Jak rozmieszczone i działają urządzenia do magazynowania energii w postaci koła zamachowego (kinetycznego).
FES jest skrótem od magazynu energii koła zamachowego, co oznacza magazynowanie energii za pomocą koła zamachowego. Oznacza to, że energia mechaniczna jest gromadzona i magazynowana w postaci kinetycznej, gdy masywne koło obraca się z dużą prędkością.
Zgromadzoną w ten sposób energię mechaniczną można później przekształcić w energię elektryczną, dla której układ koła zamachowego jest połączony z odwracalną maszyną elektryczną, zdolną do pracy zarówno w trybie silnika, jak i generatora.
Kiedy energia musi być zmagazynowana, maszyna elektryczna służy jako silnik i obraca koło zamachowe do wymaganej prędkości kątowej, pobierając energię elektryczną z zewnętrznego źródła, w efekcie zamieniając energię elektryczną na energię mechaniczną (kinetyczną). Kiedy zmagazynowana energia musi zostać przeniesiona do obciążenia, maszyna elektryczna przechodzi w tryb generatora, a energia mechaniczna jest uwalniana, gdy koło zamachowe zwalnia.
Najbardziej zaawansowane systemy magazynowania energii oparte na kołach zamachowych mają dość dużą gęstość mocy i mogą konkurować z tradycyjnymi systemami magazynowania energii.
Szczególnie obiecujące pod tym względem są instalacje baterii kinetycznych oparte na super kołach zamachowych, w których obracający się korpus wykonany jest z wysokowytrzymałej wstęgi grafenowej. Takie magazyny mogą zmagazynować do 1200 W*h (4,4 MJ!) energii na 1 KILOGRAM masy.
Ostatnie osiągnięcia w dziedzinie super kół zamachowych pozwoliły już programistom porzucić pomysł stosowania napędów monolitycznych na rzecz mniej niebezpiecznych układów pasowych.
Faktem jest, że systemy monolityczne były niebezpieczne w przypadku awaryjnego pęknięcia i mogły gromadzić mniej energii. Podczas zrywania taśma nie rozprasza się na duże fragmenty, ale tylko częściowo pęka; w tym przypadku poszczególne części paska zatrzymują koło zamachowe ocierając się o wewnętrzną powierzchnię obudowy i zapobiegają jej dalszemu niszczeniu.
Wysoka energochłonność właściwa superkoła zamachowego wykonanego z taśmy nawojowej lub włókna interferencyjno-interferencyjnego jest osiągana dzięki wielu czynnikom.
Po pierwsze, koło zamachowe działa w próżni, co znacznie zmniejsza tarcie w porównaniu z powietrzem. W tym celu próżnia w obudowie musi być stale utrzymywana przez system wytwarzania i utrzymywania próżni.
Po drugie, system musi być w stanie automatycznie zrównoważyć obracający się korpus. Podejmowane są specjalne środki techniczne w celu zmniejszenia wibracji i drgań żyroskopowych. Krótko mówiąc, układy z kołem zamachowym są bardzo wymagające z punktu widzenia projektowania, dlatego ich opracowanie jest złożonym procesem inżynieryjnym.
Wydają się bardziej odpowiednie jako łożyska zawiesiny magnetyczne (w tym nadprzewodzące).… Jednak inżynierowie musieli zrezygnować z nadprzewodników niskotemperaturowych w zawiesinach, ponieważ wymagają one dużo energii. Hybrydowe łożyska toczne z korpusami ceramicznymi znacznie lepiej sprawdzają się przy średnich prędkościach obrotowych. Jeśli chodzi o koła zamachowe o dużej prędkości, stwierdzono, że jest ekonomicznie akceptowalne i bardzo ekonomiczne stosowanie nadprzewodników wysokotemperaturowych w zawiesinach.
Jedną z głównych zalet systemów magazynowania FES, po ich wysokiej energochłonności właściwej, jest stosunkowo długi okres eksploatacji, który może sięgać 25 lat.Nawiasem mówiąc, sprawność układów koła zamachowego opartych na paskach grafenowych sięga 95%. Dodatkowo warto zwrócić uwagę na szybkość ładowania. Zależy to oczywiście od parametrów instalacji elektrycznej.
