Hogyan vannak elrendezve és működnek a lendkerekes (kinetikus) energiatároló eszközök

A FES a lendkerék energiatárolás rövidítése, ami azt jelenti, hogy energiatárolást lendkerék segítségével. Ez azt jelenti, hogy a mechanikai energia felhalmozódik és kinetikus formában tárolódik, miközben egy hatalmas kerék nagy sebességgel forog.

Az így felhalmozott mechanikai energia később elektromos árammá alakítható, amihez a lendkerekes rendszert egy megfordítható elektromos géppel kombinálják, amely motoros és generátoros üzemmódban is képes működni.

Amikor energiát kell tárolni, az elektromos gép motorként működik, és a lendkereket a kívánt szögsebességre forgatja, miközben külső forrásból fogyaszt elektromos energiát, gyakorlatilag - elektromos energiát alakítva - mechanikai (kinetikai) energiává. Amikor a tárolt energiát át kell vinni a terhelésre, az elektromos gép generátor üzemmódba lép, és a lendkerék lassulásával mechanikai energia szabadul fel.

A lendkerekeken alapuló legfejlettebb energiatároló rendszerek meglehetősen nagy teljesítménysűrűséggel rendelkeznek, és felvehetik a versenyt a hagyományos energiatároló rendszerekkel.

E tekintetben különösen ígéretesnek számítanak a szuper lendkerekekre épülő kinetikus akkumulátortelepítések, ahol a forgó test nagy szilárdságú grafénszalagból készül. Az ilyen tárolóeszközök 1 KILOGRAM tömegenként akár 1200 W * h (4,4 MJ!) energiát is tárolhatnak.

A szuper lendkerekek terén a legújabb fejlesztések már lehetővé tették a fejlesztők számára, hogy elhagyják a monolit hajtások alkalmazásának ötletét a kevésbé veszélyes szíjrendszerek javára.

A helyzet az, hogy a monolit rendszerek veszélyesek voltak vésztörés esetén, és kevesebb energiát tudtak felhalmozni. Töréskor a szalag nem szóródik szét nagy darabokra, hanem csak részben törik el; ebben az esetben a szíj különálló részei a ház belső felületéhez dörzsölve megállítják a lendkereket és megakadályozzák további tönkremenetelét.

A tekercsszalagból vagy interferencia-szálból készült szuper lendkerekek nagy fajlagos energiaintenzitása számos hozzájáruló tényezőnek köszönhető.

Először is, a lendkerék vákuumban működik, ami nagymértékben csökkenti a súrlódást a levegőhöz képest. Ehhez a házban lévő vákuumot egy vákuumképző és -karbantartó rendszerrel folyamatosan fenn kell tartani.

Másodszor, a rendszernek képesnek kell lennie a forgó test automatikus egyensúlyozására. Különleges műszaki intézkedéseket tesznek a rezgések és giroszkópos rezgések csökkentésére. Röviden, a lendkerekes rendszerek tervezési szempontból igen igényesek, ezért fejlesztésük összetett mérnöki folyamat.

Úgy tűnik, alkalmasabbak csapágyként mágneses (beleértve a szupravezető) szuszpenziókat… A mérnököknek azonban el kellett hagyniuk az alacsony hőmérsékletű szupravezetőket a felfüggesztésben, mivel ezek sok energiát igényelnek. A kerámia testű hibrid gördülőcsapágyak sokkal jobbak közepes fordulatszámhoz. Ami a nagy sebességű lendkerekeket illeti, gazdaságilag elfogadhatónak és nagyon gazdaságosnak találták a magas hőmérsékletű szupravezetők használatát a felfüggesztésekben.

A FES tárolórendszerek egyik fő előnye nagy fajlagos energiaintenzitásuk után a viszonylag hosszú élettartam, amely elérheti a 25 évet is, a grafén csíkokra épülő lendkerekes rendszerek hatásfoka egyébként eléri a 95%-ot. Ezen kívül érdemes megjegyezni a töltési sebességet. Ez természetesen az elektromos szerelés paramétereitől függ.

