Էլեկտրական էներգիայի մեխանիկական կուտակիչ: Էներգիայի պահպանման սարքերի օգտագործումը: Ընդհանուր տեղեկություններ էներգիայի պահպանման մասին

Մեխանիկական պահեստավորում(MH) կամ մեխանիկական էներգիայի կուտակիչ, կոչվում է կինետիկ կամ պահելու և պահելու սարք պոտենցիալ էներգիաայն հետագայում թողարկելով այն օգտակար աշխատանքի համար:

Ինչ վերաբերում է էներգիայի կուտակման ցանկացած տեսակի սարքին (EE), MN- ի շահագործման բնորոշ ռեժիմներն են գանձել(կուտակում) և լիցքաթափում(էներգիայի վերադարձ): Պահեստավորումէներգիան ծառայում է որպես միջանկյալ MN ռեժիմ: Լիցքավորման ռեժիմում մեխանիկական էներգիա է մատակարարվում MN- ից արտաքին աղբյուր, իսկ էներգիայի աղբյուրի հատուկ տեխնիկական իրականացումը որոշվում է MN- ի տեսակով: Երբ MN- ն լիցքաթափվում է, նրա կողմից կուտակված էներգիայի հիմնական մասը փոխանցվում է սպառողին: Կուտակված էներգիայի մի մասը ծախսվում է լիցքաթափման ռեժիմում տեղի ունեցող կորուստների փոխհատուցման վրա, ինչպես նաև մագնիսական սխեմաների շատ տեսակների և պահեստավորման ռեժիմների վրա:

Քանի որ մի շարք պահեստային կայանքներում լիցքավորման ժամանակը D3 կարող է շատ ավելի մեծ լինել, քան լիցքաթափման ժամանակը (r3 "g), հնարավոր է միջին արտանետման միջին արագության զգալի գերազանցում: Ռ P միջին հզորության վրա P3գանձել MN. Այսպիսով, թույլատրելի է էներգիայի կուտակումը պատգամավորում `օգտագործելով համեմատաբար ցածր էներգիայի աղբյուրներ:

MN- ի հիմնական տեսակները բաժանվում են ստատիկ, դինամիկ և համակցված սարքերի:

Ստատիկ MN- ն պահպանում է պոտենցիալ էներգիան աշխատանքային հեղուկի ձևի կամ ծավալի առաձգական փոփոխությամբ, կամ երբ այն շարժվում է գրավիտացիոն դաշտում ձգողության ուղղությամբ: Այս MN- ի պինդ, հեղուկ կամ գազային աշխատանքային հեղուկը էներգիայի պահպանման ռեժիմում ունի ստատիկ վիճակ, իսկ NE- ների լիցքն ու արտանետումը ուղեկցվում են աշխատանքային հեղուկի շարժումով:

Դինամիկ MN- ը կինետիկ էներգիա է կուտակում հիմնականում պինդ պտտվող զանգվածների մեջ: Պայմանականորեն, լիցքավորված տարրական մասնիկների արագացուցիչների պահեստավորման սարքերը, որոնցում պահվում են էլեկտրոնների կամ պրոտոնների կինետիկ էներգիան, որոնք ցիկլիկ կերպով շարժվում են փակ հետքերով, կարող են վերաբերվել նաև դինամիկ պատգամավորներին:

Համակցված MN- ը պահում է ինչպես կինետիկ, այնպես էլ պոտենցիալ էներգիա: Համակցված ՄՀ-ի օրինակ է բարձր ամրության մանրաթելային նյութից պատրաստված գերծանրքաշային անիվը `առաձգականության համեմատաբար ցածր մոդուլով: Երբ տվյալ MI- ն պտտվում է, այնտեղ կինետիկ էներգիայի հետ միասին պահվում է առաձգական դեֆորմացիայի պոտենցիալ էներգիան: Նման ՄՆ -ից կուտակված էներգիան կորզելիս հասնում են դրա երկու տեսակների օգտագործմանը:

Կուտակվող տարրի մեկ միավորի զանգվածի կամ ծավալի հատուկ կուտակված էներգիայի մակարդակով դինամիկ իներցիոն ՄՆ -ն զգալիորեն գերազանցում են ԲԷ որոշ այլ տեսակների (օրինակ ՝ ինդուկտիվ և տարողունակ պահեստավորման սարքեր): Հետևաբար, MN- ը մեծ գործնական հետաքրքրություն է ներկայացնում տեխնոլոգիայի և գիտական ​​հետազոտությունների տարբեր ճյուղերում տարբեր կիրառությունների համար:

MP- ի որոշ տեսակներ արդեն լայնածավալ կիրառություն են գտել էլեկտրաէներգիայի արդյունաբերության մեջ, օրինակ `ուղեցույց` էլեկտրակայանների տանիքների պահեստավորման կայանքներ: Լիցքավորում - Նրանց աշխատանքի լիցքաթափման ցիկլը հասնում է տասնյակ ժամերի:

Իներցիոն պատգամավորների համար կարճաժամկետ լիցքաթափման ռեժիմները բնորոշ են: Պատգամավորից էներգիայի արդյունահանումը ուղեկցվում է թռիչքի անիվի արագության թույլատրելի մակարդակի նվազումով: ԻՆ առանձին դեպքերարգելակումը կարող է տեղի ունենալ մինչև պտտաձողի ամբողջական կանգառ: Հնարավոր «ցնցում» արտանետումներ, որոնք առանձնանում են պահված էներգիայի միանգամյա կամ ցիկլային հեռացումով, իսկ MN- ի մեծ անկյունային թափի և կարճ լիցքաթափման ժամանակ նրա ռոտորի անկյունային արագության նվազումը համեմատաբար փոքր է: , չնայած 0 մ բարձր արժեքներ... Այս MN ռեժիմում հատուկ պահանջներ են դրվում լիսեռի ամրության ապահովման վրա: Մեծ ոլորող մոմենտի ազդեցության տակ լիսեռում առաջանում են վտանգավոր կտրող լարումներ, ժ. սբ կինետիկ էներգիառոտորը վերածվում է լիսեռի ոլորման առաձգական դեֆորմացիայի պոտենցիալ էներգիայի: Վերոնշյալ դժվարությունները հաղթահարելու համար առաձգական կամ շփման ճիրաններ են տրամադրվում ԱՆ -ի առանձին նախագծերում:

Ստատիկ MN- ները պահպանում են պահված էներգիան `գտնվելով ստացիոնար վիճակում: Դրանցում պոտենցիալ էներգիայի կրողներ են էլաստիկ դեֆորմացված պինդ մարմինները կամ սեղմված գազերը `չափազանց մեծ ճնշման ներքո, ինչպես նաև երկրի մակերևույթի համեմատ բարձրության վրա բարձրացված զանգվածներ: Ստատիկ MN- ի տիպիկ օրինակներն են `ձգված կամ սեղմված աղբյուրներ, ռետիններ; գազի կուտակիչներ և օդաճնշական կուտակիչներ; տարբեր կույտերի հարվածային սարքեր, օրինակ ՝ կույտեր քշելու համար, զանգվածների էներգիան բարձրացված վիճակում օգտագործելով. պոմպային պահեստային էլեկտրակայանների ջրամբարներ, ջրի ճնշման կայանքների բաքեր: Ահա էներգիայի հիմնական հարաբերակցությունները և որոշ բնորոշ սարքերի բնորոշ պարամետրերը:

Մտածեք MN- ի հետ առաձգականտարրեր:

Մենք հավատում ենք պինդ վիճակհամակարգը գծային է, ապա առաձգական պահեստավորման տարրն ունի մշտական ​​կոշտություն (կամ առաձգականություն) Ն= Կոնստ. Ուժ, որը գործում է նրա վրա Ֆ= Nxհամաչափ գծային դեֆորմացիային ԱԱՏարրական աշխատանքը կատարյալ է, երբ լիցքավորվում է MH- ով dW= Fdx. Ընդհանուր պահված էներգիա

Վ = J Fdx = J Nxdx = NAh2 / 2-FaAh / 2, Օօ

ՈրտեղԱհ - արդյունքում առաջացած դեֆորմացիան, սահմանափակ, օրինակ, Թույլատրելիլարում արնյութ; Fn = ՆԱ - կիրառվող ուժը:

