas" - vispirms tas pārvēršas par elipsi, pēc tam par "ziedu" ar trim, četrām vai vairākām "ziedlapiņām" ... Turklāt pēc veidošanās sākas “ziedlapiņas”, spararata griešanās ātrums jau praktiski nemainās, un enerģija tiek uzkrāta spararata materiāla elastīgās deformācijas rezonansē, kas veido šīs “ziedlapiņas”.

70. gadu beigās un 80. gadu sākumā N.Z.Garmašs nodarbojās ar šādām būvēm Doņeckā. Viņa rezultāti ir iespaidīgi – pēc viņa aplēsēm, ar spararata darbības ātrumu tikai 7-8 tūkstoši apgr./min, uzkrātās enerģijas pietika, lai automašīna ar tāda paša izmēra parasto spararatu nobrauktu 1500 km pret 30 km. Diemžēl jaunākā informācija par šāda veida disku nav zināma.

Mehāniskie akumulatori, kas izmanto elastīgos spēkus

Šīs klases ierīcēm ir ļoti liela īpatnējā uzkrātās enerģijas jauda. Ja nepieciešams ievērot mazus izmērus (vairākus centimetrus), tā enerģijas intensitāte ir visaugstākā starp mehāniskajām glabāšanas ierīcēm. Ja svara un izmēra prasības nav tik stingras, tad lielie īpaši ātrgaitas spararati to pārspēj enerģijas patēriņa ziņā, taču tie ir daudz jutīgāki pret ārējiem faktoriem un tiem ir daudz mazāks enerģijas uzglabāšanas laiks.

Atsperu mehāniskie akumulatori

Atsperes saspiešana un pagarināšana var nodrošināt ļoti lielu enerģijas patēriņu un padevi laika vienībā – iespējams, augstāko mehānisko jaudu starp visiem enerģijas uzglabāšanas ierīču veidiem. Tāpat kā spararatos, to ierobežo tikai materiālu stiepes izturība, bet atsperes parasti realizē tieši darba translācijas kustību, un spararatos nevar iztikt bez diezgan sarežģītas transmisijas (nav nejaušība, ka ir vai nu mehāniskās galvenās atsperes vai gāzes baloni). izmanto pneimatiskajos ieročos, kas savā būtībā ir iepriekš uzlādētas pneimatiskās atsperes; pirms šaujamieroču parādīšanās atsperu ieroči tika izmantoti arī cīņai no distances - loki un arbaleti, kas pilnībā aizstāja stropes ar tās kinētiskās enerģijas uzkrāšanos profesionālais karaspēks ilgi pirms jaunās ēras).

Saspiestā atsperē uzkrātās enerģijas uzglabāšanas laiks var būt daudzi gadi. Tomēr jāpatur prātā, ka pastāvīgas deformācijas ietekmē jebkurš materiāls laika gaitā uzkrājas nogurums, un atsperu metāla kristāliskais režģis lēnām mainās, un, jo lielāki ir iekšējie spriegumi un augstāka apkārtējās vides temperatūra, jo ātrāk lielākā mērā tas notiks. Tāpēc pēc vairākiem gadu desmitiem saspiesta atspere, ārēji nemainot, var izrādīties pilnībā vai daļēji “izlādēta”. Taču augstas kvalitātes tērauda atsperes, ja tās nav pakļautas pārkaršanai vai hipotermijai, spēj darboties gadsimtiem ilgi bez redzamiem jaudas zudumiem. Piemēram, vecs mehāniskais sienas pulkstenis no vienas pilnas rūpnīcas joprojām darbojas divas nedēļas - tāpat kā pirms vairāk nekā pusgadsimta, kad tas tika izgatavots.

Ja ir nepieciešams pakāpeniski vienmērīgi "uzlādēt" un "izlādēt" atsperi, mehānisms, kas to nodrošina, var būt ļoti sarežģīts un kaprīzs (paskatieties uz to pašu mehānisko pulksteni - patiesībā daudzi zobrati un citas detaļas kalpo tieši šim mērķim ). Elektromehāniskā transmisija var vienkāršot situāciju, taču parasti tā uzliek ievērojamus ierobežojumus šādas ierīces momentānajai jaudai, un, strādājot ar zemu jaudu (daži simti vatu vai mazāk), tās efektivitāte ir pārāk zema. Atsevišķs uzdevums ir maksimālās enerģijas uzkrāšana minimālā tilpumā, jo šajā gadījumā rodas mehāniskie spriegumi, kas ir tuvu izmantoto materiālu stiepes izturībai, kas prasa īpaši rūpīgus aprēķinus un nevainojamu apstrādi.

Te runājot par atsperēm, jāpatur prātā ne tikai metāls, bet arī citi elastīgi cietie elementi. Visizplatītākās no tām ir gumijas lentes. Starp citu, uz masas vienību uzkrātās enerģijas izteiksmē gumija desmitkārtīgi pārsniedz tēraudu, taču tā arī kalpo apmēram tikpat reižu mazāk, un atšķirībā no tērauda jau pēc dažiem gadiem zaudē īpašības pat bez aktīvas lietošanas un ar ideālu ārējo. apstākļi - sakarā ar salīdzinoši strauju materiāla ķīmisko novecošanos un degradāciju.

Gāzes mehāniskā uzglabāšana

Šajā ierīču klasē enerģija tiek uzkrāta saspiestās gāzes elastības dēļ. Ar enerģijas pārpalikumu kompresors sūknē gāzi cilindrā. Kad nepieciešams izmantot uzkrāto enerģiju, saspiestā gāze tiek piegādāta turbīnai, kas tieši veic nepieciešamo mehānisko darbu vai rotē elektrisko ģeneratoru. Turbīnas vietā var izmantot virzuļdzinēju, kas ir efektīvāks pie mazas jaudas (starp citu, ir arī reversīvi virzuļdzinēji-kompresori).

Gandrīz katrs mūsdienu industriālais kompresors ir aprīkots ar līdzīgu akumulatoru - uztvērēju. Tiesa, spiediens tur reti pārsniedz 10 atm, un tāpēc enerģijas rezerve šādā uztvērējā nav īpaši liela, taču pat tas parasti ļauj vairākas reizes palielināt instalācijas resursus un ietaupīt enerģiju.

Gāze, kas saspiesta līdz desmitiem un simtiem atmosfēru spiedienam, var nodrošināt pietiekami augstu īpatnējo uzkrātās enerģijas blīvumu gandrīz neierobežotu laiku (mēnešus, gadus, un ar augstu uztvērēja un vārstu kvalitāti - desmitiem gadu - tas nav bez Pneimatiskie ieroči, kuros izmanto patronas ar saspiestu gāzi, ir kļuvuši tik plaši izplatīti). Tomēr instalācijā iekļautais kompresors ar turbīnu vai virzuļdzinēju ir diezgan sarežģītas, kaprīzas ierīces un ar ļoti ierobežotiem resursiem.

