Kuinka vauhtipyörän (kineettisen) energian varastointilaitteet on järjestetty ja toimivat

FES on lyhenne sanoista vauhtipyörän energian varastointi, mikä tarkoittaa energian varastointia vauhtipyörän avulla. Tämä tarkoittaa, että mekaanista energiaa kertyy ja varastoituu kineettisessä muodossa massiivisen pyörän pyöriessä suurella nopeudella.

Näin kertynyt mekaaninen energia voidaan myöhemmin muuntaa sähköksi, jota varten vauhtipyöräjärjestelmä yhdistetään käännettävissä olevaan sähkökoneeseen, joka pystyy toimimaan sekä moottori- että generaattoritilassa.

Kun energiaa on varastoitava, sähkökone toimii moottorina ja pyörittää vauhtipyörää vaadittuun kulmanopeuteen samalla kun kuluttaa sähköenergiaa ulkoisesta lähteestä, itse asiassa - muuntaen sähköenergiaa - mekaaniseksi (kineettiseksi) energiaksi. Kun varastoitu energia on siirrettävä kuormaan, sähkökone siirtyy generaattoritilaan ja mekaanista energiaa vapautuu vauhtipyörän hidastuessa.

Edistyksellisimmät vauhtipyöriin perustuvat energian varastointijärjestelmät ovat melko korkealla tehotiheyksillä ja voivat kilpailla perinteisten energian varastointijärjestelmien kanssa.

Erityisen lupaavina pidetään tässä suhteessa supervauhtipyöriin perustuvia kineettisiä akkuasennuksia, joissa pyörivä runko on valmistettu erittäin lujasta grafeeninauhasta. Tällaiset tallennuslaitteet voivat varastoida jopa 1200 W * h (4,4 MJ!) energiaa 1 KILOGRAMMIA massaa kohti.

Viimeaikainen kehitys supervauhtipyörien alalla on jo antanut kehittäjille mahdollisuuden luopua ajatuksesta käyttää monoliittisia vetoja vähemmän vaarallisten hihnajärjestelmien hyväksi.

Tosiasia on, että monoliittiset järjestelmät olivat vaarallisia hätämurtuman sattuessa ja voivat kerätä vähemmän energiaa. Murtuessaan nauha ei hajoa suuriksi paloiksi, vaan katkeaa vain osittain; tässä tapauksessa hihnan erilliset osat pysäyttävät vauhtipyörän hankaamalla kotelon sisäpintaa vasten ja estävät sen tuhoutumisen.

Kääminauhasta tai interferenssihäiriökuidusta valmistettujen supervauhtipyörien korkea ominaisenergiaintensiteetti saavutetaan useiden vaikuttavien tekijöiden ansiosta.

Ensinnäkin vauhtipyörä toimii tyhjiössä, mikä vähentää huomattavasti kitkaa ilmaan verrattuna. Tätä varten kotelon tyhjiötä on jatkuvasti ylläpidettävä tyhjiönmuodostus- ja ylläpitojärjestelmällä.

Toiseksi järjestelmän on pystyttävä automaattisesti tasapainottamaan pyörivä runko. Erityisiä teknisiä toimenpiteitä toteutetaan tärinän ja gyroskooppisen tärinän vähentämiseksi. Lyhyesti sanottuna vauhtipyöräjärjestelmät ovat suunnittelun kannalta erittäin vaativia, joten niiden kehittäminen on monimutkainen suunnitteluprosessi.

Ne näyttävät sopivan paremmin laakeriksi magneettiset (mukaan lukien suprajohtavat) suspensiot… Insinöörit joutuivat kuitenkin luopumaan matalan lämpötilan suprajohteista suspensioissa, koska ne vaativat paljon energiaa. Keraamisilla rungoilla varustetut hybridirullalaakerit ovat paljon parempia keskisuurilla pyörimisnopeuksilla. Nopeiden vauhtipyörien osalta on havaittu olevan taloudellisesti hyväksyttävää ja erittäin taloudellista käyttää korkean lämpötilan suprajohtimia suspensioissa.

Yksi FES-varastointijärjestelmien tärkeimmistä eduista korkean ominaisenergiaintensiteetin jälkeen on niiden suhteellisen pitkä käyttöikä, joka voi olla jopa 25 vuotta. Grafeeniliuskoihin perustuvien vauhtipyöräjärjestelmien hyötysuhde on muuten 95 %. Lisäksi kannattaa huomioida latausnopeus. Tämä riippuu tietysti sähköasennuksen parametreista.

