Paano inayos at gumagana ang mga flywheel (kinetic) na mga kagamitan sa pag-iimbak ng enerhiya

Ang FES ay maikli para sa flywheel energy storage, na nangangahulugan ng energy storage gamit ang isang flywheel. Nangangahulugan ito na ang mekanikal na enerhiya ay naipon at nakaimbak sa kinetic form habang umiikot ang napakalaking gulong sa mataas na bilis.

Ang mekanikal na enerhiya na naipon ay maaaring ma-convert sa ibang pagkakataon sa kuryente, kung saan ang sistema ng flywheel ay pinagsama sa isang reversible electric machine na may kakayahang gumana sa parehong mga mode ng motor at generator.

Kapag kailangang mag-imbak ng enerhiya, ang electric machine ay nagsisilbing motor at pinapaikot ang flywheel sa kinakailangang angular velocity habang kumukuha ng elektrikal na enerhiya mula sa isang panlabas na pinagmumulan, sa epekto—pag-convert ng elektrikal na enerhiya—sa mekanikal (kinetic) na enerhiya. Kapag ang nakaimbak na enerhiya ay kailangang ilipat sa load, ang electric machine ay napupunta sa generator mode at ang mekanikal na enerhiya ay inilabas habang ang flywheel ay bumababa.

Ang pinaka-advanced na mga sistema ng pag-iimbak ng enerhiya batay sa mga flywheel ay may medyo mataas na densidad ng kapangyarihan at maaaring makipagkumpitensya sa mga tradisyonal na sistema ng pag-iimbak ng enerhiya.

Ang mga pag-install ng kinetic na baterya batay sa mga super flywheel, kung saan ang umiikot na katawan ay gawa sa high-strength graphene ribbon, ay itinuturing na partikular na promising sa bagay na ito. Ang mga naturang storage device ay maaaring mag-imbak ng hanggang 1200 W * h (4.4 MJ!) ng enerhiya bawat 1 KILOGRAM ng masa.

Ang mga kamakailang pag-unlad sa larangan ng super flywheels ay nagbigay-daan sa mga developer na talikuran ang ideya ng paggamit ng mga monolithic drive sa pabor sa mga hindi gaanong mapanganib na mga sistema ng sinturon.

Ang katotohanan ay ang mga monolitikong sistema ay mapanganib sa kaso ng emergency rupture at maaaring makaipon ng mas kaunting enerhiya. Kapag nasira, ang tape ay hindi nakakalat sa malalaking fragment, ngunit bahagyang nasira lamang; sa kasong ito, ang mga hiwalay na bahagi ng sinturon ay huminto sa flywheel sa pamamagitan ng pagkuskos laban sa panloob na ibabaw ng pabahay at maiwasan ang karagdagang pagkawasak nito.

Ang mataas na tiyak na intensity ng enerhiya ng mga super flywheel na ginawa mula sa paikot-ikot na tape o interference interference fiber ay nakakamit dahil sa isang bilang ng mga kadahilanan na nag-aambag.

Una, ang flywheel ay gumagana sa isang vacuum, na lubos na binabawasan ang alitan kumpara sa hangin. Para dito, ang vacuum sa pabahay ay dapat na patuloy na mapanatili ng isang vacuum na paglikha at sistema ng pagpapanatili.

Pangalawa, dapat na awtomatikong balansehin ng system ang umiikot na katawan. Ang mga espesyal na teknikal na hakbang ay ginawa upang mabawasan ang mga vibrations at gyroscopic vibrations. Sa madaling salita, ang mga sistema ng flywheel ay lubhang hinihingi mula sa isang punto ng disenyo, samakatuwid ang kanilang pag-unlad ay isang kumplikadong proseso ng engineering.

Mukhang mas angkop ang mga ito bilang mga bearings magnetic (kabilang ang superconducting) na mga suspensyon… Gayunpaman, kinailangan ng mga inhinyero na iwanan ang mababang temperatura na mga superconductor sa mga pagsususpinde, dahil nangangailangan sila ng maraming enerhiya. Ang mga hybrid rolling bearings na may mga ceramic na katawan ay mas mahusay para sa katamtamang bilis ng pag-ikot. Tulad ng para sa mga high speed na flywheel, napag-alaman na katanggap-tanggap sa ekonomiya at napakatipid na gumamit ng mga superconductor na may mataas na temperatura sa mga suspensyon.

Ang isa sa mga pangunahing bentahe ng mga sistema ng imbakan ng FES, pagkatapos ng kanilang mataas na tiyak na intensity ng enerhiya, ay ang kanilang medyo mahabang buhay ng serbisyo, na maaaring umabot sa 25 taon. Sa pamamagitan ng paraan, ang kahusayan ng mga sistema ng flywheel batay sa graphene strips ay umabot sa 95%. Bilang karagdagan, ito ay nagkakahalaga ng pagpuna sa bilis ng pagsingil. Ito, siyempre, ay nakasalalay sa mga parameter ng pag-install ng elektrikal.

