Mechanische Batterie elektrischer Energie. Alternative Energiequellen. Druckgas-Energiespeicher

25.04.2019

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Alle oben besprochenen NEs verfügten über ein elektromechanisches Steuergerät, das ihre geringe Manövrierfähigkeit feststellte.

Reis. 2.7. NEE-Anschlusspläne:
a - Shunt; b - linear
Elektrische Energiespeicher (EES) werden über einen gesteuerten Ventilwandler* mit dem EPS verbunden, dessen Stromumkehrzeit 0,01 s beträgt, was ihre hohe Manövrierfähigkeit und damit die Möglichkeit einer integrierten Nutzung im EPS bestimmt.

*Da die Akkumulation elektrischer Energie nur mit konstantem Strom möglich ist.

Zu den elektrischen Energiespeichern gehören:
Brennstoffzellen (FC);
elektrochemische Batterien (EAB);
supraleitende induktive Speichergeräte (SPIN);
kapazitive Speichergeräte (EN).
Es gibt zwei Möglichkeiten, das NEI an das Stromnetz anzuschließen – Shunt und linear; die entsprechenden Diagramme sind in Abb. 2.7, a, b.
Werfen wir einen genaueren Blick auf elektrische Energiespeicher.

NEE-Steuergerät.

Die Umsetzung erfolgt über eine dreiphasige Brückenschaltung, die eine hohe technische Leistungsfähigkeit aufweist und sich im Betrieb bestehender Hochleistungsumrichter bewährt hat. Die Anzahl der Brücken im NEE-Steuergerät wird sowohl durch die tatsächlich realisierbare Leistung der Thyristorbrücke als auch durch nachfolgend erläuterte betriebliche Überlegungen bestimmt.

Reis. 2.8. Schema der sequentiellen Verbindung von 12-Puls-Wandlermodulen, aus denen die Steuereinheit besteht:
1 - Speicherelement; 2 - Schalter; 3-Phasen-Reaktor; 4 - Wandlerbrücke; 5- Transformator; 6 - Dreiphasennetz
Jede Brücke ist mit dem Netzwerk verbunden Wechselstromüber einen separaten Transformator. Um einen 12-Puls-Umwandlungsmodus bereitzustellen, der gegenüber dem Sechs-Puls-Umwandlungsmodus eine Reihe von Vorteilen bietet (weniger Pulsation der Gleichspannung, bessere harmonische Zusammensetzung der Wechselspannung usw.), werden die Sekundärwicklungen einer Hälfte der Transformatoren sind in einem „Dreieck“ und die anderen in einem „Stern“ verbunden (Abb. 2.8).
Um den Leistungsfaktor der Stromversorgung zu erhöhen, der durch die Regelungs- und Schaltwinkel des Umwandlungsgeräts sowie den Grad der Verzerrung der Wechselspannungswellenform bestimmt wird, sind verschiedene Kompensationsgeräte an die Wechselstrombusse der Station angeschlossen – Synchronkompensatoren. statische Thyristorkompensatoren, Filterkompensatoren. Durch die Aufteilung des Umrichters in eine Reihe von Modulen kann der Blindleistungsverbrauch reduziert werden.

Während des Betriebs werden die Steuerwinkel aller Module bis auf eines auf 0° gehalten. Einer von ihnen hat einen Winkel, der durch die erforderliche Spannung bestimmt wird. Alle Nullwinkelmodule benötigen zum Schalten nur minimale Blindleistung.
In Abb. In Abb. 2.8 zeigt ein mögliches Diagramm eines Umrichters zur Reduzierung des Blindleistungsverbrauchs. Der Konverter ist eine Reihenschaltung von 12-Puls-Modulen, die Leistungstransformatoren enthalten. Jedes Modul hat eine Nennspannung von 4,5 kV und besteht aus zwei parallel geschalteten 6-Puls-Brücken mit einer Phase-zu-Phase-Drossel, die den Strom ausgleicht. Zwei Module haben Stromwerte von 50 kA, die anderen beiden - 30 und 20 kA. Beispielsweise liefert jede 6-Puls-Brücke bei maximalem Strom des AE-Speichers einen konstanten Strom von 25 kA. Wird das 12-Puls-Modul mit einem mechanischen Schalter bei Nullspannung kurzgeschlossen und anschließend vom Drehstromnetz getrennt, verbessert sich der Gesamtwirkungsgrad des Wandlers, da der Vorwärtsspannungsabfall über die vier in Reihe geschalteten Thyristoren eliminiert wird .
Der Wert der Ausgangswirkleistung des NEE muss in allen Betriebsmodi durch die Systemanforderungen bestimmt werden und darf nicht von der sich ändernden Spannung am AE selbst abhängen. Eine Möglichkeit, die Einhaltung dieser Bedingung sicherzustellen, besteht darin, die Steuerwinkel der Ventile anzupassen. Der Einsatz von gesteuerten Umrichtern wie z Liaison zwischen dem AE und dem Wechselstromnetz ermöglicht durch die entsprechende Änderung der Einschaltwinkel der Ventile während des Lade-Entlade-Zyklus des NEE die Umsetzung nahezu jedes Leistungsregelgesetzes. In diesem Fall hängt die Leistung an den Wechselspannungsbussen von der Beziehung zwischen der Spannung am AE und der Gegen-EMK des Wandlers ab, die durch den Wert der Steuerwinkel bestimmt wird. Diese Kontrollmethode weist jedoch eine Reihe von Einschränkungen auf. Da die Leistung des NEE-Konvertergeräts mehrere hundert Megawatt erreichen kann, müssen die Brückenarme aus seriell parallel geschalteten Ventilen zusammengesetzt werden. Um Überspannungen zu begrenzen, ist es notwendig, aktiv-kapazitive Dämpfungsschaltungen parallel dazu zu schalten. Wenn die Wandler stark reguliert werden, treten an den Brückenzweigen und ihren einzelnen Ventilen Rückspannungsstöße auf. Die zu ihrer Begrenzung notwendigen Parameter der Dämpfungsketten werden aufgrund von Leistungsverlusten in ihnen unzulässig. Bei Verwendung anderer Schutzeinrichtungen (z. B. Lawinendioden) bleibt dieses Problem bestehen. Durch den Einsatz von Thyristoren in leistungsstarken Umrichteranlagen erhöht sich die Anzahl der Ventile in den Brückenzweigen weiter und es werden höhere Anforderungen an deren Schutzeinrichtungen gestellt.

Reis. 2.9. Schaltkreis der Wandler des Steuergerätes

Reis. 2.10. Äußere Eigenschaften des Konverters
Bei einer tiefen symmetrischen Regelung hingegen überwiegt aufgrund der Phasenverschiebung des Stroms relativ zur Spannung an den Stationsbussen der Blindanteil der Leistung.

