Skladištenje energije. Opće informacije o mehaničkom skladištenju energije

Mehaničko skladištenje(MH), ili mehanički akumulator energije, je uređaj za skladištenje i skladištenje kinetičke ili potencijalne energije s naknadnim oslobađanjem za koristan rad.

Kao i za bilo koji tip uređaja za skladištenje energije (EE), karakteristični načini rada MN su naboj(akumulacija) i pražnjenje(povrat energije). Skladištenje energija služi kao srednji MN način. U načinu punjenja, mehanička energija se MP isporučuje iz vanjskog izvora, a specifična tehnička implementacija izvora energije određuje se vrstom MP. Kada se MN isprazni, glavni dio energije koji se njime skladišti prenosi se na potrošača. Dio akumulirane energije troši se na nadoknadu gubitaka koji nastaju u režimu pražnjenja, te u većini vrsta magnetnih sklopova - i u modovima skladištenja.

Budući da u mnogim akumulacijskim instalacijama vrijeme punjenja D3 može biti mnogo duže od vremena pražnjenja (r3 "g), moguć je značajan višak prosječne brzine pražnjenja. R P preko prosječne snage P3 punjenje MN. Stoga je dozvoljeno akumulirati energiju u MP koristeći izvore relativno male snage.

Glavne vrste MN podijeljene su na statičke, dinamičke i kombinirane uređaje.

Statički MN skladišti potencijalnu energiju elastičnom promjenom oblika ili zapremine radne tečnosti ili kada se kreće protiv smjera gravitacije u gravitacijskom polju. Čvrsta, tečna ili plinovita radna tečnost ovih MN ima statično stanje u režimu skladištenja energije, a punjenje i pražnjenje NE praćeno je kretanjem radne tečnosti.

Dynamic MN akumulira kinetičku energiju uglavnom u rotirajućim masama čvrstih tijela. Uvjetno - uređaji za pohranu akceleratora nabijenih elementarnih čestica, u kojima je pohranjena kinetička energija elektrona ili protona, koji se ciklično kreću duž zatvorenih putanja, također mogu pripisati dinamičkim MP.

Kombinovano MN čuva i kinetičku i potencijalnu energiju. Primjer kombiniranog MH je super zamašnjak izrađen od vlaknastog materijala visoke čvrstoće s relativno malim modulom elastičnosti. Kada se zadani MI okrene, u njemu se pohranjuje potencijalna energija elastične deformacije zajedno s kinetičkom energijom. Prilikom izdvajanja akumulirane energije iz takvog MN, postiže se upotreba oba njegova tipa.

Što se tiče nivoa specifične akumulirane energije po jedinici mase ili zapremine akumulirajućeg elementa, dinamički inercijalni MN su značajno superiorniji od nekih drugih vrsta NE (na primjer, induktivno i kapacitivno skladištenje). Stoga su MN od velikog praktičnog interesa za različite primjene u raznim granama tehnologije i naučnog istraživanja.

Određene vrste MP-a do sada su pronašle veliku primjenu u elektroenergetskoj industriji, na primjer vodič - Instalacije za krovno skladište elektrana. Punjenje - Ciklus pražnjenja njihovog rada doseže desetke sati.

Za inercijalne MP karakteristični su kratkotrajni načini pražnjenja. Izdvajanje energije iz MP praćeno je smanjenjem ugaone brzine zamašnjaka na dozvoljenu razinu. U nekim slučajevima može doći do kočenja do potpunog zaustavljanja zamašnjaka. Moguća "udarna" pražnjenja, karakterizirana jednokratnim ili cikličkim povlačenjem uskladištene energije, a zbog velikog kutnog momenta i kratkog vremena pražnjenja MN, smanjenje ugaone brzine njegovog rotora je relativno malo, iako je snaga isporučeni mogu doseći dovoljno visoke vrednosti. U ovom načinu rada MH postavljaju se posebni zahtjevi za osiguravanje čvrstoće osovine. Pod utjecajem momenta nastaju opasna smičuća ​​naprezanja u osovini, h. kinetička energija rotora pretvara se u potencijalnu energiju elastičnih deformacija torzije osovine. Da bi se prevladale gore navedene poteškoće, u pojedinačnim MH izvedbama predviđene su elastične ili frikcijske spojke.

