Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике  
ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику, электронику и автоматику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, альтернативные источники энергии и многое другое.
 
Школа для электрика | Правила электробезопасности | Электротехника | Электроника | Провода и кабели | Электрические схемы
Про электричество | Автоматизация | Тренды, актуальные вопросы | Обучение электриков | Контакты



 

База знаний | Избранные статьи | Эксплуатация электрооборудования | Электроснабжение
Электрические аппараты | Электрические машины | Электропривод | Электрическое освещение

 Школа для электрика / Альтернативная энергия / Тренды, актуальные вопросы / Как устроены и работают маховичные (кинетические) накопители энергии


 Школа для электрика в Telegram

Как устроены и работают маховичные (кинетические) накопители энергии



Маховичные (кинетические) накопители энергии - это устройства, которые используют вращающийся маховик для хранения и выдачи энергии.

FES – аббревиатура, обозначающая «Flywheel energy storage», то есть хранение энергии с применением маховика. Имеется ввиду, что механическая энергия накапливается и хранится в кинетической форме, в процессе вращения на высокой скорости массивного колеса.

Аккумулированная таким способом механическая энергия может быть позже преобразована в электричество, для этого маховичную систему совмещают с обратимой электрической машиной, способной работать и в двигательном, и в генераторном режимах.

Когда энергию необходимо накопить, электрическая машина служит двигателем и раскручивает маховик до требуемой угловой скорости, потребляя при этом электрическую энергию от внешнего источника, по сути - преобразуя энергию электрическую — в энергию механическую (кинетическую).

Когда же накопленную энергию нужно отдать в нагрузку, электрическая машина переходит в генераторный режим, и механическая энергия отдается, маховик при этом замедляется.

Накопители энергии на маховиках (FES)

Самые современные накопители энергии на базе маховиков обладают достаточно высокими показателями удельной мощности, и вполне могут конкурировать с традиционными системами накопления энергии.

Особенно перспективными в этом плане считаются кинетические аккумуляторные установки на базе супермаховиков, где вращающееся тело изготавливается из высокопрочной графеновой ленты. Такие накопители способны накапливать до 1200 Вт*ч (4,4 МДж!) энергии НА 1 КИЛОГРАММ массы.

Накопитель энергии маховика в разрезе

Новейшие наработки в сфере супермаховиков уже позволили разработчикам отказаться от идеи применения монолитных накопителей в пользу менее опасных ленточных систем.

Дело в том, что монолитные системы представляли опасность в случае аварийного разрыва, да и энергии могли накопить меньше. Ленточные же при разрушении не разлетаются на крупные осколки, а разрушаются лишь частично; при этом отделившиеся части ленты тормозят маховик трением о внутреннюю поверхность корпуса и предотвращают дальнейшее его разрушение.

Высокая удельная энергоемкость супермаховиков, изготавливаемых методом навивки ленты или волокна с натягом, достигается благодаря ряду вспомогательных факторов.

Во-первых, маховик эксплуатируется в вакууме, что сильно снижает трение по сравнению с воздухом. Для этого вакуум в корпусе постоянно должен поддерживаться системой создания и поддержания вакуума.

Во-вторых, система обязана уметь автоматически балансировать вращающееся тело. Для демпфирования вибраций и гироскопических колебаний принимаются специальные технические меры.

Словом, маховичные системы весьма требовательны с точки зрения проектирования, посему их разработка — сложнейший инженерный процесс.

Flywheel energy storage на солнечной электростанции

Казалось бы, в качестве подшипников лучше подойдут магнитные (в т.ч. сверхпроводящие) подвесы. Однако от низкотемпературных сверхпроводников в подвесах инженерам пришлось отказаться, поскольку они требуют много энергии. Куда лучше для средних скоростей вращения подошли гибридные подшипники качения с керамическими телами.

Что же касается высокоскоростных маховиков, то здесь оказалось экономически приемлемым и весьма экономичным применение в подвесах высокотемпературных сверхпроводников.

Устройство маховичного накопителя энергии

Одно из главных преимуществ систем хранения FES, после высокой удельной энергоемкости, – их сравнительно продолжительный строк эксплуатации, который может достигать 25 лет.

Кстати, КПД маховичных систем на основе лент графена доходит до 95%. Далее стоит отметить скорость зарядки. Она, конечно, зависит от параметров электрической установки.

Для примера, маховичный рекуператор энергии в метро, работающий при разгоне и торможении поезда, заряжается и разряжается за 15 секунд. Считается, что для получения высокой эффективности от маховичной системы хранения, номинальное время ее зарядки и разрядки не должно превышать одного часа.

Применимость систем FES довольно широка. Они могут с успехом применяться на различных грузоподъемных устройствах, давая выигрыш в энергозатратах до 90 % при погрузке-разгрузке. 