Um dies zu kompensieren, ist eine unzulässig große Leistung der Kompensationsgeräte erforderlich (im Grenzfall gleich der Leistung der Station). Diese Umstände erschweren die Regelung innerhalb eines weiten Bereichs von Steuerwinkeln. Ihre Werte können durch eine abwechselnde Ansteuerung von Umrichtern erhöht werden, bei der ein Teil der Brücken im Gleichrichtermodus und der andere im Wechselrichtermodus arbeitet. Mit einem solchen asymmetrischen Regelgesetz ist es möglich, die Regelgrenze der Wandlerausgangsspannung bei einem akzeptablen Stationsleistungsfaktor zu erweitern. Allerdings lässt sich die Steuerfunktion des NEE offenbar nicht vollständig der Regelung der Schaltwinkel der Ventile zuordnen. Es empfiehlt sich, es mit anderen Methoden zu kombinieren, um die Unabhängigkeit der Stromversorgung auf den EE-Bussen von der Spannung auf dem AE sicherzustellen.
In Abb. Abbildung 2.9 zeigt ein Diagramm der NEE-Steuereinheit (für den Fall, dass das Konvertergerät der Station aus zwei Brücken besteht), das es ermöglicht, die Gegen-EMK des Konverters (abhängig von der Spannung am AE) durch Umschalten der Brücken zu ändern von einer parallelen Verbindung zu einer seriellen Verbindung beim Laden des NEE und umgekehrt, wenn sein Rang. Es ist für beliebig viele Konverterbrücken in einer Station anwendbar. Die Anode jeder Brücke muss über Schaltgeräte mit der Anode und Kathode der vorherigen Brücke entlang des Strompfads und der Anode der nächsten Brücke verbunden werden, und die Kathode muss mit der Anode und Kathode der nächsten Brücke entlang des Strompfads verbunden werden die Kathode des vorherigen.
Betrachten wir den Betrieb des NEE im Inversionsmodus, da es in diesem Modus wichtig ist, sicherzustellen, dass die Stromversorgung der Speicherbusse von der Spannung am AE unabhängig ist.
Betrachten wir die externen Eigenschaften des Wandlers für den Fall, dass der Wert der Wirkleistung auf den AC-Bussen nahezu konstant gehalten wird. Im ersten Moment (bei maximaler AE-Spannung) arbeitet der Wandler mit in Reihe geschalteten Brücken. Die Aufrechterhaltung eines bestimmten Entladestroms wird durch die Anpassung der Steuerwinkel des Wechselrichters sichergestellt (Punkte 1-2 in Abb. 2.10). In dem Moment, in dem die Spannung am AE durch den Betrieb einer Brücke (Punkt 2) auf einen Wert absinkt, bei dem dieser Stromwert gehalten werden kann, werden die Brücken von einer Reihenschaltung auf eine Parallelschaltung umgeschaltet, was entspricht ein Übergang von Punkt 2 der äußeren Kennlinie der Wandler zu Punkt 3. In diesem Fall ändern sich die durch die Wandlerbrücken fließenden Ströme und folglich der Strom und die Leistung der Station auf den Wechselstrombussen nicht, da die Primärwicklungen von Die Transformatoren sind parallel geschaltet. Die Position von Punkt 4 wird durch den Prozentsatz der Unterauslastung von AE bestimmt.
Die Gesamtzahl der Stationsbrücken sollte durch die zulässige Grenze zur Verstellung der Steuerwinkel der Ventile und den vorgegebenen AE-Auslastungsfaktor bestimmt werden. Die Schaltung (siehe Abb. 2.9) ist so aufgebaut, dass im Umkehrbetrieb beim Schalten die Stationen nicht vom EPS getrennt werden und die Schaltgeräte den Betriebsgleichstrom nicht unterbrechen. Daher wird ihre Herstellung keine zusätzlichen Schwierigkeiten bereiten. Kurzfristige Überlastungen von Brücken beim Schalten überschreiten nicht die für Gleichstrom-Übertragungswandler zulässigen Werte.
Das beschriebene Schema ermöglicht in Kombination mit der Regelung der Ventilsteuerwinkel die Aufrechterhaltung der erforderlichen Wirkleistung der Station bis zur vollständigen Entladung des Wirkelements ohne Unterbrechung der Stromversorgung. Mit seiner Hilfe ist es möglich, die Unabhängigkeit der verbrauchten Wirkleistung von der Spannung am AE und im Lademodus (wenn die Brücken im Gleichrichtermodus arbeiten) sicherzustellen, wobei die Station für die Dauer der Umkommutierungen jedoch vom EPS getrennt bleibt .
Eine andere Möglichkeit, die Leistung des erneuerbaren Energieträgers zu regulieren, besteht darin, den AE in Teilen an den Stationsstromrichter anzuschließen. Dazu muss die AE in Abschnitte unterteilt werden, die jeweils unabhängig voneinander an die DC-Busse des Umrichtergeräts angeschlossen werden. In diesem Fall schwankt die Leistung der Station um einen bestimmten Durchschnittswert; Vollständig geladene oder entladene Abschnitte müssen vor dem erneuten Anschließen vom Konverter getrennt werden. Durch eine ausreichend feine Zerlegung des AE in Abschnitte in Kombination mit der Regelung der Steuerwinkel des Wandlers wird die ungleichmäßige Änderung der Wirkleistung des AE während des Betriebszyklus auf ein akzeptables Maß reduziert.
Andere bekannte Methoden Regelung der Lade-Entlade-Kreise von Kondensatorbänken (Verwendung von Transformatoren mit Spannungsregelung unter Last, Umschaltung von Batteriekondensatoren von Reihen- auf Parallelschaltung und umgekehrt, Anschluss von Umrichtern an das Wechselstromnetz über induktiv-kapazitive statische Umrichter, Verwendung kompensierter Umrichter mit künstlicher Umschaltung (z. B. Umformgeräte, Ventilstrom usw.) bedürfen besonderer Berücksichtigung.
Somit erfüllt ein NPS mit einem Steuergerät auf Basis eines 12-Puls-Wandlers bei Verwendung der oben diskutierten Methoden alle Anforderungen an Spitzenstromquellen in EPS.
Lassen Sie uns nun mit der Überlegung fortfahren mögliche Typen Speichergeräte für nichtelektrische Energiequellen.
Elektrochemische Energiespeicher. Elektrochemische Energiespeicher oder elektrochemische Batterien gehören zu den häufigsten Arten von Speichergeräten.
Eine elektrochemische Batterie (ECB) besteht aus vielen in Reihe und parallel geschalteten Zellen. Es wird außerhalb der Hauptlastzeiten geladen und während der Spitzenlastzeiten entladen. Beim Ladevorgang wird elektrische Energie elektrochemisch in chemische Energie umgewandelt. Bei der Entladung wird die angesammelte Energie in einer Rückreaktion freigesetzt. Es wurde viel Arbeit geleistet, um das EAB zu verbessern. Es stellte sich heraus, dass Bleibatterien auch in Kraftwerken eingesetzt werden können. Allerdings sind die Kosten für solche Elemente hoch. Neue Batterietypen basieren auf der Nutzung chemischer Reaktionen von Materialien wie Zink, Schwefel, Natrium usw., die in erhältlich sind ausreichende Menge und sind relativ günstig. Prüfung von Zinkchloridbatterien im Betrieb niedrige Temperaturen Ah, sie liefern ermutigende Ergebnisse. Von Batterien, die mehr als benötigen hohe Temperaturen Zu nennen sind Natrium-Schwefel und Lithium-Schwefel. Besonders erfolgreich sind Labortests von Natrium-Schwefel-EAB.
Die Eigenschaften vielversprechender Batterietypen zum Ausgleich von Lastspitzen sind in der Tabelle aufgeführt. 2.3.
Elektrochemische Batterien haben einen Wirkungsgrad von 65–70 %. Es wird erwartet, dass vielversprechende Batterien eine Lebensdauer von etwa 20 Jahren haben werden, bei spezifischen Kapitalinvestitionen in die Installation von etwa 150 Dollar/kW und einer spezifischen Energieintensität von 250 kWh/m3.
Die Nachteile von EAB sind eine begrenzte Anzahl von Lade-Entlade-Zyklen (nicht mehr als 500), eine kurze Energiespeicherzeit und negative Auswirkungen auf die Umwelt.
Tabelle 2.3

Material, das als Kathode und Anode verwendet wird	Elektrolyt	Temperatur, °C	Möglich Dichte Energie, Wh/kg	Möglich Dichte Leistung, W/kg
Bleioxid
Zink - Chlor	Wasserlösung
Natrium - Schwefel
Lithium - Schwefel

Die Konzepte des rationellen Energieverbrauchs gewinnen vor dem allgemeinen Hintergrund der technologischen Entwicklung zunehmend an Relevanz. Dies liegt daran, dass die Energieeffizienz als solche von der Kategorie zusätzlicher und oft exklusiver Eigenschaften in den Rang eines der wesentlichen Verbrauchermerkmale des Produkts gerückt ist. Es genügt, an die einfachsten Batterien zu erinnern, die in der Digitaltechnik, in Elektrogeräten, Elektrowerkzeugen usw. verwendet werden. Es gibt auch größere Anwendungen von Energiespeichersystemen, bei denen die Energieeffizienz besonders wichtig ist. Und diese Anfrage findet eine Antwort von spezialisierten Herstellern, die Energiespeicher mit verbesserter Leistung herstellen.