Statički MN čuvaju uskladištenu energiju, budući da su u stacionarnom stanju. Nosioci potencijalne energije u njima su elastično deformisane čvrste supstance ili komprimovani gasovi pod viškom pritiska, kao i mase podignute na visinu u odnosu na površinu zemlje. Tipični primjeri statičkog MN su: rastegnute ili komprimirane opruge, gume; plinski akumulatori i pneumatski akumulatori; udarni uređaji različitih zabijača pilota, na primjer za zabijanje šipova, koristeći energiju mase u povišenom stanju; rezervoari pumpanih akumulacija, rezervoari vodotlačnih instalacija. Evo glavnih omjera energije i karakterističnih parametara nekih tipičnih uređaja.

Razmotrimo MN sa elastična elementi.

Mi vjerujemo čvrsto stanje sistem je linearan, tada elastični element za skladištenje ima konstantnu krutost (ili elastičnost) N= Const. Sila koja djeluje na njega F= Nx proporcionalno linearnoj deformaciji NS. Elementarni rad savršen kada se napuni MH dW= Fdx. Ukupna uskladištena energija

W = J Fdx = J Nxdx = NAh2 / 2-FaAh / 2, Oo

Gde Ah - rezultirajuća deformacija, ograničena, na primjer, Dopušteno tenzija ar materijal; Fn = NAh - primijenjena sila.

Procijenimo specifičnu energiju Wya = Wj M, po jedinici mase M= yV= ySh zapremina opruge ili šipke V i odjeljak S, čiji materijal ima gustinu y i radi na rušenju u granicama Hooke-ovog zakona a= xfE, štaviše X* = xfh- relativna deformacija, E-modul elastičnosti (Young), G ^ Gp. Predstavljamo da= Edx„ možemo pisati DW= Fhdx* = Fhdo/ E i dWya= dW/ ySh= Fda/ ySE, odakle u C= F/ S pronađi

Wya =] (aljE) da = a2J (2jE).O

Za čelikprihvatićemo izvore sa „= 8 108 N / mE = 2 , 1-1011 N / m2,y = 7800 kg / m3, ondaWya ^200 J/ kg. Ana Logični proračun za tehničku gumu daje ^ otkucaje ^ 350 J / kg, međutim, zbog histerezijske prirode zavisnosti F= F(X) U ciklusu pražnjenja i pražnjenja nastali gubici i zagrijavanje dovode do TO postupno starenje (uništavanje) gume, nestabilnost i pogoršanje njenih elastičnih svojstava.

Skladište plina sistem je u mehanički neravnotežnom stanju u odnosu na okolinu: kada su temperature sistema i okoline jednake (T = T0C) sistemski pritisak p> p0, c, stoga sistem može raditi. Rezerva elastične energije komprimirana u cilindru zapremine V plin je

W= P (vdp = v (p2-pi) .. (4.1)

Prema (4.1), po jedinici mase M bilo kog komprimiranog plina postoji specifična energija

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

Na osnovu (4.2) pri K = 1m3, vrijednosti W- WysM numerički jednak padu pritiska Ap = p1-p1. Na primjer, ako A /? = 250 105 Pa (početni pritisak p! = 105 Pa), zatim IL = 25-106 J bez obzira na hemijski sastav plina. Maksimalna vrijednost Wya kada se komprimirani plin širi na nulti pritisak pri određenoj temperaturi prema Mendeleev-Clapeyronovoj jednadžbi PV- MvRyT je

Wya= WlM = RyTI ", (4.3)

Gdje je c = M / Mts - molarna masa (kg / kmol); Ry & ~ 8.314 kJ / (kmol K) - univerzalna plinska konstanta na Th273 K; /? "105Pa; Mm je broj kilomola u plinu mase M.

Iz (4.3) se vidi da je upotreba lakih gasova u ML najefikasnija. Za najlakši plin, vodonik (μ = 2 kg / kmol) pri T = 300 K, specifična energija je ~ 1250 kJ / kg (ili 1250 J / g). U (4.3) tlak nije izričito uključen, jer je Wya određen (4.2) omjerom prekomjernog tlaka plina i njegove gustine. Potonji se s porastom pritiska i G = const linearno povećava (u izotermnom procesu PV= Const). Treba imati na umu da visoki pritisci koji su razumni za efikasnu primjenu razmatrane MN uzrokuju, zbog razloga čvrstoće, značajnu masu plinskih boca, uzimajući u obzir koja vrijednost Wya postrojenja u cjelini može smanjiti za gotovo reda veličine u odnosu na fVya iz (4.2), (4.3). Procjena čvrstoće cilindara može se izvršiti pomoću odnosa dizajna, § 4.5.7.

