Bagaimana peranti storan tenaga roda tenaga (kinetik) disusun dan berfungsi

FES ialah singkatan untuk simpanan tenaga roda tenaga, yang bermaksud penyimpanan tenaga menggunakan roda tenaga. Ini bermakna tenaga mekanikal terkumpul dan disimpan dalam bentuk kinetik apabila roda besar berputar pada kelajuan tinggi.

Tenaga mekanikal yang terkumpul kemudiannya boleh ditukar kepada elektrik, yang mana sistem roda tenaga digabungkan dengan mesin elektrik boleh balik yang mampu beroperasi dalam kedua-dua mod motor dan penjana.

Apabila tenaga perlu disimpan, mesin elektrik berfungsi sebagai motor dan memutarkan roda tenaga kepada halaju sudut yang diperlukan sambil menggunakan tenaga elektrik daripada sumber luaran, sebenarnya—menukar tenaga elektrik—kepada tenaga mekanikal (kinetik). Apabila tenaga tersimpan perlu dipindahkan ke beban, mesin elektrik masuk ke mod penjana dan tenaga mekanikal dilepaskan apabila roda tenaga berkurangan.

Sistem storan tenaga paling maju berdasarkan roda tenaga mempunyai ketumpatan kuasa yang agak tinggi dan boleh bersaing dengan sistem penyimpanan tenaga tradisional.

Pemasangan bateri kinetik berdasarkan roda tenaga super, di mana badan berputar diperbuat daripada reben graphene berkekuatan tinggi, dianggap sangat menjanjikan dalam hal ini. Peranti storan sedemikian boleh menyimpan sehingga 1200 W * h (4.4 MJ!) tenaga bagi setiap 1 KILOGRAM jisim.

Perkembangan terkini dalam bidang roda tenaga super telah membenarkan pemaju untuk meninggalkan idea menggunakan pemacu monolitik memihak kepada sistem tali pinggang yang kurang berbahaya.

Hakikatnya ialah sistem monolitik berbahaya sekiranya berlaku kecemasan dan boleh mengumpul lebih sedikit tenaga. Apabila pecah, pita tidak berselerak menjadi serpihan besar, tetapi hanya sebahagiannya pecah; dalam kes ini, bahagian tali pinggang yang berasingan menghentikan roda tenaga dengan menggosok permukaan dalam perumahan dan mengelakkan kemusnahan selanjutnya.

Keamatan tenaga khusus tinggi roda tenaga super yang diperbuat daripada pita penggulungan atau gentian gangguan gangguan dicapai disebabkan oleh beberapa faktor penyumbang.

Pertama, roda tenaga beroperasi dalam vakum, yang sangat mengurangkan geseran berbanding dengan udara. Untuk ini, vakum dalam perumahan mesti sentiasa diselenggara oleh sistem penciptaan dan penyelenggaraan vakum.

Kedua, sistem mesti dapat mengimbangi badan berputar secara automatik. Langkah teknikal khas diambil untuk mengurangkan getaran dan getaran giroskopik. Ringkasnya, sistem roda tenaga sangat menuntut dari sudut reka bentuk, oleh itu pembangunannya adalah proses kejuruteraan yang kompleks.

Mereka kelihatan lebih sesuai sebagai galas penggantungan magnet (termasuk superkonduktor).… Walau bagaimanapun, jurutera terpaksa meninggalkan superkonduktor suhu rendah dalam penggantungan, kerana ia memerlukan banyak tenaga. Galas gelek hibrid dengan badan seramik adalah lebih baik untuk kelajuan putaran sederhana. Bagi roda tenaga berkelajuan tinggi, ia didapati boleh diterima secara ekonomi dan sangat menjimatkan untuk menggunakan superkonduktor suhu tinggi dalam ampaian.

Salah satu kelebihan utama sistem storan FES, selepas keamatan tenaga khusus yang tinggi, adalah hayat perkhidmatannya yang agak panjang, yang boleh mencapai 25 tahun. By the way, kecekapan sistem roda tenaga berdasarkan jalur graphene mencapai 95%. Di samping itu, perlu diperhatikan kelajuan pengecasan. Ini, tentu saja, bergantung pada parameter pemasangan elektrik.

