Kako su raspoređeni i rade uređaji za pohranu zamašnjaka (kinetičke) energije

FES je skraćenica od flywheel energy storage, što znači skladištenje energije pomoću zamašnjaka. To znači da se mehanička energija akumulira i pohranjuje u kinetičkom obliku dok se masivni kotač okreće velikom brzinom.

Tako akumulirana mehanička energija može se kasnije pretvoriti u električnu, za što se sustav zamašnjaka kombinira s reverzibilnim električnim strojem koji može raditi i u motornom i u generatorskom načinu rada.

Kada je potrebno pohraniti energiju, električni stroj služi kao motor i okreće zamašnjak na potrebnu kutnu brzinu dok troši električnu energiju iz vanjskog izvora, zapravo - pretvarajući električnu energiju - u mehaničku (kinetičku) energiju. Kada se pohranjena energija treba prenijeti na opterećenje, električni stroj prelazi u generatorski način rada i mehanička energija se oslobađa dok se zamašnjak usporava.

Najnapredniji sustavi za pohranu energije temeljeni na zamašnjacima imaju prilično visoku gustoću snage i mogu se natjecati s tradicionalnim sustavima za pohranu energije.

Instalacije kinetičke baterije temeljene na super zamašnjacima, gdje je rotirajuće tijelo izrađeno od grafenske vrpce visoke čvrstoće, smatraju se posebno obećavajućim u tom pogledu. Takvi uređaji za pohranu mogu pohraniti do 1200 W * h (4,4 MJ!) energije po 1 KILOGRAMU mase.

Nedavni razvoj na polju super zamašnjaka već je omogućio programerima da odustanu od ideje korištenja monolitnih pogona u korist manje opasnih sustava remena.

Činjenica je da su monolitni sustavi bili opasni u slučaju hitnog pucanja i mogli su akumulirati manje energije. Kada se lomi, traka se ne raspršuje u velike fragmente, već se samo djelomično lomi; u tom slučaju odvojeni dijelovi remena zaustavljaju zamašnjak trljanjem o unutarnju površinu kućišta i sprječavaju njegovo daljnje uništavanje.

Visoki specifični energetski intenzitet super zamašnjaka izrađenih od vrpce za namatanje ili interferencijskih vlakana postiže se zbog brojnih čimbenika koji doprinose.

Prvo, zamašnjak radi u vakuumu, što znatno smanjuje trenje u usporedbi sa zrakom. Za to se vakuum u kućištu mora stalno održavati sustavom za stvaranje i održavanje vakuuma.

Drugo, sustav mora biti u stanju automatski balansirati rotirajuće tijelo. Poduzimaju se posebne tehničke mjere za smanjenje vibracija i žiroskopskih vibracija. Ukratko, sustavi zamašnjaka su projektantski vrlo zahtjevni, stoga je njihov razvoj složen inženjerski proces.

Čini se da su prikladniji kao ležajevi magnetske (uključujući supravodljive) suspenzije… Međutim, inženjeri su morali napustiti niskotemperaturne supravodiče u suspenzijama, jer zahtijevaju puno energije. Hibridni kotrljajući ležajevi s keramičkim tijelom puno su bolji za srednje brzine vrtnje. Što se tiče zamašnjaka velike brzine, pokazalo se da je ekonomski prihvatljivo i vrlo ekonomično koristiti visokotemperaturne supravodiče u ovjesima.

Jedna od glavnih prednosti FES sustava za pohranu, nakon njihovog visokog specifičnog energetskog intenziteta, je njihov relativno dug radni vijek, koji može doseći 25 godina.Usput, učinkovitost sustava zamašnjaka temeljenih na grafenskim trakama doseže 95%. Osim toga, vrijedi napomenuti brzinu punjenja. To naravno ovisi o parametrima električne instalacije.

