Naprave za shranjevanje kinetične energije za elektroindustrijo

Tema izboljšanja energetske učinkovitosti verjetno ne bo nikoli izgubila aktualnosti. Zaradi tega dejstva številne ustanove danes razvijajo učinkovitejše naprave za shranjevanje energije. In ena od obetavnih rešitev na tem področju je uporaba kinetičnega (v gibanju) shranjevanja energije, ki temelji na visokoenergijskih vztrajnikih.

Njihova področja uporabe se lahko razlikujejo od majhnih neodvisnih neprekinjenih napajalnikov za zasebna gospodinjstva do velikih industrijskih naprav, ki kopičijo energijo med vrtenjem vztrajnika in jo ob pravem času sprostijo na zahtevani ravni moči, ščitijo omrežje pred napetostnimi sunki.

Prednost takšnih enot je, da masivni vztrajnik lahko takoj pretvori akumulirano kinetično energijo v električno energijo, s čimer potrošniški opremi zagotovi potrebno moč.

Za takšne naprave so značilni minimalni obratovalni stroški, visoka stopnja avtomatizacije in odsotnost rednega vzdrževanja.

Po polnjenju do polne zmogljivosti v nekaj minutah bo vztrajnik po potrebi za nekaj sekund sprostil shranjeno energijo, medtem ko običajni parametri delovanja omrežja morda ne bodo zdržali visokih koničnih tokov.

Kako deluje

Vztrajnik prejema vrtenje od električnega stroja preko gredi ali preko drugega prenosnega mehanizma in po potrebi daje akumulirano energijo skozi gred v generatorskem načinu, stroj, ki sam vrti vztrajnik, pa lahko v tem trenutku deluje kot generator.

Avtomatiziran krmilni sistem s senzorji za nadzor parametrov bo naredil postopek pridobivanja hitrosti varen in se bo v kritični situaciji odzval tako na doseganje nevarne hitrosti vrtenja vztrajnika kot na potrebo po takojšnjem preklopu v način vračanja akumulirana kinetična energija.

Funkcije in zmogljivosti

Na ta način kinetične naprave za shranjevanje omogočajo reševanje težav z akumulacijo, začasnim shranjevanjem in kasnejšo pretvorbo energije, da se zagotovijo optimalni načini moči opreme, tudi z izjemno nestandardnimi parametri. Posledično je zajet najširši spekter možnih aplikacij te tehnične rešitve.

Elektromehanski pretvornik te vrste ima številne prednosti. Specifična energetska intenzivnost kinetičnih hranilnikov je višja kot pri kondenzatorjih, po specifični moči (toku), ki jo oddaja bremenu, pa so pred kislinskimi baterijami in gorivnimi celicami.

Hkrati so kinetične naprave za shranjevanje kompaktne, okolju prijazne, imajo približno 90-odstotno učinkovitost, imajo dolgo življenjsko dobo več kot 10 let, so enostavne za vzdrževanje, delovni vir pa je praktično neomejen, poleg tega pa hladilni sistem je stokrat cenejši od superprevodnih indukcijskih naprav za shranjevanje (SPIN). …

Medicinski centri, jedrski objekti, centri za shranjevanje podatkov, bančna skladišča, kemična industrija – povsod, kjer je potrebna varnostna kopija energije za napajanje kritičnih uporabnikov, bodo kinetične naprave za shranjevanje prav prišle. Kaj naj rečemo o kompenzaciji koničnih obremenitev velikih elektroenergetskih sistemov, zaradi česar prihaja do izpadov električne energije celotnih urbanih območij.

Kaj se uporablja zdaj

Razvoj kinetičnih pomnilniških naprav se že deset let ne ustavi v več regijah sveta, zlasti v ZDA in Nemčiji, zadnja leta pa tudi v Rusiji.

Nemški ATZ proizvaja pogone 20 MJ, ki lahko oddajajo moč do 250 kW in so opremljeni s sistemom za sinhronizacijo omrežja. Poleg tega dimenzije naprave ne presegajo 1,5 metra.

