Kuidas hooratta (kineetilise) energiasalvestid on paigutatud ja töötavad

FES on lühend sõnadest hooratta energiasalvestus, mis tähendab energia salvestamist hooratta abil. See tähendab, et mehaaniline energia koguneb ja salvestatakse kineetilisel kujul, kuna massiivne ratas pöörleb suurel kiirusel.

Nii kogunenud mehaanilist energiat saab hiljem muuta elektriks, mille jaoks kombineeritakse hoorattasüsteem ümberpööratava elektrimasinaga, mis on võimeline töötama nii mootori kui ka generaatori režiimis.

Kui energiat on vaja salvestada, toimib elektrimasin mootorina ja pöörab hooratast vajaliku nurkkiiruseni, tarbides samal ajal välisest allikast saadavat elektrienergiat, muutes elektrienergia mehaaniliseks (kineetiliseks) energiaks. Kui salvestatud energia on vaja koormusele üle kanda, läheb elektrimasin generaatorirežiimile ja hooratta aeglustumisel vabaneb mehaaniline energia.

Kõige arenenumad hooratastel põhinevad energiasalvestussüsteemid on üsna suure võimsustihedusega ja suudavad konkureerida traditsiooniliste energiasalvestussüsteemidega.

Selles osas peetakse eriti paljutõotavaks superhooratastel põhinevaid kineetiliste akude paigaldusi, mille pöörlev korpus on valmistatud ülitugevast grafeenlindist. Sellised salvestusseadmed suudavad salvestada kuni 1200 W * h (4,4 MJ!) energiat 1 KILOGRAMMI massi kohta.

Hiljutised arengud superhoorataste valdkonnas on juba võimaldanud arendajatel loobuda ideest kasutada monoliitseid ajameid vähem ohtlike rihmasüsteemide kasuks.

Fakt on see, et monoliitsed süsteemid olid hädaolukorras purunemise korral ohtlikud ja võisid koguda vähem energiat. Katkestamisel lint ei haju suurteks kildudeks, vaid puruneb ainult osaliselt; sel juhul peatavad rihma eraldi osad hooratta, hõõrudes vastu korpuse sisepinda ja takistavad selle edasist hävimist.

Mähkimislindist või interferentsikiust valmistatud superhoorataste kõrge erienergia intensiivsus saavutatakse mitmete mõjutavate tegurite tõttu.

Esiteks töötab hooratas vaakumis, mis vähendab õhuga võrreldes tunduvalt hõõrdumist. Selleks peab korpuses vaakumit pidevalt hoidma vaakumi loomise ja hoolduse süsteem.

Teiseks peab süsteem suutma pöörlevat keha automaatselt tasakaalustada. Vibratsiooni ja güroskoopilise vibratsiooni vähendamiseks rakendatakse spetsiaalseid tehnilisi meetmeid. Lühidalt öeldes on hoorattasüsteemid disaini seisukohast väga nõudlikud, seetõttu on nende arendamine keeruline inseneriprotsess.

Tundub, et need sobivad rohkem laagriteks magnetilised (sh ülijuhtivad) suspensioonid… Insenerid pidid aga loobuma suspensiooni madala temperatuuriga ülijuhtidest, kuna need nõuavad palju energiat. Keraamiliste korpustega hübriid-rull-laagrid on keskmise pöörlemiskiiruse jaoks palju paremad. Mis puutub kiiretesse hooratastesse, siis on leitud, et kõrge temperatuuriga ülijuhtide kasutamine suspensioonides on majanduslikult vastuvõetav ja väga ökonoomne.

FES-salvestussüsteemide üheks peamiseks eeliseks on peale nende kõrget erienergiamahukust nende suhteliselt pikk kasutusiga, mis võib ulatuda 25 aastani.Muide, grafeeniribadel põhinevate hoorattasüsteemide efektiivsus ulatub 95%-ni. Lisaks tasub tähele panna laadimiskiirust. See oleneb muidugi elektripaigaldise parameetritest.