Allgemeine Informationen zu Energiespeichern

In der Natur gibt es viele konstante und unerschöpfliche Quellen Energie, die zur Befriedigung der verschiedenen Bedürfnisse der Menschheit eingesetzt wird. Für seine endgültige Verwendung muss es jedoch viele Verarbeitungs- und Akkumulationsstufen durchlaufen. Diese Funktion wird von Kraftwerken und Umspannwerken übernommen. Zu ihren unmittelbaren Aufgaben gehört die Erzeugung von Energie mit gebrauchstauglichen Eigenschaften sowie deren Umwandlung und Verteilung. Die Haupfür Wohngebäude, Industrieanlagen, technische Anlagen und andere kritische Verbraucher wird über stationäre Stromnetze realisiert. Sie sorgen für eine konstante Versorgung, doch heute wächst die Nachfrage nach autonomen Geräten, Geräten und Elektrogeräten stetig. Speziell für solche Verbraucher kommt ein kapazitiver Energiespeicher zum Einsatz, der autark aber bedingt ist – in bestimmten Zeitabständen muss er selbst aus den gleichen stationären Netzen geladen werden. Das einfachste Beispiel für einen solchen Speicher ist ein Telefonakku. Beispielsweise kann eine Li-Ion-Zelle eine Kapazität von etwa 2000–3000 mAh haben. Dies reicht je nach Modell für mehrere Stunden oder Tage Akkulaufzeit des zu wartenden Geräts. Nachdem dieses Volumen jedoch erschöpft ist, muss die Batterie zur Wiederherstellung an eine 220-V-Steckdose angeschlossen werden.

Mechanische Antriebe

Diese Kategorie von Antrieben hat die längste Geschichte ihrer Existenz. Zur Veranschaulichung solcher Geräte können wir das Beispiel von Gravitationssystemen anführen. Heutzutage werden sie fast nicht mehr verwendet, Schwingtore mit Gegengewichten waren früher jedoch weit verbreitet. Sie nutzen die Energie der Ladung, die darin gespeichert wird richtiger Moment wird in der einen oder anderen Form zurückgegeben - es hängt von der Ausführung des Antriebs ab. Neben gewöhnlichen Belastungen fungiert Flüssigkeit auch als aktives Speicherelement. Zu den Vorteilen solcher Systeme gehört die strukturelle Flexibilität. Ingenieure könnten ausgedehnte Rohrleitungsnetze nutzen, durch die Wasser Energie zu zugehörigen Reservoirs übertragen würde. Heutzutage werden solche Energiespeicher in Form von Pumpspeicherwerken angeboten. Es sind zwar Flüssigkeitsspeichergeräte charakterisiert etwas Zeit Lagerung, da Wasser verdunstet und regelmäßig erneuert werden muss.

Kinetische Antriebe

Diese Gruppe wird hauptsächlich durch oszillierende Mechanismen repräsentiert, bei denen der Akkumulationsprozess durch hin- und hergehende, rotierende oder lineare Bewegungen derselben Last realisiert wird. Die Besonderheit solcher Konstruktionen besteht darin, dass die Energierückführung bei Bedarf nicht kontinuierlich, sondern portionsweise – in Zyklen – erfolgt. Ein klassisches Beispiel für ein kinetisches Speichergerät ist mechanische Uhren. IN in diesem Fall Die „Ladung“ wird durch Aufziehen des Mechanismus erzeugt, gefolgt von einer allmählichen Energieabgabe aus dem Federpendel. Eine modernere Interpretation kinetischer Mechanismen ist der Kreiselakkumulator. Der Energiespeicher basiert in diesem Fall auf einem rotierenden Schwungrad mit Schlagfunktion. Derartige Systeme werden in der Hydraulik- und Pneumatiktechnik eingesetzt.

Wärmespeicher

Aus technologischer Sicht ist dies das einfachste Beispiel für die Energieakkumulation, deren Prozesse der Mensch überall begegnet. Ein unter direkter Sonneneinstrahlung erhitzter Metallzaun wird bereits zu einem Wärmespeicher, da er ihn in seiner Struktur behält. Auch andere Materialien können als Wärmespeicher wirken. Die Effizienz ihres Betriebs in dieser Kapazität hängt von der spezifischen und volumetrischen Wärmekapazität ab. Beispielsweise beträgt die Wärmekapazität von Wasser 4,2 kJ, während die von Stahl gering ist – nur 0,46 kJ. Doch wenn es um die gezielte Speicherung geht, kommen häufiger thermische Energiespeicher aus Metall oder Öl zum Einsatz. Begründet wird diese Entscheidung mit dem Wunsch, das Design zu optimieren. Moderne Konvektoren und Heizkörper bestehen überwiegend aus Stahl und Aluminium. Auch hier sind einige Modelle mit Materialien gefüllt, die im Hinblick auf die Speicherung der Wärmeenergie vorteilhafter sind.

Elektrische Energiespeicherung

Die häufigste Energieform ist Elektrizität. Deshalb dieser Kategorie entwickelt sich am aktivsten und bietet neue und fortschrittlichere Lösungen an. Der derzeit gebräuchlichste elektrische Akku ist der Radiokondensator. Es zeichnet sich durch eine hohe Geschwindigkeit der Energiefreisetzung und -akkumulation aus, ohne dass Arbeitsprozesse durch Umgebungsbedingungen eingeschränkt werden. Beispielsweise können die meisten Modelle bei hohen oder extrem niedrigen Temperaturen eingesetzt werden. Und noch einmal zu Optimierungszwecken elektrischer Speicher Energie werden mit speziellen Elektrolysezellen mit hoher spezifischer Kapazität gefüllt.

Chemielager

Beim Betrieb solcher Antriebe kommt es zu einer chemischen Reaktion. Die Energiequelle wird in diesem Fall die Organisation der Bedingungen für diese Reaktion und die Sicherstellung der Aktivität der beteiligten Komponenten sein. Darüber hinaus kann am Ausgang Energie erzeugt werden verschiedene Typen. Beispielsweise kann bei der direkten Elektrolyse Wasserstoff aus Wasser freigesetzt werden. Am häufigsten wird bei solchen Akkumulationsmethoden Kraftstoff freigesetzt. Es kann innerhalb des chemischen Reaktionskomplexes umgewandelt oder in seiner ursprünglichen Form auf den Verbraucher übertragen werden. Daher können Energiespeicher auch als Wandler fungieren, allerdings ist eine solche Funktionserweiterung technisch aufwändiger.

