تخزين الطاقة. معلومات عامة حول تخزين الطاقة الميكانيكية

التخزين الميكانيكي(MH) ، أو مجمع الطاقة الميكانيكية ، هو جهاز لتخزين وتخزين الطاقة الحركية أو الكامنة مع إطلاقها اللاحق للعمل المفيد.

بالنسبة لأي نوع من أجهزة تخزين الطاقة (EE) ، فإن الأوضاع المميزة لتشغيل MN هي الشحنة(تراكم) و إبراء الذمة(عودة الطاقة). تخزينتعمل الطاقة كطريقة وسيطة من MN. في وضع الشحن ، يتم توفير الطاقة الميكانيكية إلى MN من مصدر خارجي ، ويتم تحديد التنفيذ الفني المحدد لمصدر الطاقة حسب نوع MN. عندما يتم تفريغ MN ، يتم نقل الجزء الرئيسي من الطاقة المخزنة بواسطتها إلى المستهلك. يتم إنفاق جزء من الطاقة المتراكمة على تعويض الخسائر التي تحدث في وضع التفريغ ، وفي معظم أنواع الدوائر المغناطيسية - وفي أوضاع التخزين.

نظرًا لأنه في عدد من منشآت التخزين ، يمكن أن يكون وقت الشحن D3 أطول بكثير من وقت التفريغ (r3 "g) ، فمن الممكن حدوث زيادة كبيرة في متوسط ​​معدل التفريغ. ص P على متوسط ​​القوة ص 3شحن MN. وبالتالي ، يجوز تجميع الطاقة في MP باستخدام مصادر طاقة منخفضة نسبيًا.

تنقسم الأنواع الرئيسية من MN إلى أجهزة ثابتة وديناميكية ومجمعة.

ثابتةتخزن MN الطاقة الكامنة عن طريق التغيير المرن في شكل أو حجم مائع العمل أو عندما يتحرك عكس اتجاه الجاذبية في مجال الجاذبية. سائل العمل الصلب أو السائل أو الغازي لهذه MNs له حالة ثابتة في وضع تخزين الطاقة ، ويرافق شحن وتفريغ NEs بحركة مائع العمل.

متحركتتراكم MN الطاقة الحركية بشكل رئيسي في الكتل الدوارة من المواد الصلبة. بشكل مشروط ، يمكن أيضًا إحالة أجهزة تخزين مسرعات الجسيمات الأولية المشحونة ، والتي يتم فيها تخزين الطاقة الحركية للإلكترونات أو البروتونات ، التي تتحرك دوريًا على طول مسارات مغلقة ، إلى أجهزة MP الديناميكية.

مجموعتخزن المنغنيز كلاً من الطاقة الحركية والوضعية. مثال على MH المدمج هو حذافة فائقة مصنوعة من مادة ليفية عالية القوة مع معامل مرونة منخفض نسبيًا. عندما يدور MI معين ، يتم تخزين الطاقة الكامنة للتشوه المرن فيه جنبًا إلى جنب مع الطاقة الحركية. عند استخراج الطاقة المتراكمة من مثل هذا المنغنيز ، يتحقق استخدام كلا النوعين.

من حيث مستوى الطاقة المتراكمة المحددة لكل وحدة كتلة أو حجم العنصر المتراكم ، فإن MN بالقصور الذاتي الديناميكي متفوق بشكل كبير على بعض الأنواع الأخرى من NEs (على سبيل المثال ، التخزين الاستقرائي والسعة). لذلك ، تعتبر MN ذات أهمية عملية كبيرة للتطبيقات المختلفة في مختلف فروع التكنولوجيا والبحث العلمي.

تم العثور على أنواع معينة من MP حتى الآن تطبيقًا واسع النطاق في صناعة الطاقة الكهربائية ، على سبيل المثال ، دليل - تركيبات تخزين أسطح لمحطات الطاقة. الشحن - تصل دورة تفريغ عملهم إلى عشرات الساعات.

