Συσκευές αποθήκευσης κινητικής ενέργειας για τη βιομηχανία ηλεκτρικής ενέργειας

Το θέμα της βελτίωσης της ενεργειακής απόδοσης πιθανότατα δεν θα χάσει ποτέ τη σημασία του. Λόγω αυτού του γεγονότος, πολλά ιδρύματα σήμερα αναπτύσσουν πιο αποδοτικές συσκευές αποθήκευσης ενέργειας. Και μια από τις πολλά υποσχόμενες λύσεις σε αυτόν τον τομέα είναι η χρήση κινητικής (σε κίνηση) αποθήκευσης ενέργειας που βασίζεται σε σφόνδυλους υψηλής ενέργειας.

Οι τομείς εφαρμογής τους μπορεί να ποικίλλουν από μικρά ανεξάρτητα αδιάλειπτα τροφοδοτικά για ιδιωτικά νοικοκυριά έως μεγάλες βιομηχανικές εγκαταστάσεις που συσσωρεύουν ενέργεια κατά την περιστροφή ενός σφονδύλου και την απελευθερώνουν την κατάλληλη στιγμή στο απαιτούμενο επίπεδο ισχύος, προστατεύοντας το δίκτυο από υπερτάσεις.

Το πλεονέκτημα τέτοιων μονάδων είναι ότι ο τεράστιος σφόνδυλος είναι σε θέση να μετατρέπει αμέσως τη συσσωρευμένη κινητική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια, παρέχοντας έτσι στον καταναλωτικό εξοπλισμό την απαραίτητη ισχύ.

Τέτοιες συσκευές χαρακτηρίζονται από ελάχιστο κόστος λειτουργίας, υψηλό βαθμό αυτοματοποίησης και χωρίς ανάγκη τακτικής συντήρησης.

Μετά τη φόρτιση σε πλήρη χωρητικότητα σε λίγα λεπτά, ο σφόνδυλος θα απελευθερώσει την αποθηκευμένη ενέργεια εάν χρειαστεί για μερικά δευτερόλεπτα, ενώ οι παράμετροι κανονικής λειτουργίας του δικτύου ενδέχεται να μην αντέχουν σε υψηλά ρεύματα αιχμής.

Πως δουλεύει

Ο σφόνδυλος δέχεται περιστροφή από μια ηλεκτρική μηχανή μέσω ενός άξονα ή μέσω άλλου μηχανισμού μετάδοσης και, εάν είναι απαραίτητο, δίνει τη συσσωρευμένη ενέργεια μέσω του άξονα σε λειτουργία γεννήτριας και η μηχανή που περιστρέφει τον ίδιο τον σφόνδυλο μπορεί να λειτουργήσει εκείνη τη στιγμή ως γεννήτρια.

Ένα αυτοματοποιημένο σύστημα ελέγχου με αισθητήρες για τον έλεγχο των παραμέτρων θα κάνει τη διαδικασία απόκτησης ταχύτητας ασφαλή και σε μια κρίσιμη κατάσταση θα αντιδράσει τόσο στην επίτευξη επικίνδυνης ταχύτητας περιστροφής του σφονδύλου όσο και στην ανάγκη άμεσης μετάβασης στη λειτουργία επιστροφής του συσσωρευμένη κινητική ενέργεια.

Χαρακτηριστικά και δυνατότητες

Με αυτόν τον τρόπο, οι συσκευές κινητικής αποθήκευσης επιτρέπουν την επίλυση των προβλημάτων συσσώρευσης, προσωρινής αποθήκευσης και επακόλουθης μετατροπής ενέργειας για τη διασφάλιση βέλτιστων τρόπων ισχύος του εξοπλισμού, ακόμη και με εξαιρετικά μη τυπικές παραμέτρους. Ως αποτέλεσμα, καλύπτεται το μεγαλύτερο εύρος πιθανών εφαρμογών αυτής της τεχνικής λύσης.

Ένας ηλεκτρομηχανικός μετατροπέας αυτού του τύπου έχει πολλά πλεονεκτήματα. Η ειδική ενεργειακή ένταση των συσκευών κινητικής αποθήκευσης είναι υψηλότερη από αυτή των πυκνωτών και όσον αφορά την ειδική ισχύ (ρεύμα) που παρέχεται στο φορτίο, προηγούνται τόσο των μπαταριών οξέος όσο και των κυψελών καυσίμου.

