Energiespeicher. Allgemeine Informationen zur mechanischen Energiespeicherung

Mechanische Lagerung(MH) oder mechanischer Energiespeicher, ist ein Gerät zum Speichern und Speichern von kinetischer oder potentieller Energie mit ihrer anschließenden Freisetzung für Nutzarbeit.

Wie bei allen Arten von Energiespeichern (EE) sind die charakteristischen Betriebsarten des MN aufladen(Akkumulation) und entladen(Energierückgabe). Lagerung Energie dient als Zwischenmode von MN. Im Lademodus wird dem MN mechanische Energie von einer externen Quelle zugeführt und die konkrete technische Umsetzung der Energiequelle wird durch die Art des MN bestimmt. Beim Entladen des MN wird der größte Teil der von ihm gespeicherten Energie an den Verbraucher abgegeben. Ein Teil der akkumulierten Energie wird zum Ausgleich von Verlusten verwendet, die im Entlademodus und in den meisten Arten von Magnetkreisen - und in Speichermodi - auftreten.

Da bei einigen Speicheranlagen die Ladezeit D3 viel länger sein kann als die Entladezeit (r3 "g), ist eine deutliche Überschreitung der durchschnittlichen Entladerate möglich. R P über der durchschnittlichen Leistung P3 MN berechnen. Somit ist es zulässig, Energie im MP unter Verwendung von Quellen mit relativ geringer Leistung zu akkumulieren.

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

Statisch MN speichern potentielle Energie durch elastische Änderung der Form oder des Volumens des Arbeitsfluids oder wenn es sich in einem Gravitationsfeld entgegen der Schwerkraftrichtung bewegt. Festes, flüssiges oder gasförmiges Arbeitsfluid dieser MNs hat im Energiespeichermodus einen statischen Zustand, und das Laden und Entladen von NEs wird von der Bewegung des Arbeitsfluids begleitet.

Dynamisch MN akkumulieren kinetische Energie hauptsächlich in rotierenden Festkörpermassen. Bedingt sind auch Speicher von Beschleunigern geladener Elementarteilchen, in denen die kinetische Energie von Elektronen oder Protonen gespeichert ist, die sich zyklisch entlang geschlossener Bahnen bewegen, dynamischen MPs zuzuordnen.

Kombiniert MN speichern sowohl kinetische als auch potentielle Energie. Ein Beispiel für eine kombinierte MH ist ein Superschwungrad aus einem hochfesten Fasermaterial mit relativ niedrigem E-Modul. Wenn sich ein gegebener MI dreht, wird die potentielle Energie der elastischen Verformung zusammen mit der kinetischen Energie darin gespeichert. Beim Extrahieren der akkumulierten Energie aus einem solchen MN wird die Nutzung beider Typen erreicht.

In Bezug auf das Niveau der spezifischen akkumulierten Energie pro Massen- oder Volumeneinheit des Akkumulationselements sind dynamische Trägheits-MN einigen anderen Arten von NEs (beispielsweise induktiven und kapazitiven Speichern) deutlich überlegen. Daher sind MN für verschiedene Anwendungen in verschiedenen Bereichen der Technik und der wissenschaftlichen Forschung von großem praktischem Interesse.

Bestimmte MP-Typen haben inzwischen großflächige Anwendung in der Elektrizitätswirtschaft gefunden, zum Beispiel bei Leit - Dachspeicheranlagen von Kraftwerken. Aufladen - Der Entladezyklus ihrer Arbeit erreicht Dutzende von Stunden.

Für Trägheits-MPs sind kurzzeitige Entladungsmodi charakteristisch. Die Energieentnahme aus dem MP geht mit einer Abnahme der Winkelgeschwindigkeit des Schwungrades auf das zulässige Niveau einher. In einigen Fällen kann ein Bremsen erfolgen, bis das Schwungrad vollständig zum Stillstand kommt. Mögliche „Schock“-Entladungen, gekennzeichnet durch einmalige oder zyklische Entnahme gespeicherter Energie, und aufgrund des großen Drehimpulses und der kurzen Entladezeit des MN ist die Abnahme der Winkelgeschwindigkeit seines Rotors relativ gering, obwohl die zugeführte Leistung ausreichend hohe Werte erreichen kann. In diesem MN-Modus werden besondere Anforderungen an die Festigkeit der Welle gestellt. Unter dem Einfluss des Drehmoments entstehen in der Welle gefährliche Schubspannungen, h. die kinetische Energie des Rotors wird in die potentielle Energie elastischer Verformungen der Torsion der Welle umgewandelt. Um die oben genannten Schwierigkeiten zu überwinden, sind in einzelnen MH-Ausführungen elastische oder kraftschlüssige Kupplungen vorgesehen.

