Πώς είναι διατεταγμένες και λειτουργούν οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας με σφόνδυλο (κινητική).

Το FES είναι συντομογραφία για αποθήκευση ενέργειας σφονδύλου, που σημαίνει αποθήκευση ενέργειας με χρήση σφονδύλου. Αυτό σημαίνει ότι η μηχανική ενέργεια συσσωρεύεται και αποθηκεύεται σε κινητική μορφή καθώς ένας τεράστιος τροχός περιστρέφεται με υψηλή ταχύτητα.

Η μηχανική ενέργεια που συσσωρεύεται με αυτόν τον τρόπο μπορεί αργότερα να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια, για την οποία το σύστημα σφονδύλου συνδυάζεται με ένα αναστρέψιμο ηλεκτρικό μηχάνημα ικανό να λειτουργεί τόσο σε λειτουργία κινητήρα όσο και σε λειτουργία γεννήτριας.

Όταν χρειάζεται να αποθηκευτεί ενέργεια, το ηλεκτρικό μηχάνημα χρησιμεύει ως κινητήρας και περιστρέφει τον σφόνδυλο στην απαιτούμενη γωνιακή ταχύτητα ενώ καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια από μια εξωτερική πηγή, στην πραγματικότητα - μετατρέποντας την ηλεκτρική ενέργεια - σε μηχανική (κινητική) ενέργεια. Όταν η αποθηκευμένη ενέργεια πρέπει να μεταφερθεί στο φορτίο, η ηλεκτρική μηχανή μπαίνει σε λειτουργία γεννήτριας και η μηχανική ενέργεια απελευθερώνεται καθώς ο σφόνδυλος επιβραδύνεται.

Τα πιο προηγμένα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας που βασίζονται σε σφόνδυλους έχουν αρκετά υψηλή πυκνότητα ισχύος και μπορούν να ανταγωνιστούν τα παραδοσιακά συστήματα αποθήκευσης ενέργειας.

Οι εγκαταστάσεις κινητικών μπαταριών που βασίζονται σε σούπερ σφόνδυλους, όπου το περιστρεφόμενο σώμα είναι κατασκευασμένο από κορδέλα γραφενίου υψηλής αντοχής, θεωρούνται ιδιαίτερα υποσχόμενες από αυτή την άποψη. Τέτοιες συσκευές αποθήκευσης μπορούν να αποθηκεύσουν έως και 1200 W * h (4,4 MJ!) ενέργειας ανά 1 ΚΙΛΟ μάζας.

Οι πρόσφατες εξελίξεις στον τομέα των σούπερ βολάν έχουν ήδη επιτρέψει στους προγραμματιστές να εγκαταλείψουν την ιδέα της χρήσης μονολιθικών κινητήρων προς όφελος των λιγότερο επικίνδυνων συστημάτων ζωνών.

Το γεγονός είναι ότι τα μονολιθικά συστήματα ήταν επικίνδυνα σε περίπτωση έκτακτης ρήξης και μπορούσαν να συσσωρεύσουν λιγότερη ενέργεια. Όταν σπάει, η ταινία δεν διασκορπίζεται σε μεγάλα θραύσματα, αλλά σπάει μόνο εν μέρει. Σε αυτή την περίπτωση, τα ξεχωριστά μέρη του ιμάντα σταματούν τον σφόνδυλο τρίβοντας την εσωτερική επιφάνεια του περιβλήματος και εμποδίζουν την περαιτέρω καταστροφή του.

Η υψηλή ειδική ενεργειακή ένταση των σούπερ βολάν που κατασκευάζονται από ταινία περιέλιξης ή ίνα παρεμβολής επιτυγχάνεται λόγω ορισμένων παραγόντων που συμβάλλουν.

Πρώτον, ο σφόνδυλος λειτουργεί σε κενό, το οποίο μειώνει σημαντικά την τριβή σε σύγκριση με τον αέρα. Για αυτό, το κενό στο περίβλημα πρέπει να διατηρείται συνεχώς από ένα σύστημα δημιουργίας και συντήρησης κενού.

