Kaip išdėstyti ir veikia smagračio (kinetinės) energijos kaupikliai

FES yra trumpas smagračio energijos kaupimas, o tai reiškia energijos kaupimą naudojant smagratį. Tai reiškia, kad mechaninė energija kaupiama ir kaupiama kinetine forma, kai masyvus ratas sukasi dideliu greičiu.

Taip sukaupta mechaninė energija vėliau gali būti paversta elektra, kuriai smagračio sistema derinama su reversine elektrine mašina, galinčia veikti tiek variklio, tiek generatoriaus režimais.

Kai reikia kaupti energiją, elektrinė mašina veikia kaip variklis ir sukasi smagratį iki reikiamo kampinio greičio, kartu sunaudodama elektros energiją iš išorinio šaltinio, iš esmės – elektros energiją paverčiant mechanine (kinetine) energija. Kai sukauptą energiją reikia perkelti į apkrovą, elektros mašina pereina į generatoriaus režimą ir lėtėjant smagračiui išsiskiria mechaninė energija.

Pažangiausios energijos kaupimo sistemos, pagrįstos smagračiais, turi gana didelį galios tankį ir gali konkuruoti su tradicinėmis energijos kaupimo sistemomis.

Šiuo atžvilgiu ypač perspektyvūs laikomi kinetinių baterijų įrengimai, pagrįsti super smagračiais, kai besisukantis korpusas pagamintas iš itin stiprios grafeno juostelės. Tokie saugojimo įrenginiai gali sukaupti iki 1200 W * h (4,4 MJ!) energijos 1 KILOGRAMAM masės.

Naujausi pokyčiai super smagračių srityje jau leido kūrėjams atsisakyti idėjos naudoti monolitines pavaras mažiau pavojingų diržų sistemų naudai.

Faktas yra tas, kad monolitinės sistemos buvo pavojingos avarinio plyšimo atveju ir galėjo sukaupti mažiau energijos. Nutrūkus juosta neišsisklaido į didelius fragmentus, o tik iš dalies nutrūksta; tokiu atveju atskiros diržo dalys sustabdo smagratį, trindamosi į vidinį korpuso paviršių ir užkerta kelią tolesniam jo ardymui.

Super smagračių, pagamintų iš vyniojamosios juostos arba trukdžių pluošto, didelis savitasis energijos intensyvumas pasiekiamas dėl daugelio prisidedančių veiksnių.

Pirma, smagratis veikia vakuume, o tai labai sumažina trintį, palyginti su oru. Tam vakuumą korpuse turi nuolat palaikyti vakuumo kūrimo ir priežiūros sistema.

Antra, sistema turi sugebėti automatiškai subalansuoti besisukantį korpusą. Imamasi specialių techninių priemonių vibracijai ir giroskopinei vibracijai sumažinti. Trumpai tariant, smagračių sistemos yra labai reiklios projektavimo požiūriu, todėl jų kūrimas yra sudėtingas inžinerinis procesas.

Atrodo, kad jie labiau tinka kaip guoliai magnetinės (įskaitant superlaidžios) suspensijos… Tačiau inžinieriai turėjo atsisakyti žemos temperatūros superlaidininkų pakabose, nes jiems reikia daug energijos. Hibridiniai riedėjimo guoliai su keraminiais korpusais yra daug geresni vidutiniam sukimosi greičiui. Kalbant apie greitaeigius smagračius, buvo nustatyta, kad ekonomiškai priimtina ir labai ekonomiška suspensijose naudoti aukštos temperatūros superlaidininkus.

Vienas iš pagrindinių FES saugojimo sistemų privalumų, po didelio specifinio energijos intensyvumo, yra gana ilgas tarnavimo laikas, kuris gali siekti 25 metus.Beje, grafeno juostelių pagrindu veikiančių smagračių sistemų efektyvumas siekia 95%. Be to, verta atkreipti dėmesį į įkrovimo greitį. Tai, žinoma, priklauso nuo elektros instaliacijos parametrų.