Elektrochemische Speicherung

Bei dieser Antriebsart handelt es sich, wie der Name schon sagt, um einen kombinierten bzw. hybriden Antrieb. Weil chemische Reaktionen unterschiedlich sind hochgradig Effizienz und niedrige Kosten waren logischerweise mit der Aufgabe verbunden, die beliebteste Energieart zu erzeugen – Strom. Das aktive Element in solchen Geräten ist der Elektrolyt. Insbesondere der Energiespeicher eines Telefons besteht in der Regel aus Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Zellen. Gleiches gilt für Akkupacks für Elektrowerkzeuge. Von den Eigenschaften her handelt es sich um recht vorteilhafte Akkus, die sich durch ordentliche Leistung, hohe Kapazität usw. auszeichnen klein. Elektrochemische Batterien haben jedoch eine begrenzte Anzahl von Lade-Entlade-Zyklen, was ihr Hauptnachteil ist.

Moderne Lösungen

Auch führende Unternehmen, die sich mit der Entwicklung von Hochtechnologien befassen, treiben die Richtung kapazitiver Batterien voran. Beispielsweise haben Tesla-Ingenieure eine Powerwall 2-Einheit mit einem Gewicht von 122 kg entwickelt, die auf denselben Lithium-Ionen-Batterien basiert. Diese Anlage ist modular aufgebaut und kann ca. 13,5 kWh speichern. LG bietet ähnliche Entwicklungen an. Das Chem RESU-System fasst beispielsweise etwa 10 kWh, steht aber in anderen Leistungsmerkmalen dem Tesla-Gerät in nichts nach. Bei dieser Batterie handelt es sich um einen universellen Energiespeicher, der sowohl im Alltag als auch in der Industrie eingesetzt werden kann. Hauptsache, die Leistung entspricht den Anforderungen der Verbrauchersysteme.

Abschluss

Im Energiespeicherbereich gibt es auch solche verschiedene Richtungen technologische Entwicklung. Sie eint nur eines: die Einhaltung der Anforderungen der Endverbraucher. Beispielsweise müssen elektrische Energiespeicher für kleine Geräte und Geräte den Anforderungen an Zuverlässigkeit und Zuverlässigkeit genügen. Der breite Markt für digitale Technologie konzentriert sich mehr auf kompakte Speichergrößen und die Erhöhung ihrer Kapazität. Natürlich ist es nicht einfach, alle aufgeführten Eigenschaften in einem Gerät zu vereinen, daher sind Entwickler immer noch bestrebt, ihre Produkte zunächst auf bestimmte Anwendungsbereiche auszurichten.

Bei Netzausfällen oder -ausfällen kommen häufig elektrische Energiespeicher für den Haushalt zum Einsatz. Sie werden hauptsächlich in Privathäusern installiert und sind ständig verbunden. Dadurch erhalten Sie über einen längeren Zeitraum ausreichend Strom für die Beleuchtung und andere dringende Haushaltsbedürfnisse.

Typischerweise werden diese Geräte zur Stromerzeugung eingesetzt. auf unkonventionelle Weise. In solchen Fällen kommt es zu Versorgungsunterbrechungen und die Antriebe gleichen den vorübergehenden Energiemangel erfolgreich aus. Im Kern handelt es sich dabei um Akkus, die geladen und entladen werden können.

Speichermedium

Energiespeicher erfüllen jedoch umfassendere Funktionen als eine herkömmliche Batterie. Es handelt sich um komplexe, integrierte Strukturen, die Energie nicht nur speichern, sondern auch für die weitere Nutzung nutzbar machen können.

Diese Geräte nehmen eine der führenden Positionen auf dem Markt für alternative Energiegeräte ein. Sie basieren auf Lithiumbatterien. Sie bestehen aus einem Ladegerät bzw. Laderegler, einem Spannungswandler () und einer Steuerung. Das Design der Speichergeräte ermöglicht den Ersatz eines großen Teils der Ausrüstung für Notfallsysteme und in der alternativen Stromversorgung. Die meisten Modelle sind für den Betrieb nicht nur über ein stationäres Netzwerk, sondern auch über Sonnenkollektoren ausgelegt. Ihre durchschnittliche Leistung beträgt 5 Kilowatt. Für den normalen Betrieb muss das Gerät lediglich mit dem Netzwerk verbunden werden.

Anwendung von Stromspeichern

Am häufigsten werden elektrische Energiespeicher für Privathaushalte in einzelnen Haushalten eingesetzt. Sie dienen in erster Linie als Hauptstromquelle in Notsituationen und bei zentralen Ausfällen von Stromnetzen. Mit Hilfe dieser Geräte ist es möglich, während der Lastabsenkung während der Spitzenzeiten in allgemeinen Verteilungsnetzen einzelne Energieanlagen mit Strom zu versorgen. Sehr oft kann ein zu Hause oder im Landhaus installierter elektrischer Energiespeicher die Qualität der Energieversorgung deutlich verbessern.

Derzeit nutzen viele Verbraucher teure Haushaltsgeräte und Haushaltsgeräte. Stromstöße führen häufig zu Ausfällen und Ausfällen. Durch den Einsatz von Laufwerken können Sie viele Probleme vermeiden. Es entsteht eine stabile Spannung, die einen stabilen Betrieb von Elektrogeräten gewährleistet. Es ist nicht erforderlich, den Generator für kurze Zeiträume einzuschalten. Es wird möglich, Tarife mit unterschiedlichen Tarifen zu nutzen.

Die Kette des technologischen Zyklus der Stromerzeugung umfasst zwangsläufig ein Glied wie einen Speicher (Batterie). IN traditionelle Wege Stromerzeugung Energiereserven sammeln sich in einer vorläufigen, „nichtelektrischen“ Form an, und dieses Bindeglied – der Energiespeicher – befindet sich direkt vor dem Stromgenerator.

Der Stausee des Wasserkraftwerks ist auf Stauung ausgelegt potenzielle Energie Flusswasser im Schwerefeld der Erde und hebt sie mit Hilfe eines Damms auf eine bestimmte Höhe. Das Wärmekraftwerk speichert in seinen Speichern die für den unterbrechungsfreien Betrieb notwendigen Reserven an festen oder flüssigen Brennstoffen oder liefert über eine Pipeline Erdgas, dessen Heizwert die erforderliche Energiereserve garantiert. Die Reaktorstäbe von Kernkraftwerken stellen einen Kernbrennstoffvorrat dar, der über eine bestimmte Ressource an Kernenergie zur Nutzung verfügt.

Der Konstantleistungsmodus ist für alle aufgeführten Stromerzeugertypen verfügbar. Die Menge der erzeugten Energie wird in weiten Grenzen abhängig von der Höhe des täglichen Energieverbrauchs reguliert. Alternative Quellen(Wind-, Gezeiten-, Geothermie-, Solarenergie) können keine garantiert konstante Generatorleistung auf dem aktuell erforderlichen Niveau bereitstellen. Der Speicher ist daher weniger ein Speicher für Ressourcen als vielmehr ein Dämpfungsgerät, wodurch der Energieverbrauch weniger von Schwankungen der Quellenleistung abhängig wird. Die Energie der Quelle wird im Speicher gespeichert und später bei Bedarf in Form von elektrischer Energie verbraucht. Darüber hinaus hängt der Preis stark von den Kosten des Antriebs ab.

Ein charakteristisches Merkmal des Speichers alternativer Energiequellen ist, dass die darin gespeicherte Energie für andere Zwecke genutzt werden kann. Mit ihrer Hilfe können beispielsweise starke und superstarke Magnetfelder erzeugt werden.

