Stockage d'Energie. Informations générales sur le stockage mécanique de l'énergie

Stockage mécanique (MH), ou accumulateur d'énergie mécanique, est un dispositif pour stocker et stocker l'énergie cinétique ou potentielle avec sa libération ultérieure pour un travail utile.

Comme pour tout type de dispositif de stockage d'énergie (EE), les modes de fonctionnement caractéristiques du MN sont charger (accumulation) et décharge (retour d'énergie). Espace de rangement l'énergie sert de mode intermédiaire de MN. Dans le mode de charge, l'énergie mécanique est fournie au MN à partir d'une source externe, et la mise en œuvre technique spécifique de la source d'énergie est déterminée par le type de MN. Lorsque le MN est déchargé, l'essentiel de l'énergie qu'il stocke est transféré au consommateur. Une partie de l'énergie accumulée est consacrée à la compensation des pertes survenant en mode décharge et dans la plupart des types de circuits magnétiques - et dans les modes de stockage.

Etant donné que dans un certain nombre d'installations de stockage, le temps de charge D3 peut être beaucoup plus long que le temps de décharge (r3 "g), un excès significatif du taux de décharge moyen est possible. RP sur puissance moyenne P3 charge MN. Ainsi, il est permis d'accumuler de l'énergie dans le MP en utilisant des sources de puissance relativement faible.

Les principaux types de MN sont subdivisés en dispositifs statiques, dynamiques et combinés.

Statique MN stocke l'énergie potentielle par changement élastique de la forme ou du volume du fluide de travail, ou lorsqu'il se déplace dans le sens contraire de la gravité dans le champ gravitationnel. Le fluide de travail solide, liquide ou gazeux de ces MN a un état statique en mode de stockage d'énergie, et la charge et la décharge des NE sont accompagnées du mouvement du fluide de travail.

Dynamique Les MN accumulent de l'énergie cinétique principalement dans les masses rotatives de solides. Conditionnellement, les dispositifs de stockage d'accélérateurs de particules élémentaires chargées, dans lesquels l'énergie cinétique d'électrons ou de protons, se déplaçant cycliquement le long de trajectoires fermées, est stockée peuvent également être appelés MP dynamiques.

Combiné MN stocke à la fois l'énergie cinétique et potentielle. Un exemple de MH combiné est un super volant constitué d'un matériau fibreux à haute résistance avec un module d'élasticité relativement faible. Lorsqu'un MI donné tourne, l'énergie potentielle de déformation élastique y est stockée avec l'énergie cinétique. Lors de l'extraction de l'énergie accumulée d'un tel MN, l'utilisation de ses deux types est réalisée.

En termes de niveau d'énergie accumulée spécifique par unité de masse ou de volume de l'élément d'accumulation, les MN inertiels dynamiques sont nettement supérieurs à certains autres types de NE (par exemple, le stockage inductif et capacitif). Par conséquent, les MN présentent un grand intérêt pratique pour diverses applications dans diverses branches de la technologie et de la recherche scientifique.

Certains types de MP ont maintenant trouvé une application à grande échelle dans l'industrie de l'énergie électrique, par exemple, le guide - Installations de stockage sur le toit des centrales électriques. Chargement - Le cycle de décharge de leur travail atteint des dizaines d'heures.

Pour les PM inertiels, les modes de décharge à court terme sont caractéristiques. L'extraction d'énergie du MP s'accompagne d'une diminution de la vitesse angulaire du volant au niveau admissible. Dans certains cas, le freinage peut se produire jusqu'à l'arrêt complet du volant. Décharges "de choc" possibles, caractérisées par un retrait ponctuel ou cyclique de l'énergie stockée, et en raison du grand moment angulaire et du temps de décharge court du MN, la diminution de la vitesse angulaire de son rotor est relativement faible, bien que la puissance fourni peut atteindre des valeurs suffisamment élevées. Dans ce mode MN, des exigences particulières sont imposées pour garantir la résistance de l'arbre. Sous l'influence du couple, des contraintes de cisaillement dangereuses se produisent dans l'arbre, h. l'énergie cinétique du rotor est convertie en énergie potentielle de déformations élastiques de la torsion de l'arbre. Pour surmonter les difficultés ci-dessus, des embrayages élastiques ou à friction sont prévus dans des conceptions MH individuelles.

