Hur svänghjuls (kinetiska) energilagringsenheter är ordnade och fungerar

FES är en förkortning för svänghjulsenergilagring, vilket betyder energilagring med hjälp av ett svänghjul. Detta innebär att mekanisk energi ackumuleras och lagras i kinetisk form när ett massivt hjul roterar med hög hastighet.

Den mekaniska energin som sålunda ackumulerats kan senare omvandlas till elektricitet, för vilken svänghjulssystemet kombineras med en reversibel elektrisk maskin som kan arbeta i både motor- och generatorläge.

När energi behöver lagras fungerar den elektriska maskinen som en motor och roterar svänghjulet till den erforderliga vinkelhastigheten samtidigt som den förbrukar elektrisk energi från en extern källa, i själva verket - omvandlar elektrisk energi - till mekanisk (kinetisk) energi. När den lagrade energin behöver överföras till lasten går den elektriska maskinen i generatorläge och mekanisk energi frigörs när svänghjulet bromsar in.

De mest avancerade energilagringssystemen baserade på svänghjul har en ganska hög effekttäthet och kan konkurrera med traditionella energilagringssystem.

Kinetiska batteriinstallationer baserade på supersvänghjul, där den roterande kroppen är gjord av höghållfast grafenband, anses särskilt lovande i detta avseende. Sådana lagringsenheter kan lagra upp till 1200 W * h (4,4 MJ!) energi per 1 KILOGRAM massa.

Den senaste utvecklingen inom området för supersvänghjul har redan gjort det möjligt för utvecklare att överge idén om att använda monolitiska enheter till förmån för mindre farliga bältessystem.

Faktum är att monolitiska system var farliga i händelse av nödbrott och kunde ackumulera mindre energi. När bandet går sönder sprids inte bandet i stora fragment, utan går bara delvis sönder; i detta fall stoppar de separata delarna av bältet svänghjulet genom att gnida mot husets inre yta och förhindrar dess ytterligare förstörelse.

Den höga specifika energiintensiteten hos supersvänghjul gjorda av lindningstejp eller interferensstörningsfiber uppnås på grund av ett antal bidragande faktorer.

För det första arbetar svänghjulet i ett vakuum, vilket kraftigt minskar friktionen jämfört med luft. För detta måste vakuumet i huset ständigt upprätthållas av ett vakuumskapande och underhållssystem.

För det andra måste systemet automatiskt kunna balansera den roterande kroppen. Särskilda tekniska åtgärder vidtas för att minska vibrationer och gyroskopiska vibrationer. Kort sagt, svänghjulssystem är mycket krävande ur designsynpunkt, därför är deras utveckling en komplex ingenjörsprocess.

De verkar vara mer lämpliga som lager magnetiska (inklusive supraledande) suspensioner… Ingenjörer var dock tvungna att överge lågtemperatursupraledare i suspensioner, eftersom de kräver mycket energi. Hybridrullager med keramiska kroppar är mycket bättre för medelstora rotationshastigheter. När det gäller höghastighetssvänghjul har det visat sig vara ekonomiskt acceptabelt och mycket ekonomiskt att använda högtemperatursupraledare i suspensioner.

En av de främsta fördelarna med FES-lagringssystem, efter deras höga specifika energiintensitet, är deras relativt långa livslängd, som kan nå 25 år. Förresten, effektiviteten hos svänghjulssystem baserade på grafenremsor når 95%. Dessutom är det värt att notera laddningshastigheten. Detta beror naturligtvis på parametrarna för den elektriska installationen.

Till exempel en energiåtervinnare på ett tunnelbanesvänghjul som fungerar under tågets acceleration och retardation laddas och laddas ur på 15 sekunder. Man tror att för att uppnå hög effektivitet från svänghjulslagringssystemet bör den nominella laddningen och urladdningstiden inte överstiga en timme.

Tillämpligheten av FES-system är ganska bred. De kan framgångsrikt användas på olika lyftanordningar, vilket ger energibesparingar på upp till 90 % under lastning och lossning. Dessa system kan effektivt användas för snabbladdning av elektriska transportbatterier, för att stabilisera frekvens och effekt i elnät, i avbrottsfria kraftkällor, i hybridfordon, etc.

Med allt detta har svänghjulslagringssystem anmärkningsvärda egenskaper.Så om ett material med hög densitet används, minskar lagringsenhetens specifika energiförbrukning på grund av en minskning av den nominella rotationshastigheten.

Om ett material med låg densitet används, ökar strömförbrukningen på grund av hastighetsökningen, men detta ökar kraven på vakuum, såväl som för stöd och tätningar, och den elektriska omvandlaren blir mer komplex.

De bästa materialen för supersvänghjul är höghållfasta stålbälten och fibermaterial som kevlar och kolfiber. Det mest lovande materialet, som nämnts ovan, förblir grafentejpen, inte bara på grund av de acceptabla parametrarna för styrka och densitet, utan främst på grund av dess säkerhet vid brott.

Potentialen för brott är ett stort hinder för höghastighetssvänghjulssystem. Kompositmaterial som rullas och limmas i lager sönderfaller snabbt, först delamineras till filament med liten diameter som omedelbart trasslar in och bromsar in varandra, och sedan till ett glödande pulver. Kontrollerad brott (vid en olycka) utan skador på skrovet är en av ingenjörernas huvuduppgifter.

Frigörandet av brottenergi kan mildras av en inkapslad vätska eller gelliknande innerhölje som kommer att absorbera energin om svänghjulet går sönder.

Ett sätt att skydda sig mot en sprängning är att sätta svänghjulet under jord för att stoppa eventuellt skräp som skulle flyga i kulhastighet i händelse av en olycka. Det finns dock fall när fragmentflygningen sker uppåt från marken, med förstörelse av inte bara skrovet utan också de intilliggande byggnaderna.

Låt oss slutligen titta på processens fysik.Den kinetiska energin hos en roterande kropp bestäms av formeln:

där I är tröghetsmomentet för en roterande kropp

vinkelhastigheten kan representeras enligt följande:

Till exempel, för en kontinuerlig cylinder, är tröghetsmomentet:

och då är den kinetiska energin för en solid cylinder genom frekvensen f lika med:

där f är frekvensen (i varv per sekund), r är radien i meter, m är massan i kilogram.

Låt oss ta ett grovt exempel för att förstå. En 3 kW panna kokar vatten på 200 sekunder. Med vilken hastighet måste ett kontinuerligt cylindriskt svänghjul med massan 10 kg och radien 0,5 m rotera så att det under processen att stoppa det finns tillräckligt med energi för att koka vattnet? Låt verkningsgraden hos vår generator-omvandlare (som kan arbeta med vilken hastighet som helst) vara 60 %.

Svar. Den totala mängden energi som krävs för att koka vattenkokaren är 200 * 3000 = 600 000 J. Med hänsyn till effektiviteten, 600 000 / 0,6 = 1 000 000 J. Genom att tillämpa formeln ovan får vi ett värde på 201,3 varv per sekund .

Se även:Apparater för lagring av kinetisk energi för kraftindustrin

Ett annat modernt sätt att lagra energi: Superledande magnetiska energilagringssystem (SMES)