Halimbawa, isang energy recuperator sa isang subway flywheel na gumagana sa panahon ng acceleration ng tren at mga singil at paglabas sa loob ng 15 segundo. Ito ay pinaniniwalaan na upang makamit ang mataas na kahusayan mula sa flywheel storage system, ang nominal charge at discharge time ay hindi dapat lumampas sa isang oras.

Ang kakayahang magamit ng mga sistema ng FES ay medyo malawak. Matagumpay na magagamit ang mga ito sa iba't ibang mga kagamitan sa pag-aangat, na nagbibigay ng pagtitipid ng enerhiya na hanggang 90% sa panahon ng paglo-load at pagbabawas. Ang mga sistemang ito ay maaaring epektibong magamit para sa mabilis na pag-charge ng mga de-koryenteng baterya ng transportasyon, para sa pag-stabilize ng dalas at kapangyarihan sa mga electrical grid, sa mga hindi maaabala na pinagmumulan ng kuryente, sa mga hybrid na sasakyan, atbp.

Sa lahat ng ito, ang mga sistema ng imbakan ng flywheel ay may mga kahanga-hangang tampok.Kaya, kung ang isang materyal na may mataas na densidad ay ginagamit, kung gayon ang tiyak na pagkonsumo ng kuryente ng aparato ng imbakan ay bumababa dahil sa isang pagbawas sa nominal na bilis ng pag-ikot.

Kung ang isang mababang-densidad na materyal ay ginagamit, kung gayon ang pagkonsumo ng kuryente ay tumataas dahil sa pagtaas ng bilis, ngunit pinatataas nito ang mga kinakailangan para sa vacuum, pati na rin para sa mga suporta at mga seal, at ang electrical converter ay nagiging mas kumplikado.

Ang pinakamagagandang materyales para sa mga super flywheel ay mga high-strength steel belt at fibrous na materyales gaya ng Kevlar at carbon fiber. Ang pinaka-promising na materyal, tulad ng nabanggit sa itaas, ay nananatiling graphene tape hindi lamang dahil sa mga katanggap-tanggap na parameter ng lakas at density, ngunit higit sa lahat dahil sa kaligtasan nito sa pagsira.

Ang potensyal para sa pagbasag ay isang malaking balakid para sa mga high-speed flywheel system. Ang mga pinagsama-samang materyales na pinagsama-sama at nakadikit sa mga layer ay mabilis na nabubulok, unang nagde-delaminate sa maliit na diameter na mga filament na agad na nagkakasalubong at nagpapabagal sa isa't isa, at pagkatapos ay nagiging isang kumikinang na pulbos. Ang kinokontrol na pagkalagot (sa kaganapan ng isang aksidente) nang walang pinsala sa katawan ng barko ay isa sa mga pangunahing gawain ng mga inhinyero.

Ang paglabas ng rupture energy ay maaaring mabawasan ng isang naka-encapsulated fluid o parang gel na panloob na lining ng casing na sisipsip ng enerhiya kung masira ang flywheel.

Ang isang paraan upang maprotektahan laban sa isang putok ay ilagay ang flywheel sa ilalim ng lupa upang pigilan ang anumang mga debris na lilipad sa bilis ng bala kung sakaling magkaroon ng aksidente. Gayunpaman, may mga kaso kapag ang paglipad ng mga fragment ay nangyayari paitaas mula sa lupa, na may pagkasira hindi lamang ang katawan ng barko, kundi pati na rin ang mga katabing gusali.

Sa wakas, tingnan natin ang pisika ng proseso.Ang kinetic energy ng isang umiikot na katawan ay tinutukoy ng formula:

kung saan ako ang moment of inertia ng isang umiikot na katawan

ang angular velocity ay maaaring kinakatawan tulad ng sumusunod:

Halimbawa, para sa isang tuluy-tuloy na silindro, ang sandali ng pagkawalang-galaw ay:

at pagkatapos ay ang kinetic energy para sa isang solidong silindro sa pamamagitan ng frequency f ay katumbas ng:

kung saan ang f ay ang dalas (sa mga rebolusyon bawat segundo), ang r ay ang radius sa metro, ang m ay ang masa sa kilo.

Kumuha tayo ng isang magaspang na halimbawa upang maunawaan. Ang isang 3 kW boiler ay nagpapakulo ng tubig sa loob ng 200 segundo. Sa anong bilis dapat umikot ang isang tuluy-tuloy na cylindrical flywheel na may mass na 10 kg at radius na 0.5 m upang sa panahon ng proseso ng paghinto nito ay may sapat na enerhiya upang pakuluan ang tubig? Hayaan ang kahusayan ng aming generator-converter (may kakayahang gumana sa anumang bilis) ay 60%.

Sagot. Ang kabuuang halaga ng enerhiya na kinakailangan upang pakuluan ang takure ay 200 * 3000 = 600,000 J. Isinasaalang-alang ang kahusayan, 600,000 / 0.6 = 1,000,000 J. Ang paglalapat ng formula sa itaas, makakakuha tayo ng halaga na 201.3 revolutions bawat segundo .

Tingnan din:Kinetic energy storage device para sa power industry

Isa pang modernong paraan upang mag-imbak ng enerhiya: Superconducting Magnetic Energy Storage System (SMES)