Daudzsološa tehnoloģija enerģijas rezervju veidošanai ir gaisa saspiešana uz pieejamās enerģijas rēķina laikā, kad pēc tās nav tiešas vajadzības. Saspiestu gaisu atdzesē un uzglabā 60-70 atmosfēru spiedienā. Ja nepieciešams izmantot uzkrāto enerģiju, gaiss tiek izvilkts no akumulatora, uzsildīts un pēc tam nonāk speciālā gāzes turbīnā, kur saspiestā un uzkarsētā gaisa enerģija rotē turbīnas pakāpes, kuru vārpsta ir savienota ar elektrisko ģenerators, kas ražo elektroenerģiju energosistēmā.

Lai uzglabātu saspiestu gaisu, tiek piedāvāts, piemēram, izmantot piemērotas raktuves vai īpaši izveidotas pazemes tvertnes sāls iežos. Koncepcija nav jauna, saspiestā gaisa uzglabāšana pazemes alā tika patentēta tālajā 1948. gadā, un Hantorfas spēkstacijā Vācijā kopš 1978. gada darbojas pirmā saspiestā gaisa enerģijas uzglabāšanas (CAES) iekārta ar jaudu 290 MW. . Gaisa saspiešanas stadijā liels daudzums enerģijas tiek zaudēts siltuma veidā. Šī zaudētā enerģija ir jākompensē ar saspiestu gaisu pirms izplešanās stadijas gāzturbīnā, un šim nolūkam tiek izmantota ogļūdeņraža degviela, ar kuru tiek paaugstināta gaisa temperatūra. Tas nozīmē, ka iekārtas ir tālu no 100% efektīvas.

CAES efektivitātes uzlabošanai ir daudzsološs virziens. Tas sastāv no kompresora darbības laikā izdalītā siltuma saglabāšanas un uzglabāšanas gaisa saspiešanas un dzesēšanas stadijā, pēc tam to atkārtoti izmantojot aukstā gaisa uzsildīšanas laikā (tā sauktā rekuperācija). Tomēr šai CAES versijai ir būtiskas tehniskas grūtības, īpaši ilgtermiņa siltuma uzglabāšanas sistēmas izveides virzienā. Ja šīs problēmas tiks atrisinātas, AA-CAES (Advanced Adiabatic-CAES) varētu pavērt ceļu liela mēroga enerģijas uzglabāšanas sistēmām, un šo problēmu ir izvirzījuši pētnieki visā pasaulē.

Kanādas startup Hydrostor dalībnieki vēl viens neparasts risinājums - sūknēt enerģiju zemūdens burbuļos.

Siltuma enerģijas uzkrāšana

Mūsu klimatiskajos apstākļos ļoti ievērojama (bieži vien galvenā) patērētās enerģijas daļa tiek tērēta apkurei. Tāpēc ļoti ērti būtu siltumu uzkrāt tieši krātuvē un pēc tam saņemt atpakaļ. Diemžēl vairumā gadījumu uzkrātās enerģijas blīvums ir ļoti zems, un tās saglabāšanas laiks ir ļoti ierobežots.

Ir siltuma akumulatori ar cietu vai patērējamu siltumenerģijas uzglabāšanas materiālu; šķidrums; tvaiks; termoķīmiski; ar elektrisko sildelementu. Siltuma akumulatorus var pieslēgt sistēmai ar cietā kurināmā katlu, saules sistēmu vai kombinēto sistēmu.

Enerģijas uzkrāšana siltuma jaudas dēļ

Šāda veida akumulatoros siltums tiek uzkrāts, pateicoties vielas, kas kalpo par darba šķidrumu, siltumietilpība. Klasisks siltuma akumulatora piemērs ir krievu krāsns. Viņa tika apsildīta reizi dienā, un tad viņa apsildīja māju dienas laikā. Mūsdienās siltuma akumulators visbiežāk nozīmē tvertnes karstā ūdens uzglabāšanai, kas apšūtas ar materiālu ar augstām siltumizolācijas īpašībām.

Ir arī siltuma akumulatori, kuru pamatā ir cietie siltumnesēji, piemēram, keramikas ķieģeļos.

Dažādām vielām ir atšķirīga siltuma jauda. Lielākajai daļai tas ir diapazonā no 0,1 līdz 2 kJ/(kg K). Ūdenim ir anomāli augsta siltumietilpība – tā siltumietilpība šķidrā fāzē ir aptuveni 4,2 kJ/(kg K). Tikai ļoti eksotiskajam litijam ir lielāka siltumietilpība - 4,4 kJ/(kg·K).

Tomēr, izņemot īpašs karstums(pēc svara) jāņem vērā un tilpuma siltuma jauda, kas ļauj noteikt, cik daudz siltuma nepieciešams, lai viena un tā paša tilpuma dažādu vielu temperatūra mainītos par tādu pašu daudzumu. To aprēķina no parastās īpatnējās (masas) siltumietilpības, reizinot to ar atbilstošās vielas īpatnējo blīvumu. Tilpuma siltuma jauda ir jāvadās, ja siltuma akumulatora tilpums ir svarīgāks par tā svaru. Piemēram, tērauda īpatnējā siltumietilpība ir tikai 0,46 kJ / (kg K), bet blīvums ir 7800 kg / m3, un, teiksim, polipropilēnam - 1,9 kJ / (kg K) - vairāk nekā 4 reizes vairāk, bet tā blīvums ir tikai 900 kg/kub.m. Tāpēc ar to pašu apjoms tērauds spēs uzkrāt 2,1 reizi vairāk siltuma nekā polipropilēns, lai gan tas būs gandrīz 9 reizes smagāks. Taču ūdens anomāli augstās siltumietilpības dēļ neviens materiāls nevar to pārspēt tilpuma siltumietilpības ziņā. Savukārt dzelzs un tās sakausējumu (tērauda, ​​čuguna) tilpuma siltumietilpība no ūdens atšķiras par nepilniem 20% - vienā kubikmetrā tie spēj uzkrāt vairāk nekā 3,5 MJ siltuma katrai temperatūras maiņas pakāpei, tilpuma siltumietilpība. vara ir nedaudz mazāks - 3,48 MJ /(kub. m K). Gaisa siltumietilpība normālos apstākļos ir aptuveni 1 kJ/kg jeb 1,3 kJ/m3, tāpēc, lai kubikmetru gaisa uzsildītu par 1°, pietiek atdzesēt nedaudz mazāk par 1/3 litru ūdens par tādu pašu pakāpi (dabiski, karstāks par gaisu).