Például a vonat gyorsítása és lassítása közben működő energia-visszanyerő egy metró lendkerekén 15 másodperc alatt tölt fel és kisül. Úgy gondolják, hogy a lendkerekes tárolórendszer nagy hatékonyságának elérése érdekében a névleges töltési és kisütési idő nem haladhatja meg az egy órát.

A FES rendszerek alkalmazhatósága meglehetősen széles. Sikeresen használhatók különféle emelőberendezéseken, akár 90%-os energiamegtakarítást biztosítva a be- és kirakodás során. Ezek a rendszerek hatékonyan használhatók elektromos közlekedési akkumulátorok gyors töltésére, frekvencia és teljesítmény stabilizálására elektromos hálózatokban, szünetmentes áramforrásokban, hibrid járművekben stb.

Mindezek mellett a lendkerekes tárolórendszerek figyelemre méltó tulajdonságokkal rendelkeznek.Tehát, ha nagy sűrűségű anyagot használunk, akkor a tárolóeszköz fajlagos energiafogyasztása csökken a névleges forgási sebesség csökkenése miatt.

Ha kis sűrűségű anyagot használnak, akkor a fordulatszám növekedése miatt megnő az energiafogyasztás, de ez megnöveli a vákuummal, valamint a támasztékokkal és tömítésekkel szembeni követelményeket, és bonyolultabbá válik az elektromos átalakító.

A szuper lendkerekek legjobb anyagai a nagy szilárdságú acélszíjak és a rostos anyagok, például a kevlár és a szénszál. A legígéretesebb anyag, amint azt fentebb megjegyeztük, továbbra is a grafén szalag nem csak az elfogadható szilárdsági és sűrűségi paraméterek miatt, hanem elsősorban a törésbiztonsága miatt.

A törés lehetősége komoly akadályt jelent a nagy sebességű lendkerekes rendszerekben. A rétegesen hengerelt és ragasztott kompozit anyagok gyorsan szétesnek, először kis átmérőjű szálakká válnak, amelyek azonnal összegabalyodnak és lelassítják egymást, majd izzó porrá válnak. Az ellenőrzött repedés (baleset esetén) a hajótest károsodása nélkül a mérnökök egyik fő feladata.

A szakadási energia felszabadulása mérsékelhető egy kapszulázott folyadék vagy gélszerű belső burkolattal, amely elnyeli az energiát, ha a lendkerék eltörik.

A robbanás elleni védekezés egyik módja az, hogy a lendkereket a föld alá helyezzük, hogy megállítsa a törmeléket, amely baleset esetén golyósebességgel repülne. Vannak azonban olyan esetek, amikor a töredékek repülése a talajtól felfelé történik, és nemcsak a hajótest, hanem a szomszédos épületek is megsemmisülnek.

Végül nézzük meg a folyamat fizikáját.A forgó test mozgási energiáját a következő képlet határozza meg:

ahol I egy forgó test tehetetlenségi nyomatéka

a szögsebesség a következőképpen ábrázolható:

Például egy folytonos hengernél a tehetetlenségi nyomaték:

majd a szilárd henger kinetikus energiája az f frekvencián egyenlő:

ahol f a frekvencia (fordulat per másodpercben), r a sugár méterben, m a tömeg kilogrammban.

Vegyünk egy durva példát a megértéshez. Egy 3 kW-os kazán 200 másodperc alatt forralja fel a vizet. Milyen sebességgel kell forognia egy 10 kg tömegű, 0,5 m sugarú folytonos hengeres lendkeréknek, hogy a leállítási folyamat során elegendő energia álljon rendelkezésre a víz felforralásához? Legyen bármilyen fordulatszámon működő generátor-átalakítónk hatásfoka 60%.

Válasz. A vízforraló felforralásához szükséges teljes energiamennyiség 200 * 3000 = 600 000 J. A hatékonyságot figyelembe véve 600 000 / 0,6 = 1 000 000 J. A fenti képletet alkalmazva 201,3 fordulat/másodperc értéket kapunk.

Lásd még:Kinetikus energiatároló eszközök az energiaipar számára

Az energiatárolás másik modern módja: Szupravezető mágneses energiatároló rendszerek (SMES)