بالنسبة لأعضاء البرلمان الذين يعانون من القصور الذاتي ، فإن أوضاع التفريغ قصيرة الأجل مميزة. يترافق استخراج الطاقة من MP مع انخفاض في السرعة الزاوية للحدافة إلى المستوى المسموح به. في بعض الحالات ، يمكن أن يحدث الكبح حتى تتوقف دولاب الموازنة تمامًا. تصريفات "الصدمة" المحتملة ، التي تتميز بسحب الطاقة المخزنة لمرة واحدة أو دوريًا ، وبسبب الزخم الزاوي الكبير ووقت التفريغ القصير للـ MN ، يكون الانخفاض في السرعة الزاوية لدوارها صغيرًا نسبيًا ، على الرغم من القوة يمكن أن تصل إلى قيم عالية بما فيه الكفاية. في هذا الوضع MN ، يتم فرض متطلبات خاصة لضمان قوة العمود. تحت تأثير عزم الدوران ، تنشأ ضغوط قص خطيرة في العمود ، ح. يتم تحويل الطاقة الحركية للعضو الدوار إلى طاقة كامنة للتشوهات المرنة لالتواء العمود. للتغلب على الصعوبات المذكورة أعلاه ، يتم توفير أدوات توصيل مرنة أو احتكاكية في تصميمات MH الفردية.

تحافظ MNs الثابتة على الطاقة المخزنة ، كونها في حالة ثابتة. حاملات الطاقة الكامنة فيها عبارة عن مواد صلبة مشوهة بشكل مرن أو غازات مضغوطة تحت ضغط مفرط ، بالإضافة إلى كتل ترتفع إلى ارتفاع نسبة إلى سطح الأرض. الأمثلة النموذجية على MN الساكن هي: النوابض المشدودة أو المضغوطة ، المطاط ؛ مراكم اسطوانة الغاز والمراكم الهوائية. أجهزة التصادم الخاصة بسائقي الركائز المختلفة ، على سبيل المثال ، لقيادة الأكوام ، باستخدام طاقة الكتل في حالة مرتفعة ؛ خزانات محطات توليد الطاقة بالضخ ، خزانات منشآت ضغط المياه. فيما يلي نسب الطاقة الرئيسية والمعلمات المميزة لبعض الأجهزة النموذجية.

النظر في MN مع المرنعناصر.

نحن نؤمن الحالة الصلبةالنظام خطي ، ثم عنصر التخزين المرن له صلابة ثابتة (أو مرونة) ن= مقدار ثابت. قوة العمل عليه F= Nxيتناسب مع التشوه الخطي X.عمل ابتدائي مثالي عند شحنه بـ MH د= فدكس. إجمالي الطاقة المخزنة

دبليو = ي Fdx = ي Nxdx = NAh2 / 2-FaAh / 2 ، أوو

أينآه - التشوه الناتج ، محدود ، على سبيل المثال ، مقبولتوتر أرمواد؛ الجبهة الوطنية = ناه - القوة المطبقة.

دعونا نقدر الطاقة المحددة ويا = Wj ملكل وحدة كتلة م= ص= yShحجم الربيع أو القضيب الخامسوالقسم س, المواد التي تحتوي على كثافة y وتعمل على كسر حدود قانون هوك أ= xfE, وعلاوة على ذلك X* = xfh- تشوه نسبي ، ه- وحدة المرونة (يونغ) ، G ^ Gp. مقدمة دا= Edx„ يمكننا الكتابة د= Fhdx* = هدو/ هـو دية= د/ ySh= ادارة الاغذية والعقاقير/ ySE, من أين في ج= F./ ستجد

Wya =] (aljE) da = a2J (2jE).ا

للصلبسوف نقبل الينابيعمع "= 8 108 نيوتن / م "ه = 2 ، 1-1011 ن / م 2 ،ص = 7800 كجم / م 3 ، إذنويا ^200 ي/ كلغ. آنايعطي الحساب المنطقي للمطاط التقني ^ نبضات ^ 350 J / kg ، بسبب طبيعة التباطؤ للاعتماد F= F(X) في دورة الشحن والتفريغ ، تؤدي الخسائر الناتجة والتدفئة إلى لالتقادم التدريجي (التدمير) للمطاط وعدم الاستقرار وتدهور خصائصه المرنة.

