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.
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.
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.
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.
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.
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.
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)