Razmislite gravitaciono uređaji za skladištenje energije.

Gravistatička energija gravitacije Zemlje (na nivou ory) procjenjuje se prilično visokim pokazateljem "otkucaja = 61,6 MJ / kg, koji karakteriše rad neophodan za ravnomjerno kretanje tijela mase Mx = Kg od Zemljine površine u svemir (za usporedbu, ukazujemo da je PVya približno dvostruko veća od kemijske energije od 1 kg kerozina). M do visine h= x2 - xl pohranjena potencijalna energija

W= jgMdx = gMh , (4.4)

Gdje je M = const, g = 9,8 l m / s2. Prema (4.4), specifična energija Wya= WjM= gh ovisi samo o visini h. Spremljena energija se oslobađa kada teret padne i izvrši se odgovarajući koristan rad kao rezultat transformacije potencijalne energije u kinetičku. Najvišu specifičnu kinetičku energiju u prirodi pri padu mogu razviti meteoriti za koje Wya ^ 60 MJ / kg (ne uzimajući u obzir potrošnju energije za trenje u atmosferi).

Direktna upotreba gravitatičkih sila koje generiraju prirodne mase praktički je nemoguća. Međutim, pumpanjem vode u podignute umjetne rezervoare ili iz podzemnih rezervoara na površinu, može se akumulirati dovoljno velika količina potencijalne energije za velike primjene u elektroenergetskim sistemima. Ako je razlika u nivou h= 200 m, tada je, na osnovu mase vode M = 103 kg, uskladištena energija prema (4.4) jednaka I> "= 1962 kJ, specifična energija Wya= WjM= 1,962 kJ / kg.

Razmislite inercijalna kinetika MN.

U principu, kinetička energija se može pohraniti za bilo koje kretanje mase. Za jednoliko translacijsko kretanje tijela s masom M brzinom v kinetička energija W= Mv2 / 2. Specifična energija Wya= W/ M= v2 j2 ovisi (kvadratno) samo o linearnoj brzini tijela. Telo koje se kreće prvom kosmičkom brzinom km / s ima specifičnost

Energija Wyax32 MJ / kg.

Za razne energetske i transportne primjene rotacijski MN su racionalni - inercijalni MN (zamašnjaci). Pohranjena kinetička energija W = J & / ~ određena je kvadratom ugaone brzine Q= 2nn (NS- brzina) i moment inercije J zamašnjak u odnosu na osu rotacije. Ako zamašnjak ima radijus G i masa M =yV (V-zvuk, u- gustina materijala), t °

J ^ Mr2 / 2 = yVr2j2 i W = n2Mr2n2 = n2yVr2n2. Odgovarajuća specifična energija (po jedinici M ili V) je FV/ M= n* r2n2 , J / kg i lV0ya= W/ V= n2 god2n2 , J / m3. Vrijednosti Q i n za datu veličinu r ograničene su linearnom perifernom brzinom v= Q.r= 2mr, povezano sa dozvoljenim naponom loma materijala ar. Poznato je da napon a u disku ili cilindričnom rotoru MH ovisi o v2. Ovisno o geometrijskom obliku metalnih zamašnjaka, karakteriziraju ih dopuštene maksimalne brzine na periferiji od približno 200 do 500 m / s.

Pohranjena energija, posebno za zamašnjak vitkog obruča, W= Mv /2 (M je masa rotirajućeg prstena). Specifična energija Wya= W/ M= v2 /2 ne ovisi o veličini prstena i određuje se odnosom parametara Op / y njegovog materijala (vidi odjeljak 4.5.1, gdje se pokazuje da v2 = opj Y). Treba imati na umu da se sličan obrazac za Wya ~ avju ima i u uređajima za induktivno skladištenje energije (vidi Poglavlje 2), iako se oni u fizičkoj prirodi značajno razlikuju od MN. U općenitom slučaju, za proizvodnju MN elemenata za pohranu potrebno je koristiti materijale s povišenim vrijednostima Gp / y> 105 J / kg. Najprikladniji materijali su legirani čelici visoke čvrstoće, legure titana, kao i lake legure aluminijuma (duraluminov tip) i legure magnezijuma (elektronski tip). Korištenjem metalnih materijala moguće je dobiti specifičnu energiju MN do Wm = 200-300 do J / kg.

