Как са подредени и работят устройствата за съхранение на маховик (кинетична) енергия

FES е съкращение за съхранение на енергия на маховик, което означава съхранение на енергия с помощта на маховик. Това означава, че механичната енергия се натрупва и съхранява в кинетична форма, тъй като масивно колело се върти с висока скорост.

Механичната енергия, натрупана по този начин, по -късно може да се преобразува в електричество, за това системата на маховика се комбинира с реверсивна електрическа машина, способна да работи както в двигателен, така и в генераторен режим.

Когато трябва да се съхранява енергия, електрическата машина служи като двигател и завърта маховика до необходимата ъглова скорост, като същевременно консумира електрическа енергия от външен източник, всъщност — превръщайки електрическата енергия — в механична (кинетична) енергия. Когато натрупаната енергия трябва да бъде прехвърлена към товара, електрическата машина преминава в режим генератор и се освобождава механична енергия, докато маховикът се забавя.

Най -модерните системи за съхранение на енергия, базирани на маховици, имат доста висока плътност на мощността и могат да се конкурират с традиционните системи за съхранение на енергия.

Кинетичните инсталации на батерии, базирани на супер маховици, където въртящото се тяло е направено от високоякостна графенова лента, се считат за особено обещаващи в това отношение. Такива устройства за съхранение могат да съхраняват до 1200 W * h (4.4 MJ!) Енергия на 1 КИЛОГРАММА маса.

Последните разработки в областта на супер маховиците вече позволиха на разработчиците да се откажат от идеята за използване на монолитни задвижвания в полза на по -малко опасни лентови системи.

Факт е, че монолитните системи са били опасни в случай на аварийно разкъсване и могат да акумулират по -малко енергия. При разрушаване лентата не се разпръсква на големи фрагменти, а се разрушава само частично; в този случай отделните части на колана спират маховика чрез триене върху вътрешната повърхност на корпуса и предотвратяват по -нататъшното му разрушаване.

Високият специфичен енергиен интензитет на супер маховиците, направени от навиваща лента или влакно с намеса на смущения, се постига поради редица спомагателни фактори.

Първо, маховикът работи във вакуум, което значително намалява триенето в сравнение с въздуха. За това вакуумът в корпуса трябва постоянно да се поддържа от система за създаване и поддържане на вакуум.

Второ, системата трябва да може автоматично да балансира въртящото се тяло. Предприемат се специални технически мерки за намаляване на вибрациите и жироскопичните вибрации. С една дума, системите на маховика са много взискателни от гледна точка на проектирането, следователно тяхното развитие е сложен инженерен процес.

Изглежда, че като лагери са по -подходящи магнитни (включително свръхпроводящи) окачвания… Инженерите обаче трябваше да изоставят нискотемпературните свръхпроводници в окачванията, тъй като те изискват много енергия. Хибридните търкалящи лагери с керамични тела са много по -добри за средни скорости на въртене. Що се отнася до високоскоростните маховици, оказа се икономически приемливо и много икономично използването на високотемпературни свръхпроводници в окачванията.

Едно от основните предимства на системите за съхранение на FES, след високия им специфичен енергиен интензитет, е относително дългият им експлоатационен живот, който може да достигне 25 години.Между другото, ефективността на системите на маховиците на базата на графенови ленти достига 95%. Освен това си струва да се отбележи скоростта на зареждане. Това, разбира се, зависи от параметрите на електрическата инсталация.

Например, рекуператор на енергия на маховик в метрото, който работи по време на ускорението и забавянето на влака, се зарежда и разрежда за 15 секунди. Смята се, че за да се постигне висока ефективност от системата за съхранение на маховик, номиналното време за зареждане и разреждане не трябва да надвишава един час.

Приложимостта на FES системите е доста широка. Те могат успешно да се използват на различни повдигащи устройства, като осигуряват икономия на енергия до 90% при товарене и разтоварване. Тези системи могат ефективно да се използват за бързо зареждане на електрически транспортни батерии, за стабилизиране на честотата и мощността в електрическите мрежи, в източници на непрекъснато захранване, в хибридни превозни средства и др.

С всичко това системите за съхранение на маховика имат забележителни характеристики. Така че, ако се използва материал с висока плътност, тогава специфичната консумация на енергия на устройството за съхранение намалява поради намаляване на номиналната скорост на въртене.

Ако се използва материал с ниска плътност, тогава консумацията на енергия се увеличава поради увеличаването на скоростта, но това увеличава изискванията за вакуум, както и за опори и уплътнения, освен това електрическият преобразувател става по -сложен.

Най-добрите материали за супер маховици са стоманени колани с висока якост и влакнести материали като кевлар и въглеродни влакна. Най -обещаващият материал, както бе отбелязано по -горе, остава графеновата лента не само поради приемливите параметри на якост и плътност, но главно поради нейната безопасност при скъсване.

Потенциалът за скъсване е основна пречка за високоскоростните системи на маховика. Композитните материали, които се навиват и залепват на слоеве, бързо се разпадат, като първо се разслояват на нишки с малък диаметър, които моментално се преплитат и забавят взаимно, а след това в нажежен прах. Контролираното разкъсване (в случай на злополука) без увреждане на корпуса е една от основните задачи на инженерите.

Освобождаването на енергия от разкъсване може да бъде смекчено от капсулирана течност или подобна на гел вътрешна облицовка на корпуса, която ще абсорбира енергията, ако маховикът се счупи.

Един от начините за защита срещу взрив е да поставите маховика под земята, за да спрете всякакви отломки, които биха полетели със скоростта на куршума в случай на инцидент. Въпреки това има случаи, когато полетът на фрагменти се получава нагоре от земята, с разрушаване не само на корпуса, но и на прилежащите сгради.

И накрая, нека разгледаме физиката на процеса. Кинетичната енергия на въртящо се тяло се определя по формулата:

където I е моментът на инерция на въртящо се тяло

ъгловата скорост може да бъде представена по следния начин:

Например за непрекъснат цилиндър моментът на инерция е:

и тогава кинетичната енергия за твърд цилиндър през честота f е равна на:

където f е честотата (в обороти в секунда), r е радиусът в метри, m е масата в килограми.

Нека вземем груб пример за разбиране. Котел с мощност 3 kW кипи вода за 200 секунди. С каква скорост трябва да се върти непрекъснат цилиндричен маховик с тегло 10 кг и радиус 0,5 метра, така че по време на процеса на спирането му да има достатъчно енергия, за да заври водата? Нека ефективността на нашия генератор-конвертор (способен да работи при всякаква скорост) да бъде 60%.

Решение. Общото количество енергия, необходимо за кипене на чайника, е 200 * 3000 = 600 000 J. Като се вземе предвид ефективността, 600 000 / 0,6 = 1 000 000 J. Прилагайки горната формула, получаваме стойност от 201,3 оборота в секунда.

Вижте също:Устройства за съхранение на кинетична енергия за електроенергийната промишленост

Друг модерен начин за съхранение на енергия: Свръхпроводящи системи за съхранение на магнитна енергия (SMES)