Cum sunt aranjate și funcționează dispozitivele de stocare a energiei volante (cinetice).

FES este prescurtarea pentru stocarea energiei volantului, ceea ce înseamnă stocarea energiei folosind un volant. Aceasta înseamnă că energia mecanică este acumulată și stocată în formă cinetică pe măsură ce o roată masivă se rotește cu viteză mare.

Energia mecanică astfel acumulată poate fi transformată ulterior în energie electrică, pentru care sistemul volantului este combinat cu o mașină electrică reversibilă capabilă să funcționeze atât în ​​regimul motor cât și în modul generator.

Atunci când energia trebuie stocată, mașina electrică servește ca motor și rotește volantul la viteza unghiulară necesară în timp ce consumă energie electrică dintr-o sursă externă, de fapt - transformând energia electrică - în energie mecanică (cinetică). Când energia stocată trebuie transferată la sarcină, mașina electrică intră în modul generator și energia mecanică este eliberată pe măsură ce volantul decelerează.

Cele mai avansate sisteme de stocare a energiei bazate pe volante au o densitate de putere destul de mare și pot concura cu sistemele tradiționale de stocare a energiei.

Instalațiile de baterii cinetice bazate pe super volante, unde corpul rotativ este realizat din panglică de grafen de mare rezistență, sunt considerate deosebit de promițătoare în acest sens. Astfel de dispozitive de stocare pot stoca până la 1200 W * h (4,4 MJ!) de energie per 1 KILOGRAM de masă.

Evoluțiile recente în domeniul super volantelor au permis deja dezvoltatorilor să renunțe la ideea de a folosi unități monolitice în favoarea sistemelor de curele mai puțin periculoase.

Cert este că sistemele monolitice erau periculoase în caz de ruptură de urgență și puteau acumula mai puțină energie. La rupere, banda nu se împrăștie în fragmente mari, ci se rupe doar parțial; în acest caz, părțile separate ale curelei opresc volantul prin frecare de suprafața interioară a carcasei și împiedică distrugerea sa în continuare.

Intensitatea ridicată a energiei specifice a super volantelor realizate din bandă de înfășurare sau fibre de interferență este atinsă datorită unui număr de factori care contribuie.

În primul rând, volantul funcționează în vid, ceea ce reduce foarte mult frecarea în comparație cu aerul. Pentru aceasta, vidul din carcasă trebuie menținut constant printr-un sistem de creare și întreținere a vidului.

În al doilea rând, sistemul trebuie să poată echilibra automat corpul rotativ. Se iau măsuri tehnice speciale pentru reducerea vibrațiilor și a vibrațiilor giroscopice. Pe scurt, sistemele volante sunt foarte solicitante din punct de vedere al designului, prin urmare dezvoltarea lor este un proces de inginerie complex.

Par să fie mai potrivite ca rulmenți suspensii magnetice (inclusiv supraconductoare).… Cu toate acestea, inginerii au fost nevoiți să abandoneze supraconductorii de joasă temperatură în suspensii, deoarece necesită multă energie. Rulmenții de rulare hibridi cu corpuri ceramice sunt mult mai buni pentru viteze de rotație medii. În ceea ce privește volantele de mare viteză, s-a constatat că este acceptabilă din punct de vedere economic și foarte economic să se utilizeze supraconductori la temperaturi ridicate în suspensii.

Unul dintre principalele avantaje ale sistemelor de stocare FES, după intensitatea lor specifică ridicată de energie, este durata de viață relativ lungă, care poate ajunge la 25 de ani.Apropo, eficiența sistemelor volante bazate pe benzi de grafen ajunge la 95%. În plus, este de remarcat viteza de încărcare. Acest lucru, desigur, depinde de parametrii instalației electrice.