Na primjer, rekuperator energije na zamašnjaku podzemne željeznice koji radi tijekom ubrzavanja i usporavanja vlaka puni se i prazni za 15 sekundi. Vjeruje se da, kako bi se postigla visoka učinkovitost sustava za pohranu zamašnjaka, nazivno vrijeme punjenja i pražnjenja ne bi trebalo prelaziti jedan sat.

Primjenjivost FES sustava prilično je široka. Uspješno se mogu koristiti na različitim uređajima za dizanje, osiguravajući uštedu energije do 90% tijekom utovara i istovara. Ovi sustavi se mogu učinkovito koristiti za brzo punjenje baterija električnog transporta, za stabilizaciju frekvencije i snage u električnim mrežama, u izvorima neprekidnog napajanja, u hibridnim vozilima itd.

Uz sve to, sustavi za pohranu zamašnjaka imaju izvanredne značajke.Dakle, ako se koristi materijal visoke gustoće, tada se specifična potrošnja energije uređaja za pohranu smanjuje zbog smanjenja nominalne brzine vrtnje.

Ako se koristi materijal niske gustoće, tada se povećava potrošnja energije zbog povećanja brzine, ali time se povećavaju zahtjevi za vakuumom, kao i za nosače i brtve, a električni pretvarač postaje složeniji.

Najbolji materijali za super zamašnjake su čelični remeni visoke čvrstoće i vlaknasti materijali poput kevlara i karbonskih vlakana. Materijal koji najviše obećava, kao što je gore navedeno, ostaje grafenska traka ne samo zbog prihvatljivih parametara čvrstoće i gustoće, već uglavnom zbog svoje sigurnosti pri lomljenju.

Mogućnost loma velika je prepreka za sustave zamašnjaka velike brzine. Kompozitni materijali koji se smotaju i lijepe u slojevima brzo se raspadaju, prvo se raslojavaju u filamente malog promjera koji se trenutno međusobno zapliću i usporavaju, a zatim u svijetleći prah. Kontrolirano pucanje (u slučaju nesreće) bez oštećenja trupa jedan je od glavnih zadataka inženjera.

Oslobađanje energije pucanja može se ublažiti inkapsuliranom tekućinom ili unutarnjom oblogom kućišta nalik gelu koja će apsorbirati energiju ako se zamašnjak slomi.

Jedan od načina zaštite od eksplozije je staviti zamašnjak ispod zemlje kako bi se zaustavio svaki krhotina koja bi letjela brzinom metka u slučaju nesreće. Međutim, postoje slučajevi kada dolazi do leta fragmenata prema gore od tla, uz uništavanje ne samo trupa, već i susjednih zgrada.

Na kraju, pogledajmo fiziku procesa.Kinetička energija rotirajućeg tijela određena je formulom:

gdje je I moment tromosti rotirajućeg tijela

kutna brzina se može prikazati na sljedeći način:

Na primjer, za kontinuirani cilindar, moment inercije je:

i tada je kinetička energija za čvrsti cilindar kroz frekvenciju f jednaka:

gdje je f frekvencija (u okretajima u sekundi), r je polumjer u metrima, m je masa u kilogramima.

Uzmimo grubi primjer da bismo razumjeli. Kotao od 3 kW prokuha vodu za 200 sekundi. Kolikom se brzinom mora vrtjeti kontinuirani cilindrični zamašnjak mase 10 kg i polumjera 0,5 m da tijekom procesa zaustavljanja ima dovoljno energije da voda proključa? Neka učinkovitost našeg generatora-pretvarača (sposobnog za rad pri bilo kojoj brzini) bude 60%.

Odgovor. Ukupna količina energije potrebna za kuhanje kuhala za vodu je 200 * 3000 = 600 000 J. Uzimajući u obzir učinkovitost, 600 000 / 0,6 = 1 000 000 J. Primjenom gornje formule dobivamo vrijednost od 201,3 okretaja u sekundi.

Vidi također:Uređaji za pohranu kinetičke energije za elektroprivredu

Još jedan moderan način skladištenja energije: Supravodljivi sustavi za pohranu magnetske energije (SMES)