Եկեք գնահատենք կոնկրետ էներգիան Վյա = Wj Մ,զանգվածի մեկ միավորի համար Մ= yV= yShգարնան կամ ձողի ծավալը Վև հատված Ս, որի նյութը ունի y խտություն և աշխատում է կոտրել Հուկի օրենքի սահմաններում ա= xfE, ընդ որում X* = xfh- հարաբերական դեֆորմացիա, Է-առաձգականության մոդուլ (Երիտասարդ), G ^ Gp. Ներկայացնելով դա= Edx„ կարող ենք գրել DW= Fhdx* = Ֆհդո/ Եեւ dWya= dW/ ySh= ՖԴԱ/ ySE, որտեղից Գ= Ֆ/ Սգտնել

Wya =] (aljE) da = a2J (2jE):Օ

Պողպատի համարմենք գարուններ կընդունենք«= 8 -ի հետ 108 Ն / մ "Ե = = 2 , 1-1011 Ն / մ 2,y = 7800 կգ / մ 3, ապաՎյա ^200 J/ կգ ԱնաՏեխնիկական կաուչուկի տրամաբանական հաշվարկը տալիս է ^ հարվածներ ^ 350 J / կգ, սակայն կախվածության հիստերեզի բնույթի պատճառով Ֆ= Ֆ(X) Լիցքաթափման ցիկլում արդյունքում կորուստները և ջեռուցումը հանգեցնում են Դեպիկաուչուկի աստիճանական ծերացում (ոչնչացում), անկայունություն և դրա առաձգական հատկությունների վատթարացում:

Գազի պահեստավորումհամակարգը մեխանիկականորեն անհավասարակշիռ վիճակում է շրջակա միջավայրի նկատմամբ. երբ համակարգի և շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանը հավասար է (T = T0C)համակարգի ճնշում p> p0, c,ուստի համակարգը կարող է աշխատել: Առաձգական էներգիայի պաշար ՝ սեղմված ծավալով գլանով Վգազ է

Վ= P (vdp = v (p2-pi) .. (4.1)

Ըստ (4.1) ՝ ցանկացած սեղմված գազի M զանգվածի մեկ միավորի համար կա որոշակի էներգիա

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

Հիման վրա (4.2) K = 1 մ 3 արժեքի վրա Վ- WysMթվային հավասար ճնշման անկմանը Ap = p1-p1:Օրինակ, եթե A /? = 250 105 Pa (սկզբնական ճնշում p! = 105 Pa), ապա IL = 25-106 J անկախ անկախ քիմիական բաղադրությունըգազ Wya- ի առավելագույն արժեքը սեղմված գազի `տվյալ ջերմաստիճանում զրոյական ճնշման ընդլայնման ժամանակ` ըստ Մենդելեև -Կլապեյրոնի հավասարման ՊՎ- MvRyTէ

Վյա= WlM = RyTI ", (4.3)

Որտեղ c = M / Mts - մոլային զանգված (կգ / կմոլ); Ry & ~ 8.314 կJ / (կմ կմ Կ) - ունիվերսալ գազի հաստատուն Тх273 К; /? "105Pa; Mm- ը M զանգվածի գազի կիլոմոլների քանակն է:

(4.3) -ից երևում է, որ ML- ում թեթև գազերի օգտագործումը ամենաարդյունավետն է: Ամենաթեթև գազի ՝ ջրածնի (μ = 2 կգ / կմոլ) դեպքում T = 300 K, հատուկ էներգիան ~ 1250 կJ / կգ (կամ 1250 / / գ) է: (4.3) -ում ճնշումը հստակորեն ներառված չէ, քանի որ Wya- ն որոշվում է (4.2) -ով գազի ավելցուկային ճնշման և դրա խտության հարաբերակցությամբ: Վերջինս աճող ճնշմամբ և Г = const- ով աճում է գծայինորեն (իզոթերմային պրոցեսում ՊՎ= Շին.) Հարկ է նշել, որ համապատասխան է դիտարկվող MN- ի արդյունավետ կիրառման համար բարձր ճնշումներուժի պատճառով որոշեք գազաբալոնների զգալի զանգված ՝ հաշվի առնելով, որ ընդհանուր առմամբ տեղադրման Wya արժեքը կարող է նվազել գրեթե 4.3 -ից fVya- ի համեմատ (4.3) մեծության կարգով: Բալոնների ամրության գնահատումը կարող է իրականացվել `օգտագործելով Դիզայնի հարաբերություններ § 4.5.7:

Հաշվի առեք գրավիտացիոնէներգիա պահող սարքեր:

Երկրագնդի գրավչության էներգիան (օրիի մակարդակում) բավականաչափ գնահատված է բարձր դրույքաչափ«ծեծում է = 61.6 ՄJ / կգ, որը բնութագրում է Երկրի մակերևույթից Mx = Kg զանգվածով մարմնի միատեսակ շարժման համար արտաքին տարածություն (համեմատության համար մենք նշում ենք, որ PVya- ի այս արժեքը մոտավորապես երկու անգամ ավելի է) որպես 1 կգ կերոսինի քիմիական էներգիա): քաշի բարձրացում Մդեպի բարձրություն ժ= x2 - xlկուտակված պոտենցիալ էներգիա

Վ= jgMdx = gMh , (4.4)

Որտեղ M = const, g = 9.8 լ մ / վ 2: Ըստ (4.4) ՝ հատուկ էներգիան Վյա= WjՄ= ղհկախված է միայն բարձրությունից ժ. Պահված էներգիան ազատվում է, երբ բեռը ընկնում է, և համապատասխան օգտակար աշխատանքը կատարվում է պոտենցիալ էներգիայի կինետիկ էներգիայի փոխակերպման արդյունքում: Բնության մեջ ամենաբարձր սպեցիֆիկ կինետիկ էներգիան ընկնելիս կարող է զարգացնել երկնաքարերը, որոնց համար Wya ^ 60 ՄJ / կգ (չհաշված մթնոլորտում շփման էներգիայի սպառումը):

Գործնականում անհնար է բնական զանգվածներից առաջացած գրավիստատիկ ուժերի ուղղակի օգտագործումը: Այնուամենայնիվ, ջուրը մղելով բարձրացված արհեստական ​​ջրամբարների կամ ստորգետնյա ջրամբարների մակերևույթի վրա, բավական մեծ պոտենցիալ էներգիա կարող է կուտակվել էլեկտրական էներգիայի համակարգերում լայնածավալ կիրառման համար: Եթե ​​մակարդակի տարբերությունը ժ= 200 մ, ապա ջրի զանգվածից M = 103 կգ, պահված էներգիան ըստ (4.4) հավասար է I> "= 1962 կJ, հատուկ էներգիա Վյա= WjM= 1.962 կJ / կգ:

Հաշվի առեքիներցիոն կինետիկ ՄՆ

Սկզբունքորեն, կինետիկ էներգիան կարող է պահվել զանգվածի ցանկացած շարժման համար: Withանգվածով մարմնի միատեսակ թարգմանական շարժման համար Մարագությամբ vկինետիկ էներգիա Վ= Մվ2 / 2. Հատուկ էներգիա Վյա= Վ/ Մ= v2 ժ2 կախված է (քառակուսի) միայն մարմնի գծային արագությունից: Կմ / վրկ տիեզերական առաջին արագությամբ շարժվող մարմինը ունի որոշակի

Էներգիա Wyax32 MJ / կգ:

Էներգետիկայի և տրանսպորտի տարբեր ծրագրերի համար պտտվող շարժման MN- ները ռացիոնալ են `իներցիոն MNs (թռչող անիվներ): Պահված կինետիկ էներգիան W = J & / ~ որոշվում է անկյունային արագության քառակուսով Ք= 2nn (ԱԱ- արագություն) և իներցիայի պահ Jպտտվող առանցքի համեմատ պտտվող անիվը: Եթե ​​թռիչքը ունի շառավիղ Գև զանգված Մ =yV (Վ-ծավալ, ժամը- նյութի խտություն), t °