Маховичные накопители находят применение в различных областях, где требуется хранение и выдача больших мощностей за короткий промежуток времени. Например, они используются для:

  • Сглаживания пиков потребления электричества на сети, например, при включении больших нагрузок или при перебоях в подаче энергии от возобновляемых источников.
  • Поддержания частоты и напряжения на сети, например, при возникновении колебаний или несинусоидальности сигнала.
  • Питания аварийных систем, например, при отключении основного источника энергии или при возникновении пожара или землетрясения.
  • Питания специального оборудования, например, лазеров, ускорителей частиц, рентгеновских аппаратов или медицинских приборов.
  • Питания транспортных средств, например, гибридных или электрических автомобилей, поездов, самолетов или космических кораблей.

При всем этом у маховичных систем хранения есть примечательные особенности. Так, если применяется материал с высокой плотностью, то удельная энергоемкость накопителя понижается из-за снижения номинальной частоты вращения.

Если же применяется материал низкой плотности, то энергоемкость повышается благодаря повышению частоты вращения, однако при этом усиливаются требования к вакууму, а также к опорам и уплотнениям, кроме того усложняется электрический преобразователь.

Монтаж маховичного накопителя энергии

Лучше всего в качестве материалов для супермаховиков подходят высокопрочные стальные ленты и волокнистые материалы, такие как кевлар и углеволокно. Наиболее же перспективным материалом, как отмечалось выше, остается графеновая лента в силу не только приемлемых прочностных и плотностных показателей, но главным образом — благодаря безопасности при разрыве.

Возможность разрыва — главное препятствие для создания высокоскоростных маховичных систем. Композитные материалы, которые намотаны и склеены слоями, распадаются быстро, сначала расслаиваясь на нити малого диаметра, которые мгновенно переплетаются и замедляют друг друга, а затем на раскаленный порошок. Контролируемый разрыв (в случае аварии) без повреждений корпуса — одна из главных задач инженеров.

Выделение энергии в результате разрыва можно смягчить с помощью инкапсулированной жидкой или гелеобразной внутренней облицовки корпуса, которая примет на себя энергию в случае разрушения маховика.

Один из способов защиты при разрыве заключается в том, чтобы разместить маховичный накопитель под землей, дабы остановить любые фрагменты, которые в случае аварии разлетятся со скоростью пули. Тем не менее известны случаи когда вылет фрагментов получается вверх из-под земли, с разрушением не только корпуса, но и прилегающих построек.

Кинетические накопители энергии в земле на подстанции

Рассмотрим, наконец, физику процесса.

Принцип работы маховичных накопителей основан на законе сохранения момента импульса. Маховик - это твердое тело, которое может вращаться вокруг своей оси с определенной угловой скоростью.

Чем больше масса и радиус маховика, тем больше его момент инерции и тем больше энергии он может хранить при заданной угловой скорости. Энергия маховика равна половине произведения его момента инерции на квадрат угловой скорости.

Для того чтобы зарядить маховик, нужно приложить к нему вращающий момент, который будет увеличивать его угловую скорость. Это можно сделать с помощью электродвигателя, который подключается к источнику электрической энергии. Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую и передает ее маховику.

Для того чтобы разрядить маховик, нужно сделать обратное: подключить к нему генератор, который будет преобразовывать механическую энергию вращения в электрическую и отдавать ее потребителю.

Генератор создает вращающий момент, который противодействует угловой скорости маховика и уменьшает его энергию.

Кинетическая энергия вращающегося тела определяется формулой:

где I – момент инерции вращающегося тела

угловая скорость может быть представлена так:

Например, для СПЛОШНОГО ЦИЛИНДРА момент инерции равен:

и тогда кинетическая энергия для сплошного цилиндра через частоту f получается равна:

где f – частота (в оборотах в секунду), r – радиус в метрах, m – масса в килограммах.

Рассмотрим для понимания грубый пример. Чайник мощностью 3 кВт кипятит воду за 200 секунд. С какой скоростью должен вращаться сплошной цилиндрический маховик весом 10 кг и радиусом 0,5 метров, чтобы в процессе его остановки энергии хватило бы на то, чтобы вода успела закипеть? Пусть КПД нашего генератора-преобразователя (способного работать при любых оборотах) равен 60%.

Решение. Общее количество энергии, необходимое для закипания чайника 200*3000 = 600000 Дж. С учетом КПД, требуется 600000/0,6 = 1000000 Дж. Применив приведенную выше формулу, получим значение 201,3 оборота в секунду.

Основные характеристики маховичных накопителей - это их емкость, мощность, КПД и время жизни.

Емкость - это максимальное количество энергии, которое может храниться в маховике при определенной угловой скорости.

Мощность - это скорость заряда или разряда маховика, то есть количество энергии, которое можно получить или отдать за единицу времени.

КПД - это отношение выходной энергии к входной энергии при заряде или разряде маховика.

Время жизни - это продолжительность работы маховика до того, как его параметры ухудшатся до неприемлемого уровня.

В заключение можно отметить, что маховичные накопители энергии - это перспективная технология, которая может решать многие проблемы энергетики и транспорта. Однако она требует дальнейшего развития и совершенствования, чтобы стать более доступной, надежной и безопасной.

Смотрите также: Кинетические накопители энергии для электроэнергетики

Еще один современный способ хранения энергии: Системы сверхпроводящего накопления магнитной энергии (SMES)

Андрей Повный, FB, ВК

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика