Apparater för lagring av kinetisk energi för kraftindustrin

Ämnet om att förbättra energieffektiviteten kommer förmodligen aldrig att förlora sin relevans. På grund av detta faktum utvecklar många institutioner idag mer effektiva energilagringsenheter. Och en av de lovande lösningarna inom detta område är användningen av kinetisk (i rörelse) energilagring baserad på högenergisvänghjul.

Deras användningsområden kan variera från små oberoende avbrottsfri strömförsörjning för privata hushåll till stora industriella installationer som ackumulerar energi under svänghjulets rotation och vid rätt tidpunkt släpper den vid den erforderliga effektnivån, vilket skyddar nätverket från spänningsöverspänningar.

Fördelen med sådana enheter är att det massiva svänghjulet omedelbart kan omvandla den ackumulerade kinetiska energin till elektrisk energi och därigenom förse konsumentutrustningen med den nödvändiga kraften.

Sådana enheter kännetecknas av minimala driftskostnader, en hög grad av automatisering och inget behov av regelbundet underhåll.

Efter laddning till full kapacitet på några minuter kommer svänghjulet att frigöra den lagrade energin om det behövs under några sekunder, medan nätverkets normala driftsparametrar kanske inte tål höga toppströmmar.

Hur det fungerar

Svänghjulet tar emot rotation från en elektrisk maskin genom en axel eller genom en annan transmissionsmekanism och ger vid behov den ackumulerade energin genom axeln i generatorläge, och maskinen som roterar själva svänghjulet kan i det ögonblicket fungera som en generator.

Ett automatiserat styrsystem med sensorer för att styra parametrar kommer att göra processen att få hastighet säker och i en kritisk situation kommer att reagera både på uppnåendet av en farlig rotationshastighet för svänghjulet och på behovet av att omedelbart byta till läget för att återställa ackumulerad kinetisk energi.

Funktioner och möjligheter

På detta sätt tillåter kinetiska lagringsenheter att lösa problemen med ackumulering, tillfällig lagring och efterföljande omvandling av energi för att säkerställa optimala utrustningseffektlägen, även med extremt icke-standardiserade parametrar. Som ett resultat täcks det bredaste utbudet av möjliga tillämpningar av denna tekniska lösning.

En elektromekanisk omvandlare av denna typ har ett antal fördelar. Den specifika energiintensiteten för kinetiska lagringsenheter är högre än för kondensatorer, och när det gäller specifik effekt (ström) som levereras till lasten ligger de före både sura batterier och bränsleceller.

Samtidigt är kinetiska lagringsenheter kompakta, miljövänliga, har en effektivitet på cirka 90%, har en lång livslängd på mer än 10 år, är lätta att underhålla och arbetsresursen är praktiskt taget obegränsad, dessutom kylsystemet är hundra gånger billigare än det för supraledande induktionslagringsenheter (SPIN). …

Medicinska centra, kärntekniska anläggningar, datalagringscenter, banklager, kemisk industri – överallt där energibackup krävs för att driva kritiska användare, kommer kinetiska lagringsenheter att vara till nytta. Vad kan vi säga om utjämning av topplaster för stora kraftsystem, varför det blir strömavbrott till hela tätorter.

Vad används nu

Under tio år har utvecklingen av kinetiska lagringsenheter inte slutat i flera regioner i världen, särskilt i USA och Tyskland, och de senaste åren i Ryssland.

Tysklands ATZ producerar 20 MJ-frekvensomriktare som kan leverera effekt upp till 250 kW, utrustade med ett nätsynkroniseringssystem. Dessutom överstiger inte enhetens dimensioner 1,5 meter.

Drivsvänghjulet är tillverkat av höghållfast kolfiber och är monterat på en HTSC keramisk upphängning. Den elektriska maskinen som accelererar svänghjulet på ATZ och genererar elektricitet är komplett baserad på permanenta magneter för sällsynta jordartsmetaller.

American Beacon Power producerar cylindriska lagringsenheter för 6 kWh och 25 kWh som kan användas i kluster för att säkerställa stabiliteten av strömparametrar i landets industriella elnät.

KNE designstadier

När man designar en kinetisk lagringsenhet löser utvecklarna följande tekniska problem: beräkna motorgeneratorn, välj lagren, beräkna svänghjulet samt kyl-, övervaknings- och kontrollsystemen och fortsätt sedan till produktionen.

Baserat på syftet med en specifik drivmodell kan de elektriska maskinerna som är integrerade i dem vara olika i princip. Det finns dock en obestridlig fördel synkrona elektriska maskiner… I synkrona maskiner finns inga borstar, och rotorns permanentmagneter gör det möjligt att erhålla en hög specifik effekt hos motorgeneratorn.

Lager och upphängningar är bäst lämpade för beröringsfria lager, till exempel de som är baserade på högtemperatursupraledare (HTSC).

Även om sådana system kräver speciell kylning, är de ändå perfekt stabiliserade utan strömförsörjning: en induktor av en uppsättning permanentmagneter interagerar med en HTSP-matris i ett supraledande tillstånd. Det finns inga friktionsförluster, även i luft, vibrationer är minimala även vid höga hastigheter, och strukturen centreras automatiskt under drift.

Ett exempel på en enhet utvecklad vid ryska MAI

Det magnetiska fältet hos permanentmagneter interagerar med de aktiverade HTSP-blocken, och efter installation av stödet lutar svänghjulet helt enkelt över kryostaten (svävar över den på ett avstånd av mindre än 1 cm), medan det inte rör sig i radiell riktning.

Den elektromagnetiska växelverkan mellan statorn och rotorpolerna skapar ett resulterande vridmoment som accelererar svänghjulet och därmed aktiverar drivningen.Och eftersom det inte finns några förluster i stöden som ackumuleras i kinetisk form, lagras energin under lång tid och, om nödvändigt, förbrukas genom omvandling till generatorläge.

I processen att ackumulera hela nominella 500 kJ energi accelereras svänghjulet på 300 sekunder till 6000 varv per minut. Den kan enkelt leverera en effekt på 10 kW i 25 sekunder kontinuerligt, eftersom märkeffekten som tas från anläggningen är 250 kJ respektive, kan en belastning på 1 kW garanteras levereras i 4 minuter.

Ingångsspänningsfrekvensen vid laddning är 50 Hz vid en standardnätspänning på 220-240 volt. Svänghjulet väger 100 kg och tröghetsmomentet är cirka 3,6 kg * m2.

När det gäller generatorläget är strömfrekvensen vid val 200 Hz på tre faser vid spänningar från 160 till 240 volt. Den maximala märkeffekten för val är 11 kW.

Utsikter för Ryssland och OSS

På senare tid har det ryska företaget Kinetic Power skapat sin egen version av stationära lagringsenheter för kinetisk energi baserade på supersvänghjul. En sådan lagringsenhet kan lagra upp till 100 kWh energi och ge en korttidseffekt på upp till 300 kW.

Under förhållandena på den ryska marknaden kan en grupp av flera sådana lagringsenheter utjämna den dagliga heterogeniteten hos den elektriska belastningen i en hel region och ersätta dyra och skrymmande pumpkraftverk.

Dessutom, som noterades i början, kan kinetiska lagringsenheter användas för att ge oavbruten ström till utrustning med högsta ansvarsnivå.De unika egenskaperna hos dessa utvecklingar säkerställer ett svar från enheten på nivån av hundradelar av en sekund, vilket tillåter användare att inte avbryta strömförsörjningen för en sekund.