כיצד מסודרים ופועלים התקני אחסון אנרגיה של גלגל תנופה (קינטי).

FES הוא קיצור של אחסון אנרגיה של גלגל תנופה, כלומר אגירת אנרגיה באמצעות גלגל תנופה. משמעות הדבר היא שאנרגיה מכנית מצטברת ונאגרת בצורה קינטית כאשר גלגל מסיבי מסתובב במהירות גבוהה.

את האנרגיה המכנית שהצטברה כך ניתן להמיר מאוחר יותר לחשמל, עבורו מערכת גלגל התנופה משולבת עם מכונה חשמלית הפיכה המסוגלת לפעול הן במצב מנוע והן במצב גנרטור.

כאשר יש צורך לאגור אנרגיה, המכונה החשמלית משמשת כמנוע ומסובבת את גלגל התנופה למהירות הזוויתית הנדרשת תוך צריכת אנרגיה חשמלית ממקור חיצוני, למעשה - המרת אנרגיה חשמלית - לאנרגיה מכנית (קינטית). כאשר יש צורך להעביר את האנרגיה המאוחסנת לעומס, המכונה החשמלית עוברת למצב גנרטור ואנרגיה מכנית משתחררת כאשר גלגל התנופה מאט.

למערכות אגירת האנרגיה המתקדמות ביותר המבוססות על גלגלי תנופה יש צפיפות הספק גבוהה למדי ויכולות להתחרות במערכות אגירת אנרגיה מסורתיות.

התקנות סוללות קינטיות המבוססות על גלגלי תנופה, כאשר הגוף המסתובב עשוי סרט גרפן בעל חוזק גבוה, נחשבים למבטיחים במיוחד בהקשר זה. התקני אחסון כאלה יכולים לאחסן עד 1200 W * h (4.4 MJ!) של אנרגיה לכל קילוגרם אחד של מסה.

התפתחויות אחרונות בתחום גלגלי התנופה העל כבר אפשרו למפתחים לנטוש את הרעיון של שימוש בכוננים מונוליטיים לטובת מערכות חגורות פחות מסוכנות.

העובדה היא שמערכות מונוליטיות היו מסוכנות במקרה של קרע חירום ויכלו לצבור פחות אנרגיה. בעת שבירה, הקלטת אינה מתפזרת לשברים גדולים, אלא נשברת רק חלקית; במקרה זה, החלקים הנפרדים של החגורה עוצרים את גלגל התנופה על ידי שפשוף על פני השטח הפנימי של הדיור ומונעים הרס נוסף שלו.

עוצמת האנרגיה הספציפית הגבוהה של גלגלי תנופה העשויים מסרט מתפתל או מסיבי הפרעות הפרעות מושגת עקב מספר גורמים תורמים.

ראשית, גלגל התנופה פועל בוואקום, מה שמפחית מאוד את החיכוך בהשוואה לאוויר. לשם כך, על הוואקום בדיור להישמר כל הזמן על ידי מערכת יצירת ואקום ותחזוקה.

שנית, המערכת חייבת להיות מסוגלת לאזן אוטומטית את הגוף המסתובב. אמצעים טכניים מיוחדים ננקטים כדי להפחית רעידות ורעידות ג'ירוסקופיות. בקיצור, מערכות גלגלי תנופה תובעניות מאוד מבחינה עיצובית, ולכן הפיתוח שלהן הוא תהליך הנדסי מורכב.

נראה שהם מתאימים יותר כמיסבים מתלים מגנטיים (כולל מוליכים-על).... עם זאת, מהנדסים נאלצו לנטוש מוליכי-על בטמפרטורה נמוכה במתלים, מכיוון שהם דורשים הרבה אנרגיה. מיסבים מתגלגלים היברידיים עם גופים קרמיים טובים בהרבה למהירויות סיבוב בינוניות. לגבי גלגלי תנופה במהירות גבוהה, נמצא שמקובל מבחינה כלכלית וחסכוני מאוד להשתמש במוליכי-על בטמפרטורה גבוהה במתלים.

אחד היתרונות המרכזיים של מערכות אחסון FES, לאחר עוצמת האנרגיה הספציפית הגבוהה שלהן, הוא חיי השירות הארוכים יחסית שלהן, שיכולים להגיע ל-25 שנים, אגב, היעילות של מערכות גלגלי תנופה המבוססות על פסי גרפן מגיעה ל-95%. בנוסף, כדאי לשים לב למהירות הטעינה. הדבר תלוי כמובן בפרמטרים של מתקן החשמל.

