Kā ir sakārtotas un darbojas spararata (kinētiskās) enerģijas uzkrāšanas ierīces

FES ir saīsinājums no spararata enerģijas uzkrāšanas, kas nozīmē enerģijas uzglabāšanu, izmantojot spararatu. Tas nozīmē, ka mehāniskā enerģija tiek uzkrāta un uzglabāta kinētiskā formā, masīvam ritenim griežoties lielā ātrumā.

Šādi uzkrāto mehānisko enerģiju vēlāk var pārvērst elektrībā, kam spararata sistēma tiek apvienota ar reversīvu elektrisko mašīnu, kas spēj darboties gan motora, gan ģeneratora režīmā.

Kad enerģija ir jāuzglabā, elektriskā mašīna kalpo kā motors un griež spararatu līdz vajadzīgajam leņķiskajam ātrumam, vienlaikus patērējot elektrisko enerģiju no ārēja avota, faktiski pārvēršot elektrisko enerģiju mehāniskajā (kinētiskajā) enerģijā. Kad uzkrātā enerģija ir jāpārnes uz slodzi, elektriskā mašīna pāriet ģeneratora režīmā un, spararatam palēninot, tiek atbrīvota mehāniskā enerģija.

Vismodernākajām enerģijas uzglabāšanas sistēmām, kuru pamatā ir spararati, ir diezgan augsts jaudas blīvums un tās var konkurēt ar tradicionālajām enerģijas uzglabāšanas sistēmām.

Šajā ziņā par īpaši daudzsološām tiek uzskatītas kinētiskās akumulatoru instalācijas, kuru pamatā ir superspararati, kur rotējošais korpuss ir izgatavots no augstas stiprības grafēna lentes. Šādas uzglabāšanas ierīces var uzglabāt līdz 1200 W * h (4,4 MJ!) enerģijas uz 1 KILOGRAMMAS masas.

Jaunākie sasniegumi super spararatu jomā jau ir ļāvuši izstrādātājiem atteikties no idejas par monolīto piedziņu izmantošanu par labu mazāk bīstamām siksnu sistēmām.

Fakts ir tāds, ka monolītās sistēmas avārijas pārrāvuma gadījumā bija bīstamas un varēja uzkrāt mazāk enerģijas. Pārraujot, lente neizkliedējas lielos fragmentos, bet tikai daļēji saplīst; šajā gadījumā siksnas atsevišķās daļas aptur spararatu, berzējot pret korpusa iekšējo virsmu, un novērš tā tālāku iznīcināšanu.

Super spararatu, kas izgatavoti no tinuma lentes vai interferences traucējumu šķiedras, augstā īpatnējā enerģijas intensitāte tiek sasniegta vairāku veicinošu faktoru dēļ.

Pirmkārt, spararats darbojas vakuumā, kas ievērojami samazina berzi salīdzinājumā ar gaisu. Šim nolūkam vakuums korpusā ir pastāvīgi jāuztur ar vakuuma radīšanas un uzturēšanas sistēmu.

Otrkārt, sistēmai jāspēj automātiski līdzsvarot rotējošo korpusu. Tiek veikti īpaši tehniski pasākumi, lai samazinātu vibrācijas un žiroskopiskās vibrācijas. Īsāk sakot, spararatu sistēmas ir ļoti prasīgas no dizaina viedokļa, tāpēc to izstrāde ir sarežģīts inženierijas process.

Šķiet, ka tie ir piemērotāki kā gultņi magnētiskās (tostarp supravadošās) suspensijas… Tomēr inženieriem bija jāatsakās no zemas temperatūras supravadītājiem suspensijā, jo tie prasa daudz enerģijas. Hibrīdie rites gultņi ar keramikas korpusiem ir daudz labāki vidējiem rotācijas ātrumiem. Kas attiecas uz ātrgaitas spararatiem, ir konstatēts, ka suspensijā izmantot augstas temperatūras supravadītājus ir ekonomiski pieņemami un ļoti ekonomiski.

Viena no galvenajām FES uzglabāšanas sistēmu priekšrocībām pēc augstās īpatnējās enerģijas intensitātes ir salīdzinoši ilgs kalpošanas laiks, kas var sasniegt 25 gadus.Starp citu uz grafēna sloksnēm balstīto spararatu sistēmu efektivitāte sasniedz 95%. Turklāt ir vērts atzīmēt uzlādes ātrumu. Tas, protams, ir atkarīgs no elektroinstalācijas parametriem.

