Hvordan svinghjuls (kinetiske) energilagringsenheder er arrangeret og fungerer

FES er en forkortelse for svinghjulsenergilagring, hvilket betyder energilagring ved hjælp af et svinghjul. Det betyder, at mekanisk energi akkumuleres og lagres i kinetisk form, når et massivt hjul roterer med høj hastighed.

Den således akkumulerede mekaniske energi kan senere omdannes til elektricitet, hvortil svinghjulssystemet er kombineret med en reversibel elektrisk maskine, der er i stand til at fungere i både motor- og generatortilstand.

Når energi skal lagres, fungerer den elektriske maskine som en motor og roterer svinghjulet til den påkrævede vinkelhastighed, mens den forbruger elektrisk energi fra en ekstern kilde, i realiteten - konverterer elektrisk energi - til mekanisk (kinetisk) energi. Når den lagrede energi skal overføres til lasten, går den elektriske maskine i generatortilstand, og mekanisk energi frigives, når svinghjulet decelererer.

De mest avancerede energilagringssystemer baseret på svinghjul har en ret høj effekttæthed og kan konkurrere med traditionelle energilagringssystemer.

Kinetiske batteriinstallationer baseret på supersvinghjul, hvor det roterende legeme er lavet af højstyrke grafenbånd, anses for særligt lovende i denne henseende. Sådanne lagringsenheder kan lagre op til 1200 W * h (4,4 MJ!) energi pr. 1 KILOGRAM masse.

Den seneste udvikling inden for supersvinghjul har allerede givet udviklere mulighed for at opgive ideen om at bruge monolitiske drev til fordel for mindre farlige bæltesystemer.

Faktum er, at monolitiske systemer var farlige i tilfælde af nødbrud og kunne akkumulere mindre energi. Ved brud spreder båndet sig ikke i store fragmenter, men går kun delvist i stykker; i dette tilfælde stopper de separate dele af bæltet svinghjulet ved at gnide mod husets indre overflade og forhindrer dets yderligere ødelæggelse.

Den høje specifikke energiintensitet af supersvinghjul fremstillet af viklingstape eller interferensinterferensfiber opnås på grund af en række medvirkende faktorer.

For det første opererer svinghjulet i et vakuum, hvilket i høj grad reducerer friktionen sammenlignet med luft. Til dette skal vakuumet i huset konstant opretholdes af et vakuumoprettelse og vedligeholdelsessystem.

For det andet skal systemet være i stand til automatisk at balancere det roterende legeme. Der tages særlige tekniske foranstaltninger for at reducere vibrationer og gyroskopiske vibrationer. Kort sagt er svinghjulssystemer meget krævende fra et designsynspunkt, derfor er deres udvikling en kompleks ingeniørproces.

De ser ud til at være mere velegnede som lejer magnetiske (inklusive superledende) suspensioner... Ingeniører måtte dog opgive lavtemperatur-superledere i suspensioner, da de kræver meget energi. Hybride rullelejer med keramiske kroppe er meget bedre til medium rotationshastigheder. Hvad angår højhastighedssvinghjul, har det vist sig at være økonomisk acceptabelt og meget økonomisk at anvende højtemperatursuperledere i suspensioner.

En af de vigtigste fordele ved FES-lagringssystemer efter deres høje specifikke energiintensitet er deres relativt lange levetid, som kan nå op på 25 år. Effektiviteten af ​​svinghjulssystemer baseret på grafenstrimler når i øvrigt op på 95%. Derudover er det værd at bemærke opladningshastigheden. Dette afhænger naturligvis af parametrene for den elektriske installation.

For eksempel en energirecuperator på et undergrundssvinghjul, der fungerer under togacceleration og deceleration, oplades og aflades på 15 sekunder. Det antages, at for at opnå høj effektivitet fra svinghjulsopbevaringssystemet bør den nominelle ladning og afladningstid ikke overstige en time.

Anvendeligheden af ​​FES-systemer er ret bred. De kan med succes bruges på forskellige løfteanordninger, hvilket giver energibesparelser på op til 90% under lastning og losning. Disse systemer kan effektivt bruges til hurtig opladning af elektriske transportbatterier, til stabilisering af frekvens og strøm i elektriske net, i uafbrydelige strømkilder, i hybridbiler mv.

Med alt dette har svinghjulsopbevaringssystemer bemærkelsesværdige funktioner.Så hvis der anvendes et materiale med høj densitet, falder lagerenhedens specifikke strømforbrug på grund af et fald i den nominelle rotationshastighed.

Hvis der anvendes et lavdensitetsmateriale, så stiger strømforbruget på grund af stigningen i hastigheden, men dette øger kravene til vakuum såvel som til understøtninger og tætninger, og den elektriske konverter bliver mere kompleks.

De bedste materialer til supersvinghjul er højstyrke stålremme og fibrøse materialer som Kevlar og kulfiber. Det mest lovende materiale, som nævnt ovenfor, forbliver grafenbåndet, ikke kun på grund af de acceptable parametre for styrke og tæthed, men hovedsageligt på grund af dets sikkerhed ved brud.

Potentialet for brud er en stor hindring for højhastighedssvinghjulssystemer. Kompositmaterialer, der er rullet og limet i lag, desintegreres hurtigt, først delamineres til filamenter med lille diameter, der øjeblikkeligt vikler sig ind og bremser hinanden, og derefter til et glødende pulver. Kontrolleret brud (i tilfælde af en ulykke) uden skader på skroget er en af ​​ingeniørernes hovedopgaver.

Frigivelsen af ​​brudenergi kan afbødes af en indkapslet væske eller gel-lignende indvendig beklædning, der vil absorbere energien, hvis svinghjulet går i stykker.

En måde at beskytte mod en eksplosion er at sætte svinghjulet under jorden for at stoppe alt affald, der ville flyve med skudhastighed i tilfælde af en ulykke. Der er dog tilfælde, hvor fragmenternes flugt sker opad fra jorden med ødelæggelse af ikke kun skroget, men også de tilstødende bygninger.

Lad os endelig se på processens fysik.Den kinetiske energi af et roterende legeme bestemmes af formlen:

hvor I er inertimomentet for et roterende legeme

vinkelhastigheden kan repræsenteres som følger:

For eksempel, for en kontinuerlig cylinder, er inertimomentet:

og så er den kinetiske energi for en fast cylinder gennem frekvensen f lig med:

hvor f er frekvensen (i omdrejninger pr. sekund), r er radius i meter, m er massen i kilogram.

Lad os tage et groft eksempel for at forstå. En 3 kW kedel koger vand på 200 sekunder. Med hvilken hastighed skal et kontinuerligt cylindrisk svinghjul med en masse på 10 kg og en radius på 0,5 m rotere, så der under processen med at stoppe det er energi nok til at koge vandet? Lad effektiviteten af ​​vores generator-omformer (i stand til at fungere ved enhver hastighed) være 60%.

Svar. Den samlede mængde energi, der kræves for at koge kedlen, er 200 * 3000 = 600.000 J. Under hensyntagen til effektiviteten, 600.000 / 0,6 = 1.000.000 J. Ved at anvende ovenstående formel får vi en værdi på 201,3 omdrejninger pr. sekund.

Se også:Enheder til lagring af kinetisk energi til elindustrien

En anden moderne måde at lagre energi på: Superledende magnetiske energilagringssystemer (SMES)