تخزين الغازالنظام في حالة عدم توازن ميكانيكيًا فيما يتعلق بالبيئة: عندما تكون درجات حرارة النظام والبيئة متساوية (T = T0C)ضغط النظام ص> ص 0 ، ج ،لذلك يمكن للنظام القيام بعمل. يتم ضغط احتياطي الطاقة المرنة في أسطوانة بحجم الخامسالغاز

دبليو= P (vdp = v (p2-pi) .. (4.1)

وفقًا لـ (4.1) ، لكل وحدة كتلة M لأي غاز مضغوط ، توجد طاقة محددة

Wya = W / M = V (p2-Pl) IM = Aply. (4.2)

بناءً على (4.2) عند K = 1m3 ، القيمة دبليو- WysMيساوي عدديا انخفاض الضغط Ap = p1-p1.على سبيل المثال ، إذا كان A /؟ = 250 105 باسكال (الضغط الأولي p! = 105 باسكال) ، ثم IL = 25-106 J بغض النظر عن التركيب الكيميائي للغاز. القيمة القصوى لـ Wya عندما يتوسع الغاز المضغوط إلى ضغط صفري عند درجة حرارة معينة وفقًا لمعادلة Mendeleev - Clapeyron PV- MvRyTيكون

ويا= WlM = RyTI "، (4.3)

حيث c = M / Mts - الكتلة المولية (كجم / كمول) ؛ Ry & ~ 8.314 kJ / (kmol K) - ثابت غاز عالمي عند Тх273 К ؛ /؟ "105Pa؛ مم هو عدد الكيلومولات في غاز الكتلة م.

يتضح من (4.3) أن استخدام الغازات الخفيفة في ML هو الأكثر فعالية. بالنسبة لأخف الغازات ، الهيدروجين (μ = 2 كجم / كمول) عند T = 300 كلفن ، فإن الطاقة المحددة هي 1250 كج / كغ (أو 1250 جول / جم). في (4.3) ، لم يتم تضمين الضغط بشكل صريح ، حيث يتم تحديد Wya بواسطة (4.2) من خلال نسبة ضغط الغاز الزائد إلى كثافته. الأخير مع زيادة الضغط و Г = const يزيد خطيًا (في العملية المتساوية PV= مقدار ثابت). وتجدر الإشارة إلى أن الضغوط العالية المعقولة للتطبيق الفعال للـ MN قيد الدراسة تتسبب ، لأسباب تتعلق بالقوة ، في كتلة كبيرة من أسطوانات الغاز ، مع الأخذ في الاعتبار أن قيمة Wya للتركيب ككل يمكن أن تنخفض بمقدار تقريبًا ترتيب من حيث الحجم مقارنةً بـ fVya من (4.2) ، (4.3). يمكن إجراء تقييم قوة الأسطوانات باستخدام علاقات التصميم § 4.5.7.

يعتبر الجاذبيةأجهزة تخزين الطاقة.

تقدر طاقة الجاذبية الأرضية لجاذبية الأرض (عند مستوى مادة خام) كمؤشر مرتفع إلى حد ما "النبضات = 61.6 ميجا جول / كجم ، والتي تميز العمل الضروري للحركة المنتظمة لجسم كتلته Mx = Kg من سطح الأرض في الفضاء الخارجي (للمقارنة ، نشير إلى أن هذه القيمة PVya هي تقريبًا ضعف الطاقة الكيميائية ل 1 كجم من الكيروسين). مإلى الارتفاع ح= س2 - XLتخزين الطاقة الكامنة

دبليو= jgMdx = جم , (4.4)

حيث M = const ، g = 9.8l م / ث 2. حسب (4.4) الطاقة النوعية ويا= Wjم= غيعتمد فقط على الارتفاع ح. يتم تحرير الطاقة المخزنة عندما ينخفض ​​الحمل ويتم تنفيذ العمل المفيد المقابل نتيجة لتحويل الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية. أعلى طاقة حركية محددة في الطبيعة عند السقوط يمكن تطويرها بواسطة النيازك ، والتي من أجلها Wya ^ 60 MJ / kg (باستثناء استهلاك الطاقة للاحتكاك في الغلاف الجوي).

من المستحيل عمليا الاستخدام المباشر لقوى الجاذبية المتولدة عن الكتل الطبيعية. ومع ذلك ، عن طريق ضخ المياه في الخزانات الاصطناعية المرتفعة أو من الخزانات الجوفية إلى السطح ، يمكن تجميع كمية كبيرة بما يكفي من الطاقة الكامنة للتطبيقات واسعة النطاق في أنظمة الطاقة الكهربائية. إذا كان مستوى الاختلاف ح= 200 م ، إذن ، بناءً على كتلة الماء M = 103 كجم ، الطاقة المخزنة وفقًا لـ (4.4) تساوي I> "= 1962 kJ ، طاقة محددة ويا= WjM= 1.962 كيلو جول / كجم.