Ταυτόχρονα, οι συσκευές κινητικής αποθήκευσης είναι συμπαγείς, φιλικές προς το περιβάλλον, έχουν απόδοση περίπου 90%, έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής άνω των 10 ετών, είναι εύκολες στη συντήρηση και ο πόρος εργασίας είναι πρακτικά απεριόριστος. Το σύστημα ψύξης είναι εκατό φορές φθηνότερο από αυτό των υπεραγώγιμων συσκευών αποθήκευσης επαγωγής (SPIN). …

Ιατρικά κέντρα, πυρηνικές εγκαταστάσεις, κέντρα αποθήκευσης δεδομένων, αποθήκες τραπεζών, χημικές βιομηχανίες — οπουδήποτε απαιτείται εφεδρική ενέργεια για την τροφοδοσία κρίσιμων χρηστών, οι συσκευές κινητικής αποθήκευσης θα είναι χρήσιμες. Τι μπορούμε να πούμε για την αντιστάθμιση των φορτίων αιχμής για μεγάλα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, γι' αυτό και υπάρχουν διακοπές ρεύματος σε ολόκληρες αστικές περιοχές.

Τι χρησιμοποιείται τώρα

Εδώ και δέκα χρόνια, η ανάπτυξη συσκευών κινητικής αποθήκευσης δεν έχει σταματήσει σε αρκετές περιοχές του κόσμου, ιδίως στις ΗΠΑ και τη Γερμανία, και τα τελευταία χρόνια στη Ρωσία.

Η ATZ της Γερμανίας παράγει δίσκους 20 MJ ικανούς να παρέχουν ισχύ έως 250 kW, εξοπλισμένοι με σύστημα συγχρονισμού δικτύου. Επιπλέον, οι διαστάσεις της συσκευής δεν ξεπερνούν το 1,5 μέτρο.

Ο κινητήριος σφόνδυλος είναι κατασκευασμένος από ανθρακονήματα υψηλής αντοχής και είναι τοποθετημένος σε κεραμική ανάρτηση HTSC. Ολοκληρώθηκε το ηλεκτρικό μηχάνημα που επιταχύνει τον σφόνδυλο του ATZ και παράγει ηλεκτρική ενέργεια βασίζεται σε μόνιμους μαγνήτες σπάνιων γαιών.

Η American Beacon Power παράγει κυλινδρικές συσκευές αποθήκευσης 6 kWh και 25 kWh που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ομάδες για να εξασφαλίσουν τη σταθερότητα των παραμέτρων ρεύματος στα βιομηχανικά ηλεκτρικά δίκτυα της χώρας.

Στάδια σχεδίασης ΚΝΕ

Όταν σχεδιάζουν μια συσκευή κινητικής αποθήκευσης, οι προγραμματιστές επιλύουν τα ακόλουθα προβλήματα μηχανικής: υπολογίζουν τη γεννήτρια κινητήρα, επιλέγουν τα ρουλεμάν, υπολογίζουν τον σφόνδυλο, καθώς και τα συστήματα ψύξης, παρακολούθησης και ελέγχου και στη συνέχεια προχωρούν στην παραγωγή.

Με βάση τον σκοπό ενός συγκεκριμένου μοντέλου μετάδοσης κίνησης, οι ηλεκτρικές μηχανές που είναι ενσωματωμένες σε αυτές μπορεί να είναι κατ' αρχήν διαφορετικές. Ωστόσο, υπάρχει ένα αναμφισβήτητο πλεονέκτημα σύγχρονες ηλεκτρικές μηχανές… Στα σύγχρονα μηχανήματα, δεν υπάρχουν βούρτσες και οι μόνιμοι μαγνήτες του ρότορα καθιστούν δυνατή την απόκτηση υψηλής ειδικής ισχύος της γεννήτριας κινητήρα.

Τα ρουλεμάν και οι αναρτήσεις ταιριάζουν καλύτερα για ρουλεμάν χωρίς επαφή, όπως αυτά που βασίζονται σε υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας (HTSC).

