المجمع الميكانيكي للطاقة الكهربائية. استخدام أجهزة تخزين الطاقة. معلومات عامة عن تخزين الطاقة

التخزين الميكانيكي(MH) ، أو مجمع الطاقة الميكانيكية ، يسمى جهاز لتخزين وتخزين الحركية أو الطاقة الكامنةمع الإصدار اللاحق منه 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 كوضع MN وسيط. 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 MN - 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. ر P فوق 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.

مشتركتقوم MN بتخزين كل من الطاقة الحركية والطاقة الكامنة. 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 النوعية 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 الأسقف لمحطات الطاقة. الشحن - تصل دورة التفريغ لعملهم إلى عشرات الساعات.

بالنسبة لأعضاء البرلمان بالقصور الذاتي ، فإن أوضاع التفريغ قصيرة الأجل مميزة. يترافق استخراج الطاقة من MP مع انخفاض في السرعة الزاوية للحدافة إلى المستوى المسموح به. في حالات فرديةيمكن أن يحدث الكبح حتى التوقف الكامل للحدافة. التصريفات "الصدمية" المحتملة ، والتي تتميز بسحب الطاقة المخزنة لمرة واحدة أو دوريًا ، وبسبب الزخم الزاوي الكبير وقصر وقت التفريغ من MN ، يكون الانخفاض في السرعة الزاوية لدوارها صغيرًا نسبيًا ، على الرغم من 0 م قيم عالية... في هذا الوضع MH ، يتم فرض متطلبات خاصة لضمان قوة العمود. تحت تأثير عزم الدوران ، تنشأ ضغوط قص خطيرة في العمود ، ح. شارع الطاقة الحركيةيتحول الجزء المتحرك إلى طاقة كامنة للتشوه المرن لالتواء العمود. للتغلب على الصعوبات المذكورة أعلاه ، يتم توفير أدوات التوصيل المرنة أو الاحتكاكية 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 زائد ، وكذلك كتل مرفوعة إلى ارتفاع بالنسبة لسطح الأرض. الأمثلة النموذجية على MN الساكن هي: الزنبركات الممدودة أو المضغوطة ، المطاط ؛ مراكم 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.العمل الابتدائي مثالي عند شحنه بـ MH د= Fdx. إجمالي الطاقة المخزنة

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

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

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

Wya =] (aljE) da = a2J (2jE).حول

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 والتسخين إلى لالشيخوخة التدريجية (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 الكيميائيغاز. القيمة القصوى لـ Wya عندما يتمدد الغاز المضغوط إلى صفر ضغط عند درجة حرارة معينة وفقًا لمعادلة Mendeleev - Clapeyron PV- MvRyTهو

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 غاز ، 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) بنسبة ضغط الغاز الزائد إلى كثافته. الأخير مع زيادة الضغط و Г = const يزيد خطيًا (في عملية متساوية الحرارة PV= مقدار ثابت). وتجدر الإشارة إلى أنه من المعقول التطبيق الفعال للمغادرة المدروسة ضغوط عاليةتحديد ، لأسباب تتعلق بالقوة ، كتلة كبيرة من أسطوانات الغاز ، مع الأخذ في الاعتبار أن قيمة Wya للتركيب ككل يمكن أن تنخفض تقريبًا من حيث الحجم مقارنةً بـ fVya من (4.2) ، (4.3). يمكن إجراء تقييم قوة الأسطوانات باستخدام علاقات التصميم § 4.5.7.

انصح الجاذبيةأجهزة تخزين الطاقة.

تقدر طاقة الجاذبية الأرضية (على مستوى الخام) بشكل كافٍ تصنيف عالي"النبضات = 61.6 ميجا جول / كجم ، والتي تميز العمل المطلوب للحركة المنتظمة لجسم كتلته Mx = Kg من سطح الأرض إلى الفضاء الخارجي (للمقارنة ، نشير إلى أن قيمة PVya هذه تقريبًا ضعف ذلك كطاقة كيميائية 1 كجم من الكيروسين) رفع الأثقال 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= ghيعتمد 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 (دون مراعاة استهلاك الطاقة للاحتكاك في الغلاف الجوي).

