Hoe vliegwiel (kinetische) energieopslagapparaten zijn gerangschikt en werken

FES staat voor flywheel energy storage, wat betekent energieopslag met behulp van een vliegwiel. Dit betekent dat mechanische energie wordt verzameld en opgeslagen in kinetische vorm terwijl een enorm wiel met hoge snelheid ronddraait.

De aldus verzamelde mechanische energie kan later worden omgezet in elektriciteit, waarvoor het vliegwielsysteem wordt gecombineerd met een omkeerbare elektrische machine die zowel in motor- als generatormodus kan werken.

Wanneer energie moet worden opgeslagen, dient de elektrische machine als een motor en draait het vliegwiel naar de vereiste hoeksnelheid terwijl het elektrische energie van een externe bron verbruikt, in feite elektrische energie omzet in mechanische (kinetische) energie. Wanneer de opgeslagen energie naar de belasting moet worden overgebracht, gaat de elektrische machine in de generatormodus en komt er mechanische energie vrij wanneer het vliegwiel vertraagt.

De meest geavanceerde energieopslagsystemen op basis van vliegwielen hebben een vrij hoge vermogensdichtheid en kunnen concurreren met traditionele energieopslagsystemen.

Kinetische batterij-installaties op basis van supervliegwielen, waarbij het roterende lichaam is gemaakt van hoogwaardig grafeenlint, worden in dit opzicht als bijzonder veelbelovend beschouwd. Dergelijke opslagapparaten kunnen tot 1200 W * h (4,4 MJ!) aan energie opslaan per 1 KILOGRAM massa.

Door recente ontwikkelingen op het gebied van supervliegwielen hebben ontwikkelaars het idee om monolithische aandrijvingen te gebruiken al kunnen verlaten ten gunste van minder gevaarlijke riemsystemen.

Feit is dat monolithische systemen gevaarlijk waren in geval van noodbreuk en minder energie konden verzamelen. Bij het breken valt de tape niet uiteen in grote fragmenten, maar breekt slechts gedeeltelijk; in dit geval stoppen de afzonderlijke delen van de riem het vliegwiel door tegen het binnenoppervlak van de behuizing te wrijven en voorkomen ze verdere vernietiging.

De hoge specifieke energie-intensiteit van supervliegwielen gemaakt van wikkelband of interferentievezel wordt bereikt door een aantal bijdragende factoren.

Ten eerste werkt het vliegwiel in een vacuüm, wat de wrijving aanzienlijk vermindert in vergelijking met lucht. Hiervoor moet het vacuüm in de behuizing constant in stand worden gehouden door een systeem voor het creëren en onderhouden van vacuüm.

Ten tweede moet het systeem het roterende lichaam automatisch kunnen balanceren. Er worden speciale technische maatregelen genomen om trillingen en gyroscopische trillingen te verminderen. Kortom, vliegwielsystemen zijn zeer veeleisend vanuit ontwerpoogpunt, daarom is hun ontwikkeling een complex engineeringproces.

Ze lijken meer geschikt als lagers magnetische (inclusief supergeleidende) suspensies… Ingenieurs moesten echter afzien van lage-temperatuursupergeleiders in suspensies, omdat ze veel energie vergen. Hybride wentellagers met keramische lichamen zijn veel beter voor gemiddelde rotatiesnelheden. Wat vliegwielen met hoge snelheid betreft, is gebleken dat het economisch aanvaardbaar en zeer economisch is om hogetemperatuursupergeleiders in suspensies te gebruiken.

Een van de belangrijkste voordelen van FES-opslagsystemen, na hun hoge specifieke energie-intensiteit, is hun relatief lange levensduur, die kan oplopen tot 25 jaar.Overigens bereikt de efficiëntie van vliegwielsystemen op basis van grafeenstrips 95%. Daarnaast is het vermeldenswaard de laadsnelheid. Dit is natuurlijk afhankelijk van de parameters van de elektrische installatie.