Statische MNs bewahren die gespeicherte Energie, da sie sich in einem stationären Zustand befinden. Die Träger potentieller Energie sind in ihnen elastisch verformte Festkörper oder komprimierte Gase unter Überdruck sowie gegenüber der Erdoberfläche höhenangehobene Massen. Typische Beispiele für statisches MN sind: gedehnte oder komprimierte Federn, Gummis; Gasflaschenspeicher und pneumatische Akkumulatoren; Schlaggeräte verschiedener Rammgeräte, beispielsweise zum Rammen von Pfählen, unter Ausnutzung der Energie der Massen im angehobenen Zustand; Reservoirs von Pumpspeicherkraftwerken, Tanks von Wasserdruckanlagen. Hier sind die wichtigsten Energieverhältnisse und charakteristischen Parameter einiger typischer Geräte.

Betrachten Sie eine MN mit elastisch Elemente.

Wir glauben fester Zustand das System linear ist, dann hat das elastische Speicherelement konstante Steifigkeit (oder Elastizität) n= Konst. Gewalt, die auf ihn einwirkt F= Nx proportional zur linearen Verformung NS. Grundarbeit perfekt, wenn mit MH . aufgeladen dW= Fdx. Gesamt gespeicherte Energie

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

Woher Ah - die resultierende Verformung, begrenzt, zum Beispiel Zulässig Spannung ar Material; Fn = Nah - die aufgebrachte Kraft.

Schätzen wir die spezifische Energie ab Wya = Wj M, pro Masseneinheit m= yV= ySh Feder- oder Stangenvolumen V und Abschnitt S, dessen Material eine Dichte y hat und innerhalb der Grenzen des Hookeschen Gesetzes bricht ein= xfE, Außerdem x* = xfh- relative Verformung, E-Elastizitätsmodul (Jung), G^ Gp. Einführung da= Edx„ wir können schreiben Dw= Fhdx* = Fhdo/ E und dWya= dW/ ySh= Fda/ ySE, woher bei C= F/ S finden

Wya =] (aljE) da = a2J (2jE).Ö

Für Stahlwir akzeptieren federn mit „= 8 108 N/m"E = 2 , 1-1011 N / m2,y = 7800 kg / m3, dannWya ^200 J/ kg. Ana Eine logische Berechnung für technischen Gummi ergibt ^ Schläge ^ 350 J / kg, jedoch aufgrund der Hysterese-Natur der Abhängigkeit F= F(x) Im Lade-Entlade-Zyklus führen die resultierenden Verluste und die Erwärmung zu ZU allmähliche Alterung (Zerstörung) des Gummis, Instabilität und Verschlechterung seiner elastischen Eigenschaften.

Gasspeicher das System befindet sich in einem mechanisch nicht ausgeglichenen Zustand gegenüber der Umgebung: wenn die Temperaturen des Systems und der Umgebung gleich sind (T = T0C) Systemdruck p> p0, c, daher kann das System arbeiten. Die in einem Zylinder mit einem Volumen . komprimierte elastische Energiereserve V Gas ist

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

Nach (4.1) gibt es pro Masseneinheit M eines komprimierten Gases eine spezifische Energie

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

Basierend auf (4.2) bei K = 1m3 ist der Wert W- WysM numerisch gleich dem Druckabfall Ap = p1-p1. Wenn beispielsweise A /? = 250 105 Pa (Anfangsdruck p! = 105 Pa), dann IL = 25-106 J unabhängig von der chemischen Zusammensetzung des Gases. Der maximale Wert von Wya, wenn komprimiertes Gas bei einer gegebenen Temperatur auf Nulldruck expandiert, gemäß der Mendeleev-Clapeyron-Gleichung PV- MvRyT ist

Wya= WlM = RyTI ", (4.3)

Wobei c = M / Mts - Molmasse (kg / kmol); Ry & ~ 8.314 kJ / (kmol K) - universelle Gaskonstante bei Тх273 К; /? "105Pa; Mm ist die Zahl der Kilomol in einem Gas der Masse M.

Aus (4.3) ist ersichtlich, dass der Einsatz von leichten Gasen bei ML am effektivsten ist. Für das leichteste Gas Wasserstoff (μ = 2 kg/kmol) bei T = 300 K beträgt die spezifische Energie ~ 1250 kJ/kg (bzw. 1250 J/g). In (4.3) ist der Druck nicht explizit enthalten, da Wya nach (4.2) durch das Verhältnis von Gasüberdruck zu seiner Dichte bestimmt wird. Letztere steigt mit steigendem Druck und Г = const linear an (im isothermen Prozess PV= Konst). Es ist zu beachten, dass die hohen Drücke, die für die effektive Anwendung des betrachteten MN angemessen sind, aus Festigkeitsgründen eine erhebliche Masse an Gasflaschen verursachen, wobei der Wert von Wya der gesamten Anlage um . sinken kann fast eine Größenordnung im Vergleich zu fVya aus (4.2), (4.3). Die Bewertung der Festigkeit der Zylinder kann unter Verwendung der Design Relationships § 4.5.7 durchgeführt werden.

