كيف يتم ترتيب وعمل أجهزة تخزين الطاقة دولاب الموازنة (الحركية)

FES هو اختصار لتخزين طاقة دولاب الموازنة ، وهو ما يعني تخزين الطاقة باستخدام دولاب الموازنة. هذا يعني أن الطاقة الميكانيكية تتراكم وتخزن في شكل حركي حيث تدور عجلة ضخمة بسرعة عالية.

يمكن تحويل الطاقة الميكانيكية المتراكمة على هذا النحو لاحقًا إلى كهرباء ، حيث يتم دمج نظام دولاب الموازنة مع آلة كهربائية عكسية قادرة على العمل في كل من أوضاع المحرك والمولد.

عند الحاجة إلى تخزين الطاقة ، تعمل الآلة الكهربائية كمحرك وتدور دولاب الموازنة إلى السرعة الزاوية المطلوبة بينما تستهلك الطاقة الكهربائية من مصدر خارجي ، في الواقع - تحويل الطاقة الكهربائية - إلى طاقة ميكانيكية (حركية). عند الحاجة إلى نقل الطاقة المخزنة إلى الحمل ، تنتقل الآلة الكهربائية إلى وضع المولد ويتم إطلاق الطاقة الميكانيكية مع تباطؤ دولاب الموازنة.

تتمتع أنظمة تخزين الطاقة الأكثر تقدمًا القائمة على الحذافات بكثافة طاقة عالية إلى حد ما ويمكنها التنافس مع أنظمة تخزين الطاقة التقليدية.

تعتبر تركيبات البطاريات الحركية القائمة على الحذافات الفائقة ، حيث يتكون الجسم الدوار من شريط الجرافين عالي القوة ، واعدة بشكل خاص في هذا الصدد. يمكن لأجهزة التخزين هذه تخزين ما يصل إلى 1200 واط * ساعة (4.4 ميجا جول!) من الطاقة لكل كيلوغرام واحد من الكتلة.

سمحت التطورات الأخيرة في مجال الحذافات الفائقة بالفعل للمطورين بالتخلي عن فكرة استخدام محركات متجانسة لصالح أنظمة أحزمة أقل خطورة.

الحقيقة هي أن الأنظمة المتجانسة كانت خطيرة في حالة حدوث تمزق طارئ ويمكن أن تتراكم طاقة أقل. عند الكسر ، لا ينتشر الشريط إلى أجزاء كبيرة ، ولكنه ينكسر جزئيًا فقط ؛ في هذه الحالة ، تقوم الأجزاء المنفصلة من الحزام بإيقاف دولاب الموازنة عن طريق الاحتكاك بالسطح الداخلي للمبيت ومنع المزيد من التدمير.

يتم تحقيق كثافة الطاقة النوعية العالية للحذافات الفائقة المصنوعة من شريط اللف أو ألياف التداخل بسبب عدد من العوامل المساهمة.

أولاً ، تعمل دولاب الموازنة في فراغ ، مما يقلل بشكل كبير من الاحتكاك مقارنة بالهواء. لهذا ، يجب الحفاظ على الفراغ في السكن باستمرار من خلال نظام إنشاء وصيانة الفراغ.

ثانيًا ، يجب أن يكون النظام قادرًا على موازنة الجسم الدوار تلقائيًا. يتم اتخاذ تدابير فنية خاصة لتقليل الاهتزازات والاهتزازات الجيروسكوبية. باختصار ، أنظمة دولاب الموازنة متطلبة للغاية من وجهة نظر التصميم ، وبالتالي فإن تطويرها هو عملية هندسية معقدة.

يبدو أنها أكثر ملاءمة كمحامل المعلقات المغناطيسية (بما في ذلك فائقة التوصيل)... ومع ذلك ، كان على المهندسين التخلي عن الموصلات الفائقة منخفضة الحرارة في معلقات ، لأنها تتطلب الكثير من الطاقة. تعتبر المحامل الدوارة الهجينة ذات الأجسام الخزفية أفضل بكثير لسرعات الدوران المتوسطة. بالنسبة إلى الحذافات عالية السرعة ، فقد وجد أنها مقبولة اقتصاديًا واقتصادية للغاية لاستخدام موصلات فائقة عالية الحرارة في المعلقات.

واحدة من المزايا الرئيسية لأنظمة التخزين FES ، بعد كثافة الطاقة العالية الخاصة بها ، هي مدة خدمتها الطويلة نسبيًا ، والتي يمكن أن تصل إلى 25 عامًا.بالمناسبة ، تصل كفاءة أنظمة دولاب الموازنة القائمة على شرائح الجرافين إلى 95٪. بالإضافة إلى ذلك ، تجدر الإشارة إلى سرعة الشحن. هذا ، بالطبع ، يعتمد على معلمات التركيبات الكهربائية.