Ierīces vienkāršības dēļ (kas gan var būt vienkāršāks par nekustīgu cietu daļiņu vai slēgtu rezervuāru ar šķidru dzesēšanas šķidrumu?) Šādām enerģijas uzkrāšanas ierīcēm ir gandrīz neierobežots enerģijas uzkrāšanas-atgriešanas ciklu skaits un ļoti garš. kalpošanas laiks - šķidriem siltumnesējiem līdz šķidruma izžūšanai vai līdz rezervuāra bojājumam korozijas vai citu iemeslu dēļ, cietam stāvoklim šādu ierobežojumu nav. Taču uzglabāšanas laiks ir ļoti ierobežots un, kā likums, svārstās no vairākām stundām līdz vairākām dienām – ilgāku laiku parastā siltumizolācija vairs nespēj noturēt siltumu, un uzkrātās enerģijas īpatnējais blīvums ir zems.

Visbeidzot, jāuzsver vēl viens apstāklis ​​- efektīvai darbībai svarīga ir ne tikai siltuma jauda, ​​bet arī siltuma akumulatora vielas siltumvadītspēja. Ar augstu siltumvadītspēju, pat uz diezgan straujām ārējo apstākļu izmaiņām, siltuma akumulators reaģēs ar visu savu masu un līdz ar to ar visu uzkrāto enerģiju - tas ir, pēc iespējas efektīvāk. Sliktas siltumvadītspējas gadījumā laiks reaģēt būs tikai siltuma akumulatora virsmas daļai, un īslaicīgām ārējo apstākļu izmaiņām vienkārši nebūs laika, lai sasniegtu dziļos slāņus, un ievērojama daļa no tā vielas. siltuma akumulators faktiski tiks izslēgts no darba. Polipropilēnam, kas minēts tieši iepriekš aplūkotajā piemērā, siltumvadītspēja ir gandrīz 200 reižu mazāka nekā tēraudam, un tāpēc, neskatoties uz diezgan lielo īpatnējo siltuma jaudu, tas nevar būt efektīvs siltuma akumulators. Tomēr tehniski problēma ir viegli atrisināma, organizējot īpašus kanālus dzesēšanas šķidruma cirkulācijai siltuma akumulatora iekšpusē, taču ir acīmredzams, ka šāds risinājums ievērojami sarežģī konstrukciju, samazina tā uzticamību un enerģijas patēriņu, kā arī noteikti būs nepieciešama periodiska apkope. , kas diez vai būs vajadzīgs monolītam matērijas gabalam.

Lai cik dīvaini tas neliktos, dažreiz ir jāuzkrāj un jāuzglabā nevis siltums, bet aukstums. Uzņēmumi ASV jau vairāk nekā desmit gadus piedāvā uz ledus balstītus "akumulatorus" uzstādīšanai gaisa kondicionieros. Naktīs, kad elektrības ir pārpilnībā un tā tiek pārdota par pazeminātām likmēm, gaisa kondicionieris sasaldē ūdeni, tas ir, pāriet ledusskapja režīmā. Dienas laikā tas patērē vairākas reizes mazāk enerģijas, darbojoties kā ventilators. Enerģijas izsalkušais kompresors uz šo laiku ir izslēgts. Lasīt vairāk.

Enerģijas uzkrāšanās vielas fāzes stāvokļa maiņas laikā

Rūpīgi aplūkojot dažādu vielu termiskos parametrus, var redzēt, ka, mainoties agregācijas stāvoklim (kušana-sacietēšana, iztvaikošana-kondensācija), notiek ievērojama enerģijas absorbcija vai izdalīšanās. Lielākajai daļai vielu šādu pārvērtību siltumenerģija ir pietiekama, lai viena un tā paša vielas daudzuma temperatūru mainītu par daudziem desmitiem vai pat simtiem grādu tajos temperatūras diapazonos, kuros tās agregācijas stāvoklis nemainās. Bet, kā jūs zināt, līdz brīdim, kad visa vielas tilpuma agregācijas stāvoklis kļūst vienāds, tās temperatūra ir gandrīz nemainīga! Tāpēc būtu ļoti vilinoši akumulēt enerģiju, mainot agregācijas stāvokli - tiek uzkrāts daudz enerģijas, un temperatūra mainās maz, lai rezultātā nebūtu jārisina problēmas, kas saistītas ar uzsildīšanu. temperatūras, un tajā pašā laikā var iegūt labu šāda siltuma akumulatora jaudu.

Kušana un kristalizācija

Diemžēl šobrīd praktiski nav lētu, drošu un pret sadalīšanās izturīgu vielu ar augstu fāzu pārejas enerģiju, kuru kušanas temperatūra atrastos visatbilstošākā diapazonā - aptuveni no +20°С līdz +50°С (maksimums +70°С – tā joprojām ir samērā droša un viegli sasniedzama temperatūra). Parasti šajā temperatūras diapazonā kūst sarežģīti organiskie savienojumi, kas nekādā gadījumā nav labvēlīgi veselībai un bieži vien ātri oksidējas gaisā.

Iespējams, ka vispiemērotākās vielas ir parafīni, kuru vairuma kušanas temperatūra atkarībā no šķirnes ir robežās no 40...65°C (lai gan ir arī “šķidrie” parafīni ar kušanas temperatūru 27°C vai mazāk, kā arī ar parafīniem saistītais dabiskais ozokerīts, kura kušanas temperatūra ir robežās no 58...100°C). Gan parafīni, gan ozokerīts ir diezgan droši un tiek izmantoti arī medicīniskiem nolūkiem, lai tieši uzsildītu sāpīgās vietas uz ķermeņa. Taču pie labas siltumietilpības to siltumvadītspēja ir ļoti maza – tik maza, ka uz ķermeņa uzklāts parafīns vai ozokerīts, uzkarsēts līdz 50-60°C, jūtas tikai patīkami karsts, bet ne applaucējums, kā tas būtu ar ūdeni, kas uzsildīts līdz tāda pati temperatūra - medicīnai tas ir labi, bet siltuma akumulatoram tas ir absolūts mīnuss. Turklāt šīs vielas nav tik lētas, piemēram, ozocerīta vairumtirdzniecības cena 2009. gada septembrī bija aptuveni 200 rubļu par kilogramu, un kilograms parafīna maksāja no 25 rubļiem (tehniskā) līdz 50 un vairāk (augsti attīrīta pārtika, t.i.). piemērots lietošanai pārtikas iepakojumā). Tās ir vairumtirdzniecības cenas vairāku tonnu partijām, mazumtirdzniecības cenas ir vismaz pusotru reizi dārgākas.

