에너지 저장. 기계적 에너지 저장에 대한 일반 정보

기계적 보관(MH) 또는 기계적 에너지 축적기는 유용한 작업을 위해 후속 방출과 함께 운동 에너지 또는 위치 에너지를 저장 및 저장하는 장치입니다.

모든 유형의 에너지 저장 장치(EE)와 관련하여 MN의 특징적인 작동 모드는 다음과 같습니다. 요금(축적) 및 해고하다(에너지 반환). 저장에너지는 MN의 중간 모드 역할을 합니다. 충전 모드에서 기계적 에너지는 외부 소스에서 MN에 공급되며 에너지 소스의 구체적인 기술 구현은 MN의 유형에 따라 결정됩니다. MN이 방전되면 저장된 에너지의 주요 부분이 소비자에게 전달됩니다. 축적된 에너지의 일부는 방전 모드와 대부분의 자기 회로 유형 및 저장 모드에서 발생하는 손실을 보상하는 데 사용됩니다.

많은 저장 설비에서 충전 시간 D3는 방전 시간(r3"g)보다 훨씬 길 수 있으므로 평균 방전율을 크게 초과할 수 있습니다. 아르 자형평균 전력보다 P P3 MN을 충전하십시오. 따라서 상대적으로 저전력 소스를 사용하여 MP에 에너지를 축적하는 것이 허용됩니다.

MN의 주요 유형은 정적, 동적 및 결합 장치로 세분화됩니다.

공전 MN은 작동 유체의 모양이나 부피의 탄성 변화 또는 중력장에서 중력 방향에 대해 이동할 때 위치 에너지를 저장합니다. 이러한 MN의 고체, 액체 또는 기체 작동 유체는 에너지 저장 모드에서 정적 상태를 가지며 NE의 충전 및 방전은 작동 유체의 이동을 동반합니다.

동적 MN은 주로 회전하는 고체 질량에 운동 에너지를 축적합니다. 조건부로 닫힌 궤적을 따라 주기적으로 이동하는 전자 또는 양성자의 운동 에너지가 저장되는 하전된 소립자의 가속기 저장 장치는 동적 MP라고도 할 수 있습니다.

결합 MN은 운동 에너지와 위치 에너지를 모두 저장합니다. 결합된 MH의 예로는 상대적으로 탄성 계수가 낮은 고강도 섬유 재료로 만들어진 슈퍼 플라이휠이 있습니다. 주어진 MI가 회전하면 탄성 변형의 위치 에너지가 운동 에너지와 함께 저장됩니다. 이러한 MN에서 축적된 에너지를 추출할 때 두 가지 유형을 모두 사용할 수 있습니다.

축적 요소의 단위 질량 또는 부피당 특정 축적 에너지 수준의 측면에서 동적 관성 MN은 일부 다른 유형의 NE(예: 유도성 및 용량성 저장)보다 훨씬 우수합니다. 따라서 MN은 기술 및 과학 연구의 다양한 분야에서 다양한 응용 분야에 매우 실용적입니다.

특정 유형의 MP는 예를 들어 가이드 - 발전소의 지붕 저장 설치와 같이 전력 산업에서 이제 대규모 적용으로 발견되었습니다. 충전 - 작업의 방전주기는 수십 시간에 이릅니다.

관성 MP의 경우 단기 방전 모드가 특징적입니다. MP에서 에너지를 추출하면 플라이휠의 각속도가 허용 수준으로 감소합니다. 어떤 경우에는 플라이휠이 완전히 멈출 때까지 제동이 발생할 수 있습니다. 저장된 에너지의 일회성 또는 주기적 철회가 특징인 가능한 "충격" 방전과 MN의 큰 각운동량과 짧은 방전 시간으로 인해 회전자의 각속도 감소는 상대적으로 작습니다. 충분히 높은 값에 도달할 수 있습니다. 이 MN 모드에서는 샤프트의 강도를 보장하기 위해 특별한 요구 사항이 부과됩니다. 토크의 영향으로 샤프트에 위험한 전단 응력이 발생합니다. h. 로터의 운동 에너지는 샤프트 비틀림의 탄성 변형의 위치 에너지로 변환됩니다. 위의 어려움을 극복하기 위해 개별 MH 설계에 탄성 또는 마찰 커플링이 제공됩니다.