Pavyzdžiui, energetinis rekuperatorius ant metro smagračio, kuris veikia traukinio greitėjimo ir lėtėjimo metu, pasikrauna ir išsikrauna per 15 sekundžių. Manoma, kad norint pasiekti aukštą smagračio laikymo sistemos efektyvumą, nominalus įkrovimo ir iškrovimo laikas neturėtų viršyti vienos valandos.

FES sistemų pritaikymas yra gana platus. Jie gali būti sėkmingai naudojami įvairiuose kėlimo įrenginiuose, todėl pakrovimo ir iškrovimo metu sutaupoma iki 90% energijos. Šios sistemos gali būti efektyviai naudojamos greitam elektros transporto akumuliatorių įkrovimui, dažnio ir galios stabilizavimui elektros tinkluose, nepertraukiamuose maitinimo šaltiniuose, hibridinėse transporto priemonėse ir kt.

Dėl viso to smagračio laikymo sistemos turi puikių savybių.Taigi, jei naudojama didelio tankio medžiaga, dėl sumažėjusio vardinio sukimosi greičio mažėja specifinis saugojimo įrenginio energijos suvartojimas.

Jei naudojama mažo tankio medžiaga, energijos suvartojimas didėja dėl greičio padidėjimo, tačiau tai padidina vakuumo, taip pat atramų ir sandariklių reikalavimus, o elektros keitiklis tampa sudėtingesnis.

Geriausios medžiagos super smagračiams yra didelio stiprumo plieniniai diržai ir pluoštinės medžiagos, tokios kaip kevlaras ir anglies pluoštas. Perspektyviausia medžiaga, kaip minėta aukščiau, išlieka grafeno juosta ne tik dėl priimtinų stiprumo ir tankio parametrų, bet daugiausia dėl saugumo lūžtant.

Galimybė lūžti yra pagrindinė kliūtis didelės spartos smagračio sistemoms. Sluoksniais valcuotos ir klijuojamos kompozicinės medžiagos greitai suyra, pirmiausia išsisluoksniuoja į mažo skersmens gijas, kurios akimirksniu susipainioja ir sulėtina viena kitą, o vėliau į žėrinčius miltelius. Kontroliuojamas plyšimas (įvykus avarijai) nepažeidžiant korpuso yra viena pagrindinių inžinierių užduočių.

Plyšimo energijos išsiskyrimą galima sumažinti naudojant skystį arba gelio pavidalo vidinio korpuso pamušalą, kuris sugers energiją, jei smagratis sulūžtų.

Vienas iš būdų apsisaugoti nuo sprogimo – pastatyti smagratį po žeme, kad būtų sustabdytos šiukšlės, kurios avarijos atveju skristų kulkos greičiu. Tačiau pasitaiko atvejų, kai skeveldros skrenda aukštyn nuo žemės, sunaikinant ne tik korpusą, bet ir gretimus pastatus.

Galiausiai pažvelkime į proceso fiziką.Besisukančio kūno kinetinė energija nustatoma pagal formulę:

kur aš – besisukančio kūno inercijos momentas

kampinis greitis gali būti pavaizduotas taip:

Pavyzdžiui, ištisinio cilindro inercijos momentas yra:

ir tada kieto cilindro kinetinė energija per dažnį f yra lygi:

čia f – dažnis (apsukomis per sekundę), r – spindulys metrais, m – masė kilogramais.

Paimkime grubų pavyzdį, kad suprastume. 3 kW katilas vandenį užverda per 200 sekundžių. Kokiu greičiu turi suktis ištisinis cilindrinis 10 kg masės ir 0,5 m spindulio smagratis, kad jį stabdant užtektų energijos užvirti vandenį? Tegul mūsų generatoriaus-keitiklio (galinčio veikti bet kokiu greičiu) efektyvumas yra 60%.

Atsakymas. Bendras energijos kiekis, reikalingas virduliui užvirti, yra 200 * 3000 = 600 000 J. Atsižvelgiant į efektyvumą, 600 000 / 0,6 = 1 000 000 J. Taikant aukščiau pateiktą formulę, gauname 201,3 apsisukimų per sekundę vertę.

Taip pat žiūrėkite:Energetikos pramonei skirti kinetinės energijos kaupimo įrenginiai

Kitas modernus energijos kaupimo būdas: Superlaidžios magnetinės energijos kaupimo sistemos (MVĮ)