Kinetische energieopslagapparaten voor de energiesector

Het onderwerp energie-efficiëntie verbeteren zal waarschijnlijk nooit aan relevantie verliezen. Vanwege dit feit ontwikkelen veel instellingen tegenwoordig efficiëntere apparaten voor energieopslag. En een van de veelbelovende oplossingen op dit gebied is het gebruik van kinetische (in beweging zijnde) energieopslag op basis van hoogenergetische vliegwielen.

Hun toepassingsgebieden kunnen variëren van kleine onafhankelijke ononderbroken stroomvoorzieningen voor particuliere huishoudens tot grote industriële installaties die energie verzamelen tijdens de rotatie van een vliegwiel en deze op het juiste moment op het vereiste vermogensniveau vrijgeven, waardoor het netwerk wordt beschermd tegen spanningspieken.

Het voordeel van dergelijke eenheden is dat het enorme vliegwiel in staat is om de geaccumuleerde kinetische energie onmiddellijk om te zetten in elektrische energie, waardoor de consumentenapparatuur van de nodige stroom wordt voorzien.

Dergelijke apparaten worden gekenmerkt door minimale bedrijfskosten, een hoge mate van automatisering en geen regelmatig onderhoud.

Nadat het in enkele minuten tot volledige capaciteit is opgeladen, zal het vliegwiel indien nodig de opgeslagen energie gedurende enkele seconden vrijgeven, terwijl de normale bedrijfsparameters van het netwerk mogelijk niet bestand zijn tegen hoge piekstromen.

Hoe het werkt

Het vliegwiel ontvangt rotatie van een elektrische machine via een as of via een ander overbrengingsmechanisme en geeft, indien nodig, de geaccumuleerde energie door de as in generatormodus, en de machine die het vliegwiel laat draaien kan op dat moment zelf als generator werken.

Een geautomatiseerd besturingssysteem met sensoren voor het regelen van parameters zal het proces van het verkrijgen van snelheid veilig maken en zal in een kritieke situatie zowel reageren op het bereiken van een gevaarlijke rotatiesnelheid van het vliegwiel als op de noodzaak om onmiddellijk over te schakelen naar de modus van terugkeren van de geaccumuleerde kinetische energie.

Functies en mogelijkheden

Op deze manier maken kinetische opslagapparaten het mogelijk om de problemen van accumulatie, tijdelijke opslag en daaropvolgende omzetting van energie op te lossen om optimale vermogensmodi van de apparatuur te garanderen, zelfs met extreem niet-standaard parameters. Hierdoor wordt het breedste scala aan mogelijke toepassingen van deze technische oplossing gedekt.

Een dergelijke elektromechanische omvormer heeft een aantal voordelen. De specifieke energie-intensiteit van kinetische opslagapparaten is hoger dan die van condensatoren, en wat betreft het specifieke vermogen (stroom) dat aan de belasting wordt geleverd, lopen ze voor op zowel zuurbatterijen als brandstofcellen.

Tegelijkertijd zijn kinetische opslagapparaten compact, milieuvriendelijk, hebben ze een efficiëntie van ongeveer 90%, hebben ze een lange levensduur van meer dan 10 jaar, zijn ze gemakkelijk te onderhouden en zijn de werkbronnen praktisch onbeperkt. koelsysteem is honderd keer goedkoper dan dat van supergeleidende inductieopslagapparaten (SPIN's). …

Medische centra, nucleaire faciliteiten, gegevensopslagcentra, bankmagazijnen, chemische industrieën - overal waar energieback-up nodig is om kritieke gebruikers van stroom te voorzien, komen apparaten voor kinetische opslag van pas. Wat kunnen we zeggen over het compenseren van piekbelastingen voor grote energiesystemen, waardoor er stroomuitval is in hele stedelijke gebieden.

Wat wordt er nu gebruikt

Sinds tien jaar is de ontwikkeling van kinetische opslagapparaten in verschillende delen van de wereld niet gestopt, vooral in de VS en Duitsland, en de laatste jaren in Rusland.

De Duitse ATZ produceert 20 MJ-aandrijvingen die een vermogen tot 250 kW kunnen leveren, uitgerust met een netsynchronisatiesysteem. Bovendien zijn de afmetingen van het apparaat niet groter dan 1,5 meter.

