Hvordan svinghjuls (kinetiske) energilagringsenheter er ordnet og fungerer

FES er forkortelse for svinghjulsenergilagring, som betyr energilagring ved hjelp av et svinghjul. Dette betyr at mekanisk energi akkumuleres og lagres i kinetisk form når et massivt hjul roterer med høy hastighet.

Den mekaniske energien som dermed akkumuleres kan senere omdannes til elektrisitet, hvor svinghjulssystemet er kombinert med en reversibel elektrisk maskin som er i stand til å operere i både motor- og generatormodus.

Når energi må lagres, fungerer den elektriske maskinen som en motor og roterer svinghjulet til den nødvendige vinkelhastigheten mens den forbruker elektrisk energi fra en ekstern kilde, og konverterer faktisk elektrisk energi til mekanisk (kinetisk) energi. Når den lagrede energien må overføres til lasten, går den elektriske maskinen i generatormodus og mekanisk energi frigjøres når svinghjulet bremser.

De mest avanserte energilagringssystemene basert på svinghjul har en ganske høy effekttetthet og kan konkurrere med tradisjonelle energilagringssystemer.

Kinetiske batteriinstallasjoner basert på supersvinghjul, hvor den roterende kroppen er laget av grafenbånd med høy styrke, anses som spesielt lovende i denne forbindelse. Slike lagringsenheter kan lagre opptil 1200 W * h (4,4 MJ!) energi per 1 KILOGRAM masse.

Nylig utvikling innen supersvinghjul har allerede gjort det mulig for utviklere å forlate ideen om å bruke monolitiske stasjoner til fordel for mindre farlige beltesystemer.

Faktum er at monolittiske systemer var farlige i tilfelle av nødbrudd og kunne akkumulere mindre energi. Når båndet brytes, spres ikke båndet i store fragmenter, men brytes bare delvis; i dette tilfellet stopper de separate delene av beltet svinghjulet ved å gni mot den indre overflaten av huset og forhindrer dets ytterligere ødeleggelse.

Den høye spesifikke energiintensiteten til supersvinghjul laget av viklingstape eller interferensinterferensfiber oppnås på grunn av en rekke medvirkende faktorer.

For det første opererer svinghjulet i et vakuum, noe som i stor grad reduserer friksjonen sammenlignet med luft. For dette må vakuumet i huset konstant opprettholdes av et vakuumopprettings- og vedlikeholdssystem.

For det andre må systemet være i stand til automatisk å balansere den roterende kroppen. Spesielle tekniske tiltak er iverksatt for å redusere vibrasjoner og gyroskopiske vibrasjoner. Kort sagt, svinghjulssystemer er svært krevende fra et designsynspunkt, derfor er utviklingen deres en kompleks ingeniørprosess.

De ser ut til å være mer egnet som lager magnetiske (inkludert superledende) suspensjoner... Imidlertid måtte ingeniører forlate lavtemperatur-superledere i suspensjoner, da de krever mye energi. Hybride rullelager med keramiske kropper er mye bedre for middels rotasjonshastigheter. Når det gjelder høyhastighets svinghjul, har det vist seg å være økonomisk akseptabelt og svært økonomisk å bruke høytemperatursuperledere i suspensjoner.

En av hovedfordelene med FES-lagringssystemer, etter deres høye spesifikke energiintensitet, er deres relativt lange levetid, som kan nå 25 år. Forresten, effektiviteten til svinghjulssystemer basert på grafenstrimler når 95%. I tillegg er det verdt å merke seg ladehastigheten. Dette avhenger selvfølgelig av parametrene til den elektriske installasjonen.

For eksempel, en energirecuperator på et T-banesvinghjul som opererer under togakselerasjon og retardasjon, lades og lades ut på 15 sekunder. Det antas at for å oppnå høy effektivitet fra svinghjulslagringssystemet, bør den nominelle lade- og utladningstiden ikke overstige en time.

Anvendeligheten av FES-systemer er ganske bred. De kan med hell brukes på ulike løfteinnretninger, og gir energibesparelser på opptil 90 % under lasting og lossing. Disse systemene kan effektivt brukes til hurtiglading av elektriske transportbatterier, for stabilisering av frekvens og strøm i elektriske nett, i avbruddsfrie strømkilder, i hybridbiler, etc.

Med alt dette har svinghjulslagringssystemer bemerkelsesverdige funksjoner.Så hvis et materiale med høy tetthet brukes, reduseres det spesifikke strømforbruket til lagringsenheten på grunn av en reduksjon i den nominelle rotasjonshastigheten.

Hvis et materiale med lav tetthet brukes, øker strømforbruket på grunn av hastighetsøkningen, men dette øker kravene til vakuum, så vel som til støtter og tetninger, og den elektriske omformeren blir mer kompleks.

De beste materialene for supersvinghjul er høyfaste stålbelter og fibermaterialer som Kevlar og karbonfiber. Det mest lovende materialet, som nevnt ovenfor, forblir grafenbåndet, ikke bare på grunn av de akseptable parameterne for styrke og tetthet, men hovedsakelig på grunn av dets sikkerhet ved brudd.

Potensialet for brudd er en stor hindring for høyhastighets svinghjulssystemer. Komposittmaterialer som er rullet og limt i lag går raskt i oppløsning, først delamineres til filamenter med liten diameter som øyeblikkelig vikler seg inn og bremser hverandre, og deretter til et glødende pulver. Kontrollert brudd (ved en ulykke) uten skade på skroget er en av hovedoppgavene til ingeniører.

Frigjøringen av bruddenergi kan dempes av en innkapslet væske eller gel-lignende innerforing som vil absorbere energien hvis svinghjulet går i stykker.

En måte å beskytte seg mot en eksplosjon er å sette svinghjulet under jorden for å stoppe rusk som flyr i kulehastighet i tilfelle en ulykke. Imidlertid er det tilfeller når fragmentenes flukt skjer oppover fra bakken, med ødeleggelse av ikke bare skroget, men også de tilstøtende bygningene.

Til slutt, la oss se på fysikken i prosessen.Den kinetiske energien til et roterende legeme bestemmes av formelen:

hvor I er treghetsmomentet til en roterende kropp

vinkelhastigheten kan representeres som følger:

For eksempel, for en kontinuerlig sylinder, er treghetsmomentet:

og da er den kinetiske energien for en solid sylinder gjennom frekvens f lik:

hvor f er frekvensen (i omdreininger per sekund), r er radius i meter, m er massen i kilo.

La oss ta et grovt eksempel for å forstå. En 3 kW kjele koker vann på 200 sekunder. Med hvilken hastighet må et kontinuerlig sylindrisk svinghjul med masse 10 kg og radius 0,5 m rotere slik at det under prosessen med å stoppe det er nok energi til å koke vannet? La effektiviteten til vår generator-omformer (i stand til å operere i alle hastigheter) være 60 %.

Svar. Den totale mengden energi som kreves for å koke kjelen er 200 * 3000 = 600 000 J. Tar effektiviteten i betraktning, 600 000 / 0,6 = 1 000 000 J. Ved å bruke formelen ovenfor får vi en verdi på 201,3 omdreininger per sekund .

Se også:Kinetisk energilagringsenheter for kraftindustrien

En annen moderne måte å lagre energi på: Superledende magnetiske energilagringssystemer (SMES)