Static MN은 정지 상태에 있는 저장된 에너지를 보존합니다. 그 안에있는 위치 에너지의 운반체는 탄성적으로 변형 된 고체 또는 과도한 압력 하에서 압축 된 가스뿐만 아니라 지구 표면에 비해 높이가 높아진 덩어리입니다. 정적 MN의 일반적인 예는 다음과 같습니다. 늘어나거나 압축된 스프링, 고무; 가스 실린더 축 압기 및 공압 축 압기; 예를 들어 융기 상태에서 매스의 에너지를 사용하여 말뚝을 박기 위한 다양한 말뚝 드라이버의 충격 장치; 양수 저장 발전소의 저수지, 수압 설비 탱크. 다음은 일부 일반적인 장치의 주요 에너지 비율 및 특성 매개변수입니다.

다음과 같은 MN을 고려하십시오. 탄력있는집단.

우리는 믿습니다 고체 상태시스템이 선형인 경우 탄성 저장 요소는 일정한 강성(또는 탄성)을 갖습니다. N= 상수 그에게 작용하는 힘 에프= Nx선형 변형에 비례 엑스. MH로 충전하면 완벽 초급 작업 dW= FX. 총 저장 에너지

여 = 제이 FX = 제이 Nxdx = NAh2 / 2-FaAh / 2, 우

어디에아 - 결과 변형, 예를 들어, 허용긴장 아르재료; 에프엔 = 아니 - 적용된 힘.

비에너지를 추정해보자 와이야 = Wj 중,단위 질량당 중= yV= y쉬스프링 또는 로드 볼륨 V및 섹션 에스, 재료의 밀도가 y이고 Hooke의 법칙의 한계를 벗어나도록 작동합니다. ㅏ= xfE, 게다가 엑스* = xfh- 상대 변형, 이자형-탄성계수(영), G ^ Gp. 소개 다= 에덱스„ 우리는 쓸 수있다 드와이= FHDX* = Fhdo/ 이그리고 드와이야= dW/ 쉿= FDA/ YSE, 어디서 씨= 에프/ 에스찾기

Wya =](aljE) da = a2J(2jE).영형

강철의 경우우리는 스프링을 받아들일 것입니다'= 8 108N/m "전자 = 2 , 1-1011 N / m2,y = 7800kg / m3, 그러면와이야 ^200 제이/ 킬로그램. 어록기술 고무에 대한 논리적 계산은 ^ 비트 ^ 350 J / kg을 제공하지만 종속성의 히스테리시스 특성으로 인해 에프= 에프(엑스) 충방전 사이클에서 결과적인 손실과 가열은 에게고무의 점진적인 노화(파괴), 불안정성 및 탄성 특성의 저하.

가스 저장시스템은 환경에 대해 기계적으로 비평형 상태에 있습니다. 시스템과 환경의 온도가 같을 때 (T = T0C)시스템 압력 p> p0, c,따라서 시스템이 작동할 수 있습니다. 부피가 있는 실린더에서 압축된 탄성 에너지의 예비 V가스는

여= P(vdp = v(p2-pi) .. (4.1)

(4.1)에 따르면, 압축 가스의 단위 질량 M당 비에너지는

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

K = 1m3에서 (4.2)에 기초하여, 값 여- 위즈엠수치적으로 압력 강하와 동일 Ap = p1-p1.예를 들어 A /? = 250 105 Pa (초기 압력 p! = 105 Pa), 그러면 IL = 25-106 J 가스의 화학적 조성에 관계없이. 압축 가스가 Mendeleev - Clapeyron 방정식에 따라 주어진 온도에서 0 압력으로 팽창할 때 Wya의 최대값 PV- 뮤직비디오~이다

와이야= WlM = RyTI ", (4.3)

여기서 c = M / Mts - 몰 질량 (kg / kmol); Ry & ~ 8.314 kJ / (kmol K) - Тх273 К에서 보편적 가스 상수; /? "105Pa; Mm은 질량 M인 기체의 킬로몰 수입니다.

(4.3)에서 ML에서 가벼운 가스를 사용하는 것이 가장 효과적임을 알 수 있습니다. T = 300K에서 가장 가벼운 기체인 수소(μ = 2kg/kmol)의 경우 비에너지는 ~ 1250kJ/kg(또는 1250J/g)입니다. (4.3)에서 Wya는 밀도에 대한 초과 가스 압력의 비율에 의해 (4.2)에 의해 결정되기 때문에 압력은 명시적으로 포함되지 않습니다. 압력이 증가하고 Г = const가 증가함에 따라 후자는 선형으로 증가합니다(등온 과정에서 PV= 상수). 고려 중인 MN의 효과적인 적용에 합당한 고압은 강도상의 이유로 상당한 양의 가스 실린더를 유발한다는 점에 유의해야 합니다. 이는 설비 전체의 Wya 값이 (4.2), (4.3)의 fVya와 비교하여 거의 한 자릿수입니다. 실린더의 강도 평가는 설계 관계 § 4.5.7을 사용하여 수행할 수 있습니다.

