Magazyny energii kinetycznej dla energetyki

Temat poprawy efektywności energetycznej prawdopodobnie nigdy nie straci na aktualności. Z tego powodu wiele instytucji opracowuje dziś bardziej wydajne urządzenia do magazynowania energii. A jednym z obiecujących rozwiązań w tej dziedzinie jest wykorzystanie kinetycznego (w ruchu) magazynu energii opartego na wysokoenergetycznych kołach zamachowych.

Ich obszary zastosowania mogą być różne, od małych niezależnych zasilaczy bezprzerwowych dla gospodarstw domowych po duże instalacje przemysłowe, które gromadzą energię podczas obracania się koła zamachowego iw odpowiednim momencie uwalniają ją na wymaganym poziomie mocy, chroniąc sieć przed skokami napięcia.

Zaletą takich jednostek jest to, że masywne koło zamachowe jest w stanie natychmiast przekształcić zgromadzoną energię kinetyczną w energię elektryczną, zapewniając w ten sposób sprzętowi konsumenckiemu niezbędną moc.

Urządzenia takie charakteryzują się minimalnymi kosztami eksploatacji, wysokim stopniem automatyzacji oraz brakiem konieczności regularnej konserwacji.

Po naładowaniu do pełnej pojemności w ciągu kilku minut, koło zamachowe w razie potrzeby uwolni zmagazynowaną energię na kilka sekund, podczas gdy normalne parametry pracy sieci mogą nie wytrzymać wysokich prądów szczytowych.

Jak to działa

Koło zamachowe otrzymuje obrót od maszyny elektrycznej przez wał lub inny mechanizm transmisyjny i, jeśli to konieczne, oddaje zgromadzoną energię przez wał w trybie generatora, a maszyna, która sama obraca koło zamachowe, może w tym momencie pracować jako generator.

Zautomatyzowany układ sterowania z czujnikami do sterowania parametrami sprawi, że proces nabierania prędkości będzie bezpieczny, a w sytuacji krytycznej zareaguje zarówno na osiągnięcie niebezpiecznej prędkości obrotowej koła zamachowego, jak i na konieczność natychmiastowego przejścia do trybu powrotu skumulowana energia kinetyczna.

Funkcje i możliwości

W ten sposób magazyny kinetyczne pozwalają rozwiązywać problemy akumulacji, czasowego magazynowania i późniejszej konwersji energii w celu zapewnienia optymalnych trybów zasilania urządzeń, nawet przy skrajnie niestandardowych parametrach. Dzięki temu uwzględniono najszerszy zakres możliwych zastosowań tego rozwiązania technicznego.

Przetwornica elektromechaniczna tego typu ma szereg zalet. Energochłonność właściwa kinetycznych urządzeń magazynujących jest wyższa niż kondensatorów, a pod względem mocy właściwej (prądu) dostarczanej do obciążenia wyprzedzają one zarówno akumulatory kwasowe, jak i ogniwa paliwowe.

Jednocześnie magazyny kinetyczne są kompaktowe, przyjazne dla środowiska, mają sprawność około 90%, długą żywotność przekraczającą 10 lat, są łatwe w utrzymaniu, a zasób roboczy jest praktycznie nieograniczony, ponadto system chłodzenia jest sto razy tańszy niż w nadprzewodzących indukcyjnych urządzeniach magazynujących (SPIN). …

Centra medyczne, obiekty nuklearne, centra przechowywania danych, magazyny banków, przemysł chemiczny — wszędzie tam, gdzie do zasilania krytycznych użytkowników wymagane jest podtrzymanie zasilania, przydatne będą kinetyczne urządzenia pamięci masowej. Co możemy powiedzieć o kompensacji szczytowych obciążeń dla dużych systemów elektroenergetycznych, przez co zdarzają się przerwy w dostawie prądu do całych obszarów miejskich.

Co jest teraz używane

Od dziesięciu lat rozwój magazynów kinetycznych nie zatrzymuje się w kilku regionach świata, zwłaszcza w USA i Niemczech, aw ostatnich latach także w Rosji.

Niemiecki ATZ produkuje napędy 20 MJ o mocy do 250 kW, wyposażone w system synchronizacji sieci. Ponadto wymiary urządzenia nie przekraczają 1,5 metra.

Napędowe koło zamachowe jest wykonane z włókna węglowego o wysokiej wytrzymałości i jest zamontowane na ceramicznym zawieszeniu HTSC. Maszyna elektryczna, która przyspiesza koło zamachowe ATZ i wytwarza energię elektryczną, jest gotowa oparte na trwałych magnesach ziem rzadkich.