Erwägen Gravitation Energiespeichergeräte.

Die gravistatische Gravitationsenergie der Erdanziehung (auf der Ebene von Ory) wird als ziemlich hoher Indikator "Schläge = 61,6 MJ / kg" geschätzt, der die für die gleichmäßige Bewegung eines Körpers mit einer Masse von Mx = Kg erforderliche Arbeit charakterisiert von der Erdoberfläche in den Weltraum (zum Vergleich geben wir an, dass dieser Wert PVya ungefähr das Doppelte der chemischen Energie von 1 kg Kerosin beträgt). m auf die höhe h= x2 - xl gespeicherte potentielle Energie

W= jgMdx = gMh , (4.4)

Wobei M = const, g = 9,8l m / s2. Nach (4.4) ist die spezifische Energie Wya= Wjm= gh kommt nur auf die höhe an h. Beim Abfallen der Last wird die gespeicherte Energie freigesetzt und durch die Umwandlung von potentieller in kinetische Energie die entsprechende Nutzarbeit verrichtet. Die höchste spezifische kinetische Energie in der Natur beim Fallen kann von Meteoriten entwickelt werden, für die Wya ^ 60 MJ / kg (ohne Energieverbrauch für Reibung in der Atmosphäre) beträgt.

Eine direkte Nutzung der durch natürliche Massen erzeugten Gravitationskräfte ist praktisch unmöglich. Durch das Pumpen von Wasser in erhöhte künstliche Reservoirs oder aus unterirdischen Reservoirs an die Oberfläche kann jedoch eine ausreichend große Menge potenzieller Energie für groß angelegte Anwendungen in elektrischen Energiesystemen akkumuliert werden. Wenn der Pegelunterschied 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.

Erwägen Trägheitskinetik MN.

Grundsätzlich kann für jede Bewegung der Masse kinetische Energie gespeichert werden. Für eine gleichförmige Translationsbewegung eines Körpers mit einer Masse m mit Geschwindigkeit v kinetische Energie W= Mv2 / 2. Spezifische Energie Wya= W/ M= v2 J2 hängt (quadratisch) nur von der Lineargeschwindigkeit des Körpers ab. Ein Körper, der sich mit der ersten kosmischen Geschwindigkeit km/s bewegt, hat eine spezifische

Energie Wyax32 MJ / kg.

Für eine Vielzahl von Energie- und Transportanwendungen sind Rotations-MNs rational - Trägheits-MNs (Schwungräder). Die gespeicherte kinetische Energie W = J & / ~ wird durch das Quadrat der Winkelgeschwindigkeit bestimmt Q= 2nn (NS- Geschwindigkeit) und Trägheitsmoment J Schwungrad relativ zur Drehachse. Wenn das Schwungrad einen Radius hat g und Masse m =yV (V-Volumen, bei- Materialdichte), t °

J ^ Mr2 / 2 = yVr2j2 und W = n2Mr2n2 = n2yVr2n2. Die entsprechende spezifische Energie (pro Einheit m oder V) ist FV/ M= n* R2n2 , J / kg und lV0ya= W/ V= n2 Jahre2n2 , J / m3. Die Werte von Q und n für eine gegebene Größe r 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 MH von v2 abhängt. Je nach geometrischer Formgebung der Metallschwungräder zeichnen sie sich durch zulässige Höchstgeschwindigkeiten am Umfang von ca. 200 bis 500 m/s aus.

Gespeicherte Energie, insbesondere für ein schlankes Felgenschwungrad, W= Mv /2 (m ist die Masse des rotierenden Rings). Spezifische Energie Wya= W/ M= v2 /2 hängt nicht von der Ringgröße ab und wird durch das Verhältnis der Parameter Op / y seines Materials bestimmt (siehe Abschnitt 4.5.1, wo gezeigt wird, dass v2 = opj Y). Es sollte beachtet werden, dass ein ähnliches Muster für Wya ~ avjу auch bei induktiven Energiespeichern (siehe Kap. 2) auftritt, obwohl sie sich in ihrer physikalischen Natur deutlich von MN unterscheiden. Im allgemeinen Fall ist es bei der Herstellung von MN-Speicherelementen erforderlich, Materialien mit erhöhten Werten von Gp / y > 105 J / kg zu verwenden. Die am besten geeigneten Materialien sind hochfeste legierte Stähle, Titanlegierungen sowie leichte Aluminiumlegierungen (Duralumin-Typ) und Magnesiumlegierungen (Elektronen-Typ). Mit metallischen Werkstoffen ist es möglich, die spezifische Energie MN bis Wm = 200-300 bis J/kg zu erreichen.