고려하다 중력에너지 저장 장치.

지구 중력의 중력 중력 에너지 (오리 수준에서)는 Mx = Kg의 질량을 가진 신체의 균일 한 움직임에 필요한 작업을 특징 짓는 다소 높은 표시기 "비트 = 61.6 MJ / kg으로 추정됩니다. (비교를 위해 이 값 PVya는 등유 1kg의 화학 에너지의 약 두 배임을 나타냅니다). 중높이까지 시간= x2 - xl저장된 위치 에너지

여= jgMdx = gMh , (4.4)

여기서 M = const, g = 9.8l m / s2. (4.4)에 따르면, 비에너지 와이야= Wj중= 으높이에만 의존 시간. 부하가 떨어지면 저장된 에너지가 방출되고 위치 에너지가 운동 에너지로 변환된 결과 해당하는 유용한 작업이 수행됩니다. 떨어질 때 자연에서 가장 높은 비 운동 에너지는 운석에 의해 개발될 수 있으며, 이에 대해 Wya ^ 60 MJ/kg(대기에서의 마찰에 대한 에너지 소비 제외).

자연 질량에 의해 생성된 중력을 직접 사용하는 것은 사실상 불가능합니다. 그러나 인공 저수지로 물을 펌핑하거나 지하 저수지에서 지표면으로 물을 펌핑함으로써 전력 시스템의 대규모 응용을 위해 충분히 많은 양의 위치 에너지를 축적할 수 있습니다. 레벨 차이가 나는 경우 시간= 200m, 그러면 물의 질량 M = 103kg을 기준으로 (4.4)에 따라 저장된 에너지는 I> "= 1962 kJ, 비에너지 와이야= WjM= 1.962kJ/kg.

고려하다관성 운동 미네소타

원칙적으로 운동 에너지는 질량의 모든 움직임에 대해 저장할 수 있습니다. 질량이 있는 물체의 균일한 병진 운동 중속도로 V운동 에너지 여= 뮤직비디오2 / 2. 비에너지 와이야= 여/ 중= v2 제이2 몸체의 선형 속도에만 (2차적으로) 의존합니다. 최초의 우주 속도 km/s로 움직이는 물체는 특정한

에너지 Wyax32 MJ / kg.

다양한 에너지 및 운송 응용 분야에서 회전 MN은 합리적인 관성 MN(플라이휠)입니다. 저장된 운동 에너지 W = J & / ~는 각속도의 제곱에 의해 결정됩니다 큐= 2nn (피- 속도) 및 관성 모멘트 제이회전축을 기준으로 한 플라이휠. 플라이휠에 반경이 있는 경우 G그리고 질량 중 =YV (V-용량, ~에- 재료 밀도), t °

J ^ Mr2 / 2 = yVr2j2그리고 W = n2Mr2n2 = n2yVr2n2.해당 비에너지(단위당 중또는 V)~이다 FV/ 중= n* r2n2 , J / kg 및 LV야= 여/ V= n2년2n2 , J / m3. 주어진 크기 r에 대한 Q 및 n의 값은 선형 주변 속도에 의해 제한됩니다. V= 문.아르 자형= 2mr, 재료의 허용 파괴 응력과 관련된 ar. 디스크 또는 원통형 로터 MH의 전압은 v2에 의존하는 것으로 알려져 있습니다. 금속 플라이휠의 기하학적 모양에 따라 주변에서 약 200~500m/s의 허용 가능한 최대 속도가 특징입니다.

특히 가느다란 림 플라이휠의 경우 저장된 에너지, 여= 뮤직비디오 /2 (중는 회전 링의 질량)입니다. 비에너지 와이야= 여/ 중= v2 /2 링의 크기에 의존하지 않으며 재료의 매개변수 Op / y의 비율에 의해 결정됩니다(섹션 4.5.1 참조, 여기서 V2 = opj와이). Wya ~ avjу에 대한 유사한 패턴이 유도 에너지 저장 장치에서도 발생하지만(2장 참조) 물리적 특성에서 MN과 상당히 다릅니다. 일반적인 경우 MN 저장 요소의 제조에는 Gp / y> 105 J / kg 값이 증가한 재료를 사용해야합니다. 가장 적합한 재료는 고강도 합금강, 티타늄 합금뿐만 아니라 경알루미늄 합금(두랄루민계) 및 마그네슘 합금(전자계)입니다. 금속 재료를 사용하면 Wm = 200-300에서 J/kg까지 비에너지 MN을 얻을 수 있습니다.