Na przykład rekuperator energii na kole zamachowym metra, który działa podczas przyspieszania i zwalniania pociągu, ładuje się i rozładowuje w ciągu 15 sekund. Uważa się, że w celu osiągnięcia wysokiej wydajności z układu magazynowania koła zamachowego nominalny czas ładowania i rozładowania nie powinien przekraczać jednej godziny.
Możliwości zastosowania systemów FES są dość szerokie. Z powodzeniem można je stosować na różnego rodzaju urządzeniach dźwigowych, zapewniając oszczędność energii nawet do 90% podczas załadunku i rozładunku. Systemy te mogą być skutecznie wykorzystywane do szybkiego ładowania akumulatorów transportu elektrycznego, stabilizacji częstotliwości i mocy w sieciach elektroenergetycznych, w źródłach bezprzerwowych, w pojazdach hybrydowych itp.
Dzięki temu systemy przechowywania z kołem zamachowym mają niezwykłe cechy.Tak więc, jeśli używany jest materiał o dużej gęstości, to jednostkowe zużycie energii przez urządzenie pamięci maleje z powodu zmniejszenia nominalnej prędkości obrotowej.
Jeśli używany jest materiał o małej gęstości, wówczas zużycie energii wzrasta ze względu na wzrost prędkości, ale zwiększa to wymagania dotyczące próżni, a także podpór i uszczelnień, a konwerter elektryczny staje się bardziej złożony.
Najlepszymi materiałami na super koła zamachowe są stalowe pasy o wysokiej wytrzymałości i materiały włókniste, takie jak kevlar i włókno węglowe. Najbardziej obiecującym materiałem, jak zauważono powyżej, pozostaje taśma grafenowa nie tylko ze względu na akceptowalne parametry wytrzymałości i gęstości, ale przede wszystkim ze względu na bezpieczeństwo jej zerwania.
Możliwość pęknięcia jest główną przeszkodą dla szybkich układów koła zamachowego. Materiały kompozytowe, które są walcowane i sklejane warstwami, szybko się rozpadają, najpierw rozwarstwiając się na włókna o małej średnicy, które natychmiast się splatają i spowalniają, a następnie zamieniają w świecący proszek. Kontrolowane pęknięcie (w razie wypadku) bez uszkodzenia kadłuba to jedno z głównych zadań inżynierów.
Uwalnianie energii pęknięcia można złagodzić za pomocą kapsułkowanego płynu lub żelopodobnej wewnętrznej wyściółki obudowy, która pochłonie energię w przypadku pęknięcia koła zamachowego.
Jednym ze sposobów ochrony przed wybuchem jest umieszczenie koła zamachowego pod ziemią, aby zatrzymać wszelkie szczątki, które w razie wypadku poleciałyby z prędkością pocisku. Zdarzają się jednak przypadki, gdy lot odłamków następuje w górę z ziemi, ze zniszczeniem nie tylko kadłuba, ale także sąsiednich budynków.
Na koniec spójrzmy na fizykę tego procesu.Energię kinetyczną obracającego się ciała określa wzór:
gdzie I jest momentem bezwładności obracającego się ciała
prędkość kątową można przedstawić w następujący sposób:
Na przykład dla ciągłego cylindra moment bezwładności wynosi:
a następnie energia kinetyczna litego walca przechodzącego przez częstotliwość f jest równa:
gdzie f to częstotliwość (w obrotach na sekundę), r to promień w metrach, m to masa w kilogramach.
Weźmy przybliżony przykład, aby zrozumieć. Kocioł o mocy 3 kW zagotowuje wodę w ciągu 200 sekund. Z jaką prędkością musi obracać się ciągłe cylindryczne koło zamachowe o masie 10 kg i promieniu 0,5 m, aby podczas procesu jego zatrzymywania było wystarczająco dużo energii do zagotowania wody? Niech sprawność naszego generatora-przetwornicy (zdolnego do pracy z dowolną prędkością) wyniesie 60%.
Odpowiedź. Całkowita ilość energii potrzebna do zagotowania czajnika wynosi 200 * 3000 = 600 000 J. Biorąc pod uwagę sprawność 600 000 / 0,6 = 1 000 000 J. Stosując powyższy wzór, otrzymujemy wartość 201,3 obrotów na sekundę.
Zobacz też:Magazyny energii kinetycznej dla energetyki
Inny nowoczesny sposób magazynowania energii: Nadprzewodzące magnetyczne systemy magazynowania energii (SMES)