Les MN statiques préservent l'énergie stockée, étant dans un état stationnaire. Les porteurs d'énergie potentielle en eux sont des solides élastiquement déformés ou des gaz comprimés sous pression excessive, ainsi que des masses élevées à une hauteur par rapport à la surface de la terre. Des exemples typiques de MN statique sont: les ressorts étirés ou comprimés, les caoutchoucs; accumulateurs de gaz et accumulateurs pneumatiques; des dispositifs d'impact de divers pieux, par exemple pour enfoncer des pieux, utilisant l'énergie des masses à l'état soulevé; réservoirs de centrales électriques à accumulation par pompage, réservoirs d'installations à pression d'eau. Voici les principaux rapports énergétiques et paramètres caractéristiques de certains appareils typiques.

Considérons un MN avec élastique éléments.

Nous croyons état solide le système est linéaire, alors l'élément de stockage élastique a une rigidité (ou élasticité) constante N= Const. Force agissant sur lui F\u003d Nx proportionnelle à la déformation linéaire X. Travail élémentaire parfait lorsqu'il est chargé avec MH dW\u003d Fdx. Énergie totale stockée

W = J Fdx \u003d J Nxdx \u003d NAh2 / 2-FaAh / 2, Oo

OùAh - la déformation résultante, limitée, par exemple, Admissible tension ar Matériel; Fn = NAh - la force appliquée.

Estimons l'énergie spécifique Wya \u003d Wj M, par unité de masse M \u003d yV\u003d ySh volume du ressort ou de la tige V et section S, dont le matériau a une densité y et travaille à enfreindre la loi de Hooke une \u003d xfE, de plus X* \u003d xfh- déformation relative, E-module d'élasticité (Young), G ^ Gp. Présentation da \u003d Edx„ nous pouvons écrire DW\u003d Fhdx* \u003d Fhdo/ E et dWya \u003d dW/ ySh \u003d Fda/ ySE, d'où à C \u003d F/ S trouver

Wya \u003d] (aljE) da \u003d a2J (2jE).À PROPOS DE

Pour l'acier nous accepterons les ressorts avec „\u003d 8 108 N / m "E \u003d 2 , 1 à 1011 N / m2, y \u003d 7800 kg / m3, alors Wya ^200 J/ kg. AnaUn calcul logique pour le caoutchouc technique donne cependant ^ battements ^ 350 J / kg, en raison de la nature hystérésis de la dépendance F= F(X) Dans le cycle charge-décharge, les pertes et échauffements qui en résultent conduisent à À vieillissement progressif (destruction) du caoutchouc, instabilité et détérioration de ses propriétés élastiques.

Stockage de gaz le système est dans un état de déséquilibre mécanique par rapport à l'environnement: lorsque les températures du système et de l'environnement sont égales (T \u003d T0C) pression du système p\u003e p0, c, par conséquent, le système peut fonctionner. La réserve d'énergie élastique comprimée dans un cylindre avec un volume V le gaz est

W \u003d P (vdp \u003d v (p2-pi) .. (4.1)

Selon (4.1), par unité de masse M de tout gaz comprimé, il y a une énergie spécifique

Wya \u003d W / M \u003d V (p2-Pl) IM \u003d Aply. (4.2)

Basé sur (4.2) à K \u003d 1m3, la valeur W- WysM numériquement égal à la perte de charge Ap \u003d p1-p1. Par exemple, si A /? \u003d 250 105 Pa (pression initiale p! \u003d 105 Pa), alors IL \u003d 25-106 J quelle que soit la composition chimique du gaz. La valeur maximale de Wya pendant la détente du gaz comprimé à une pression nulle à une température donnée selon l'équation de Mendeleev - Clapeyron PV- MvRyT est

Wya\u003d WlM \u003d RyTI ", (4.3)

Où c \u003d M / Mts - masse molaire (kg / kmol); Ry & ~ 8,314 kJ / (kmol K) - constante de gaz universelle à Тх273 К; /? "105 Pa; Mm est le nombre de kilomètres dans un gaz de masse M.

On peut voir d'après (4.3) que l'utilisation de gaz légers en ML est la plus efficace. Pour le gaz le plus léger, l'hydrogène (μ \u003d 2 kg / kmol) à T \u003d 300 K, l'énergie spécifique est de ~ 1250 kJ / kg (ou 1250 J / g). Dans (4.3), la pression n'est pas explicitement incluse, puisque Wya est déterminée par (4.2) par le rapport de la surpression de gaz à sa densité. Ce dernier avec une pression croissante et Г \u003d const augmente linéairement (dans le processus isotherme PV= Const). Il est à noter que les hautes pressions raisonnables pour l'application efficace du MN considéré provoquent, pour des raisons de résistance, une masse importante de bouteilles de gaz, compte tenu du fait que la valeur de Wya de l'installation dans son ensemble peut diminuer de presque un ordre de grandeur par rapport à fVya de (4.2), (4.3). L'évaluation de la résistance des cylindres peut être effectuée en utilisant les relations de conception § 4.5.7.