לדוגמה, מחזיר אנרגיה על גלגל תנופה של הרכבת התחתית שפועל בזמן האצה והאטה של ​​רכבת נטען ופריקה תוך 15 שניות. הוא האמין כי על מנת להשיג יעילות גבוהה ממערכת אחסון גלגל התנופה, זמן הטעינה והפריקה הנומינליים לא יעלו על שעה אחת.

הישימות של מערכות FES היא רחבה למדי. ניתן להשתמש בהם בהצלחה על מכשירי הרמה שונים, המספקים חיסכון באנרגיה של עד 90% במהלך הטעינה והפריקה. מערכות אלו יכולות לשמש ביעילות לטעינה מהירה של סוללות הובלה חשמליות, לייצוב תדר והספק ברשתות חשמל, במקורות אל פסק, ברכבים היברידיים וכו'.

עם כל זה, למערכות אחסון גלגלי תנופה יש תכונות יוצאות דופן.לכן, אם נעשה שימוש בחומר בצפיפות גבוהה, אזי צריכת החשמל הספציפית של התקן האחסון יורדת עקב ירידה במהירות הסיבוב הנומינלית.

אם נעשה שימוש בחומר בצפיפות נמוכה, אזי צריכת החשמל עולה עקב עליית המהירות, אך זה מגדיל את הדרישות לוואקום, כמו גם לתומכים ואטמים, והממיר החשמלי הופך מורכב יותר.

החומרים הטובים ביותר עבור גלגלי תנופה הם חגורות פלדה בעלות חוזק גבוה וחומרים סיביים כגון קוולר וסיבי פחמן. החומר המבטיח ביותר, כפי שצוין לעיל, נשאר סרט הגרפן לא רק בגלל הפרמטרים המקובלים של חוזק וצפיפות, אלא בעיקר בגלל בטיחותו בשבירה.

פוטנציאל השבירה הוא מכשול מרכזי עבור מערכות גלגלי תנופה מהירות. חומרים מרוכבים המגולגלים ומודבקים בשכבות מתפרקים במהירות, תחילה מתפרקים לחוטים בעלי קוטר קטן המסתבכים ומאטים זה את זה באופן מיידי, ולאחר מכן לאבקה זוהרת. קרע מבוקר (במקרה של תאונה) ללא נזק לגוף הוא אחת המשימות העיקריות של המהנדסים.

ניתן למתן את שחרור אנרגיית הקרע על ידי נוזל מכוסה או רירית פנימית דמוית ג'ל אשר תספוג את האנרגיה אם גלגל התנופה נשבר.

אחת הדרכים להתגונן מפני פיצוץ היא לשים את גלגל התנופה מתחת לאדמה כדי לעצור כל פסולת שתעוף במהירות כדור במקרה של תאונה. עם זאת, ישנם מקרים בהם מעוף השברים מתרחש כלפי מעלה מהקרקע, עם הרס לא רק של גוף הספינה, אלא גם של המבנים הסמוכים.

לבסוף, בואו נסתכל על הפיזיקה של התהליך.האנרגיה הקינטית של גוף מסתובב נקבעת על ידי הנוסחה:

שבו אני הוא רגע האינרציה של גוף מסתובב

ניתן לייצג את המהירות הזוויתית באופן הבא:

לדוגמה, עבור גליל רציף, מומנט האינרציה הוא:

ואז האנרגיה הקינטית עבור גליל מוצק דרך תדר f שווה ל:

כאשר f הוא התדר (בסיבובים לשנייה), r הוא הרדיוס במטרים, m הוא המסה בקילוגרמים.

בואו ניקח דוגמה גסה כדי להבין. דוד 3 קילוואט מרתיח מים ב-200 שניות. באיזו מהירות חייב גלגל תנופה גלילי רציף במסה של 10 ק"ג ורדיוס 0.5 מ' להסתובב כך שבמהלך תהליך עצירתו יש מספיק אנרגיה להרתיח את המים? תן ליעילות של הגנרטור-ממיר שלנו (המסוגל לפעול בכל מהירות) להיות 60%.

תשובה. כמות האנרגיה הכוללת הנדרשת כדי להרתיח את הקומקום היא 200 * 3000 = 600,000 J. בהתחשב ביעילות, 600,000 / 0.6 = 1,000,000 J. יישום הנוסחה לעיל, נקבל ערך של 201.3 סיבובים לשנייה.

ראה גם:התקני אחסון אנרגיה קינטית לתעשיית החשמל

דרך מודרנית נוספת לאגירת אנרגיה: מערכות אחסון אנרגיה מגנטית מוליכות-על (SMES)