Firma American Beacon Power produkuje zasobniki cylindryczne o pojemności 6 kWh i 25 kWh, które mogą być stosowane w klastrach w celu zapewnienia stabilności parametrów prądu w przemysłowych sieciach elektroenergetycznych kraju.

Etapy projektowania KNE

Projektując kinetyczne urządzenie magazynujące, programiści rozwiązują następujące problemy inżynierskie: obliczają silnik-generator, dobierają łożyska, obliczają koło zamachowe, a także systemy chłodzenia, monitorowania i sterowania, a następnie przystępują do produkcji.

W zależności od przeznaczenia konkretnego modelu napędu, wbudowane w nie maszyny elektryczne mogą się zasadniczo różnić. Ma jednak niezaprzeczalną zaletę synchroniczne maszyny elektryczne… W maszynach synchronicznych nie ma szczotek, a magnesy trwałe wirnika umożliwiają uzyskanie dużej mocy właściwej zespołu silnik-prądnica.

Łożyska i zawieszenia najlepiej nadają się do łożysk bezstykowych, takich jak łożyska oparte na nadprzewodnikach wysokotemperaturowych (HTSC).

Chociaż takie układy wymagają specjalnego chłodzenia, to jednak są doskonale stabilizowane bez zasilania: cewka zestawu magnesów trwałych oddziałuje z matrycą HTSP w stanie nadprzewodzącym. Nie ma strat tarcia, nawet w powietrzu, wibracje są minimalne nawet przy dużych prędkościach, a konstrukcja jest automatycznie centrowana podczas pracy.

Przykład urządzenia opracowanego w rosyjskim MAI

Pole magnetyczne magnesów trwałych oddziałuje z aktywowanymi blokami HTSP, a po zamontowaniu podpory koło zamachowe po prostu pochyla się nad kriostatem (lewituje nad nim w odległości mniejszej niż 1 cm), nie poruszając się jednocześnie w kierunku promieniowym.

Oddziaływanie elektromagnetyczne biegunów stojana i wirnika wytwarza wypadkowy moment obrotowy, który przyspiesza koło zamachowe, a tym samym zasila napęd.A ponieważ nie ma strat w podporach skumulowanych w postaci kinetycznej, energia jest magazynowana przez długi czas iw razie potrzeby zużywana przez konwersję na tryb generatora.

W procesie gromadzenia pełnych nominalnych 500 kJ energii koło zamachowe rozpędza się w ciągu 300 sekund do 6000 obrotów na minutę. Może z łatwością dostarczać moc 10 kW przez 25 sekund w sposób ciągły, ponieważ moc znamionowa pobierana z elektrowni wynosi odpowiednio 250 kJ, można zagwarantować, że obciążenie 1 kW będzie dostarczane przez 4 minuty.

Częstotliwość napięcia wejściowego podczas ładowania wynosi 50 Hz przy standardowym napięciu sieciowym 220-240 woltów. Koło zamachowe waży 100 kg, a moment bezwładności to ok. 3,6 kg*m2.

Jeśli chodzi o tryb generatora, częstotliwość prądu podczas wyboru wynosi 200 Hz na trzech fazach przy napięciu od 160 do 240 woltów. Maksymalna moc znamionowa do wyboru wynosi 11 kW.

Perspektywy dla Rosji i WNP

Niedawno rosyjska firma Kinetic Power stworzyła własną wersję stacjonarnych urządzeń do magazynowania energii kinetycznej opartych na super kołach zamachowych. Jedno takie urządzenie magazynujące jest w stanie zmagazynować do 100 kWh energii i zapewnić krótkoterminową moc do 300 kW.

W warunkach rynku rosyjskiego grupa kilku takich urządzeń magazynujących jest w stanie wyrównać dobową niejednorodność obciążenia elektrycznego całego regionu, zastępując drogie i nieporęczne elektrownie szczytowo-pompowe.

Dodatkowo, jak zaznaczono na wstępie, kinetyczne urządzenia magazynujące mogą służyć do zapewnienia nieprzerwanego zasilania urządzeń o najwyższym poziomie odpowiedzialności.Unikalne właściwości tych rozwiązań zapewniają reakcję urządzenia na poziomie setnych części sekundy, co pozwala użytkownikom nie przerywać zasilania nawet na sekundę.