Entworfen, um Schwungräder mit besonders hohen spezifischen Energien (Super-Schwungräder) zu erzeugen, können feinfaserige Materialien theoretisch folgende Stufen des Wya-Index liefern: Glasfilamente - 650 kJ / kg, Quarzfilamente - 5000 kJ / kg, Kohlefasern (mit a Diamantstruktur) -15000 kJ / kg ... Die Filamente (oder daraus hergestellte Bänder) und Klebeharze bilden eine Verbundstruktur, deren Festigkeit geringer ist als die der ursprünglichen Fasern. Unter Berücksichtigung der Befestigungselemente bei echten Super - Schwungrädern werden die Werte von Zhud praktisch weniger erreicht als die angegebenen, aber immer noch relativ höher als bei anderen Sorten von MN. Superschwungräder ermöglichen Umfangsgeschwindigkeiten bis zu v"1000m/s. Die technische Umsetzung solcher Geräte erfordert die Bereitstellung besonderer Bedingungen. Zum Beispiel ist es notwendig, ein Schwungrad in ein evakuiertes Gehäuse einzubauen, da die angegebenen Werte v entsprechen Überschallgeschwindigkeiten in der Luft (Machzahl Ma> 1), die im allgemeinen Fall eine Reihe inakzeptabler Effekte verursachen können: das Auftreten von Luftverdichtungsstößen und Stoßwellen, ein starker Anstieg des Luftwiderstands und der Temperatur.

Mehrschichtige Faser-Superschwungräder haben eine ziemlich hohe Zuverlässigkeit und sind im Betrieb sicherer als massive Schwungräder. Bei unzulässigen Belastungen durch Trägheitskräfte werden nur die am stärksten beanspruchten Außenschichten der Faserverbundstruktur des Superschwungrades zerstört, während die Zerstörung eines massiven Schwungrades mit der Zerstreuung seiner zerrissenen Teile einhergeht.

Die Kombination der Eigenschaften von statischem und dynamischem MN erfolgt in verschiedenen Geräten. Die einfachste davon ist das Pendelpendel. Der zyklische Prozess der gegenseitigen Umwandlung von potentieller Energie in kinetische Energie kann relativ lange aufrechterhalten werden, wenn die Verluste im Pendelmechanismus kompensiert werden.

Betrachten wir illustrative Beispiele für MNs, die sowohl kinetische als auch potentielle Energien bei einer Ladung speichern. Sie demonstrieren die grundsätzlichen Möglichkeiten der gemeinsamen praktischen Nutzung beider Arten von akkumulierter mechanischer Energie. In Abb. 4.1, ein Gewicht angezeigt M, um das Zentrum drehen Ö an einer absolut starren Schnur der Länge /, um einen Winkel aus der Vertikalen abgelenkt vgl. Lineargeschwindigkeit v entspricht der Drehbewegung M auf einem Kreis mit Radius G. Potentielle Energie der Last Wn= gMh aufgrund seines Aufstiegs in eine Höhe h als Folge der Ablehnung. 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> der Wert der Gravitationskomponente F T= gM. Da F „/ Fr = r2 / rg = tan (D, sofern Wn/ Woche= 2h/ rtg^>. Wenn Uchest ^! dass A = / (l - coscp) und r = / sincp, dann / y / r = (1 - coscp) / sinср. Auf diese Weise, W„L lFK = 2coscp / (l + cos (p), und im Fall von cp-> 0 erhalten wir Wn / WK-> 1. Folglich kann bei kleinen Winkeln cp die gespeicherte Energie fV = JVK + Wn gleich verteilt werden Frequenzen (W Der Wert von Wn kann erhöht werden, wenn Sie die Last an einer elastischen Aufhängung (Stange oder Schnur) befestigen.

Ein weiteres Beispiel für gemeinsame Akkumulation W„ und Wk ein rotierendes Feinkranzschwungrad (Bild 4.1, b), das Elastizität (Steifigkeit) aufwies N. Die Spannung in der Felge ^ p = NAI ist proportional zur elastischen Dehnung A / = 2n (r - r0) durch Trägheitskräfte AFr= AMv2 /G, verteilt Nym entlang des Felgenumfangs mit Radius r Gleichgewicht eines Felgenelements mit einer Masse von 2DM = 2 (A // 2l;) A (p wird bestimmt durch die Beziehung 2A / v = 2A / 7 (() sinAcp ^ Ai ^ Akp, daher 0,5 Mv2 = 2K2 (R- R0 ) N. Daher ist die kinetische Energie der Felge lVK= 2n2 (R- R0 ) N. Da die gespeicherte potentielle Energie)