Rezultātā parafīna siltuma akumulatora ekonomiskā lietderība izrādās liels jautājums, jo kilograms vai divi parafīna vai ozocerīta ir piemērots tikai pāris desmitu minūšu lauztas muguras medicīniskai uzsildīšanai, un nodrošināt vairāk vai mazāk ietilpīga mājokļa stabilu temperatūru vismaz diennakti, parafīna siltuma akumulatora masa jāmēra tonnās, lai tā pašizmaksa uzreiz tuvotos automašīnas pašizmaksai (kaut arī zemākā cenu segmentā)! Jā, un fāzes pārejas temperatūrai ideālā gadījumā joprojām precīzi jāatbilst ērtajam diapazonam (20...25 ° C) - pretējā gadījumā jums joprojām ir jāorganizē sava veida siltuma apmaiņas vadības sistēma. Tomēr kušanas temperatūra ap 50..54°C, kas raksturīga ļoti attīrītiem parafīniem, kombinācijā ar augstu fāzes pārejas siltumu (nedaudz vairāk par 200 kJ/kg) ir ļoti piemērota siltuma akumulatoram, kas paredzēts nodrošināt karstā ūdens piegādi un ūdens sildīšanu, vienīgā problēma ir zemā siltumvadītspēja un augstā parafīna cena. Bet nepārvaramas varas gadījumā pašu parafīnu var izmantot kā degvielu ar labu siltumspēju (lai gan to nav tik vienkārši izdarīt - atšķirībā no benzīna vai petrolejas šķidrais un vēl jo vairāk cietais parafīns nedeg gaisā, dakts vai nepieciešama cita ierīce, lai degšanas zonā piegādātu nevis pašu parafīnu, bet tikai tā tvaikus)!

Uz kausēšanas un kristalizācijas efektu balstītas siltumenerģijas uzkrāšanas ierīces piemērs ir uz silīcija bāzes veidotā siltumenerģijas uzkrāšanas sistēma TESS, ko izstrādājusi Austrālijas kompānija Latent Heat Storage.

Iztvaikošana un kondensācija

Iztvaikošanas-kondensācijas siltums, kā likums, ir vairākas reizes lielāks par kušanas-kristalizācijas siltumu. Un šķiet, ka pareizajā temperatūras diapazonā iztvaikojošo vielu nemaz tik maz. Papildus atklāti sakot toksiskajam oglekļa disulfīdam, acetonam, etilēterim utt., ir arī etilspirts (tā relatīvo drošību katru dienu ar personīgu piemēru pierāda miljoniem alkoholiķu visā pasaulē!). Normālos apstākļos spirts vārās 78°С, un tā iztvaikošanas siltums ir 2,5 reizes lielāks par ūdens (ledus) saplūšanas siltumu un ir līdzvērtīgs tāda paša daudzuma šķidra ūdens uzsildīšanai par 200°. Tomēr atšķirībā no kausēšanas, kad vielas tilpuma izmaiņas reti pārsniedz dažus procentus, iztvaikošanas laikā tvaiki aizņem visu tai paredzēto tilpumu. Un, ja šis apjoms ir neierobežots, tad tvaiks iztvaikos, neatgriezeniski paņemot sev līdzi visu uzkrāto enerģiju. Slēgtā tilpumā spiediens nekavējoties sāks palielināties, novēršot jaunu darba šķidruma daļu iztvaikošanu, kā tas notiek visparastākajā spiediena katlā, tāpēc tikai neliela daļa no darba vielas piedzīvo stāvokļa izmaiņas. agregācijas, bet pārējais turpina uzkarst, atrodoties šķidrā fāzē. Tādējādi izgudrotājiem tiek atvērts plašs darbības lauks - efektīva siltuma akumulatora izveide, pamatojoties uz iztvaikošanu un kondensāciju ar hermētisku mainīgu darba tilpumu.

Otrā veida fāzu pārejas

Papildus fāzu pārejām, kas saistītas ar agregācijas stāvokļa izmaiņām, dažām vielām vienā un tajā pašā agregācijas stāvoklī var būt vairāki dažādi fāzes stāvokļi. Šādu fāzes stāvokļu izmaiņas, kā likums, pavada arī ievērojama enerģijas izdalīšanās vai absorbcija, lai gan parasti tas ir daudz mazāk nozīmīga nekā vielas agregācijas stāvokļa maiņa. Turklāt daudzos gadījumos ar šādām izmaiņām, atšķirībā no agregācijas stāvokļa izmaiņām, notiek temperatūras histerēze - tiešās un reversās fāzes pāreju temperatūras var ievērojami atšķirties, dažreiz par desmitiem vai pat simtiem grādu.

Elektroenerģijas uzglabāšana

Elektrība mūsdienās ir ērtākais un daudzpusīgākais enerģijas veids pasaulē. Nav pārsteidzoši, ka visstraujāk attīstās tieši elektroenerģijas uzglabāšanas ierīces. Diemžēl vairumā gadījumu lētu ierīču īpatnējā jauda ir maza, un ierīces ar lielu īpatnējo jaudu joprojām ir pārāk dārgas, lai uzglabātu lielu enerģijas daudzumu masveida lietošanai, un ir ļoti īslaicīgas.

Kondensatori

Vismasīvākās "elektriskās" enerģijas uzkrāšanas ierīces ir parastie radio kondensatori. Viņiem ir milzīgs enerģijas uzkrāšanās un izdalīšanās ātrums - parasti no vairākiem tūkstošiem līdz daudziem miljardiem pilnu ciklu sekundē, un tie spēj darboties šādā veidā plašā temperatūras diapazonā daudzus gadus vai pat gadu desmitus. Apvienojot vairākus kondensatorus paralēli, jūs varat viegli palielināt to kopējo kapacitāti līdz vajadzīgajai vērtībai.

Kondensatorus var iedalīt divās lielās klasēs – nepolārajos (parasti "sausos", t.i., nesatur šķidro elektrolītu) un polārajos (parasti elektrolītiskajos). Šķidra elektrolīta izmantošana nodrošina ievērojami lielāku īpatnējo kapacitāti, bet gandrīz vienmēr savienojuma laikā ir jāievēro polaritāte. Turklāt elektrolītiskie kondensatori bieži ir jutīgāki pret ārējiem apstākļiem, galvenokārt pret temperatūru, un tiem ir īsāks kalpošanas laiks (laika gaitā elektrolīts iztvaiko un izžūst).

Tomēr kondensatoriem ir divi būtiski trūkumi. Pirmkārt, tas ir ļoti zems īpatnējais uzkrātās enerģijas blīvums un līdz ar to maza (salīdzinājumā ar citiem uzglabāšanas ierīču veidiem) jauda. Otrkārt, tas ir īss uzglabāšanas laiks, ko parasti aprēķina minūtēs un sekundēs un reti pārsniedz vairākas stundas, un dažos gadījumos tas ir tikai nelielas sekundes daļas. Rezultātā kondensatoru klāsts aprobežojas ar dažādām elektroniskām shēmām un īslaicīgu akumulāciju, kas ir pietiekama strāvas iztaisnošanai, koriģēšanai un filtrēšanai energoelektrotehnikā - vairāk to joprojām nepietiek.

