Kako so urejene in delujejo naprave za shranjevanje (kinetične) energije vztrajnika

FES je okrajšava za flywheel energy storage, kar pomeni shranjevanje energije z uporabo vztrajnika. To pomeni, da se mehanska energija kopiči in shranjuje v kinetični obliki, ko se masivno kolo vrti z veliko hitrostjo.

Tako akumulirana mehanska energija se lahko kasneje pretvori v električno energijo, za kar je sistem vztrajnika kombiniran z reverzibilnim električnim strojem, ki lahko deluje tako v motornem kot generatorskem načinu.

Ko je treba energijo shraniti, električni stroj služi kot motor in vrti vztrajnik do zahtevane kotne hitrosti, pri tem pa porablja električno energijo iz zunanjega vira, dejansko – pretvarja električno energijo – v mehansko (kinetično) energijo. Ko je treba shranjeno energijo prenesti na obremenitev, gre električni stroj v generatorski način in mehanska energija se sprosti, ko se vztrajnik upočasni.

Najnaprednejši sistemi za shranjevanje energije, ki temeljijo na vztrajnikih, imajo precej visoko gostoto moči in se lahko kosajo s tradicionalnimi sistemi za shranjevanje energije.

Posebej obetavne v tem pogledu veljajo kinetične baterije na osnovi super vztrajnikov, kjer je vrtljivo telo izdelano iz grafenskega traku visoke trdnosti. Takšne naprave za shranjevanje lahko shranijo do 1200 W * h (4,4 MJ!) energije na 1 KILOGRAM mase.

Nedavni razvoj na področju super vztrajnikov je razvijalcem že omogočil, da opustijo zamisel o uporabi monolitnih pogonov v korist manj nevarnih jermenskih sistemov.

Dejstvo je, da so bili monolitni sistemi nevarni v primeru nujnega zloma in so lahko akumulirali manj energije. Pri zlomu se trak ne razprši na velike drobce, ampak se le delno zlomi; v tem primeru ločeni deli jermena zaustavijo vztrajnik z drgnjenjem ob notranjo površino ohišja in preprečijo njegovo nadaljnje uničenje.

Visoka specifična energijska intenzivnost super vztrajnikov, izdelanih iz navijalnega traku ali interferenčnih interferenčnih vlaken, je dosežena zaradi številnih dejavnikov, ki prispevajo k temu.

Prvič, vztrajnik deluje v vakuumu, kar močno zmanjša trenje v primerjavi z zrakom. Za to je treba vakuum v ohišju nenehno vzdrževati s sistemom za ustvarjanje in vzdrževanje vakuuma.

Drugič, sistem mora biti sposoben samodejno uravnotežiti vrteče se telo. Sprejeti so posebni tehnični ukrepi za zmanjšanje vibracij in žiroskopskih vibracij. Skratka, vztrajniški sistemi so konstrukcijsko zelo zahtevni, zato je njihov razvoj kompleksen inženirski proces.

Zdi se, da so primernejši kot ležaji magnetne (vključno s superprevodnimi) suspenzije… Inženirji pa so morali opustiti nizkotemperaturne superprevodnike v suspenzijah, saj zahtevajo veliko energije. Hibridni kotalni ležaji s keramičnimi ohišji so veliko boljši za srednje hitrosti vrtenja. Kar zadeva visokohitrostne vztrajnike, je bilo ugotovljeno, da je ekonomsko sprejemljiva in zelo ekonomična uporaba visokotemperaturnih superprevodnikov v suspenzijah.

Ena od glavnih prednosti sistemov za shranjevanje FES, po njihovi visoki specifični energijski intenzivnosti, je njihova relativno dolga življenjska doba, ki lahko doseže 25 let.Mimogrede, učinkovitost sistemov vztrajnika na osnovi grafenskih trakov doseže 95%. Poleg tega je treba omeniti hitrost polnjenja. To je seveda odvisno od parametrov električne napeljave.