Considérer gravitationnel dispositifs de stockage d'énergie.

L'énergie gravistatique de gravité de la Terre (au niveau de l'ory) est estimée par un indicateur assez élevé «battements \u003d 61,6 MJ / kg, qui caractérise le travail nécessaire au mouvement uniforme d'un corps de masse Mx \u003d Kg de la surface de la terre dans l'espace extra-atmosphérique (à titre de comparaison, nous indiquons que le PVya est environ deux fois l'énergie chimique de 1 kg de kérosène). M à la hauteur h \u003d x2 - xl énergie potentielle stockée

W \u003d jgMdx \u003d gMh , (4.4)

Où M \u003d const, g \u003d 9,8l m / s2. Selon (4.4), l'énergie spécifique Wya\u003d Wj M\u003d gh ne dépend que de la hauteur h. L'énergie stockée est libérée lorsque la charge diminue et le travail utile correspondant est effectué à la suite de la transformation de l'énergie potentielle en énergie cinétique. L'énergie cinétique spécifique la plus élevée dans la nature lors de la chute peut être développée par les météorites, pour lesquelles Wya ^ 60 MJ / kg (hors consommation d'énergie pour le frottement dans l'atmosphère).

L'utilisation directe des forces gravistatiques générées par les masses naturelles est pratiquement impossible. Cependant, en pompant de l'eau dans des réservoirs artificiels surélevés ou des réservoirs souterrains vers la surface, une quantité suffisamment grande d'énergie potentielle peut être accumulée pour des applications à grande échelle dans les systèmes d'alimentation électrique. Si la différence de niveau h \u003d 200 m, alors, sur la base de la masse d'eau M \u003d 103 kg, l'énergie stockée selon (4.4) est égale à I\u003e "\u003d 1962 kJ, énergie spécifique Wya\u003d WjM= 1,962 kJ / kg.

Considérer cinétique inertielle MN.

En principe, l'énergie cinétique peut être stockée pour tout mouvement de la masse. Pour un mouvement de translation uniforme d'un corps avec une masse M avec rapidité v énergie cinétique W\u003d Mv2 / 2. Énergie spécifique Wya\u003d W/ M \u003d v2 j2 ne dépend (quadratiquement) que de la vitesse linéaire du corps. Un corps se déplaçant à la première vitesse cosmique km / s a \u200b\u200bun

Énergie Wyax32 MJ / kg.

Pour une variété d'applications d'énergie et de transport, les MN de mouvement rotatif sont des MN inertiels rationnels (volants). L'énergie cinétique stockée W \u003d J & / ~ est déterminée par le carré de la vitesse angulaire Q \u003d 2nn (P - vitesse) et moment d'inertie J volant d'inertie par rapport à l'axe de rotation. Si le volant a un rayon r et masse M = yV (V-le volume, à - densité matière), t °

J ^ Mr2 / 2 \u003d yVr2j2 et W \u003d n2Mr2n2 \u003d n2yVr2n2. L'énergie spécifique correspondante (par unité M ou V) est FV/ M\u003d n* r2n2 , J / kg et lV0ya\u003d W/ V\u003d n2 ans2n2 , J / m3. Les valeurs de Q et n pour une taille r donnée sont limitées par la vitesse périphérique linéaire v \u003d Q.r \u003d 2 m, associée à la contrainte de rupture admissible du matériau ar. On sait que la tension a dans un disque ou rotor cylindrique MH dépend de v2. En fonction de la forme géométrique des volants métalliques, ils se caractérisent par des vitesses maximales admissibles à la périphérie d'environ 200 à 500 m / s.

L'énergie stockée, en particulier pour un volant d'inertie à jante élancée, W\u003d Mv /2 (Mest la masse de la bague tournante). Énergie spécifique Wya\u003d W/ M \u003d v2 /2 ne dépend pas de la taille de l'anneau et est déterminé par le rapport des paramètres Op / y de son matériau (voir Sec.4.5.1, où il est montré que v2 \u003d opjY). Il convient de noter qu'un modèle similaire pour Wya ~ avjу se produit également dans les dispositifs de stockage d'énergie inductifs (voir Ch. 2), bien qu'ils diffèrent considérablement de MN dans la nature physique. Dans le cas général, dans la fabrication des éléments de stockage MN, il est nécessaire d'utiliser des matériaux avec des valeurs augmentées de Gp / y\u003e 105 J / kg. Les matériaux les plus appropriés sont les aciers alliés à haute résistance, les alliages de titane, ainsi que les alliages légers d'aluminium (type duralumin) et les alliages de magnésium (type électronique). En utilisant des matériaux métalliques, il est possible d'obtenir l'énergie spécifique MN jusqu'à Wm \u003d 200-300 à J / kg.