Dažkārt saukti par "superkondensatoriem", tos var uzskatīt par sava veida starpposma saikni starp elektrolītiskajiem kondensatoriem un elektroķīmiskajām baterijām. No pirmā viņi mantoja gandrīz neierobežotu skaitu uzlādes-izlādes ciklu, bet no otrā - salīdzinoši zemas uzlādes un izlādes strāvas (pilns uzlādes-izlādes cikls var ilgt sekundi vai pat daudz ilgāk). Arī to jauda ir robežās starp ietilpīgākajiem kondensatoriem un mazajām baterijām – parasti enerģijas rezerve ir no dažiem līdz vairākiem simtiem džoulu.

Turklāt jāatzīmē diezgan augstā jonistoru jutība pret temperatūru un ierobežotais lādiņa glabāšanas laiks - no vairākām stundām līdz vairākām nedēļām maksimums.

Elektroķīmiskās baterijas

Elektroķīmiskās baterijas tika izgudrotas elektrotehnikas attīstības rītausmā, un tagad tās var atrast visur - no mobilā tālruņa līdz lidmašīnām un kuģiem. Vispārīgi runājot, tie darbojas, pamatojoties uz dažām ķīmiskām reakcijām, un tāpēc tos varētu attiecināt uz mūsu raksta nākamo sadaļu - "Ķīmiskās enerģijas uzglabāšana". Bet, tā kā šis punkts parasti netiek uzsvērts, bet tiek pievērsta uzmanība tam, ka akumulatori uzkrāj elektrību, mēs tos aplūkosim šeit.

Parasti, ja nepieciešams uzglabāt pietiekami lielu enerģiju - no vairākiem simtiem kilodžoulu vai vairāk - tiek izmantoti svina-skābes akumulatori (piemērs ir jebkura automašīna). Tomēr tiem ir ievērojami izmēri un, pats galvenais, svars. Ja nepieciešams ierīces viegls svars un mobilitāte, tad tiek izmantoti mūsdienīgāki akumulatoru veidi - niķeļa-kadmija, metālhidrīda, litija jonu, polimērjonu u.c.. Tiem ir daudz lielāka īpatnējā ietilpība, tomēr specifiskā enerģijas uzkrāšanas izmaksas tajos ir daudz augstākas, tāpēc to lietošana parasti aprobežojas ar salīdzinoši nelielām un ekonomiski izdevīgām ierīcēm, piemēram, mobilajiem tālruņiem, kamerām un videokamerām, klēpjdatoriem utt.

Nesen jaudīgus litija jonu akumulatorus sāka izmantot hibrīdautomobiļos un elektriskajos transportlīdzekļos. Papildus vieglākam svaram un lielākai īpatnējai jaudai atšķirībā no svina skābes tie ļauj gandrīz pilnībā izmantot to nominālo jaudu, tiek uzskatīti par uzticamākiem un tiem ir ilgāks kalpošanas laiks, un to energoefektivitāte pilnā ciklā pārsniedz 90%, savukārt svina akumulatoru energoefektivitāte, uzlādējot pēdējos 20% no jaudas, var nokrist līdz 50%.

Pēc lietošanas veida elektroķīmiskās baterijas (galvenokārt jaudīgās) arī iedala divās lielās klasēs - tā sauktajās vilces un palaišanas. Parasti startera akumulators var diezgan veiksmīgi darboties kā vilces akumulators (galvenais ir kontrolēt izlādes pakāpi un nenovest to tādā dziļumā, kas ir pieņemams vilces akumulatoriem), bet, izmantojot reversā, pārāk liela slodzes strāva. var ļoti ātri atslēgt vilces akumulatoru.

Elektroķīmisko akumulatoru trūkumi ietver ļoti ierobežotu uzlādes-izlādes ciklu skaitu (vairumā gadījumu no 250 līdz 2000, un, ja netiek ievēroti ražotāju ieteikumi, daudz mazāk), un pat tad, ja to aktīvi neizmanto, lielākā daļa akumulatoru veidu. pēc dažiem gadiem noārdās, zaudējot patēriņa īpašības. Tajā pašā laikā daudzu veidu akumulatoru kalpošanas laiks iet nevis no to darbības sākuma, bet gan no izgatavošanas brīža. Turklāt elektroķīmiskos akumulatorus raksturo jutība pret temperatūru, ilgs uzlādes laiks, kas dažkārt ir desmitiem reižu garāks par izlādes laiku, un nepieciešamība ievērot lietošanas metodiku (izvairīties no dziļas izlādes svina akumulatoriem un, gluži pretēji, ievērot pilnu uzlādi -metāla hidrīda un daudzu citu veidu akumulatoru izlādes cikls). Arī uzlādes glabāšanas laiks ir diezgan ierobežots – parasti no nedēļas līdz gadam. Ar veciem akumulatoriem samazinās ne tikai jauda, ​​bet arī uzglabāšanas laiks, turklāt abus var samazināt daudzkārt.

Ķīmiskās enerģijas uzglabāšana

ķīmiskā enerģija- tā ir vielu atomos "uzkrātā" enerģija, kas izdalās vai uzsūcas ķīmisko reakciju laikā starp vielām. Ķīmiskā enerģija tiek izdalīta siltuma veidā eksotermisku reakciju (piemēram, degvielas sadegšanas) laikā vai pārveidota elektroenerģijā galvaniskajos elementos un baterijās. Šiem enerģijas avotiem raksturīga augsta efektivitāte (līdz 98%), bet zema jauda.

Ķīmiskās enerģijas uzkrāšanas ierīces ļauj saņemt enerģiju gan tādā formā, no kuras tā tika uzkrāta, gan jebkurā citā. Ir "degvielas" un "bez degvielas" šķirnes. Atšķirībā no zemas temperatūras termoķīmiskajiem akumulatoriem (par tiem nedaudz vēlāk), kas var uzkrāt enerģiju, vienkārši novietojot tos diezgan siltā vietā, šeit nevar iztikt bez īpašām tehnoloģijām un augsto tehnoloģiju aprīkojuma, kas dažreiz ir ļoti apgrūtinošs. Jo īpaši, ja zemas temperatūras termoķīmisko reakciju gadījumā reaģentu maisījums parasti netiek atdalīts un vienmēr atrodas vienā un tajā pašā traukā, augstas temperatūras reakciju reaģenti tiek uzglabāti atsevišķi viens no otra un tiek apvienoti tikai tad, kad tiek iegūta enerģija. nepieciešams.