Sebagai contoh, pemulihan tenaga pada roda tenaga kereta api bawah tanah yang beroperasi semasa pecutan dan nyahpecutan kereta api dan pelepasan dalam 15 saat. Adalah dipercayai bahawa untuk mencapai kecekapan tinggi daripada sistem storan roda tenaga, cas nominal dan masa nyahcas tidak boleh melebihi satu jam.

Kebolehgunaan sistem FES agak luas. Ia boleh digunakan dengan jayanya pada pelbagai peranti mengangkat, memberikan penjimatan tenaga sehingga 90% semasa memuat dan memunggah. Sistem ini boleh digunakan dengan berkesan untuk pengecasan pantas bateri pengangkutan elektrik, untuk menstabilkan kekerapan dan kuasa dalam grid elektrik, dalam sumber kuasa yang tidak terganggu, dalam kenderaan hibrid, dsb.

Dengan semua ini, sistem storan roda tenaga mempunyai ciri yang luar biasa.Jadi, jika bahan berketumpatan tinggi digunakan, maka penggunaan kuasa khusus peranti storan berkurangan disebabkan oleh penurunan kelajuan putaran nominal.

Sekiranya bahan berketumpatan rendah digunakan, maka penggunaan kuasa meningkat disebabkan oleh peningkatan kelajuan, tetapi ini meningkatkan keperluan untuk vakum, serta untuk sokongan dan pengedap, dan penukar elektrik menjadi lebih kompleks.

Bahan terbaik untuk roda tenaga super ialah tali pinggang keluli berkekuatan tinggi dan bahan gentian seperti Kevlar dan gentian karbon. Bahan yang paling menjanjikan, seperti yang dinyatakan di atas, kekal sebagai pita graphene bukan sahaja kerana parameter kekuatan dan ketumpatan yang boleh diterima, tetapi terutamanya kerana keselamatannya semasa pecah.

Potensi kerosakan adalah halangan utama bagi sistem roda tenaga berkelajuan tinggi. Bahan komposit yang digulung dan dilekatkan dalam lapisan cepat hancur, mula-mula menyahlamina menjadi filamen berdiameter kecil yang serta-merta menjerat dan memecut antara satu sama lain, dan kemudian menjadi serbuk bercahaya. Pecah terkawal (sekiranya berlaku kemalangan) tanpa kerosakan pada badan kapal adalah salah satu tugas utama jurutera.

Pembebasan tenaga pecah boleh dikurangkan dengan cecair berkapsul atau lapisan sarung dalam seperti gel yang akan menyerap tenaga jika roda tenaga pecah.

Satu cara untuk melindungi daripada letupan ialah meletakkan roda tenaga di bawah tanah untuk menghentikan sebarang serpihan yang akan terbang dengan kelajuan peluru sekiranya berlaku kemalangan. Walau bagaimanapun, terdapat kes apabila penerbangan serpihan berlaku ke atas dari tanah, dengan pemusnahan bukan sahaja badan kapal, tetapi juga bangunan bersebelahan.

Akhir sekali, mari kita lihat fizik proses tersebut.Tenaga kinetik badan berputar ditentukan oleh formula:

di mana I ialah momen inersia badan berputar

halaju sudut boleh diwakili seperti berikut:

Sebagai contoh, untuk silinder selanjar, momen inersia ialah:

dan kemudian tenaga kinetik untuk silinder pepejal melalui frekuensi f adalah sama dengan:

di mana f ialah kekerapan (dalam pusingan sesaat), r ialah jejari dalam meter, m ialah jisim dalam kilogram.

Mari kita ambil contoh kasar untuk memahami. Dandang 3 kW mendidih air dalam 200 saat. Pada kelajuan berapakah roda tenaga silinder berterusan berjisim 10 kg dan jejari 0.5 m mesti berputar supaya semasa proses menghentikannya terdapat tenaga yang cukup untuk mendidih air? Biarkan kecekapan penukar penjana kami (mampu beroperasi pada sebarang kelajuan) ialah 60%.

Jawab. Jumlah tenaga yang diperlukan untuk mendidih cerek ialah 200 * 3000 = 600,000 J. Mengambil kira kecekapan, 600,000 / 0.6 = 1,000,000 J. Menggunakan formula di atas, kita mendapat nilai 201.3 pusingan sesaat .

Lihat juga:Peranti storan tenaga kinetik untuk industri kuasa

Satu lagi cara moden untuk menyimpan tenaga: Sistem Penyimpanan Tenaga Magnet Superkonduktor (SMES)