Die in Physik und Energie akzeptierten Maßeinheiten für Energie und die Beziehungen zwischen ihnen: 1 kWh oder 1000 W 3600 s – das Gleiche wie 3,6 MJ. Dementsprechend entspricht 1 MJ 1/3,6 kWh, also 0,278 kWh

Einige gängige Energiespeichergeräte:

Machen wir gleich einen Vorbehalt: Die obige Übersicht ist keine vollständige Klassifizierung der im Energiesektor verwendeten Energiespeicher; zusätzlich zu den hier besprochenen gibt es Wärme-, Feder-, Induktions- und verschiedene andere Arten von Energiespeichern.

1. Kondensatorspeicher

Die von einem 1-F-Kondensator bei einer Spannung von 220 V gespeicherte Energie beträgt: E = CU2 /2 = 1 2202 /2 kJ = 24 200 J = 0,0242 MJ ~ 6,73 Wh. Das Gewicht eines solchen Elektrolytkondensators kann 120 kg erreichen. Die spezifische Energie pro Masseneinheit beträgt knapp über 0,2 kJ/kg. Ein stündlicher Betrieb des Antriebs ist bei einer Belastung von bis zu 7 W möglich. Elektrolytkondensatoren können bis zu 20 Jahre halten. Ionistoren (Superkondensatoren) haben eine hohe Energie- und Leistungsdichte (ca. 13 Wh/l = 46,8 kJ/l bzw. bis zu 6 kW/l) mit einer Lebensdauer von ca. 1 Million Ladezyklen. Der unbestreitbare Vorteil eines Kondensatorspeichers ist die Möglichkeit, die angesammelte Energie in kurzer Zeit zu nutzen.

2. Schwerkraftspeichergeräte

Energiespeicher vom Typ Rammgerät speichern Energie beim Anheben eines Rammgeräts mit einem Gewicht von 2 Tonnen oder mehr auf eine Höhe von etwa 4 m. Durch die Bewegung des beweglichen Teils des Rammgeräts wird die potentielle Energie des Körpers freigesetzt und an den Rammgerät abgegeben Stromgenerator. Die erzeugte Energiemenge E = mgh beträgt im Idealfall (ohne Berücksichtigung von Reibungsverlusten) ~ 2000 · 10 4 kJ = 80 kJ ~ 22,24 Wh. Die spezifische Energie pro Masseneinheit einer Kopra-Frau beträgt gleich 0,04 kJ/kg. Innerhalb einer Stunde ist das Laufwerk in der Lage, eine Last von bis zu 22 W bereitzustellen. Die erwartete Lebensdauer der mechanischen Struktur beträgt mehr als 20 Jahre. Die von einem Körper in einem Gravitationsfeld gespeicherte Energie kann auch in kurzer Zeit verbraucht werden, was ein Vorteil dieser Option ist.

Der Hydrospeicher nutzt die Energie von Wasser (ca. 8-10 Tonnen schwer), das aus einem Brunnen in den Tank eines Wasserturms gepumpt wird. In umgekehrter Bewegung dreht das Wasser unter dem Einfluss der Schwerkraft die Turbine des elektrischen Generators. Eine herkömmliche Vakuumpumpe kann Wasser problemlos bis zu einer Höhe von 10 m pumpen. Die gespeicherte Energie beträgt E = mgh ~ 10000 8 10 J = 0,8 MJ = 0,223 kW-Stunde. Die spezifische Energie pro Masseneinheit beträgt 0,08 kJ/kg. Die vom Antrieb bereitgestellte Last für eine Stunde liegt bei 225 W. Der Antrieb kann 20 Jahre oder länger halten. Der Windmotor kann die Pumpe direkt antreiben (ohne Energie in Strom umzuwandeln, was mit gewissen Verlusten verbunden ist); das Wasser im Turmspeicher kann bei Bedarf für andere Zwecke genutzt werden.

3. Schwungradbasierter Speicher

Die kinetische Energie eines rotierenden Schwungrads wird wie folgt bestimmt: E = J w2/2, J bedeutet das Eigenträgheitsmoment des Metallzylinders (da er sich um die Symmetrieachse dreht), w ist die Winkelgeschwindigkeit der Drehung.

Mit Radius R und Höhe H hat der Zylinder ein Trägheitsmoment:

J = M R^2 /2 = pi * p R^4 H/2

Dabei ist p die Dichte des Metalls – das Material des Zylinders, das Produkt pi* R^2 H ist sein Volumen.

Die maximal mögliche lineare Geschwindigkeit von Punkten auf der Oberfläche des Zylinders Vmax (beträgt etwa 200 m/s für ein Stahlschwungrad).

Vmax = wmax*R, woraus wmax = Vmax/R

Maximal mögliche Rotationsenergie Emax = J wmax^2/2 = 0,25 pi*p R2^2 H V2max = 0,25 M Vmax^2

Die Energie pro Masseneinheit beträgt: Emax/M = 0,25 Vmax^2

Wenn das zylindrische Schwungrad aus Stahl besteht, beträgt die spezifische Energie etwa 10 kJ/kg. Ein 200 kg schweres Schwungrad (mit linearen Abmessungen H = 0,2 m, R = 0,2 m) speichert Energie Emax = 0,25 pi 8000 0,22 0,2 2002 ~ 2 MJ ~ 0,556 kWh. Die maximale Belastung, die der Schwungradspeicher für eine Stunde bereitstellt, ist nicht der Fall 560 W überschreiten. Das Schwungrad kann durchaus 20 Jahre oder länger halten. Vorteile: schnelle Freisetzung der angesammelten Energie, Möglichkeit einer deutlichen Leistungssteigerung durch Materialauswahl und Änderung der geometrischen Eigenschaften des Schwungrads.

4. Speicherung in Form einer chemischen Batterie (Blei-Säure)

Ein klassischer Akku mit einer Kapazität von 190 Ah ist bei einer Ausgangsspannung von 12 V und 50 % Entladung in der Lage, 9 Stunden lang einen Strom von etwa 10 A zu liefern. Die freigesetzte Energie beträgt 10 A 12 V 9 h = 1,08 kWh oder etwa 3,9 MJ pro Zyklus. Bei einer Batteriemasse von 65 kg ergibt sich eine spezifische Energie von 60 kJ/kg. Die maximale Belastung, die der Akku eine Stunde lang bereitstellen kann, überschreitet 1080 W nicht. Garantiezeit Die Lebensdauer einer hochwertigen Batterie liegt je nach Nutzungsintensität bei 3 – 5 Jahren. Es ist möglich, Strom direkt aus der Batterie mit einem Ausgangsstrom von mehreren Tausend Ampere und einer Ausgangsspannung von 12 V zu beziehen, was dem Automobilstandard entspricht. Viele Geräte, die für eine konstante Spannung von 12 V ausgelegt sind, sind mit der Batterie kompatibel; es sind 12/220-V-Wandler mit unterschiedlicher Ausgangsleistung erhältlich.