Enerģijas uzkrāšana, darbinot degvielu

Enerģijas uzkrāšanas posmā notiek ķīmiska reakcija, kuras rezultātā tiek reducēta degviela, piemēram, no ūdens izdalās ūdeņradis - ar tiešu elektrolīzi, elektroķīmiskajās šūnās izmantojot katalizatoru, vai termiski sadaloties, teiksim, ar. elektriskā loka vai ļoti koncentrētas saules gaismas. “Izdalīto” oksidētāju var savākt atsevišķi (skābeklim tas ir nepieciešams slēgtā izolētā objektā - zem ūdens vai kosmosā) vai “izmest” kā nevajadzīgu, jo degvielas lietošanas laikā ar šo oksidētāju pilnīgi pietiks. vidi un nav jātērē vieta un līdzekļi tās organizētai uzglabāšanai.

Enerģijas ieguves stadijā saražotā degviela tiek oksidēta, izdalot enerģiju tieši vēlamajā formā neatkarīgi no tā, kā šī degviela iegūta. Piemēram, ūdeņradis var nekavējoties nodrošināt siltumu (kad to sadedzina degli), mehānisko enerģiju (kad to padod kā degvielu iekšdedzes dzinējam vai turbīnai) vai elektrību (oksidējot degvielas šūnā). Parasti šādām oksidācijas reakcijām ir nepieciešama papildu ierosināšana (aizdedze), kas ir ļoti ērti enerģijas ieguves procesa kontrolei.

Enerģijas uzglabāšana termoķīmisko reakciju rezultātā

Jau sen un plaši ir zināma liela ķīmisko reakciju grupa, kas slēgtā traukā karsējot iet vienā virzienā ar enerģijas uzsūkšanos, bet atdziestot – pretējā virzienā ar enerģijas izdalīšanos. Šādas reakcijas bieži sauc termoķīmiski. Šādu reakciju energoefektivitāte, kā likums, ir mazāka nekā tad, ja mainās vielas agregācijas stāvoklis, taču tas ir arī ļoti pamanāms.

Šādas termoķīmiskās reakcijas var uzskatīt par sava veida reaģentu maisījuma fāzes stāvokļa maiņu, un problēmas šeit ir aptuveni vienādas - ir grūti atrast lētu, drošu un efektīvu vielu maisījumu, kas veiksmīgi darbojas šādā veidā. temperatūras diapazonā no +20°C līdz +70°C. Taču viens līdzīgs sastāvs ir zināms jau sen – tas ir Glaubera sāls.

Mirabilīts (pazīstams arī kā Glaubera sāls, nātrija sulfāts Na 2 SO 4 10H 2 O dekahidrāts) tiek iegūts elementāru ķīmisku reakciju rezultātā (piemēram, ja sērskābei pievieno nātrija hlorīdu) vai iegūts "gatavā veidā" kā minerāls.

No siltuma uzkrāšanas viedokļa interesantākā mirabilīta īpašība ir tā, ka, temperatūrai paaugstinoties virs 32°C, sāk izdalīties saistītais ūdens, kas ārēji izskatās pēc kristālu “kušanas”, kas izšķīst izdalītajā ūdenī. no viņiem. Kad temperatūra nokrītas līdz 32°C, brīvais ūdens atkal saistās ar kristāliskā hidrāta struktūru – notiek "kristalizācija". Bet pats galvenais, šīs hidratācijas-dehidratācijas reakcijas siltums ir ļoti augsts un sasniedz 251 kJ/kg, kas ir ievērojami augstāks par "godīgas" parafīnu kušanas-kristalizācijas siltumu, lai gan par vienu trešdaļu mazāks nekā ledus kušanas siltums. (ūdens).

Tādējādi siltuma akumulators, kura pamatā ir piesātināts mirabilīta šķīdums (piesātināts tikai temperatūrā virs 32°C), var efektīvi uzturēt temperatūru 32°C ar ilgu enerģijas uzkrāšanas vai atgriešanas resursu. Protams, šī temperatūra ir pārāk zema pilnvērtīgai karstā ūdens padevei (duša ar šādu temperatūru labākajā gadījumā tiek uztverta kā “ļoti vēsa”), taču ar šo temperatūru var pietikt, lai sildītu gaisu.

Vairāk par mirabilīta bāzes siltuma akumulatoru varat lasīt vietnē DelaySam.ru.

Ķīmiskās enerģijas uzglabāšana bez degvielas

Kafijas kārba, kas uzsildīta ar kaļķu dzēšanu.

Šajā gadījumā “uzlādes” stadijā dažas ķīmiskās vielas tiek veidotas citās, un šī procesa laikā enerģija tiek uzkrāta jaunajās izveidotajās ķīmiskajās saitēs (piemēram, dzēstie kaļķi karsējot tiek pārnesti uz nedzēstu kaļķu stāvokli).

“Izlādējoties”, notiek apgrieztā reakcija, ko pavada iepriekš uzkrātās enerģijas izdalīšanās (parasti siltuma veidā, dažreiz papildus gāzes veidā, ko var ievadīt turbīnā) - jo īpaši tas notiek tieši tā. kad kaļķi tiek “dzēsti” ar ūdeni. Atšķirībā no degvielas metodēm, lai sāktu reakciju, parasti pietiek vienkārši savienot reaģentus savā starpā - procesa papildu ierosināšana (aizdegšana) nav nepieciešama.

Faktiski šī ir sava veida termoķīmiska reakcija, taču atšķirībā no zemas temperatūras reakcijām, kas aprakstītas, apsverot siltumenerģijas uzkrāšanas ierīces un kurām nav nepieciešami īpaši apstākļi, šeit mēs runājam par daudzu simtu vai pat tūkstošu grādu temperatūru. Līdz ar to ievērojami palielinās katrā darba vielas kilogramā uzkrātās enerģijas daudzums, taču arī iekārtas ir daudzkārt sarežģītākas, apjomīgākas un dārgākas nekā tukšas plastmasas pudeles vai vienkārša reaģenta tvertne.

Nepieciešamība patērēt papildu vielu - teiksim, ūdeni kaļķu dzēšanai - nav būtisks trūkums (ja nepieciešams, varat savākt ūdeni, kas izdalās, kad kaļķi nonāk nedzēstā kaļķa stāvoklī). Taču šo ļoti dzēsto kaļķu īpašie uzglabāšanas apstākļi, kuru pārkāpšana ir saistīta ne tikai ar ķīmiskiem apdegumiem, bet arī ar sprādzienu, pārnes šo un līdzīgas metodes uz to kategoriju, kuras, visticamāk, nenonāks plašā dzīvē.

Citi enerģijas uzglabāšanas veidi

Papildus iepriekš aprakstītajām ir arī cita veida enerģijas uzglabāšanas ierīces. Taču šobrīd tie ir ļoti ierobežoti attiecībā uz uzkrātās enerģijas blīvumu un tās uzglabāšanas laiku par augstām īpatnējām izmaksām. Tāpēc, lai gan tos vairāk izmanto izklaidei, un to darbība nopietniem mērķiem netiek apsvērta. Piemērs ir fosforescējošās krāsas, kas uzglabā enerģiju no spilgtas gaismas avota un pēc tam spīd vairākas sekundes vai pat ilgas minūtes. To modernās modifikācijas ilgu laiku nesatur indīgo fosforu un ir diezgan drošas lietošanai pat bērnu rotaļlietās.