De exemplu, un recuperator de energie de pe un volant de metrou care funcționează în timpul accelerării și decelerației trenului se încarcă și se descarcă în 15 secunde. Se crede că, pentru a obține o eficiență ridicată a sistemului de stocare a volantului, timpul nominal de încărcare și descărcare nu trebuie să depășească o oră.

Aplicabilitatea sistemelor FES este destul de largă. Pot fi utilizate cu succes pe diverse dispozitive de ridicare, oferind economii de energie de până la 90% în timpul încărcării și descărcării. Aceste sisteme pot fi utilizate eficient pentru încărcarea rapidă a bateriilor electrice de transport, pentru stabilizarea frecvenței și puterii în rețelele electrice, în sursele de energie neîntreruptibilă, în vehiculele hibride etc.

Cu toate acestea, sistemele de stocare cu volantă au caracteristici remarcabile.Deci, dacă se folosește un material de densitate mare, atunci consumul de energie specific al dispozitivului de stocare scade din cauza scăderii vitezei nominale de rotație.

Dacă se folosește un material cu densitate scăzută, atunci consumul de energie crește din cauza creșterii vitezei, dar acest lucru crește cerințele pentru vid, precum și pentru suporturi și etanșări, iar convertorul electric devine mai complex.

Cele mai bune materiale pentru super volante sunt curelele din oțel de înaltă rezistență și materialele fibroase, cum ar fi Kevlar și fibra de carbon. Cel mai promițător material, așa cum s-a menționat mai sus, rămâne banda de grafen nu numai datorită parametrilor acceptabili de rezistență și densitate, ci mai ales datorită siguranței sale la rupere.

Potențialul de rupere este un obstacol major pentru sistemele de volantă de mare viteză. Materialele compozite care sunt laminate și lipite în straturi se dezintegrează rapid, mai întâi delaminându-se în filamente de diametru mic care se încurcă și se decelerează instantaneu unul pe altul, apoi într-o pulbere strălucitoare. Ruperea controlată (în caz de accident) fără deteriorarea carenei este una dintre sarcinile principale ale inginerilor.

Eliberarea energiei de rupere poate fi atenuată de un fluid încapsulat sau de o căptușeală interioară asemănătoare unui gel care va absorbi energia dacă volantul se rupe.

O modalitate de a vă proteja împotriva unei explozii este să puneți volantul sub pământ pentru a opri orice resturi care ar zbura cu viteza glonțului în cazul unui accident. Cu toate acestea, există cazuri când zborul fragmentelor are loc în sus de la sol, cu distrugerea nu numai a carenei, ci și a clădirilor adiacente.

În cele din urmă, să ne uităm la fizica procesului.Energia cinetică a unui corp în rotație este determinată de formula:

unde I este momentul de inerție al unui corp în rotație

viteza unghiulara poate fi reprezentata astfel:

De exemplu, pentru un cilindru continuu, momentul de inerție este:

și atunci energia cinetică pentru un cilindru solid prin frecvența f este egală cu:

unde f este frecvența (în rotații pe secundă), r este raza în metri, m este masa în kilograme.

Să luăm un exemplu aproximativ pentru a înțelege. Un cazan de 3 kW fierbe apa in 200 de secunde. Cu ce ​​viteză trebuie să se rotească un volant cilindric continuu cu masa de 10 kg și raza de 0,5 m astfel încât în ​​timpul procesului de oprire să existe suficientă energie pentru a fierbe apa? Eficiența generatorului-convertor (capabil să funcționeze la orice viteză) să fie de 60%.

Răspuns. Cantitatea totală de energie necesară fierberii ibricului este de 200 * 3000 = 600.000 J. Ținând cont de eficiență, 600.000 / 0,6 = 1.000.000 J. Aplicând formula de mai sus, obținem o valoare de 201,3 rotații pe secundă .

Vezi si:Dispozitive de stocare a energiei cinetice pentru industria energetică

Un alt mod modern de a stoca energie: Sisteme de stocare a energiei magnetice supraconductoare (SMES)