Volan (kinetik) enerji depolama cihazları nasıl düzenlenir ve çalışır?

FES, bir volan kullanarak enerji depolama anlamına gelen volan enerji depolamasının kısaltmasıdır. Bu, devasa bir tekerlek yüksek hızda dönerken mekanik enerjinin kinetik formda toplandığı ve depolandığı anlamına gelir.

Bu şekilde biriken mekanik enerji daha sonra elektriğe dönüştürülebilir ve bunun için volan sistemi, hem motor hem de jeneratör modlarında çalışabilen tersinir bir elektrik makinesiyle birleştirilir.

Enerjinin depolanması gerektiğinde, elektrik makinesi bir motor görevi görür ve volanı gerekli açısal hızda döndürürken bir yandan da harici bir kaynaktan elektrik enerjisi tüketerek aslında elektrik enerjisini mekanik (kinetik) enerjiye dönüştürür. Depolanan enerjinin yüke aktarılması gerektiğinde elektrik makinesi jeneratör moduna geçer ve volan yavaşlarken mekanik enerji açığa çıkar.

Volana dayalı en gelişmiş enerji depolama sistemleri, oldukça yüksek bir güç yoğunluğuna sahiptir ve geleneksel enerji depolama sistemleriyle rekabet edebilir.

Dönen gövdenin yüksek mukavemetli grafen şeritten yapıldığı süper volanlara dayalı kinetik pil kurulumları bu açıdan özellikle umut verici kabul ediliyor. Bu tür depolama cihazları, 1 KILOGRAM kütle başına 1200 W * h'ye (4,4 MJ!) kadar enerji depolayabilir.

Süper volanlar alanındaki son gelişmeler, geliştiricilerin daha az tehlikeli kayış sistemleri lehine yekpare tahrikler kullanma fikrinden vazgeçmelerine izin verdi.

Gerçek şu ki, yekpare sistemler acil bir kırılma durumunda tehlikeliydi ve daha az enerji biriktirebilirdi. Bant kırıldığında büyük parçalara dağılmaz, yalnızca kısmen kırılır; bu durumda, kayışın ayrı parçaları, yuvanın iç yüzeyine sürtünerek volanı durdurur ve daha fazla tahrip olmasını engeller.

Sarma bandından veya girişim girişim elyafından yapılan süper volanların yüksek özgül enerji yoğunluğu, katkıda bulunan bir dizi faktör nedeniyle elde edilir.

İlk olarak, volan, havaya kıyasla sürtünmeyi büyük ölçüde azaltan bir vakumda çalışır. Bunun için mahfazadaki vakum, bir vakum oluşturma ve bakım sistemi ile sürekli olarak muhafaza edilmelidir.

İkincisi, sistem dönen gövdeyi otomatik olarak dengeleyebilmelidir. Titreşimleri ve jiroskopik titreşimleri azaltmak için özel teknik önlemler alınmıştır. Kısacası, volan sistemleri tasarım açısından çok zahmetlidir, bu nedenle geliştirilmeleri karmaşık bir mühendislik sürecidir.

Rulman olarak daha uygun görünüyorlar. manyetik (süper iletken dahil) süspansiyonlar… Ancak mühendisler, çok fazla enerji gerektirdikleri için düşük sıcaklıklı süper iletkenleri süspansiyonlarda bırakmak zorunda kaldılar. Seramik gövdeli hibrit rulmanlar, orta dönüş hızları için çok daha iyidir. Yüksek hızlı volanlara gelince, süspansiyonlarda yüksek sıcaklık süper iletkenlerinin kullanılması ekonomik olarak kabul edilebilir ve çok ekonomik bulunmuştur.

FES depolama sistemlerinin, yüksek özgül enerji yoğunluklarından sonra ana avantajlarından biri, 25 yıla ulaşabilen nispeten uzun hizmet ömürleridir.Bu arada, grafen şeritlere dayalı volan sistemlerinin verimliliği% 95'e ulaşıyor. Ek olarak, şarj hızına dikkat etmeye değer. Bu, elbette, elektrik tesisatının parametrelerine bağlıdır.