Piemēram, enerģijas rekuperators uz metro spararata, kas darbojas vilciena paātrinājuma un palēninājuma laikā, uzlādē un izlādējas 15 sekundēs. Tiek uzskatīts, ka, lai panāktu augstu spararata uzglabāšanas sistēmas efektivitāti, nominālais uzlādes un izlādes laiks nedrīkst pārsniegt vienu stundu.

FES sistēmu pielietojamība ir diezgan plaša. Tos var veiksmīgi izmantot uz dažādām pacelšanas ierīcēm, nodrošinot enerģijas ietaupījumu līdz pat 90% iekraušanas un izkraušanas laikā. Šīs sistēmas var efektīvi izmantot elektrisko transporta akumulatoru ātrai uzlādei, frekvences un jaudas stabilizēšanai elektrotīklos, nepārtrauktās barošanas avotos, hibrīdautomobiļos utt.

Ar visu to spararata uzglabāšanas sistēmām ir ievērojamas īpašības.Tātad, ja tiek izmantots augsta blīvuma materiāls, atmiņas ierīces īpatnējais enerģijas patēriņš samazinās nominālā griešanās ātruma samazināšanās dēļ.

Ja tiek izmantots zema blīvuma materiāls, tad, palielinoties ātrumam, palielinās elektroenerģijas patēriņš, bet tas palielina prasības vakuumam, kā arī balstiem un blīvēm, un elektriskais pārveidotājs kļūst sarežģītāks.

Labākie materiāli super spararatiem ir augstas stiprības tērauda jostas un šķiedraini materiāli, piemēram, kevlars un oglekļa šķiedra. Visdaudzsološākais materiāls, kā minēts iepriekš, joprojām ir grafēna lente ne tikai pieļaujamo stiprības un blīvuma parametru dēļ, bet galvenokārt tāpēc, ka tā ir droša pārraušanas laikā.

Iespējamais lūzums ir galvenais šķērslis ātrgaitas spararata sistēmām. Kompozītmateriāli, kas tiek velmēti un līmēti slāņos, ātri sadalās, vispirms atslāņojoties maza diametra pavedienos, kas acumirklī sapinās un palēninās viens otru, un pēc tam kļūst par mirdzošu pulveri. Kontrolēts plīsums (avārijas gadījumā) bez korpusa bojājumiem ir viens no galvenajiem inženieru uzdevumiem.

Pārrāvuma enerģijas izdalīšanos var mazināt ar iekapsulētu šķidrumu vai želejveida iekšējo apvalku, kas absorbēs enerģiju, ja spararats saplīst.

Viens no veidiem, kā aizsargāties pret sprādzienu, ir novietot spararatu pazemē, lai apturētu visus gružus, kas avārijas gadījumā lidotu lodes ātrumā. Taču ir gadījumi, kad fragmentu lidojums notiek uz augšu no zemes, iznīcinot ne tikai korpusu, bet arī blakus esošās ēkas.

Visbeidzot, aplūkosim procesa fiziku.Rotējoša ķermeņa kinētisko enerģiju nosaka pēc formulas:

kur I ir rotējoša ķermeņa inerces moments

leņķisko ātrumu var attēlot šādi:

Piemēram, nepārtrauktam cilindram inerces moments ir:

un tad cieta cilindra kinētiskā enerģija frekvencē f ir vienāda ar:

kur f ir frekvence (apgriezienos sekundē), r ir rādiuss metros, m ir masa kilogramos.

Ņemsim aptuvenu piemēru, lai saprastu. 3 kW katls ūdeni uzvāra 200 sekundēs. Ar kādu ātrumu jāgriežas nepārtrauktam cilindriskam spararatam ar masu 10 kg un rādiusu 0,5 m, lai tā apturēšanas procesā pietiktu enerģijas ūdens uzvārīšanai? Lai mūsu ģeneratora-pārveidotāja (kas spēj darboties jebkurā ātrumā) efektivitāte ir 60%.

Atbilde. Kopējais enerģijas daudzums, kas nepieciešams tējkannas uzvārīšanai, ir 200 * 3000 = 600 000 J. Ņemot vērā efektivitāti, 600 000 / 0,6 = 1 000 000 J. Izmantojot iepriekš minēto formulu, mēs iegūstam vērtību 201,3 apgriezieni sekundē.

Skatīt arī:Kinētiskās enerģijas uzkrāšanas ierīces enerģētikas nozarei

Vēl viens moderns enerģijas uzkrāšanas veids: Supravadošas magnētiskās enerģijas uzglabāšanas sistēmas (SMES)