Esimerkiksi metron vauhtipyörässä oleva energian talteenottolaite, joka toimii junan kiihdytyksen ja hidastuksen aikana, lataa ja purkautuu 15 sekunnissa. Uskotaan, että korkean hyötysuhteen saavuttamiseksi vauhtipyörän varastointijärjestelmästä nimellinen lataus- ja purkuaika ei saisi ylittää yhtä tuntia.

FES-järjestelmien sovellettavuus on melko laaja. Niitä voidaan käyttää menestyksekkäästi erilaisissa nostolaitteissa, mikä säästää energiaa jopa 90 % lastauksen ja purkamisen aikana. Näitä järjestelmiä voidaan käyttää tehokkaasti sähköakkujen nopeaan lataamiseen, taajuuden ja tehon stabilointiin sähköverkoissa, keskeytymättömissä virtalähteissä, hybridiajoneuvoissa jne.

Kaiken tämän ansiosta vauhtipyörän säilytysjärjestelmillä on merkittäviä ominaisuuksia.Joten jos käytetään korkeatiheistä materiaalia, tallennuslaitteen ominaistehonkulutus pienenee nimellisen pyörimisnopeuden pienenemisen vuoksi.

Jos käytetään matalatiheyksistä materiaalia, virrankulutus kasvaa nopeuden lisääntymisen vuoksi, mutta tämä lisää vaatimuksia alipaineelle, samoin kuin tuille ja tiivisteille, ja sähkömuuntimesta tulee monimutkaisempi.

Supervauhtipyörien parhaat materiaalit ovat lujat teräshihnat ja kuitumateriaalit, kuten kevlar ja hiilikuitu. Lupaavin materiaali, kuten yllä todettiin, on edelleen grafeeninauha ei vain hyväksyttävien lujuus- ja tiheysparametrien vuoksi, vaan pääasiassa sen rikkoutumisturvallisuuden vuoksi.

Rikkoutumisen mahdollisuus on suuri este nopeille vauhtipyöräjärjestelmille. Kerroksittain rullatut ja liimatut komposiittimateriaalit hajoavat nopeasti ja irtoavat ensin halkaisijaltaan pieniksi filamenteiksi, jotka kietoutuvat välittömästi ja hidastavat toisiaan, ja sitten hehkuvaksi jauheeksi. Hallittu murtuminen (onnettomuuden sattuessa) ilman rungon vaurioita on yksi insinöörien päätehtävistä.

Murtoenergian vapautumista voidaan vähentää kapseloidulla nestemäisellä tai geelimäisellä sisäkuoren vuorauksella, joka imee energiaa, jos vauhtipyörä rikkoutuu.

Yksi tapa suojautua räjähdältä on laittaa vauhtipyörä maan alle estämään kaikki roskat, jotka lentävät luodin nopeudella onnettomuuden sattuessa. On kuitenkin tapauksia, joissa sirpaleiden lento tapahtuu maasta ylöspäin, jolloin rungon lisäksi myös viereiset rakennukset tuhoutuvat.

Lopuksi katsotaan prosessin fysiikkaa.Pyörivän kappaleen kineettinen energia määräytyy kaavalla:

missä I on pyörivän kappaleen hitausmomentti

kulmanopeus voidaan esittää seuraavasti:

Esimerkiksi jatkuvan sylinterin hitausmomentti on:

ja sitten kiinteän sylinterin kineettinen energia taajuudella f on yhtä suuri:

missä f on taajuus (kierroksina sekunnissa), r on säde metreinä, m on massa kilogrammoina.

Otetaan karkea esimerkki ymmärtääksemme. 3 kW:n kattila keittää veden 200 sekunnissa. Millä nopeudella jatkuvan sylinterimäisen vauhtipyörän, jonka massa on 10 kg ja säde 0,5 m, tulee pyöriä, jotta sen pysäyttämisen aikana riittää energiaa veden keittämiseen? Olkoon generaattori-muuntimemme (joka pystyy toimimaan millä tahansa nopeudella) hyötysuhde 60%.

Vastaus. Kattilan keittämiseen tarvittava kokonaisenergiamäärä on 200 * 3000 = 600 000 J. Tehokkuus huomioiden 600 000 / 0,6 = 1 000 000 J. Yllä olevaa kaavaa soveltamalla saadaan arvo 201,3 kierrosta sekunnissa .

Katso myös:Kineettisen energian varastointilaitteet energiateollisuudelle

Toinen moderni tapa varastoida energiaa: Suprajohtavat magneettisen energian varastointijärjestelmät (SMES)