Conçus pour créer des volants d'inertie aux énergies spécifiques particulièrement élevées (super volants), les matériaux à fibres fines peuvent théoriquement fournir les niveaux suivants de l'indice Wya: filaments de verre - 650 kJ / kg, filaments de quartz - 5000 kJ / kg, fibres de carbone (avec un structure diamantée) -15000 kJ / kg ... Les filaments (ou rubans fabriqués à partir de ceux-ci) et les résines adhésives forment une structure composite dont la résistance est inférieure à celle des fibres d'origine. En tenant compte des éléments de fixation dans les super-volants réels, les valeurs de Zhud sont pratiquement atteintes, qui sont inférieures à celles indiquées, mais toujours relativement plus élevées que dans les autres variétés de MN. Les super volants d'inertie permettent des vitesses périphériques jusqu'à v "1000 m / s. La mise en œuvre technique de tels dispositifs nécessite des conditions particulières. Par exemple, il est nécessaire d'installer un volant d'inertie dans un carter sous vide, car les valeurs indiquées v correspondent à des vitesses supersoniques dans l'air (nombre de Mach Ma\u003e 1), qui dans le cas général peuvent provoquer un certain nombre d'effets inacceptables: l'apparition de chocs de compactage dans l'air et d'ondes de choc, une forte augmentation de la traînée aérodynamique et de la température.

Les super volants en fibre multicouche ont une fiabilité assez élevée et sont plus sûrs en fonctionnement que les volants pleins. Sous des charges inacceptables causées par des forces d'inertie, seules les couches externes les plus sollicitées de la structure composite en fibres du super volant sont détruites, tandis que la destruction d'un volant massif s'accompagne de la dispersion de ses parties déchirées.

La combinaison des propriétés de MN statique et dynamique a lieu dans divers appareils. Le plus simple d'entre eux est le pendule oscillant. Le processus cyclique de transformation mutuelle de l'énergie potentielle en énergie cinétique peut être maintenu assez longtemps si les pertes dans le mécanisme pendulaire sont compensées.

Considérons des exemples illustratifs de MN qui stockent les énergies cinétique et potentielle en même temps lorsqu'ils sont chargés. Ils démontrent les possibilités fondamentales d'une utilisation pratique conjointe des deux types d'énergie mécanique accumulée. En figue. 4.1, et le poids est affiché M, tournant autour du centre À PROPOS DE sur une corde de longueur / absolument rigide, déviée de la position verticale d'un angle cp. Vitesse lineaire v correspond au mouvement de rotation de M le long d'un cercle de rayon g. Énergie potentielle de la charge Wn\u003d gMh en raison de sa hauteur h à la suite d'un rejet. L'énergie cinétique de la charge est 1FK \u003d 0,5 Mv2 . Une force F \u003d F „+ Fr. agit sur la charge. Sa composante inertielle est égale à FK \u003d Mv lr\u003e la valeur de la composante gravitationnelle F T \u003d gM. Puisque F „/ Fr \u003d r2 / rg \u003d tg (D, dans la mesure où Wn/ Semaine \u003d 2h/ rtg^>. Si Uchest ^! que A \u003d / (l - coscp) et r \u003d / sincp, alors / r / r \u003d (1 - coscp) / sinср. Ainsi, W„L lFK \u003d 2coscp / (l + cos (p), et dans le cas de cp-\u003e 0 on obtient Wn / WK-\u003e 1. Par conséquent, aux petits angles cp, l'énergie stockée fV \u003d JVK + Wn peut être distribuée à égalité fréquences (W La valeur de Wn peut être augmentée, si vous fixez la charge sur une suspension élastique (barre ou corde).

Un autre exemple d'accumulation articulaire W„ et Semaine un volant d'inertie rotatif à jante fine sert de (Figure 4.1, b), qui avait une élasticité (rigidité) N. La tension dans la jante ^ p \u003d NAI est proportionnelle à l'allongement élastique A / \u003d 2n (r - r0) provoqué par les forces d'inertie AFr \u003d AMv2 / r, distribué Nymi le long de la circonférence de la jante avec le rayon r. Équilibre d'un élément de jante avec une masse de 2DM \u003d 2 (A // 2l;) A (p est déterminé par la relation 2A / v \u003d 2A / 7 (() sinAcp ^ Ai ^ Acp , d'où 0,5 Mv2 \u003d 2K2 (r - r0 ) N. Par conséquent, l'énergie cinétique de la jante lVK \u003d 2n2 (r - r0 ) N. Depuis l'énergie potentielle stockée)