비에너지가 특히 높은 플라이휠(수퍼 플라이휠)을 생성하도록 설계된 미세 섬유 재료는 이론적으로 Wya 지수의 다음 수준을 제공할 수 있습니다. 유리 필라멘트 - 650kJ/kg, 석영 필라멘트 - 5000kJ/kg, 탄소 섬유(a 다이아몬드 구조) -15000 kJ/kg ... 필라멘트(또는 그 테이프로 만든 테이프)와 접착 수지는 복합 구조를 형성하며, 그 강도는 원래 섬유의 강도보다 낮습니다. 실제 슈퍼 플라이휠의 고정 요소를 고려하면 Zhud의 값은 실제로 표시된 값보다 적게 달성되지만 다른 MN의 다양성보다 여전히 상대적으로 높습니다. 슈퍼 플라이휠은 최대 주변 속도를 허용합니다. V"1000m/s. 이러한 장치의 기술적 구현에는 특별한 조건이 필요합니다. 예를 들어, 표시된 값 때문에 대피된 하우징에 플라이휠을 설치해야 합니다. V공기 중의 초음속 속도(마하 수 Ma> 1)에 해당하며, 일반적으로 공기 압축 충격 및 충격파의 출현, 공기 역학적 항력 및 온도의 급격한 증가와 같은 여러 수용할 수 없는 효과를 일으킬 수 있습니다.

다층 섬유 슈퍼 플라이휠은 신뢰성이 상당히 높으며 솔리드 플라이휠보다 작동이 더 안전합니다. 관성력에 의해 허용되지 않는 하중이 가해지면 슈퍼 플라이휠의 섬유 복합 구조에서 가장 응력을 받는 외부 레이어만 파괴되는 반면, 거대한 플라이휠의 파괴는 파열된 부품의 산란을 동반합니다.

정적 및 동적 MN의 속성 조합은 다양한 장치에서 발생합니다. 이들 중 가장 단순한 것은 진동하는 진자입니다. 진자 메커니즘의 손실이 보상되면 위치 에너지가 운동 에너지로 상호 변환되는 주기적인 과정이 다소 오랫동안 유지될 수 있습니다.

운동 에너지와 잠재적 에너지를 전하로 저장하는 MN의 실례를 살펴보겠습니다. 그들은 축적된 기계적 에너지의 두 가지 유형의 공동 실제 사용의 기본적인 가능성을 보여줍니다. 그림에서. 4.1, ㅏ표시된 무게 중,중심을 중심으로 회전 영형길이 /의 절대적으로 단단한 끈에서 각도 cf만큼 수직 위치에서 편향됨. 선형 속도 V반지름의 원을 따라 회전 운동 M에 해당 G.부하의 잠재적 에너지 승= gMh높이가 높아지기 때문에 시간거절의 결과로. 부하의 운동 에너지는 1FK = 0.5입니다. 뮤직비디오2 . 힘 F = F „+ Fr.이 하중에 작용합니다. 관성 성분은 FK = Mv lr> 중력 성분 F의 값과 같습니다. 티= GM. F „/ Fr = r2 / rg = tan(D, 승/주= 2시간/ rtg^>. 우체스트라면 ^! A = / (l - coscp) 및 r = / sincp, 다음 / y / r = (1 - coscp) / sinср. 이런 식으로, 여"엘 lFK = 2coscp / (l + cos (p)이고 cp-> 0의 경우 Wn / WK-> 1을 얻습니다. 결과적으로 작은 각도 cp에서 저장된 에너지 fV = JVK + Wn은 동일하게 분포될 수 있습니다. 진동수(W Wn 값은 탄성 서스펜션(바 또는 스트링)에 하중을 고정하면 증가할 수 있습니다.

공동 축적의 또 다른 예 여„ 그리고 주탄성(강성)이 있는 회전하는 미세 테두리 플라이휠(그림 4.1, b) N.림의 장력 ^ p = NAI는 관성력으로 인한 탄성 신장 A / = 2n(r - r0)에 비례 AFr= AMv2 /G,분산 님미반경이 r인 림 둘레를 따라 질량이 2DM = 2인 림 요소의 평형 = 2 (A // 2l;) A (p는 관계식 2A / v = 2A / 7(()에 의해 결정됨) sinAcp ^ Ai ^ Acp, 0.5 뮤직비디오2 = 2K2 (아르 자형- r0 ) N. 따라서 림의 운동에너지는 LVK= 2n2 (아르 자형- r0 ) N. 저장된 위치 에너지 때문에)