Supravadošās magnētiskās enerģijas krātuves to uzglabā lielas magnētiskās spoles laukā ar līdzstrāvu. Ja nepieciešams, to var pārveidot par maiņstrāvu. Zemas temperatūras akumulatorus atdzesē ar šķidru hēliju, un tie ir pieejami rūpnieciskām iekārtām. Augstas temperatūras šķidrās uzglabāšanas tvertnes ar ūdeņraža dzesēšanu joprojām tiek izstrādātas, un tās var kļūt pieejamas nākotnē.

Supravadošām magnētiskās enerģijas uzkrāšanas ierīcēm ir ievērojams izmērs, un tās parasti izmanto īsu laiku, piemēram, pārslēgšanās laikā.

Visticamāk, šajā rakstā nav atspoguļoti visi iespējamie enerģijas uzkrāšanas un taupīšanas veidi. Par citām iespējām varat ziņot komentāros vai pa e-pastu uz kos at altenergiya dot ru.

Visi dzīvie organismi, izņemot vīrusus, sastāv no šūnām. Tie nodrošina visus augu vai dzīvnieka dzīvībai nepieciešamos procesus. Pati šūna var būt atsevišķs organisms. Un kā tik sarežģīta struktūra var dzīvot bez enerģijas? Protams, nē. Tātad, kā notiek enerģijas piegāde šūnām? Tas ir balstīts uz procesiem, par kuriem mēs runāsim tālāk.

Šūnu nodrošināšana ar enerģiju: kā tas notiek?

Tikai dažas šūnas saņem enerģiju no ārpuses, tās ražo pašas. ir savas "stacijas". Un enerģijas avots šūnā ir mitohondriji – organelle, kas to ražo. Tas ir šūnu elpošanas process. Pateicoties tam, šūnas tiek nodrošinātas ar enerģiju. Tomēr tie ir sastopami tikai augos, dzīvniekos un sēnēs. Baktēriju šūnās mitohondriju nav. Tāpēc tajās šūnu nodrošināšana ar enerģiju galvenokārt notiek fermentācijas, nevis elpošanas procesu dēļ.

Mitohondriju struktūra

Šis ir divu membrānu organoīds, kas parādījās eikariotu šūnā evolūcijas laikā, absorbējot mazāku. Tas var izskaidrot faktu, ka mitohondriji satur savu DNS un RNS, kā arī mitohondriju ribosomas, kas ražo olbaltumvielas, kas nepieciešamas. organellas.

Iekšējā membrānā ir izaugumi, ko sauc par cristae vai izciļņiem. Uz kristām notiek šūnu elpošanas process.

To, kas atrodas abās membrānās, sauc par matricu. Tas satur olbaltumvielas, fermentus, kas nepieciešami ķīmisko reakciju paātrināšanai, kā arī RNS, DNS un ribosomas.

Šūnu elpošana ir dzīvības pamats

Tas notiek trīs posmos. Apskatīsim katru no tiem sīkāk.

Pirmais posms ir sagatavošanās

Šajā posmā sarežģītie organiskie savienojumi tiek sadalīti vienkāršākos. Tādējādi olbaltumvielas sadalās aminoskābēs, tauki - karbonskābēs un glicerīnā, nukleīnskābes - nukleotīdos, bet ogļhidrāti - glikozē.

glikolīze

Šī ir anoksiskā fāze. Tas slēpjas faktā, ka pirmajā posmā iegūtās vielas tiek tālāk sadalītas. Galvenie enerģijas avoti, ko šūna izmanto šajā posmā, ir glikozes molekulas. Katrs no tiem glikolīzes procesā sadalās līdz divām piruvāta molekulām. Tas notiek desmit secīgu ķīmisko reakciju laikā. Pirmo piecu dēļ glikoze tiek fosforilēta un pēc tam sadalīta divās fosfotriozēs. Turpmākajās piecās reakcijās tiek iegūtas divas PVC (pirovīnskābes) molekulas un divas molekulas. Šūnas enerģija tiek uzkrāta ATP formā.

Visu glikolīzes procesu var vienkāršot šādi:

2NAD + 2ADP + 2H 3 RO 4 + C 6 H 12 O 6 → 2H 2 O + 2OVER. H 2 + 2C 3 H 4 O 3 + 2ATP

Tādējādi, izmantojot vienu glikozes molekulu, divas ADP molekulas un divas fosforskābes, šūna saņem divas ATP molekulas (enerģiju) un divas pirovīnskābes molekulas, kuras tā izmantos nākamajā darbībā.

Trešais posms ir oksidēšana

Šis solis notiek tikai skābekļa klātbūtnē. Šī posma ķīmiskās reakcijas notiek mitohondrijās. Šī ir galvenā daļa, kuras laikā tiek atbrīvots visvairāk enerģijas. Šajā posmā, reaģējot ar skābekli, tas sadalās ūdenī un oglekļa dioksīdā. Turklāt šajā procesā veidojas 36 ATP molekulas. Tātad, mēs varam secināt, ka galvenie enerģijas avoti šūnā ir glikoze un pirovīnskābe.

Apkopojot visas ķīmiskās reakcijas un izlaižot detaļas, mēs varam izteikt visu šūnu elpošanas procesu ar vienu vienkāršotu vienādojumu:

6O 2 + C 6 H 12 O 6 + 38 ADP + 38 H 3 RO 4 → 6CO 2 + 6H2O + 38ATP.

Tādējādi elpošanas laikā no vienas glikozes molekulas, sešām skābekļa molekulām, trīsdesmit astoņām ADP molekulām un tāda paša daudzuma fosforskābes šūna saņem 38 ATP molekulas, kuru veidā tiek uzkrāta enerģija.

Mitohondriju enzīmu daudzveidība

Šūna saņem enerģiju dzīvībai caur elpošanu – oksidējoties glikozei un pēc tam pirovīnskābei. Visas šīs ķīmiskās reakcijas nevarētu notikt bez fermentiem – bioloģiskiem katalizatoriem. Apskatīsim tos, kas atrodas mitohondrijās – organellās, kas ir atbildīgas par šūnu elpošanu. Tās visas sauc par oksidoreduktāzēm, jo ​​tās ir nepieciešamas, lai nodrošinātu redoksreakciju rašanos.