Δεύτερον, το σύστημα πρέπει να μπορεί να εξισορροπεί αυτόματα το περιστρεφόμενο σώμα. Λαμβάνονται ειδικά τεχνικά μέτρα για τη μείωση των κραδασμών και των γυροσκοπικών κραδασμών. Εν ολίγοις, τα συστήματα βολάν είναι πολύ απαιτητικά από σχεδιαστική άποψη, επομένως η ανάπτυξή τους είναι μια πολύπλοκη μηχανική διαδικασία.

Φαίνονται να είναι πιο κατάλληλα ως ρουλεμάν μαγνητικές (συμπεριλαμβανομένων των υπεραγώγιμων) αναρτήσεων… Ωστόσο, οι μηχανικοί έπρεπε να εγκαταλείψουν τους υπεραγωγούς χαμηλής θερμοκρασίας στις αναρτήσεις, καθώς απαιτούν πολλή ενέργεια. Τα υβριδικά ρουλεμάν κύλισης με κεραμικά σώματα είναι πολύ καλύτερα για μεσαίες ταχύτητες περιστροφής. Όσον αφορά τους σφόνδυλους υψηλής ταχύτητας, έχει βρεθεί ότι είναι οικονομικά αποδεκτή και πολύ οικονομική η χρήση υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας σε αναρτήσεις.

Ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα των συστημάτων αποθήκευσης FES, μετά την υψηλή ειδική ενεργειακή τους ένταση, είναι η σχετικά μεγάλη διάρκεια ζωής τους, η οποία μπορεί να φτάσει τα 25 χρόνια. Παρεμπιπτόντως, η απόδοση των συστημάτων σφονδύλου που βασίζονται σε ταινίες γραφενίου φτάνει το 95%. Επιπλέον, αξίζει να σημειωθεί η ταχύτητα φόρτισης. Αυτό φυσικά εξαρτάται από τις παραμέτρους της ηλεκτρικής εγκατάστασης.

Για παράδειγμα, ένας ανακτητής ενέργειας σε σφόνδυλο του μετρό που λειτουργεί κατά την επιτάχυνση και την επιβράδυνση αμαξοστοιχίας φορτίζει και εκφορτώνει σε 15 δευτερόλεπτα. Πιστεύεται ότι για να επιτευχθεί υψηλή απόδοση από το σύστημα αποθήκευσης σφονδύλου, ο ονομαστικός χρόνος φόρτισης και εκφόρτισης δεν πρέπει να υπερβαίνει τη μία ώρα.

Η δυνατότητα εφαρμογής των συστημάτων FES είναι αρκετά ευρεία. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν με επιτυχία σε διάφορες ανυψωτικές συσκευές, παρέχοντας εξοικονόμηση ενέργειας έως και 90% κατά τη φόρτωση και εκφόρτωση. Αυτά τα συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά για ταχεία φόρτιση ηλεκτρικών μπαταριών μεταφοράς, για σταθεροποίηση συχνότητας και ισχύος σε ηλεκτρικά δίκτυα, σε αδιάλειπτες πηγές ενέργειας, σε υβριδικά οχήματα κ.λπ.

Με όλα αυτά, τα συστήματα αποθήκευσης βολάν έχουν αξιοσημείωτα χαρακτηριστικά.Έτσι, εάν χρησιμοποιείται υλικό υψηλής πυκνότητας, τότε η ειδική κατανάλωση ισχύος της συσκευής αποθήκευσης μειώνεται λόγω της μείωσης της ονομαστικής ταχύτητας περιστροφής.

Εάν χρησιμοποιείται υλικό χαμηλής πυκνότητας, τότε η κατανάλωση ρεύματος αυξάνεται λόγω της αύξησης της ταχύτητας, αλλά αυτό αυξάνει τις απαιτήσεις για κενό, καθώς και για στηρίγματα και στεγανοποιήσεις και ο ηλεκτρικός μετατροπέας γίνεται πιο περίπλοκος.