Αν και τέτοια συστήματα απαιτούν ειδική ψύξη, ωστόσο σταθεροποιούνται τέλεια χωρίς τροφοδοσία: ένας επαγωγέας ενός συνόλου μόνιμων μαγνητών αλληλεπιδρά με μια μήτρα HTSP σε υπεραγώγιμη κατάσταση. Δεν υπάρχουν απώλειες τριβής, ακόμη και στον αέρα, οι κραδασμοί είναι ελάχιστοι ακόμα και σε υψηλές ταχύτητες και η δομή κεντραρίζεται αυτόματα κατά τη λειτουργία.

Ένα παράδειγμα μιας συσκευής που αναπτύχθηκε στο ρωσικό MAI

Το μαγνητικό πεδίο των μόνιμων μαγνητών αλληλεπιδρά με τα ενεργοποιημένα μπλοκ HTSP και μετά την εγκατάσταση του στηρίγματος, ο σφόνδυλος απλώς κλίνει πάνω από τον κρυοστάτη (αιωρείται πάνω του σε απόσταση μικρότερη από 1 cm), ενώ δεν κινείται προς την ακτινική κατεύθυνση.

Η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση των πόλων του στάτορα και του ρότορα δημιουργεί μια προκύπτουσα ροπή που επιταχύνει τον σφόνδυλο και έτσι ενεργοποιεί τη μετάδοση κίνησης.Και δεδομένου ότι δεν υπάρχουν απώλειες στα στηρίγματα που συσσωρεύονται σε κινητική μορφή, η ενέργεια αποθηκεύεται για μεγάλο χρονικό διάστημα και, εάν είναι απαραίτητο, καταναλώνεται με μετατροπή σε λειτουργία γεννήτριας.

Κατά τη διαδικασία συσσώρευσης της πλήρους ονομαστικής ενέργειας 500 kJ, ο σφόνδυλος επιταχύνεται σε 300 δευτερόλεπτα στις 6000 στροφές ανά λεπτό. Μπορεί εύκολα να παρέχει ισχύ 10 kW για 25 δευτερόλεπτα συνεχώς, καθώς η ονομαστική ισχύς που λαμβάνεται από τη μονάδα είναι 250 kJ αντίστοιχα, ένα φορτίο 1 kW μπορεί να τροφοδοτηθεί με εγγύηση για 4 λεπτά.

Η συχνότητα της τάσης εισόδου κατά τη φόρτιση είναι 50 Hz σε τυπική τάση δικτύου 220-240 βολτ. Ο σφόνδυλος ζυγίζει 100 kg και η ροπή αδράνειας είναι περίπου 3,6 kg * m2.

Όσον αφορά τη λειτουργία της γεννήτριας, η συχνότητα ρεύματος κατά την επιλογή είναι 200 ​​Hz σε τρεις φάσεις σε τάσεις από 160 έως 240 βολτ. Η μέγιστη ονομαστική ισχύς για επιλογή είναι 11 kW.

Προοπτικές για τη Ρωσία και την ΚΑΚ

Πιο πρόσφατα, η ρωσική εταιρεία Kinetic Power δημιούργησε τη δική της έκδοση σταθερών συσκευών αποθήκευσης κινητικής ενέργειας που βασίζονται σε σούπερ σφόνδυλους. Μια τέτοια συσκευή αποθήκευσης είναι ικανή να αποθηκεύει έως και 100 kWh ενέργειας και να παρέχει βραχυπρόθεσμη ισχύ έως και 300 kW.

Στις συνθήκες της ρωσικής αγοράς, μια ομάδα πολλών τέτοιων συσκευών αποθήκευσης είναι σε θέση να εξισώσει την καθημερινή ετερογένεια του ηλεκτρικού φορτίου μιας ολόκληρης περιοχής, αντικαθιστώντας ακριβές και ογκώδεις σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.

Επιπλέον, όπως σημειώθηκε στην αρχή, οι συσκευές κινητικής αποθήκευσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παροχή αδιάλειπτης ισχύος σε εξοπλισμό με τα υψηλότερα επίπεδα ευθύνης.Οι μοναδικές ιδιότητες αυτών των εξελίξεων εξασφαλίζουν απόκριση της συσκευής στο επίπεδο των εκατοστών του δευτερολέπτου, η οποία επιτρέπει στους χρήστες να μην διακόπτουν την παροχή ρεύματος για ένα δευτερόλεπτο.