من المستحيل عمليا الاستخدام المباشر لقوى الجاذبية المتولدة عن الكتل الطبيعية. ومع ذلك ، من خلال 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.

انصحالحركية 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 بأول سرعة كونية كم / ث له محدد

طاقة واياكس 32 ميجا جول / كجم.

بالنسبة لمجموعة متنوعة من تطبيقات الطاقة والنقل ، فإن MNs للحركة الدورانية عقلانية - 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 صوالكتلة م =yV (الخامس-أربعة حجمالخامس، في- كثافة المادة) ، t °

J ^ Mr2 / 2 = yVr2j2و W = n2Mr2n2 = n2yVr2n2.الطاقة النوعية المقابلة (لكل وحدة مأو الخامس)هو FV/ م= ن* ص2 ن2 , J / 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 a في قرص أو دوار أسطواني MH يعتمد على v2. يعتمد على شكل هندسيتتميز دواليب الموازنة المعدنية 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 تعتمد على حجم الحلقة ويتم تحديدها من خلال نسبة المعلمات Op / y من مادتها (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 اختلافها بشكل كبير 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. معظم مواد مناسبةسبائك الفولاذ عالية القوة وسبائك التيتانيوم وسبائك الألمنيوم الخفيف (نوع دورالومين) 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 عالية خاصة (دولاب الموازنة الفائقة) ، ويمكنها نظريًا توفير المستويات التالية من مؤشر Wya: خيوط زجاجية - 650 كيلوجول / كجم ، وخيوط 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 منها في مجموعة متنوعة من MN. تسمح الحذافات الفائقة بسرعات محيطية تصل إلى الخامس 1000 م / ث. يتطلب التطبيق الفني لمثل هذه الأجهزة توفير شروط خاصة... على سبيل المثال ، من الضروري تثبيت دولاب الموازنة في غلاف مفرغ ، نظرًا للقيم المشار إليها الخامستتوافق مع السرعات فوق الصوتية في الهواء (ماخ رقم ما> 1) ، والتي يمكن أن تسبب في الحالة العامة خط كاملالتأثيرات غير المقبولة: ظهور صدمات ضغط الهواء وموجات الصدمة ، زيادة حادة في السحب الديناميكي الهوائي ودرجة الحرارة.

تتميز الحذافات الفائقة المصنوعة 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 بما فيه الكفاية إذا تم تعويض الخسائر في آلية البندول.

دعونا ننظر في أمثلة توضيحية لشبكات MN التي تخزن الطاقات الحركية والمحتملة في نفس الوقت عند الشحن. إنها توضح الإمكانيات الأساسية للاستخدام العملي المشترك لكلا النوعين من الطاقة الميكانيكية المتراكمة. في التين. 4.1 ، لكنيظهر الوزن متدور حول المركز حولعلى سلسلة صلبة من الطول / ، انحرفت عن الوضع الرأسي بزاوية cf. السرعة الخطية الخامسيتوافق مع الحركة الدورانية لـ M على طول دائرة نصف قطرها ز.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 هو FK = Mv lr> قيمة عنصر الجاذبية F تي= جم. بما أن F „/ Fr = r2 / rg = tg (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 (شريط أو سلسلة).

مثال آخر على تراكم المفاصل دبليو„ و أسبوعتعمل دولاب الموازنة الدوارة ذات الحافة الدقيقة (الشكل 4.1 ، ب) ، والتي تتمتع بمرونة (صلابة) ن.يتناسب التوتر في الحافة ^ p = NAI مع الاستطالة المرنة A / = 2n (r - r0) الناتجة عن قوى القصور الذاتي AFr= AMv2 / ص ،وزعت نيميعلى طول محيط الحافة مع نصف القطر 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)