يعتبرالحركية بالقصور الذاتي MN.

من حيث المبدأ ، يمكن تخزين الطاقة الحركية لأي حركة للكتلة. لحركة انتقالية موحدة لجسم ذي كتلة مبسرعة الخامسالطاقة الحركية دبليو= Mv2 / 2. طاقة محددة ويا= دبليو/ م= v2 ي2 يعتمد (تربيعيًا) فقط على السرعة الخطية للجسم. جسم يتحرك بسرعة كونية أولى كم / ث له محدد

طاقة واكس 32 ميجا جول / كجم.

بالنسبة لمجموعة متنوعة من تطبيقات الطاقة والنقل ، تعد MNs الدورانية منطقية - MNs بالقصور الذاتي (الحذافات). يتم تحديد الطاقة الحركية المخزنة W = J & / ~ بواسطة مربع السرعة الزاوية س= 2nn (ص- السرعة) ولحظة القصور الذاتي يحذافة بالنسبة لمحور الدوران. إذا كان نصف قطر دولاب الموازنة جيوالكتلة م =yV (الخامس-الصوت، في- كثافة المواد) ، t °

J ^ Mr2 / 2 = yVr2j2و W = n2Mr2n2 = n2yVr2n2.الطاقة النوعية المقابلة (لكل وحدة مأو الخامس)يكون FV/ م= ن* ص2 ن2 , ي / كجم و lV0ya= دبليو/ الخامس= نسنتان2 ن2 , ي / م 3. قيم Q و n لحجم معين r محدودة بالسرعة الطرفية الخطية الخامس= س.r= 2mr, المرتبطة بضغط كسر المسموح به للمادة ar. من المعروف أن الجهد الكهربائي في قرص أو دوار أسطواني MH يعتمد على v2. اعتمادًا على الشكل الهندسي للحذافات المعدنية ، فهي تتميز بسرعات قصوى مسموح بها عند محيط ما يقرب من 200 إلى 500 م / ث.

الطاقة المخزنة ، خاصة بالنسبة للحدافة ذات الحافة النحيلة ، دبليو= Mv /2 (مهي كتلة الحلقة الدوارة). محددة في مجال الطاقة ويا= دبليو/ م= v2 /2 لا يعتمد على حجم الحلقة ويتم تحديده من خلال نسبة المعلمات Op / y من مادته (انظر القسم 4.5.1 ، حيث يظهر أن الخامس2 = opjص). وتجدر الإشارة إلى أن نمطًا مشابهًا لـ Wya ~ avjу يحدث أيضًا في أجهزة تخزين الطاقة الاستقرائية (انظر الفصل 2) ، على الرغم من أنها تختلف اختلافًا كبيرًا عن MN في الطبيعة الفيزيائية. في الحالة العامة ، في تصنيع عناصر تخزين MN ، من الضروري استخدام مواد ذات قيم متزايدة من Gp / y> 105 J / kg. أنسب المواد هي سبائك الفولاذ عالية القوة وسبائك التيتانيوم وسبائك الألمنيوم الخفيف (نوع duralumin) وسبائك المغنيسيوم (نوع الإلكترون). باستخدام المواد المعدنية ، من الممكن الحصول على طاقة معينة MN تصل إلى Wm = 200-300 to J / kg.

صُممت المواد المصنوعة من الألياف الدقيقة لإنشاء دواليب ذات طاقات محددة عالية بشكل خاص (الحذافات الفائقة) ، ويمكن لمواد الألياف الدقيقة أن توفر نظريًا المستويات التالية من مؤشر Wya: خيوط زجاجية - 650 كيلوجول / كجم ، وشعيرات كوارتز - 5000 كيلوجول / كجم ، وألياف كربونية (مع هيكل الماس) -15000 كيلو جول / كجم ... تشكل الخيوط (أو الأشرطة المصنوعة منها) والراتنجات اللاصقة بنية مركبة ، تكون قوتها أقل من تلك الموجودة في الألياف الأصلية. مع الأخذ في الاعتبار عناصر التثبيت في الحذافات الفائقة الحقيقية ، فإن قيم Zhud يتم تحقيقها عمليًا أقل من القيم المشار إليها ، ولكنها لا تزال أعلى نسبيًا من مجموعة متنوعة من MN. تسمح الحذافات الفائقة بسرعات محيطية تصل إلى الخامس 1000 م / ث. يتطلب التنفيذ الفني لهذه الأجهزة توفير شروط خاصة. على سبيل المثال ، من الضروري تثبيت دولاب الموازنة في مسكن تم إخلاؤه ، نظرًا للقيم المشار إليها الخامستتوافق مع السرعات فوق الصوتية في الهواء (Mach number Ma> 1) ، والتي في الحالة العامة يمكن أن تسبب عددًا من التأثيرات غير المقبولة: ظهور صدمات ضغط الهواء وموجات الصدمة ، وزيادة حادة في السحب الديناميكي الهوائي ودرجة الحرارة.