5. Pneumatische Lagerung

Luft, die in einen Stahltank mit einem Volumen von 1 Kubikmeter und einem Druck von 40 Atmosphären gepumpt wird, verrichtet Arbeit unter Bedingungen isothermer Expansion. Die Arbeit A, die ein ideales Gas unter den Bedingungen T=const verrichtet, wird nach der Formel bestimmt:

A = (M / mu) R T ln (V2 / V1)

Dabei ist M die Masse des Gases, mu die Masse von 1 Mol desselben Gases, R = 8,31 J/(mol K), T die auf der absoluten Kelvin-Skala berechnete Temperatur, V1 und V2 die Anfangs- und Endtemperatur vom Gas eingenommenes Volumen (bei dieser Ausdehnung beträgt V2 / V1 = 40). Luftdruck im Tank). Für die isotherme Expansion gilt das Boyle-Marriott-Gesetz: P1V1 = P2 V2. Nehmen wir T = 298 0K (250C) Für Luft M/mu ~ 40: 0,0224 = 1785,6 Mol Substanz, Gas leistet A = 1785,6 8,31 298 ln 50 ~ 16 MJ ~ 4,45 kWh pro Zyklus. Die Wände des Tanks, die für einen Druck von 40–50 Atmosphären ausgelegt sind, müssen eine Dicke von mindestens 5 mm haben, und daher beträgt die Masse des Speichers etwa 250 kg. Die von diesem pneumatischen Speicher gespeicherte spezifische Energie beträgt 64 kJ/kg. Die maximale Leistung des pneumatischen Speichers während einer Betriebsstunde beträgt 4,5 kW. Die garantierte Lebensdauer beträgt, wie bei den meisten Antrieben, basierend auf der Leistung mechanischer Arbeit ihrer Strukturteile, 20 Jahre oder mehr. Vorteile dieser Art der Lagerung: die Möglichkeit, den Tank unter der Erde zu platzieren; Der Vorratsbehälter kann mit entsprechender Ausrüstung eine Standard-Gasflasche sein; der Windmotor ist in der Lage, die Bewegung direkt auf die Kompressorpumpe zu übertragen. Darüber hinaus nutzen viele Geräte direkt die gespeicherte Energie der Druckluft in einem Tank.

Wir stellen die Parameter der betrachteten Arten von Energiespeichern in einer Übersichtstabelle dar:

Typ Energiespeichergerät	Geschätzte Leistungsmerkmale	Gespeicherte Menge Energie, kJ	Spezifische Energie (pro Masseneinheit des Geräts), kJ/kg	Maximale Belastung bei einstündigem Antrieb des Antriebs, W	Erwartete Lebensdauer in Jahren
Kondensatortyp	Batteriekapazität 1 F, Spannung 220 V, Gewicht 120 kg	24,2			innerhalb von 20
Kopro-Typ	Gewicht einer weiblichen Kopra maximal 2000 kg Steigung 4 m		0.04		mindestens 20
Schwerkrafthydraulischer Typ	Flüssigkeitsmasse 8000 kg, Höhenunterschied 10 m		0.08		mindestens 20
Schwungrad	zylindrisches Schwungrad aus Stahlgewicht 200 kg, Radius 0,2 m, Dicke 0,2 m	2000			mindestens 20
Blei-Säure-Batterie	Batteriekapazität 190 A Stunde, Ausgangsspannung 12 V, Batteriegewicht 60 kg	3900		1080	mindestens 3, höchstens 5
Pneumatischer Typ	Stahltank mit Fassungsvermögen 1 m3, Tankgewicht 2,5 c Druckluftdruck 40 Atmosphären	16000		4500	mindestens 20

Mechanische Lagerung(MH) oder mechanischer Energiespeicher ist ein Gerät zur Speicherung und Speicherung kinetischer oder potentieller Energie mit anschließender Freisetzung zur Ausführung nützlicher Arbeit.

Wie bei jeder Art von Energiespeicher (ES) gibt es auch bei MN folgende charakteristische Betriebsarten: Aufladung(Akkumulation) und Entladung(Energiefreisetzung). Lagerung Energie dient als Zwischenmodus von MN. Im Ladebetrieb wird dem MN mechanische Energie zugeführt externe Quelle, und die konkrete technische Umsetzung des Energieträgers wird durch die Art des MN bestimmt. Beim Entladen des MN wird der Hauptteil der darin gespeicherten Energie an den Verbraucher übertragen. Ein Teil der angesammelten Energie wird zum Ausgleich von Verlusten aufgewendet, die im Entlademodus und bei den meisten MN-Typen auch im Speichermodus auftreten.

Da bei einigen Speicheranlagen die Ladezeit deutlich länger sein kann als die Entladezeit (r3), ist eine deutliche Überschreitung der durchschnittlichen Entladekapazität möglich R P überdurchschnittliche Leistung P3 Gebühr MN. Somit ist es zulässig, Energie in MN mit relativ leistungsarmen Quellen zu speichern.

Die Haupttypen von MN werden in statische, dynamische und kombinierte Geräte unterteilt.

Statisch MN speichern potentielle Energie durch eine elastische Form- oder Volumenänderung des Arbeitsmediums oder wenn es sich in einem Gravitationsfeld entgegen der Schwerkraftrichtung bewegt. Das feste, flüssige oder gasförmige Arbeitsmedium dieser MNs hat im Energiespeichermodus einen statischen Zustand, und das Laden und Entladen des NE wird von der Bewegung des Arbeitsmediums begleitet.

Dynamisch MNs sammeln kinetische Energie hauptsächlich in rotierenden Massen fester Körper. Zu den dynamischen MNs zählen üblicherweise auch Speicher für Beschleuniger geladener Elementarteilchen, in denen die kinetische Energie von Elektronen oder Protonen gespeichert wird, die sich zyklisch entlang geschlossener Flugbahnen bewegen.

Kombiniert MNs speichern gleichzeitig kinetische und potentielle Energie. Ein Beispiel für ein kombiniertes MN ist ein Superschwungrad aus hochfestem Fasermaterial mit einem relativ niedrigen Elastizitätsmodul. Wenn sich ein bestimmtes MN dreht, wird in ihm neben der kinetischen Energie auch die potentielle Energie der elastischen Verformung gespeichert. Durch die Entnahme der angesammelten Energie aus einem solchen MN wird die Nutzung beider Typen erreicht.

In Bezug auf die Höhe der spezifischen akkumulierten Energie pro Massen- oder Volumeneinheit des Speicherelements sind dynamische Trägheits-MNs einigen anderen NE-Typen (z. B. induktiven und kapazitiven Speichergeräten) deutlich überlegen. Daher sind MNs für vielfältige Anwendungen in verschiedenen Bereichen der Technik und wissenschaftlichen Forschung von großem praktischem Interesse.

Bestimmte MP-Typen haben mittlerweile großflächige Anwendung in der Elektrizitätswirtschaft gefunden, beispielsweise der Leitfaden – Ro-Speicheranlagen von Kraftwerken. Der Lade-Entlade-Zyklus ihres Betriebs beträgt mehrere zehn Stunden.

Trägheits-MNs zeichnen sich durch kurzfristige Entladungsmodi aus. Die Entnahme von Energie aus dem MN geht mit einer Verringerung der Winkelgeschwindigkeit des Schwungrads auf ein akzeptables Niveau einher. IN in manchen Fällen Es kann gebremst werden, bis das Schwungrad vollständig zum Stillstand kommt. Es sind „Schock“-Entladungen möglich, die durch einen einmaligen oder zyklischen Entzug gespeicherter Energie gekennzeichnet sind. Aufgrund des großen kinetischen Moments und der kurzen Entladezeit des MN ist die Verringerung der Winkelgeschwindigkeit seines Rotors relativ gering, obwohl die Die Stromversorgung kann durchaus reichen hohe Werte. In diesem Modus MN besondere Anforderungen sind erforderlich, um die Festigkeit der Welle zu gewährleisten. Unter dem Einfluss des Drehmoments entstehen gefährliche Scherspannungen in der Welle. Die kinetische Energie des Rotors wird in die potentielle Energie elastischer Torsionsverformungen der Welle umgewandelt. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, sind in einigen MN-Konstruktionen elastische oder Reibungskupplungen vorgesehen.