Dizajnirani za stvaranje zamajaca sa posebno visokim specifičnim energijama (super zamašnjaci), materijali od finih vlakana teoretski mogu pružiti sljedeće nivoe Wya indeksa: stakleni filamenti - 650 kJ / kg, kvarcni filamenti - 5000 kJ / kg, karbonska vlakna ( sa dijamantskom strukturom) -15000 kJ / kg ... Vlakna (ili trake izrađene od njih) i ljepljive smole čine kompozitnu strukturu čija je čvrstoća niža od one izvornih vlakana. Uzimajući u obzir elemente za pričvršćivanje u pravim super zamašnjacima, vrijednosti Zhuda su praktično postignute manje od naznačenih, ali i dalje relativno veće nego u ostalim varijantama MN. Super zamašnjaci omogućavaju periferne brzine do v"1000 m / s. Tehnička implementacija takvih uređaja zahtijeva posebne uvjete. Na primjer, potrebno je ugraditi zamašnjak u evakuirano kućište, jer su naznačene vrijednosti v odgovaraju nadzvučnim brzinama u zraku (Mahov broj Ma> 1), što u pravilu može prouzrokovati niz neprihvatljivih efekata: pojavu udara kompresije vazduha i udarnih valova, nagli porast aerodinamičkog otpora i temperature.

Višeslojni super zamašnjaci od vlakana imaju prilično visoku pouzdanost i sigurniji su u radu od čvrstih zamašnjaka. Pod neprihvatljivim opterećenjima izazvanim inercijskim silama, uništavaju se samo najnapetiji vanjski slojevi vlaknaste kompozitne strukture super zamašnjaka, dok uništavanje masivnog zamašnjaka prati rasipanje njegovih pocepanih dijelova.

Kombinacija svojstava statičkog i dinamičkog MN odvija se u različitim uređajima. Najjednostavnije od njih je oscilirajuće klatno. Ciklični proces međusobne transformacije potencijalne energije u kinetičku može se održati prilično dugo ako se nadoknade gubici u mehanizmu klatna.

Razmotrimo ilustrativne primjere MN-a koji istovremeno pohranjuju kinetičku i potencijalnu energiju kada se napune. Oni pokazuju osnovne mogućnosti zajedničkog praktičnog korištenja obje vrste akumulirane mehaničke energije. Na sl. 4.1, ali prikazana je težina M, vrteći se oko centra O na apsolutno krutom nizu dužine /, odvojenom od vertikalnog položaja za kut usp. Linearna brzina v odgovara rotacijskom kretanju M duž kruga polumjera G. Potencijalna energija tereta Wn= gMh zbog njegovog uspona u visinu h kao rezultat odbijanja. Kinetička energija tereta je 1FK = 0,5 Mv2 . Na teret djeluje sila F = F „+ Fr. Njegova inercijska komponenta je FK = Mv lr> vrijednost gravitacijske komponente F T= gM. Budući da je F „/ Fr = r2 / rg = tan (D, utoliko je Wn/ Wk= 2h/ rtg^>. Ako Uchest ^! da je A = / (l - coscp) i r = / sincp, tada / r / r = (1 - coscp) / sinsr. Dakle, W„L lFK = 2coscp / (l + cos (p), a u slučaju cp-> 0 dobijamo Wn / WK-> 1. Prema tome, pod malim uglovima cp, uskladištena energija fV = JVK + Wn može se raspodijeliti pod jednakim frekvencije (W Vrijednost Wn može se povećati ako opterećenje učvrstite na elastičnom ovjesu (šipka ili žica).

Još jedan primjer akumulacije zglobova W„ i Wk služi kao rotirajući zamašnjak finog oboda (slika 4.1, b), koji je imao elastičnost (krutost) N. Napetost na rubu ^ p = NAI proporcionalna je elastičnom izduženju A / = 2n (r - r0) uzrokovanom inercijskim silama AFr= AMv2 / G, distribuirano Nymi duž opsega oboda radijusa r. Ravnoteža obodnog elementa mase 2DM = 2 (A // 2l;) A (p određuje se relacijom 2A / v = 2A / 7 (() sinAcp ^ Ai ^ Acp , odakle 0,5 Mv2 = 2K2 (r- r0 ) N. Prema tome, kinetička energija oboda lVK= 2n2 (r- r0 ) N. Budući da je pohranjena potencijalna energija)