Na primer, rekuperator energije na vztrajniku podzemne železnice, ki deluje med pospeševanjem in zaviranjem vlaka, se napolni in izprazni v 15 sekundah. Menijo, da za doseganje visoke učinkovitosti sistema za shranjevanje vztrajnika nazivni čas polnjenja in praznjenja ne sme presegati ene ure.

Uporabnost FES sistemov je precej široka. Uspešno jih je mogoče uporabiti na različnih dvižnih napravah, pri čemer zagotavljajo do 90% prihranek energije pri nakladanju in razkladanju. Ti sistemi se lahko učinkovito uporabljajo za hitro polnjenje električnih transportnih baterij, za stabilizacijo frekvence in moči v električnih omrežjih, v virih brezprekinitvenega napajanja, v hibridnih vozilih itd.

Ob vsem tem imajo sistemi za shranjevanje z vztrajnikom izjemne lastnosti.Torej, če se uporablja material z visoko gostoto, se specifična poraba energije pomnilniške naprave zmanjša zaradi zmanjšanja nazivne hitrosti vrtenja.

Če se uporablja material z nizko gostoto, se zaradi povečanja hitrosti poveča poraba energije, vendar se s tem povečajo zahteve za vakuum, pa tudi za nosilce in tesnila, električni pretvornik pa postane bolj zapleten.

Najboljši materiali za super vztrajnike so jekleni jermeni visoke trdnosti in vlaknati materiali, kot so kevlar in ogljikova vlakna. Najbolj obetaven material, kot je navedeno zgoraj, ostaja grafenski trak ne le zaradi sprejemljivih parametrov trdnosti in gostote, temveč predvsem zaradi njegove varnosti pri zlomu.

Možnost zloma je velika ovira za sisteme z vztrajnikom za visoke hitrosti. Kompozitni materiali, ki so zviti in zlepljeni v plasteh, hitro razpadejo, najprej se razslojijo v filamente majhnega premera, ki se med seboj takoj zapletejo in upočasnijo, nato pa v žareč prah. Kontrolirana razpoka (v primeru nesreče) brez poškodb trupa je ena glavnih nalog inženirjev.

Sproščanje porušitvene energije je mogoče ublažiti z inkapsulirano tekočino ali gelu podobno notranjo oblogo ohišja, ki bo absorbirala energijo, če se vztrajnik zlomi.

Eden od načinov za zaščito pred eksplozijo je, da vztrajnik postavite pod zemljo, da zaustavite morebitne ostanke, ki bi v primeru nesreče poleteli s hitrostjo krogle. Vendar pa obstajajo primeri, ko pride do letenja drobcev navzgor od tal, pri čemer se uniči ne le trup, ampak tudi sosednje zgradbe.

Za konec si poglejmo še fiziko procesa.Kinetična energija rotirajočega telesa je določena s formulo:

kjer je I vztrajnostni moment rotirajočega telesa

kotno hitrost lahko predstavimo na naslednji način:

Na primer, za neprekinjeni valj je vztrajnostni moment:

in potem je kinetična energija za trdni valj skozi frekvenco f enaka:

kjer je f frekvenca (v obratih na sekundo), r je polmer v metrih, m je masa v kilogramih.

Vzemimo grob primer, da bomo razumeli. Kotel moči 3 kW zavre vodo v 200 sekundah. S kolikšno hitrostjo se mora vrteti zvezni valjasti vztrajnik z maso 10 kg in polmerom 0,5 m, da je med njegovim zaustavljanjem dovolj energije, da voda zavre? Naj bo izkoristek našega generatorja-pretvornika (zmožnost delovanja pri kateri koli hitrosti) 60%.

Odgovori. Skupna količina energije, ki je potrebna za zavretje kotlička, je 200 * 3000 = 600.000 J. Ob upoštevanju učinkovitosti je 600.000 / 0,6 = 1.000.000 J. Z uporabo zgornje formule dobimo vrednost 201,3 vrtljajev na sekundo.

Poglej tudi:Naprave za shranjevanje kinetične energije za elektroindustrijo

Še en sodoben način shranjevanja energije: Superprevodni sistemi za shranjevanje magnetne energije (SMES)