Τα καλύτερα υλικά για σούπερ βολάν είναι οι ιμάντες από χάλυβα υψηλής αντοχής και τα ινώδη υλικά όπως το Kevlar και οι ανθρακονήματα. Το πιο πολλά υποσχόμενο υλικό, όπως σημειώθηκε παραπάνω, παραμένει η ταινία γραφενίου όχι μόνο λόγω των αποδεκτών παραμέτρων αντοχής και πυκνότητας, αλλά κυρίως λόγω της ασφάλειάς της στο σπάσιμο.

Η πιθανότητα θραύσης είναι ένα σημαντικό εμπόδιο για τα συστήματα σφονδύλου υψηλής ταχύτητας. Τα σύνθετα υλικά που τυλίγονται και κολλούνται σε στρώσεις αποσυντίθενται γρήγορα, πρώτα αποκολλώνται σε νήματα μικρής διαμέτρου που εμπλέκονται και επιβραδύνουν αμέσως το ένα το άλλο, και στη συνέχεια σε μια λαμπερή σκόνη. Η ελεγχόμενη ρήξη (σε περίπτωση ατυχήματος) χωρίς ζημιά στη γάστρα είναι ένα από τα κύρια καθήκοντα των μηχανικών.

Η απελευθέρωση της ενέργειας ρήξης μπορεί να μετριαστεί από μια ενθυλακωμένη εσωτερική επένδυση ρευστού ή γέλης που θα απορροφήσει την ενέργεια εάν σπάσει ο σφόνδυλος.

Ένας τρόπος προστασίας από έκρηξη είναι να βάλετε το σφόνδυλο υπόγεια για να σταματήσετε τυχόν συντρίμμια που θα πετούσαν με ταχύτητα σφαίρας σε περίπτωση ατυχήματος. Ωστόσο, υπάρχουν περιπτώσεις που η πτήση θραυσμάτων γίνεται προς τα πάνω από το έδαφος, με καταστροφή όχι μόνο του κύτους, αλλά και των παρακείμενων κτιρίων.

Τέλος, ας δούμε τη φυσική της διαδικασίας.Η κινητική ενέργεια ενός περιστρεφόμενου σώματος καθορίζεται από τον τύπο:

όπου I είναι η ροπή αδράνειας ενός περιστρεφόμενου σώματος

η γωνιακή ταχύτητα μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής:

Για παράδειγμα, για έναν συνεχή κύλινδρο, η ροπή αδράνειας είναι:

και τότε η κινητική ενέργεια για έναν στερεό κύλινδρο μέσω της συχνότητας f είναι ίση με:

όπου f είναι η συχνότητα (σε στροφές ανά δευτερόλεπτο), r είναι η ακτίνα σε μέτρα, m είναι η μάζα σε χιλιόγραμμα.

Ας πάρουμε ένα πρόχειρο παράδειγμα για να καταλάβουμε. Ένας λέβητας 3 kW βράζει το νερό σε 200 δευτερόλεπτα. Με ποια ταχύτητα πρέπει να περιστρέφεται ένας συνεχόμενος κυλινδρικός σφόνδυλος μάζας 10 kg και ακτίνας 0,5 m ώστε κατά τη διαδικασία διακοπής του να υπάρχει αρκετή ενέργεια για να βράσει το νερό; Αφήστε την απόδοση της γεννήτριας-μετατροπέα μας (που μπορεί να λειτουργεί με οποιαδήποτε ταχύτητα) είναι 60%.

Απάντηση. Η συνολική ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για το βράσιμο του βραστήρα είναι 200 ​​* 3000 = 600.000 J. Λαμβάνοντας υπόψη την απόδοση, 600.000 / 0,6 = 1.000.000 J. Εφαρμόζοντας τον παραπάνω τύπο, παίρνουμε μια τιμή 201,3 στροφών ανά δευτερόλεπτο.

Δείτε επίσης:Συσκευές αποθήκευσης κινητικής ενέργειας για τη βιομηχανία ηλεκτρικής ενέργειας

Ένας άλλος σύγχρονος τρόπος αποθήκευσης ενέργειας: Υπεραγώγιμα συστήματα αποθήκευσης μαγνητικής ενέργειας (SMES)