على سبيل المثال ، جهاز استرداد الطاقة على دولاب الموازنة لمترو الأنفاق والذي يعمل أثناء تسريع القطار وتباطؤ الشحنات والتفريغ في 15 ثانية. من المعتقد أنه من أجل تحقيق كفاءة عالية من نظام تخزين دولاب الموازنة ، يجب ألا يتجاوز وقت الشحن والتفريغ الاسمي ساعة واحدة.

قابلية تطبيق أنظمة FES واسعة جدًا. يمكن استخدامها بنجاح على أجهزة الرفع المختلفة ، مما يوفر توفيرًا للطاقة يصل إلى 90٪ أثناء التحميل والتفريغ. يمكن استخدام هذه الأنظمة بشكل فعال للشحن السريع لبطاريات النقل الكهربائي ، لتثبيت التردد والطاقة في الشبكات الكهربائية ، في مصادر الطاقة غير المنقطعة ، في المركبات الهجينة ، إلخ.

مع كل هذا ، تتمتع أنظمة تخزين دولاب الموازنة بميزات رائعة.لذلك ، إذا تم استخدام مادة عالية الكثافة ، فإن استهلاك الطاقة المحدد لجهاز التخزين ينخفض ​​بسبب انخفاض سرعة الدوران الاسمية.

إذا تم استخدام مادة منخفضة الكثافة ، فإن استهلاك الطاقة يزداد بسبب زيادة السرعة ، ولكن هذا يزيد من متطلبات الفراغ ، وكذلك للدعامات والأختام ، ويصبح المحول الكهربائي أكثر تعقيدًا.

أفضل المواد للحذافات الفائقة هي الأحزمة الفولاذية عالية القوة والمواد الليفية مثل الكيفلار وألياف الكربون. المادة الواعدة ، كما هو مذكور أعلاه ، تظل شريط الجرافين ليس فقط بسبب المعلمات المقبولة للقوة والكثافة ، ولكن بشكل أساسي بسبب سلامته في الانكسار.

تعد احتمالية الكسر عقبة رئيسية أمام أنظمة دولاب الموازنة عالية السرعة. تتفكك المواد المركبة التي يتم لفها ولصقها في طبقات بسرعة ، حيث يتم تفكيكها أولاً إلى خيوط ذات قطر صغير تتشابك على الفور وتبطئ بعضها البعض ، ثم تتحول إلى مسحوق متوهج. يعد التمزق المتحكم فيه (في حالة وقوع حادث) دون إتلاف الهيكل أحد المهام الرئيسية للمهندسين.

يمكن تخفيف إطلاق طاقة التمزق بواسطة سائل مغلف أو بطانة غلاف داخلية تشبه الهلام والتي ستمتص الطاقة في حالة انكسار دولاب الموازنة.

تتمثل إحدى طرق الحماية من الانفجار في وضع دولاب الموازنة تحت الأرض لإيقاف أي حطام قد يتطاير بسرعة الرصاصة في حالة وقوع حادث. ومع ذلك ، هناك حالات يحدث فيها تحليق الشظايا لأعلى من الأرض ، مع تدمير ليس فقط الهيكل ، ولكن أيضًا المباني المجاورة.

أخيرًا ، دعنا نلقي نظرة على فيزياء العملية.يتم تحديد الطاقة الحركية للجسم الدوار من خلال الصيغة:

حيث أنا لحظة القصور الذاتي لجسم دوار

يمكن تمثيل السرعة الزاوية على النحو التالي:

على سبيل المثال ، بالنسبة للأسطوانة المستمرة ، فإن لحظة القصور الذاتي هي:

ثم الطاقة الحركية لأسطوانة صلبة من خلال التردد f تساوي:

حيث f هو التردد (بالدورات في الثانية) ، r هو نصف القطر بالأمتار ، m الكتلة بالكيلوجرام.

لنأخذ مثالاً تقريبيًا لفهمه. غلاية بقدرة 3 كيلووات تغلي الماء في 200 ثانية. ما السرعة التي يجب أن تدور بها حذافة أسطوانية مستمرة كتلتها 10 كجم ونصف قطرها 0.5 متر بحيث يكون هناك طاقة كافية لغلي الماء أثناء عملية إيقافها؟ اجعل كفاءة محول المولد (القادر على العمل بأي سرعة) 60٪.

إجابة. إجمالي كمية الطاقة المطلوبة لغلي الغلاية هي 200 * 3000 = 600000 ج. مع الأخذ في الاعتبار الكفاءة ، 600000 / 0.6 = 1،000،000 ج. وبتطبيق المعادلة أعلاه ، نحصل على 201.3 دورة في الثانية.

أنظر أيضا:أجهزة تخزين الطاقة الحركية لصناعة الطاقة

طريقة حديثة أخرى لتخزين الطاقة: أنظمة تخزين الطاقة المغناطيسية فائقة التوصيل (SMES)