Statische MNs behalten im Stillstand gespeicherte Energie. Die darin enthaltenen Träger potentieller Energie werden elastisch verformt Feststoffe oder komprimierte Gase unter Überdruck sowie Massen, die relativ zur Erdoberfläche in eine Höhe gehoben werden. Typische Beispiele für statische MNs sind: gedehnte oder komprimierte Federn, Gummi; Gasflaschenbatterien und pneumatische Akkumulatoren; Schlaggeräte verschiedener Rammgeräte, beispielsweise zum Rammen von Pfählen, unter Nutzung von Massenenergie im angehobenen Zustand; Reservoirs von Pumpspeicherkraftwerken, Tanks von Wasserpumpwerken. Lassen Sie uns die grundlegenden Energiebeziehungen und charakteristischen Parameter einiger typischer Geräte vorstellen.

Betrachten Sie einen MN mit elastisch Elemente.

Wir glauben fester Zustand das System linear ist, dann hat das elastische Speicherelement eine konstante Steifigkeit (bzw. Elastizität) N= Konst. Die darauf wirkende Kraft F=Nx proportional zur linearen Verformung X. Grundlegende Arbeit beim Laden des MN dW=Fdx. Gesamte gespeicherte Energie

W = J Fdx= J Nxdx = NAH2/2-FaAh/2, Oo

Wo Ah ist die resultierende Verformung, begrenzt auf z.B. Akzeptabel Stromspannung ar Material; Fn = Nein - angewandte Kraft.

Schätzen wir die spezifische Energie ab Wya = Wj M, pro Masseneinheit M= yV=ySh Feder- oder Stabvolumen V und Querschnitt S, dessen Material eine Dichte y hat und innerhalb der Grenzen des Hookeschen Gesetzes zugfest ist A= xfE, Und X*=xfh- relative Verformung, E- Elastizitätsmodul (Young), G^Gp. Beim Eintreten da= Edx„ wir können aufschreiben DW=Fhdx*=Fhdo/E Und dWya= dW/ySh=Fda/ySE, von wo aus C=F/S wir finden

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

Für StahlFedern nehmen wir gern entgegenс„ = 8 108 N/m "E= 2 ,1-1011 N/m2,y = 7800 kg/m3, alsoWya ^200 J/kg. Ana Eine logische Berechnung für technischen Gummi ergibt jedoch aufgrund der hysteretischen Natur der Abhängigkeit ^spd^350 J/kg F= F(X) Im „Lade-Entlade“-Zyklus entstehen Verluste und Erwärmungen ZU allmähliche Alterung (Zerstörung) des Gummis, Instabilität und Verschlechterung seiner elastischen Eigenschaften.

Gasspeicher Das System befindet sich in Bezug auf die Umgebung in einem mechanisch nicht im Gleichgewicht befindlichen Zustand: wenn die Temperaturen des Systems und der Umgebung gleich sind (T=T0C) Systemdruck p>p0,c, Daher kann das System arbeiten. Die Reserve an elastischer Energie, komprimiert in einem Zylinder mit einem Volumen von V Gas ist

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

Gemäß (4.1) steht pro Masseneinheit M eines komprimierten Gases eine spezifische Energie zur Verfügung

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

Basierend auf (4.2) bei K=1m3 der Wert W- WysM numerisch gleich dem Druckabfall Ar=p1-p1. Wenn beispielsweise A/? = 250 105 Pa (Anfangsdruck p! = 105 Pa), dann IL = 25-106 J unabhängig davon chemische Zusammensetzung Gas Der Maximalwert von Wya, wenn sich ein komprimiertes Gas bei einer bestimmten Temperatur gemäß der Mendeleev-Clapeyron-Gleichung auf den Druck Null ausdehnt PV- MvRyT beläuft sich auf

Wya=WlM=RyTI", (4.3)

Wobei q = M/Mc – Molmasse (kg/kmol); Ry& ~8,314 kJ/(kmol K) – universelle Gaskonstante bei Tx273 K; /? «105Pa; Mm ist die Anzahl der Kilomol in einem Gas der Masse M.

Aus (4.3) geht hervor, dass die Verwendung leichter Gase in MP am effektivsten ist. Für das leichteste Gas – Wasserstoff (c = 2 kg/kmol) bei G = 300 K – beträgt die spezifische Energie ~1250 kJ/kg (oder 1250 J/g). Der Druck ist in (4.3) nicht explizit enthalten, da Wya nach (4.2) durch das Verhältnis des Überdrucks des Gases zu seiner Dichte bestimmt wird. Letzterer nimmt mit zunehmendem Druck und Г= const nach einem linearen Gesetz zu (in einem isothermen Prozess). PV= Konst.). Es ist zu beachten, dass es geeignet ist für effektive Anwendung gilt als MN hoher Druck Aus Festigkeitsgründen bestimmen sie eine erhebliche Masse von Gasflaschen, wobei der Wert Wya der Gesamtanlage im Vergleich zu fVya aus (4.2), (4.3) um fast eine Größenordnung reduziert werden kann. Die Festigkeit von Zylindern kann anhand der Konstruktionsbeziehungen § 4.5.7 beurteilt werden.

Lassen Sie uns überlegen Gravitation Energiespeichergeräte.

Die gravistatische Energie der Anziehungskraft der Erde (auf der Ebene von Ora) wird ziemlich geschätzt hohe Rate„beat = 61,6 MJ/kg“, was die Arbeit charakterisiert, die erforderlich ist, um einen Körper mit der Masse Mx = Kg gleichmäßig von der Erdoberfläche in den Weltraum zu bewegen (zum Vergleich weisen wir darauf hin, dass dieser Wert PVya ungefähr um ein Vielfaches größer ist als die chemische Energie von 1 kg Kerosin). Beim Heben einer Last M zur Höhe H= x2 -xl gespeicherte potentielle Energie

W=jgMdx=gMh , (4.4)

Wobei M = const, g=9,8l m/s2. Nach (4.4) spezifische Energie Wya=WjM=gh kommt nur auf die Höhe an H. Beim Absinken der Last wird die gespeicherte Energie freigesetzt und durch die Umwandlung von potentieller Energie in kinetische Energie die entsprechende Nutzarbeit verrichtet. Die höchste spezifische kinetische Energie in der Natur beim Fallen können Meteoriten entwickeln, für die Wya^60 MJ/kg (ohne Berücksichtigung der Energiekosten für Reibung in der Atmosphäre).

Die direkte Nutzung der durch natürliche Massen erzeugten Gravitationskräfte ist praktisch unmöglich. Durch das Pumpen von Wasser in erhöhte künstliche Reservoire oder aus unterirdischen Reservoirs an die Oberfläche können jedoch ausreichend große Mengen potenzieller Energie für groß angelegte Anwendungen in Stromversorgungssystemen gespeichert werden. Wenn der Niveauunterschied H= 200 m, dann ist, bezogen auf die Wassermasse M = 103 kg, die gespeicherte Energie nach (4.4) gleich I> "= 1962 kJ, spezifische Energie Wya= WjM= 1,962 kJ/kg.

Lassen Sie uns überlegen Trägheitskinetik MN.

Grundsätzlich kann bei jeder Massenbewegung kinetische Energie gespeichert werden. Für Uniform Vorwärtsbewegung Körpermasse M mit Geschwindigkeit v kinetische Energie W=Mv2 / 2. Spezifische Energie Wya=W/M=v2 J2 hängt (quadratisch) nur von der linearen Geschwindigkeit des Körpers ab. Ein Körper, der sich mit der ersten Fluchtgeschwindigkeit km/s bewegt, hat eine spezifische

Energie Wyax32 MJ/kg.