Pogonski vztrajnik je izdelan iz ogljikovih vlaken visoke trdnosti in je nameščen na HTSC keramičnem vzmetenju. Električni stroj, ki pospešuje vztrajnik ATZ in proizvaja elektriko, je končan na osnovi trajnih magnetov redkih zemelj.

American Beacon Power proizvaja cilindrične hranilnike za 6 kWh in 25 kWh, ki se lahko uporabljajo v grozdih za zagotavljanje stabilnosti trenutnih parametrov v industrijskih električnih omrežjih države.

Faze načrtovanja KNE

Pri načrtovanju kinetične naprave za shranjevanje razvijalci rešujejo naslednje inženirske probleme: izračunajo motor-generator, izberejo ležaje, izračunajo vztrajnik ter sisteme za hlajenje, nadzor in krmiljenje, nato pa nadaljujejo s proizvodnjo.

Glede na namembnost posameznega modela pogona so lahko vanje vgrajeni električni stroji načeloma različni. Vendar pa obstaja nedvomna prednost sinhroni električni stroji… V sinhronskih strojih ni ščetk, trajni magneti rotorja pa omogočajo visoko specifično moč motorja-generatorja.

Ležaji in vzmetenja so najprimernejši za brezkontaktne ležaje, kot so tisti na osnovi visokotemperaturnih superprevodnikov (HTSC).

Čeprav taki sistemi zahtevajo posebno hlajenje, so kljub temu popolnoma stabilizirani brez napajanja: induktor niza trajnih magnetov interagira z matriko HTSP v superprevodnem stanju. Tudi v zraku ni izgub zaradi trenja, tresljaji so minimalni tudi pri visokih hitrostih, struktura se med delovanjem avtomatsko centrira.

Primer naprave, ki so jo razvili v ruskem MAI

Magnetno polje trajnih magnetov sodeluje z aktiviranimi HTSP bloki in po namestitvi nosilca se vztrajnik preprosto nagne nad kriostat (levitira nad njim na razdalji manj kot 1 cm), medtem ko se ne premika v radialni smeri.

Elektromagnetna interakcija polov statorja in rotorja ustvarja posledični navor, ki pospeši vztrajnik in tako napaja pogon.In ker ni izgub v nosilcih, akumuliranih v kinetični obliki, se energija dolgo časa shranjuje in po potrebi porabi s pretvorbo v generatorski način.

V procesu akumulacije polnih nazivnih 500 kJ energije se vztrajnik v 300 sekundah pospeši na 6000 vrtljajev na minuto. Z lahkoto zagotavlja moč 10 kW za 25 sekund neprekinjeno, saj je nazivna moč, odvzeta iz naprave 250 kJ, lahko obremenitev 1 kW zagotovimo za 4 minute.

Frekvenca vhodne napetosti pri polnjenju je 50 Hz pri standardni omrežni napetosti 220-240 voltov. Vztrajnik tehta 100 kg, vztrajnostni moment pa je približno 3,6 kg * m2.

Kar zadeva način generatorja, je trenutna frekvenca med izbiro 200 Hz na treh fazah pri napetostih od 160 do 240 voltov. Največja nazivna moč za izbiro je 11 kW.

Obeti za Rusijo in CIS

Pred kratkim je rusko podjetje Kinetic Power ustvarilo lastno različico stacionarnih naprav za shranjevanje kinetične energije, ki temeljijo na super vztrajnikih. Eden takšnih hranilnikov lahko shrani do 100 kWh energije in zagotovi kratkotrajno moč do 300 kW.

V razmerah ruskega trga je skupina več takšnih hranilnikov sposobna izenačiti dnevno heterogenost električne obremenitve celotne regije in nadomestiti drage in obsežne črpalne elektrarne.

Poleg tega, kot je bilo omenjeno na začetku, je mogoče kinetične naprave za shranjevanje uporabiti za zagotavljanje neprekinjenega napajanja opreme z najvišjo stopnjo odgovornosti.Edinstvene lastnosti teh dogodkov zagotavljajo odziv naprave na ravni stotink sekunde, kar uporabnikom omogoča, da niti za sekundo ne prekinejo napajanja.