Het aandrijfvliegwiel is gemaakt van hoogwaardig koolstofvezel en is gemonteerd op een HTSC keramische ophanging. De elektrische machine die het vliegwiel van de ATZ versnelt en elektriciteit opwekt is compleet gebaseerd op permanente zeldzame-aardemagneten.

American Beacon Power produceert cilindrische opslagapparaten voor 6 kWh en 25 kWh die in clusters kunnen worden gebruikt om de stabiliteit van de huidige parameters in de industriële elektriciteitsnetten van het land te waarborgen.

KNE-ontwerpfasen

Bij het ontwerpen van een kinetisch opslagapparaat lossen ontwikkelaars de volgende technische problemen op: bereken de motor-generator, selecteer de lagers, bereken het vliegwiel, evenals de koel-, bewakings- en regelsystemen en ga dan verder met productie.

Op basis van het doel van een specifiek aandrijfmodel kunnen de daarin geïntegreerde elektrische machines in principe verschillen. Er is echter een onmiskenbaar voordeel synchrone elektrische machines… In synchrone machines zijn er geen borstels, en de permanente magneten van de rotor maken het mogelijk om een ​​hoog specifiek vermogen van de motor-generator te verkrijgen.

Lagers en ophangingen zijn het meest geschikt voor contactloze lagers, zoals lagers op basis van hogetemperatuursupergeleiders (HTSC).

Hoewel dergelijke systemen speciale koeling nodig hebben, zijn ze zonder voeding toch perfect gestabiliseerd: een inductor van een set permanente magneten interageert met een HTSP-matrix in een supergeleidende toestand. Er zijn geen wrijvingsverliezen, zelfs niet in lucht, trillingen zijn minimaal, zelfs bij hoge snelheden, en de structuur wordt tijdens bedrijf automatisch gecentreerd.

Een voorbeeld van een apparaat ontwikkeld bij de Russische MAI

Het magnetische veld van permanente magneten werkt samen met de geactiveerde HTSP-blokken en na installatie van de steun leunt het vliegwiel eenvoudig over de cryostaat (zweeft erover op een afstand van minder dan 1 cm), terwijl het niet in radiale richting beweegt.

De elektromagnetische interactie van de stator- en rotorpolen creëert een resulterend koppel dat het vliegwiel versnelt en zo de aandrijving bekrachtigt.En aangezien er geen verliezen zijn in de in kinetische vorm opgehoopte steunen, wordt de energie lange tijd opgeslagen en, indien nodig, verbruikt door omzetting naar generatormodus.

Tijdens het accumuleren van de volledige nominale energie van 500 kJ wordt het vliegwiel in 300 seconden versneld tot 6000 omwentelingen per minuut. Het kan gemakkelijk een vermogen van 10 kW gedurende 25 seconden continu leveren, aangezien het nominale vermogen dat van de installatie wordt afgenomen respectievelijk 250 kJ is, kan een belasting van 1 kW gegarandeerd worden geleverd gedurende 4 minuten.

De ingangsspanningsfrequentie bij opladen is 50 Hz bij een standaard netspanning van 220-240 volt. Het vliegwiel weegt 100 kg en het traagheidsmoment is ongeveer 3,6 kg * m2.

Wat betreft de generatormodus, de huidige frequentie tijdens selectie is 200 Hz op drie fasen bij spanningen van 160 tot 240 volt. Het maximale nominale vermogen voor selectie is 11 kW.

Vooruitzichten voor Rusland en het GOS

Meer recentelijk heeft het Russische bedrijf Kinetic Power zijn eigen versie van stationaire kinetische energieopslagapparaten gemaakt op basis van supervliegwielen. Eén zo'n opslagapparaat kan tot 100 kWh aan energie opslaan en op korte termijn tot 300 kW leveren.

In de omstandigheden van de Russische markt is een groep van verschillende van dergelijke opslagapparaten in staat om de dagelijkse heterogeniteit van de elektrische belasting van een hele regio gelijk te maken en dure en omvangrijke pompcentrales te vervangen.

Bovendien, zoals in het begin opgemerkt, kunnen kinetische opslagapparaten worden gebruikt om ononderbroken stroom te leveren aan apparatuur met de hoogste niveaus van verantwoordelijkheid.De unieke eigenschappen van deze ontwikkelingen zorgen voor een respons van het apparaat op het niveau van honderdsten van een seconde, waardoor gebruikers de stroomvoorziening geen seconde hoeven te onderbreken.