Visas oksidoreduktāzes var iedalīt divās grupās:

• oksidāzes;
• dehidrogenāzes;

Dehidrogenāzes savukārt iedala aerobās un anaerobās. Aerobā pārtika satur koenzīmu riboflavīnu, ko organisms saņem no B2 vitamīna. Aerobās dehidrogenāzes satur NAD un NADP molekulas kā koenzīmus.

Oksidāzes ir daudzveidīgākas. Pirmkārt, tie ir sadalīti divās grupās:

• tie, kas satur varu;
• tie, kas satur dzelzi.

Pirmie ietver polifenola oksidāzes, askorbāta oksidāzi, pēdējās - katalāzi, peroksidāzi, citohromus. Pēdējās savukārt iedala četrās grupās:

• citohromi a;
• citohromi b;
• citohromi c;
• citohromi d.

Citohromi a satur dzelzs formilporfirīnu, citohromi b satur dzelzs protoporfirīnu, c satur aizvietotu dzelzs mezoporfirīnu un d satur dzelzs dihidroporfirīnu.

Vai ir citi veidi, kā iegūt enerģiju?

Lai gan lielākā daļa šūnu to iegūst caur šūnu elpošanu, ir arī anaerobās baktērijas, kurām nav nepieciešams skābeklis, lai izdzīvotu. Tie ražo nepieciešamo enerģiju fermentācijas ceļā. Tas ir process, kura laikā ar enzīmu palīdzību bez skābekļa līdzdalības tiek sadalīti ogļhidrāti, kā rezultātā šūna saņem enerģiju. Ir vairāki fermentācijas veidi atkarībā no ķīmisko reakciju galaprodukta. Tā ir pienskābe, spirts, sviestskābe, acetons-butāns, citronskābe.

Piemēram, to var izteikt šādi:

C6H12O6 → C2H5OH + 2CO2

Tas ir, baktērija sadala vienu glikozes molekulu vienā etilspirta molekulā un divās oglekļa oksīda (IV) molekulās.

Pienskābe (uzkrājoties muskuļos var izraisīt sāpes) ar asinīm tiek nogādāta aknās, kur glikoneoģenēzes laikā tā tiek pārveidota par glikozi.

Alkohols veidojas rauga šūnās alkoholiskās fermentācijas laikā.

acetil-CoA - tiek izmantots taukskābju, ketonvielu, holesterīna uc sintēzei vai tiek oksidēts Krebsa ciklā.

Ūdens un oglekļa dioksīds tiek iekļauti vispārējā metabolismā vai izdalās no organisma.

Pentozes izmanto nukleīnskābju, glikozes (glikoneoģenēzes) un citu vielu sintēzei.

NADPH2 ir iesaistīts taukskābju, purīna bāzu uc sintēzē. vai tiek izmantots enerģijas ražošanai CPE.

• Enerģija tiek uzkrāta ATP veidā, kas pēc tam tiek izmantota organismā vielu sintēzei, siltuma izdalīšanai, muskuļu kontrakcijām utt.

Glikozes pārveide organismā ir diezgan sarežģīts process, kas notiek dažādu enzīmu ietekmē. Tātad ceļš no glikozes uz pienskābi ietver 11 ķīmiskas reakcijas, no kurām katru paātrina savs enzīms.

Shēmas numurs 8. Anaerobā glikolīze.

Glikoze

ADP heksokināze, Mg jons

Glikozes-6-fosfāts

Fosfoglikoizomerāze

Fruktoze 6-fosfāts

ADP fosfofruktokināze, Mg joni

Fruktoze 1,6-difosfāts

Aldolāze

3-fosfodioksiacetons 3-fosfogliceroaldehīds (3-PHA)

NADH+H 3-PHA dehidrogenāze

1,3-difosfoglicerīnskābe

ATP fosfoglicerāta mutāze

2-fosfoglicerīnskābe

H2O Enolāze

Fosfenolpirovīnskābe

ATP piruvāta kināze, Mg joni

Pirovīnskābe PVC

NAD laktāta dehidrogenāze

Pienskābe.

Glikolīze notiek šūnu citoplazmā, un tai nav nepieciešama mitohondriju elpošanas ķēde.

Glikoze ir viens no galvenajiem enerģijas avotiem visu orgānu un audu šūnām, īpaši nervu sistēmai, eritrocītiem, nierēm un sēkliniekiem.

Smadzenes gandrīz pilnībā nodrošina difūzi ienākošā glikoze, tk. IVH neietilpst smadzeņu šūnās. Tāpēc, samazinoties glikozes koncentrācijai asinīs, tiek traucēta smadzeņu darbība.

Glikoneoģenēze.

Anaerobos apstākļos glikoze ir vienīgais enerģijas avots skeleta muskuļu darbam. Pēc tam pienskābe, kas veidojas no glikozes, nonāk asinīs, aknās, kur tā tiek pārvērsta glikozē, kas pēc tam atgriežas muskuļos (Cori cikls).

To sauc par ogļhidrātu nesaturošu vielu pārvēršanas procesu glikozē glikoneoģenēze.

Glikoneoģenēzes bioloģiskā nozīme ir šāda:

Glikozes koncentrācijas uzturēšana pietiekamā līmenī, ja organismā trūkst ogļhidrātu, piemēram, bada vai cukura diabēta laikā.

Glikozes veidošanās no pienskābes, pirovīnskābes, glicerīna, glikogēnām aminoskābēm, vairuma Krebsa cikla starpproduktu metabolītu.

Glikoneoģenēze notiek galvenokārt aknās un nieru garozā. Muskuļos šis process nenotiek nepieciešamo enzīmu trūkuma dēļ.

Kopējā glikoneoģenēzes reakcija:

2PVC + 4ATP + 2GTP + 2NADH + H + 4H2O

glikoze + 2NAD + 4ADP + 2GDP + 6H3PO4

Tādējādi glikoneoģenēzes procesā katrai glikozes molekulai tiek patērēti līdz 6 makroerģiskiem savienojumiem un 2NADH + H.

Liela daudzuma alkohola lietošana kavē glikoneoģenēzi, kas var izraisīt smadzeņu darbības samazināšanos. Glikoneoģenēzes ātrums var palielināties šādos apstākļos:

Gavējoties.

Uzlabots olbaltumvielu uzturs.

Ogļhidrātu trūkums pārtikā.

cukura diabēts.

Glikozes metabolisma glikurona ceļš.

Šis ceļš ir kvantitatīvā ziņā nenozīmīgs, bet ļoti svarīgs neitralizācijas funkcijai: vielmaiņas galaprodukti un svešķermeņi, saistoties ar glikuronskābes aktīvo formu (UDP-glikuronskābi) glikuronīdu veidā, viegli izdalās no organisma. Pati glikuronskābe ir nepieciešama glikozaminoglikānu sastāvdaļa: hialuronskābe, heparīns uc Cilvēkiem šī glikozes sadalīšanās ceļa rezultātā veidojas UDP-glikuronskābe.