Örneğin, tren hızlanma ve yavaşlama sırasında çalışan bir metro volanındaki enerji geri kazanım cihazı 15 saniyede şarj olur ve boşalır. Volan depolama sisteminden yüksek verim alabilmek için nominal şarj ve deşarj süresinin bir saati geçmemesi gerektiğine inanılmaktadır.

FES sistemlerinin uygulanabilirliği oldukça geniştir. Yükleme ve boşaltma sırasında %90'a varan enerji tasarrufu sağlayan çeşitli kaldırma cihazlarında başarıyla kullanılabilirler. Bu sistemler, elektrik nakil akülerinin hızlı şarj edilmesi, elektrik şebekelerinde, kesintisiz güç kaynaklarında, hibrit araçlarda vb. frekans ve gücün dengelenmesi için etkin bir şekilde kullanılabilir.

Tüm bunlarla birlikte volanlı depolama sistemleri dikkat çekici özelliklere sahiptir.Bu nedenle, yüksek yoğunluklu bir malzeme kullanılırsa, nominal dönüş hızındaki düşüş nedeniyle depolama cihazının özgül güç tüketimi azalır.

Düşük yoğunluklu bir malzeme kullanılırsa, hızdaki artış nedeniyle güç tüketimi artar, ancak bu, desteklerin ve contaların yanı sıra vakum gereksinimlerini artırır ve elektrik dönüştürücü daha karmaşık hale gelir.

Süper volanlar için en iyi malzemeler, yüksek mukavemetli çelik kayışlar ve Kevlar ve karbon fiber gibi lifli malzemelerdir. En umut verici malzeme, yukarıda belirtildiği gibi, yalnızca kabul edilebilir mukavemet ve yoğunluk parametreleri nedeniyle değil, aynı zamanda kırılma güvenliği nedeniyle de grafen bant olmaya devam ediyor.

Kırılma potansiyeli, yüksek hızlı volan sistemleri için önemli bir engeldir. Katmanlar halinde yuvarlanan ve yapıştırılan kompozit malzemeler hızla parçalanır, önce anında birbirine dolanan ve yavaşlayan küçük çaplı filamentlere ayrılır ve ardından parlayan bir toz haline gelir. Gövdeye zarar vermeden kontrollü kopma (kaza durumunda) mühendislerin ana görevlerinden biridir.

Kırılma enerjisinin salınması, volan kırılırsa enerjiyi emecek kapsüllenmiş bir sıvı veya jel benzeri iç kaplama astarı ile azaltılabilir.

Bir patlamaya karşı korunmanın bir yolu, bir kaza durumunda mermi hızında uçabilecek herhangi bir döküntüyü durdurmak için volanı yer altına koymaktır. Bununla birlikte, sadece gövdenin değil, aynı zamanda bitişik binaların da tahrip olmasıyla birlikte, parçaların uçuşunun yerden yukarıya doğru meydana geldiği durumlar vardır.

Son olarak, sürecin fiziğine bakalım.Dönen bir cismin kinetik enerjisi aşağıdaki formülle belirlenir:

nerede ben dönen bir cismin atalet momenti

açısal hız aşağıdaki gibi temsil edilebilir:

Örneğin, sürekli bir silindir için atalet momenti:

ve sonra katı bir silindir için f frekansı boyunca kinetik enerji şuna eşittir:

burada f frekanstır (saniyedeki devir cinsinden), r metre cinsinden yarıçaptır, m kilogram cinsinden kütledir.

Anlamak için kabaca bir örnek verelim. 3 kW'lık bir kazan suyu 200 saniyede kaynatır. Kütlesi 10 kg ve yarıçapı 0,5 m olan sürekli silindirik bir volan, durdurma işlemi sırasında suyu kaynatmak için yeterli enerji olması için hangi hızda dönmelidir? Her devirde çalışabilen jeneratör-konvertörümüzün verimi %60 olsun.

Cevap. Su ısıtıcısını kaynatmak için gereken toplam enerji miktarı 200 * 3000 = 600.000 J'dir. Verimliliği hesaba katarsak, 600.000 / 0,6 = 1.000.000 J. Yukarıdaki formülü uygularsak, saniyede 201,3 devir değerini elde ederiz.

Ayrıca bakınız:Güç endüstrisi için kinetik enerji depolama cihazları

Enerji depolamanın başka bir modern yolu: Süper İletken Manyetik Enerji Depolama Sistemleri (SMES)