Bijvoorbeeld, een energierecuperator op een metrovliegwiel die werkt tijdens het accelereren en vertragen van de trein laadt en ontlaadt in 15 seconden. Aangenomen wordt dat om een ​​hoog rendement uit het vliegwielopslagsysteem te halen, de nominale laad- en ontlaadtijd niet langer mag zijn dan een uur.

De toepasbaarheid van FES-systemen is vrij breed. Ze kunnen met succes worden gebruikt op verschillende hefwerktuigen en zorgen voor een energiebesparing tot 90% tijdens het laden en lossen. Deze systemen kunnen effectief worden gebruikt voor het snel opladen van batterijen voor elektrisch vervoer, voor het stabiliseren van frequentie en vermogen in elektriciteitsnetten, in ononderbroken stroombronnen, in hybride voertuigen, enz.

Met dit alles hebben vliegwielopslagsystemen opmerkelijke eigenschappen.Dus als materiaal met een hoge dichtheid wordt gebruikt, neemt het specifieke stroomverbruik van het opslagapparaat af als gevolg van een afname van de nominale rotatiesnelheid.

Als een materiaal met een lage dichtheid wordt gebruikt, neemt het stroomverbruik toe als gevolg van de toename van de snelheid, maar dit verhoogt de vereisten voor vacuüm, evenals voor steunen en afdichtingen, en de elektrische omzetter wordt complexer.

De beste materialen voor supervliegwielen zijn zeer sterke stalen riemen en vezelachtige materialen zoals Kevlar en koolstofvezel. Het meest veelbelovende materiaal, zoals hierboven vermeld, blijft de grafeentape, niet alleen vanwege de acceptabele parameters van sterkte en dichtheid, maar vooral vanwege de veiligheid bij het breken.

De kans op breuk is een groot obstakel voor snelle vliegwielsystemen. Composietmaterialen die in lagen worden gerold en gelijmd vallen snel uiteen, eerst delaminerend in filamenten met een kleine diameter die elkaar onmiddellijk verstrengelen en vertragen, en vervolgens in een gloeiend poeder. Gecontroleerd scheuren (bij een ongeval) zonder schade aan de romp is een van de hoofdtaken van ingenieurs.

Het vrijkomen van breukenergie kan worden beperkt door een ingekapselde vloeistof of gelachtige binnenbekleding van de behuizing die de energie absorbeert als het vliegwiel breekt.

Een manier om je tegen een ontploffing te beschermen, is door het vliegwiel ondergronds te plaatsen om al het puin tegen te houden dat bij een ongeval met kogelsnelheid zou rondvliegen. Er zijn echter gevallen waarin de vlucht van fragmenten vanaf de grond naar boven plaatsvindt, met de vernietiging van niet alleen de romp, maar ook de aangrenzende gebouwen.

Laten we tot slot kijken naar de fysica van het proces.De kinetische energie van een roterend lichaam wordt bepaald door de formule:

waarbij I het traagheidsmoment is van een roterend lichaam

de hoeksnelheid kan als volgt worden weergegeven:

Voor een continue cilinder is het traagheidsmoment bijvoorbeeld:

en dan is de kinetische energie voor een vaste cilinder door frequentie f gelijk aan:

waarbij f de frequentie is (in omwentelingen per seconde), r de straal in meters, m de massa in kilogram.

Laten we een ruw voorbeeld nemen om het te begrijpen. Een boiler van 3 kW kookt water in 200 seconden. Met welke snelheid moet een continu cilindrisch vliegwiel met een massa van 10 kg en een straal van 0,5 m draaien zodat er tijdens het stoppen voldoende energie is om het water te koken? Laat het rendement van onze generator-omvormer (in staat om op elke snelheid te werken) 60% zijn.

Antwoord. De totale hoeveelheid energie die nodig is om de ketel aan de kook te brengen is 200 * 3000 = 600.000 J. Rekening houdend met efficiëntie, 600.000 / 0,6 = 1.000.000 J. Als we bovenstaande formule toepassen, krijgen we een waarde van 201,3 omwentelingen per seconde.

Zie ook:Kinetische energieopslagapparaten voor de energiesector

Een andere moderne manier om energie op te slaan: Supergeleidende magnetische energieopslagsystemen (MKB)