Näiteks metroo hoorattal olev energiarekuperaator, mis töötab rongi kiirendamise ja aeglustamise ajal, laeb ja tühjeneb 15 sekundiga. Arvatakse, et hooratta salvestussüsteemi kõrge efektiivsuse saavutamiseks ei tohiks nominaalne laadimis- ja tühjendusaeg ületada ühte tundi.

FES-süsteemide rakendatavus on üsna lai. Neid saab edukalt kasutada erinevatel tõsteseadmetel, tagades peale- ja mahalaadimisel energiasäästu kuni 90%. Neid süsteeme saab tõhusalt kasutada elektritranspordi akude kiireks laadimiseks, sageduse ja võimsuse stabiliseerimiseks elektrivõrkudes, katkematutes toiteallikates, hübriidsõidukites jne.

Kõige selle juures on hooratta hoiusüsteemidel märkimisväärsed omadused.Seega, kui kasutatakse suure tihedusega materjali, väheneb salvestusseadme erienergiatarve nominaalse pöörlemiskiiruse vähenemise tõttu.

Madala tihedusega materjali kasutamisel suureneb kiiruse suurenemise tõttu voolutarve, kuid see suurendab nõudeid vaakumile, samuti tugedele ja tihenditele ning elektrimuundur muutub keerukamaks.

Parimad materjalid superhoorataste jaoks on ülitugevast terasest rihmad ja kiudmaterjalid nagu kevlar ja süsinikkiud. Kõige lootustandvam materjal, nagu eespool märgitud, jääb grafeenlint mitte ainult vastuvõetavate tugevuse ja tiheduse parameetrite tõttu, vaid peamiselt selle purunemisohutuse tõttu.

Võimalik purunemine on suureks takistuseks suure kiirusega hoorattasüsteemidele. Kihtideks valtsitud ja liimitud komposiitmaterjalid lagunevad kiiresti laiali, kihistuvad esmalt väikese läbimõõduga filamentideks, mis koheselt takerduvad ja üksteist aeglustavad, ning seejärel hõõguvaks pulbriks. Kontrollitud purunemine (õnnetuse korral) ilma kere kahjustamata on inseneride üks peamisi ülesandeid.

Rebenemisenergia vabanemist saab leevendada kapseldatud vedeliku või geelitaolise korpuse vooderdusega, mis neelab energiat, kui hooratas puruneb.

Üks võimalus plahvatuse eest kaitsta on panna hooratas maa alla, et peatada igasugune praht, mis õnnetuse korral kuulikiirusel lendaks. Siiski on juhtumeid, kui killud lendavad maapinnast ülespoole, hävitades mitte ainult kere, vaid ka külgnevad hooned.

Lõpuks vaatame protsessi füüsikat.Pöörleva keha kineetiline energia määratakse järgmise valemiga:

kus I on pöörleva keha inertsimoment

nurkkiirust saab esitada järgmiselt:

Näiteks pideva silindri puhul on inertsimoment:

ja siis on tahke silindri kineetiline energia sagedusel f võrdne:

kus f on sagedus (pööret sekundis), r on raadius meetrites, m on mass kilogrammides.

Selle mõistmiseks võtame umbkaudse näite. 3 kW boiler keedab vee 200 sekundiga. Millise kiirusega peab pöörlema ​​pidev silindriline hooratas massiga 10 kg ja raadiusega 0,5 m, et selle peatamise käigus oleks piisavalt energiat vee keetmiseks? Olgu meie generaator-muunduri (mis on võimeline töötama igal kiirusel) kasutegur 60%.

Vastus. Veekeetja keetmiseks kuluv koguenergia on 200 * 3000 = 600 000 J. Tõhusust arvesse võttes 600 000 / 0,6 = 1 000 000 J. Ülaltoodud valemit rakendades saame väärtuseks 201,3 pööret sekundis .

Vaata ka:Kineetilise energia salvestamise seadmed energeetikatööstusele

Veel üks kaasaegne viis energia salvestamiseks: Ülijuhtivad magnetenergia salvestussüsteemid (SMES)