تتميز الحذافات الفائقة من الألياف متعددة الطبقات بموثوقية عالية إلى حد ما وهي أكثر أمانًا في التشغيل من الحذافات الصلبة. في ظل الأحمال غير المقبولة التي تسببها قوى القصور الذاتي ، يتم تدمير الطبقات الخارجية الأكثر إجهادًا فقط من الهيكل المركب الليفي للحذافة الفائقة ، في حين أن تدمير دولاب الموازنة الهائل يكون مصحوبًا بتشتت أجزائه الممزقة.

يتم الجمع بين خصائص MN الساكنة والديناميكية في أجهزة مختلفة. أبسط هذه العناصر هو البندول المتذبذب. يمكن الحفاظ على العملية الدورية للتحول المتبادل للطاقة الكامنة إلى طاقة حركية لفترة طويلة إلى حد ما إذا تم تعويض الخسائر في آلية البندول.

دعونا نفكر في أمثلة توضيحية على MNs التي تخزن كلاً من الطاقات الحركية والمحتملة بتهمة. إنها توضح الإمكانيات الأساسية للاستخدام العملي المشترك لكلا النوعين من الطاقة الميكانيكية المتراكمة. في التين. 4.1 ، أالوزن هو مبين متدور حول المركز اعلى خيط صلب من الطول / ، منحرف عن الوضع الرأسي بزاوية cf. السرعة الخطية الخامسيتوافق مع الحركة الدورانية M على طول دائرة نصف قطرها ج.الطاقة الكامنة للحمل ون= جمبسبب ارتفاعه إلى ارتفاع حنتيجة الرفض. الطاقة الحركية للحمل هي 1FK = 0.5 Mv2 . تؤثر القوة F = F „+ Fr. على الحمل. مكونه بالقصور الذاتي يساوي FK = Mv lr> قيمة عنصر الجاذبية F تي= جم. بما أن F „/ Fr = r2 / rg = tan (D ، بقدر ما ون/ أسبوع= 2 س/ rtg^>. إذا Uchest ^! أن A = / (l - coscp) و r = / sincp ، ثم / y / r = (1 - coscp) / sinср. في هذا الطريق، دبليو„لام lFK = 2coscp / (l + cos (p) ، وفي حالة cp-> 0 نحصل على Wn / WK-> 1. وبالتالي ، عند الزوايا الصغيرة cp ، يمكن توزيع الطاقة المخزنة fV = JVK + Wn على قدم المساواة الترددات (W يمكن زيادة قيمة Wn ، إذا قمت بتثبيت الحمل على تعليق مرن (قضيب أو خيط).

مثال آخر على تراكم المفاصل دبليو„ و أسبوعحذافة دوارة ذات حافة دقيقة (الشكل 4.1 ، ب) ، والتي لها مرونة (صلابة) ن.يتناسب التوتر في الحافة ^ p = NAI مع الاستطالة المرنة A / = 2n (r - r0) الناتجة عن قوى القصور الذاتي AFr= AMv2 / G ،وزعت نيميعلى طول محيط الحافة مع نصف قطر r. توازن عنصر حافة بكتلة 2DM = 2 (A // 2l ؛) A (يتم تحديد p بالعلاقة 2A / v = 2A / 7 (() sinAcp ^ Ai ^ ACP ، من أين 0.5 Mv2 = 2 كيلو2 (ص- ص0 ) ن. لذلك ، الطاقة الحركية للشفة لفك= 2n2 (ص- ص0 ) ن. منذ الطاقة الكامنة المخزنة)