Für eine Vielzahl von Energie- und Transportanwendungen sind MNs mit Rotationsbewegung – Trägheits-MNs (Schwungräder) – sinnvoll. Die gespeicherte kinetische Energie W=J& / ~ wird durch das Quadrat der Winkelgeschwindigkeit bestimmt Q= 2nn (P- Drehzahl) und Trägheitsmoment J Schwungrad relativ zur Drehachse. Wenn das Scheibenschwungrad einen Radius hat G und Masse M =yV (V-Volumen, bei- Materialdichte), t°

J^Mr2/2 = yVr2j2 Und W=n2Mr2n2 = n2yVr2n2. Entsprechende spezifische Energie (pro Einheit). M oder V) beläuft sich auf F.V./M=n*R2n2 , J/kg und lV0ja=W/V=n2 Jahre2n2 , J/m3. Die Werte von Q und n für eine gegebene Größe g werden durch die lineare Umfangsgeschwindigkeit begrenzt v= Q.R= 2mr, verbunden mit der zulässigen Bruchspannung des Materials ar. Es ist bekannt, dass die Spannung a in einem Scheiben- oder Zylinderrotor MN von v2 abhängt. Abhängig von der geometrischen Form von Metallschwungrädern zeichnen sie sich durch zulässige maximale Umfangsgeschwindigkeiten von etwa 200 bis 500 m/s aus.

Die angesammelte Energie, insbesondere für das Schwungrad mit dünner Felge, W=Mv /2 (M- Masse des rotierenden Rings). Spezifische Energie Wya=W/M=v2 /2 hängt nicht von den Abmessungen des Rings ab und wird durch das Verhältnis der Parameter Or/y seines Materials bestimmt (siehe § 4.5.1, wo gezeigt wird, dass v2 =opj U). Es ist zu beachten, dass ein ähnliches Muster für Wya~avjу auch bei induktiven Energiespeichergeräten auftritt (siehe Kapitel 2), obwohl sie sich in Bezug auf MN erheblich von MN unterscheiden physische Natur. Generell ist es bei der Herstellung von MN-Speicherelementen erforderlich, Materialien mit erhöhten Gp/y-Werten > 105 J/kg zu verwenden. Am meisten geeignete Materialien sind hochfeste legierte Stähle, Titanlegierungen sowie leichte Aluminiumlegierungen (Duraluminium-Typ) und Magnesiumlegierungen (Elektronen-Typ). Mit metallischen Werkstoffen ist es möglich, die spezifische Energie von MN bis zu Wm = 200-300 kJ/kg zu erreichen.

Für die Herstellung von Schwungrädern mit besonders hoher spezifischer Energie (Superschwungräder) vorgesehen, können feinfaserige Materialien theoretisch folgende Wya-Werte liefern: Glasfäden – 650 kJ/kg, Quarzfäden – 5000 kJ/kg, Kohlenstofffasern (mit Diamant). Struktur) - 15000 kJ/kg . Die Fäden (oder daraus hergestellten Bänder) und Klebharze bilden eine Verbundstruktur, deren Festigkeit geringer ist als die der ursprünglichen Fasern. Unter Berücksichtigung der Befestigungselemente in echten Superschwungrädern werden praktisch Werte von Zhd erreicht, die unter den angegebenen liegen, aber immer noch relativ höher als bei anderen MN-Varianten. Superschwungräder ermöglichen Umfangsgeschwindigkeiten bis zu v„1000 m/s. Die technische Umsetzung solcher Geräte erfordert besondere Voraussetzungen. Beispielsweise ist es erforderlich, das Schwungrad in ein evakuiertes Gehäuse einzubauen, da die angegebenen Werte vorliegen v entsprechen Überschallgeschwindigkeiten in Luft (Mach-Zahl Ma>1), die im Allgemeinen verursachen können ganze Zeile inakzeptable Effekte: Das Auftreten von Luftstoßwellen und Stoßwellen, ein starker Anstieg des aerodynamischen Widerstands und der Temperatur.

A- Masse auf einer starren Saite; B- elastischer Rand

Mehrschichtige Faser-Superschwungräder sind äußerst zuverlässig und sicherer in der Anwendung als massive Schwungräder. Bei unzulässiger Belastung durch Trägheitskräfte werden nur die am stärksten beanspruchten Außenschichten der Faserverbundstruktur des Superschwungrads zerstört, während die Zerstörung des massiven Schwungrads mit der Zerstreuung seiner gebrochenen Teile einhergeht.

Die Kombination der Eigenschaften von statischem und dynamischem MN kommt in verschiedenen Geräten vor. Das einfachste davon ist ein oszillierendes Pendel. Der zyklische Prozess der gegenseitigen Umwandlung potentieller Energie in kinetische Energie kann über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden, wenn Verluste im Pendelmechanismus ausgeglichen werden.

Betrachten wir anschauliche Beispiele von MNs, die beim Laden sowohl kinetische als auch potentielle Energie speichern. Sie demonstrieren die grundsätzlichen Möglichkeiten der gemeinsamen praktischen Nutzung beider Arten gespeicherter mechanischer Energie. In Abb. 4.1, A zeigt eine Ladung Masse M, rotiert um die Mitte UM auf einer absolut starren Saite der Länge /, um einen Winkel aus der Vertikalen abgelenkt vgl. Lineare Geschwindigkeit v entspricht der Rotationsbewegung von M entlang eines Kreises mit Radius G. Potenzielle Energie der Last Wn=gMh aufgrund seines Höhenanstiegs H als Folge einer Abweichung. Die kinetische Energie der Last beträgt 1FK = 0,5 Mv2 . Auf die Last wirkt eine Kraft F = F„ + Fr. Seine Trägheitskomponente ist gleich FK = Mv lr> Wert der Gravitationskomponente F T= gM. Da F„/Fr = r2/rg = tan(D, soweit Wn/WK= 2h/rtg^>. Wenn berücksichtigt^! dass A = /(l - coscp) und r = /sincp, dann ist /r/r = (1 - coscp)/sincp. Auf diese Weise, W„l lFK = 2coscp/(l +cos(p), und im Fall сð->0 erhalten wir Wn/WK->1. Folglich kann bei kleinen Winkeln сð die gespeicherte Energie fV=JVK+Wn in gleiche Teile verteilt werden ( Der Wn-Wert kann erhöht werden, wenn die Ladung an einer elastischen Aufhängung (Stab oder Schnur) befestigt wird.

Ein weiteres Beispiel für Gelenkakkumulation W„ Und W.K. dient als rotierendes Schwungrad mit dünnem Rand (Abb. 4.1, b), das Elastizität (Steifigkeit) aufweist N. Die Spannung in der Felge ^p = NAI ist proportional zur elastischen Dehnung A/ = 2l(g - r0), die durch Trägheitskräfte verursacht wird AFr= AMv2 /G, verteilt Nymi entlang des Umfangs der Felge mit dem Radius r. Das Gleichgewicht eines Felgenelements mit der Masse 2µ=2(Л//2л;)Ä(ð) wird durch die Beziehung 2A/v = 2A/7(()sinAcp^Ai bestimmt ^Acp, davon 0,5 Mv2 = 2K2 (R-R0 )N. Daher die kinetische Energie der Felge lVK= 2n2 (R-R0 )N. Da die gespeicherte potentielle Energie)