J ^ Mr2 / 2 = yVr2j2եւ W = n2Mr2n2 = n2yVr2n2:Համապատասխան հատուկ էներգիա (մեկ միավորի համար) Մկամ V)է FV/ Մ= n* r2 ն2 , J / կգ և լ.Վ0 տարի= Վ/ Վ= n2 տարի2 ն2 , J / m3: Q- ի և n- ի արժեքները տվյալ չափի համար սահմանափակվում են գծային ծայրամասային արագությամբ v= Ք.ռ= 2 մր, կապված նյութի ar- ի թույլատրելի ճեղքման լարվածության հետ: Հայտնի է, որ սկավառակի կամ գլանաձեւ ռոտոր MH- ի լարումը կախված է v2- ից: Կախված նրանից երկրաչափական ձևմետաղական թռչող անիվները բնութագրվում են ծայրամասերում թույլատրելի առավելագույն արագությամբ `մոտավորապես 200 -ից 500 մ / վրկ:

Կուտակված էներգիա, մասնավորապես ՝ բարակ եզրերով պտտվող անիվի համար, Վ= Մվ /2 (Մպտտվող օղակի զանգվածն է): Հատուկ էներգիա Վյա= Վ/ Մ= v2 /2 կախված չէ օղակի չափից և որոշվում է դրա նյութի Op / y պարամետրերի հարաբերությամբ (տե'ս Sec. 4.5.1, որտեղ ցույց է տրված, որ v2 = opj Y): Պետք է նշել, որ Wya j avjу- ի համար նմանատիպ օրինաչափություն է տեղի ունենում նաև ինդուկտիվ էներգիայի պահպանման սարքերում (տե՛ս գլուխ 2), չնայած դրանք ֆիզիկական բնույթով զգալիորեն տարբերվում են MN- ից: Ընդհանուր դեպքում, MN պահեստավորման տարրերի արտադրության մեջ անհրաժեշտ է օգտագործել Gp / y> 105 J / կգ ավելացված արժեքներով նյութեր: Մեծ մասը համապատասխան նյութերբարձր ամրության համաձուլվածքային պողպատներ են, տիտանի համաձուլվածքներ, ինչպես նաև թեթև ալյումինե համաձուլվածքներ (դուռալումինի տեսակ) և մագնեզիումի համաձուլվածքներ (էլեկտրոնային տիպ): Օգտագործելով մետաղական նյութեր, հնարավոր է ստանալ հատուկ էներգիա MN մինչև Wm = 200-300 մինչև J / կգ:

Հատկապես բարձր էներգիայի (գերծանրքաշային անիվներ) ճոպաններ ստեղծելու համար նուրբ մանրաթելային նյութերը կարող են տեսականորեն ապահովել Wya ինդեքսի հետևյալ մակարդակները. ադամանդե կառուցվածք) -15000 կJ / կգ ... Թելերը (կամ դրանցից պատրաստված ժապավենները) և կպչուն խեժերը կազմում են կոմպոզիտային կառուցվածք, որի ամրությունն ավելի ցածր է, քան սկզբնական մանրաթելերը: Հաշվի առնելով ամրացնող տարրերը իրական սուպերլանիվերում, գործնականում ձեռք են բերվում Zhud- ի արժեքները, որոնք ավելի քիչ են, քան նշվածները, բայց դեռ համեմատաբար ավելի բարձր են, քան MN- ի այլ սորտերում: Սուպեր թռչող անիվները թույլ են տալիս ծայրամասային արագություններ մինչև v«1000 մ / վրկ: Նման սարքերի տեխնիկական ներդրումը պահանջում է տրամադրում հատուկ պայմաններ... Օրինակ, անհրաժեշտ է թռիչք տեղադրել տարհանվող պատյանում, քանի որ նշված արժեքները vհամապատասխանում են օդի գերձայնային արագություններին (Mach համարը Ma> 1), ինչը ընդհանուր դեպքում կարող է առաջացնել ամբողջ գիծըԱնթույլատրելի հետևանքներ. Օդի խտացման ցնցումների և հարվածային ալիքների տեսք, աերոդինամիկ քաշքշուկի և ջերմաստիճանի կտրուկ աճ:

Բազմաշերտ մանրաթելային գերծանրքաշային թռիչքաձողերն ունեն բավականին բարձր հուսալիություն և շահագործման մեջ ավելի ապահով են, քան պինդ թռիչքները: Իներցիոն ուժերի հետևանքով առաջացած անընդունելի բեռների ներքո քայքայվում են գերծանրքաշային մանրաթելային կոմպոզիտային կառուցվածքի միայն ամենաշեշտ շեշտված արտաքին շերտերը, մինչդեռ զանգվածային պտուտակի ոչնչացումը ուղեկցվում է նրա պատռված մասերի ցրվածությամբ:

Ստատիկ և դինամիկ MN- ի հատկությունների համադրությունը տեղի է ունենում տարբեր սարքերում: Դրանցից ամենապարզը տատանվող ճոճանակն է: Պոտենցիալ էներգիայի փոխադարձ փոխակերպման ցիկլային գործընթացը կինետիկ էներգիայի կարող է պահպանվել բավականին երկար ժամանակ, եթե ճոճանակի մեխանիզմում կորուստները փոխհատուցվեն:

Եկեք դիտարկենք MN- ների օրինակելի օրինակներ, որոնք լիցքավորվելիս միաժամանակ պահում են կինետիկ և պոտենցիալ էներգիաներ: Նրանք ցույց են տալիս կուտակված մեխանիկական էներգիայի երկու տեսակների համատեղ գործնական օգտագործման հիմնական հնարավորությունները: Նկ. 4.1, բայցքաշը ցուցադրվում է Մ,պտտվելով կենտրոնի շուրջը Օերկարության բացարձակապես կոշտ լարի վրա /, ուղղահայաց դիրքից շեղված cp անկյունով: Գծային արագություն vհամապատասխանում է M- ի պտտվող շարժմանը շառավիղի շրջանակով Գ.Բեռի պոտենցիալ էներգիա Wn= gMhբարձրության վրա բարձրանալու պատճառով ժմերժման արդյունքում: Բեռի կինետիկ էներգիան 1FK = 0.5 է Մվ2 . Բեռի վրա գործում է F = F „+ Fr. ուժ: Դրա իներցիոն բաղադրիչը հավասար է FK = Mv lr> գրավիտացիոն բաղադրիչի F արժեքին Տ= գՄ. Քանի որ F „ / Fr = r2 / rg = tg (D, այնքանով, որքանով Wn/ Շաբաթ= 2 ժ/ rtg^>. Եթե ​​Uchest ^! որ A = / (l - coscp) և r = / sincp, ապա / r / r = (1 - coscp) / sinср. Այսպիսով, Վ«Լ lFK = 2coscp / (l + cos (p), իսկ cp-> 0 դեպքում մենք ստանում ենք Wn / WK-> 1. Հետևաբար, փոքր անկյուններում cp, պահված էներգիան fV = JVK + Wn կարող է բաշխվել հավասար հաճախականություններ (W Wn արժեքը կարող է ավելացվել, եթե բեռը ամրացնում եք առաձգական կախոցի վրա (բար կամ լար):

Հոդերի կուտակման մեկ այլ օրինակ Վ„ եւ Շաբաթպտտվող բարակ եզերքը ծառայում է որպես (Նկար 4.1, բ), որն ուներ առաձգականություն (կոշտություն) Ն.Շրջանակի լարվածությունը ^ p = NAI համաչափ է առաձգական երկարացման A / = 2n (r - r0) իներցիոն ուժերով AFr= AMv2 /Գ,բաշխված Նիմիեզրագծի երկայնքով r շառավղով: Շրջանակի տարրի հավասարակշռություն 2DM = 2 զանգվածով (A // 2l;) A (p որոշվում է 2A / v = 2A / 7 (() sinAcp ^ Ai ^ Acp հարաբերությամբ) , որտեղից 0.5 Մվ2 = 2K2 (ռ- ռ0 ) N. Հետեւաբար, եզրագծի կինետիկ էներգիան lVK= 2 ն2 (ռ- ռ0 ) N. Քանի որ կուտակված պոտենցիալ էներգիան)