전기 에너지의 기계적 축 압기. 에너지 저장 장치의 사용. 에너지 저장에 대한 일반 정보

기계적 보관(MN) 또는 기계적 에너지 축적기는 운동 또는 잠재력그런 다음 유용한 작업을 수행하는 데 사용합니다.

모든 유형의 에너지 저장(NE)과 관련하여 MP의 특징적인 작동 모드는 다음과 같습니다. 요금(축적) 및 해고하다(에너지 방출). 저장에너지는 MI의 중간 체제 역할을 합니다. 충전 모드에서 기계적 에너지는 다음에서 MN에 공급됩니다. 외부 소스, 그리고 에너지원의 특정 기술 구현은 MN의 유형에 따라 결정됩니다. MN이 방전되면 저장된 에너지의 주요 부분이 소비자에게 전달됩니다. 축적된 에너지의 일부는 방전 모드 및 대부분의 유형의 MT에서 발생하는 손실을 보상하는 데 사용됩니다(저장 모드).

많은 누적 설비에서 충전 시간 D3가 방전 시간(r3"gr)을 크게 초과할 수 있기 때문에 ^ 평균 방전 용량의 상당한 초과가 가능합니다. 아르 자형중간 전력보다 R P3 MN을 충전하십시오. 따라서 상대적으로 저전력 소스의 도움으로 MN에 에너지를 축적할 수 있습니다.

MN의 주요 유형은 정적, 동적 및 결합 장치로 나뉩니다.

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

동적 MN은 주로 고체의 회전 질량에 운동 에너지를 축적합니다. 일반적으로 동적 MN은 닫힌 궤적을 따라 주기적으로 이동하는 전자 또는 양성자의 운동 에너지가 저장되는 충전된 기본 입자의 가속기인 축적기를 포함할 수도 있습니다.

결합 MN은 운동 에너지와 위치 에너지를 모두 저장합니다. 결합된 MN의 예는 상대적으로 낮은 탄성 계수를 갖는 고강도 섬유 재료로 만들어진 슈퍼플라이휠입니다. 이 MN이 회전하는 동안 운동 에너지와 함께 탄성 변형의 위치 에너지가 저장됩니다. 이러한 MN에서 축적된 에너지를 추출할 때 두 가지 유형을 모두 사용할 수 있습니다.

저장 요소의 단위 질량 또는 부피당 특정 누적 에너지 수준의 측면에서 동적 관성 MN은 일부 다른 유형의 NE(예: 유도성 및 용량성 저장)를 훨씬 능가합니다. 따라서 MN은 다양한 기술 및 과학 연구 분야에서 다양한 응용 분야에 실용적으로 큰 관심을 받고 있습니다.

특정 유형의 MH는 예를 들어 가이드 - 발전소의 암석 저장 장치와 같이 전력 산업에서 현재 대규모 적용을 발견했습니다. 충전 - 작업의 방전주기는 수십 시간에 이릅니다.

관성 MN은 단기 방전 모드가 특징입니다. MN에서 에너지를 추출하면 플라이휠의 각속도가 허용 가능한 수준으로 감소합니다. 에 개별 사례제동은 플라이휠이 완전히 멈출 때까지 발생할 수 있습니다. 저장된 에너지의 일회성 또는 주기적 선택으로 구별되는 "충격"방전이 가능하며 큰 운동 모멘트와 짧은 방전 시간 MN으로 인해 회전자의 각속도 감소는 0이지만 상대적으로 작습니다. m 공급된 전력은 충분히 도달할 수 있습니다 높은 가치. 이 MH 모드에서는 샤프트의 강도를 보장하기 위해 특별한 요구 사항이 부과됩니다. 토크의 영향으로 샤프트에 위험한 전단 응력 h가 나타납니다. 성 운동 에너지로터의 회전축 비틀림의 탄성 변형의 위치 에너지로 변환됩니다. 이러한 어려움을 극복하기 위해 개별 MN 설계에 탄성 또는 마찰 클러치가 제공됩니다.

Static MN은 정지 상태에 있는 동안 저장된 에너지를 저장합니다. 그 안에 있는 잠재적 에너지 운반체는 탄성적으로 변형된 고체 또는 과도한 압력 하에서 압축된 가스뿐만 아니라 지구 표면에 대해 높이까지 올라간 덩어리입니다. 정적 MN의 일반적인 예는 늘어나거나 압축된 스프링, 고무; 가스 풍선 어큐뮬레이터 및 공압 어큐뮬레이터; 예를 들어 융기 상태에서 매스의 에너지를 사용하여 말뚝을 박기 위한 다양한 말뚝 드라이버의 충격 장치; 양수 저장 발전소의 저수지, 수압 설비 탱크. 몇 가지 일반적인 장치의 주요 에너지 비율과 특성 매개변수를 제시해 보겠습니다.

MH를 고려하십시오 탄력있는집단.

우리는 믿습니다 고체 상태선형 시스템인 경우 탄성 저장 요소는 일정한 강성(또는 탄성)을 갖습니다. N= 상수 그것에 작용하는 힘 에프=Nx선형 변형률에 비례 엑스. MN이 충전될 때 수행되는 기본 작업 dW=Fdx. 총 저장 에너지

여 = 제이 FX= 제이 Nxdx=NAh2/2-FaAh/2, 오

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

비에너지를 추정해보자 와아 = Wj 중,단위 질량당 중= yV=y쉬스프링 또는 로드 볼륨 V및 섹션 에스, 재료의 밀도가 y이고 Hooke의 법칙을 위반하는 작업 ㅏ= xfE, 그리고 엑스*=xfh- 상대 변형, 이자형-탄성계수(영), G^Gp. 입장 다= 에덱스„ 우리는 쓸 수있다 DW=Fhdx*=Fhdo/이자형그리고 드와이야=dW/y쉬= FDA/ySE, 어디서 씨= 에프/에스찾기

Wya=](aljE)da = a2J(2jE).영형

강철의 경우우리는 스프링을 받아들입니다 cn = 8 108N/m "이= 2 .1-1011 N/m2,y = 7800kg/m3, 그러면와아 ^200 제이/킬로그램. 어록기술 고무에 대한 논리적 계산은 ^sp ^ 350J/kg이지만 의존성의 히스테리시스 특성으로 인해 에프= 에프(엑스) 충방전 사이클에서 결과적인 손실과 가열은 에게고무의 점진적 노화(파괴), 불안정성 및 탄성 특성 저하.

가스 저장시스템은 환경에 대해 기계적으로 비평형 상태에 있습니다. 시스템과 환경의 온도가 같을 때 (T=T0S)시스템 압력 p>p0,s,시스템이 작동할 수 있도록 합니다. 부피가 있는 풍선에 압축된 탄성 에너지의 비축 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=1m3 값에서 (4.2) 기준 여- 위즈엠수치적으로 압력 강하와 동일 Ap=p1-p1.예를 들어 A/? \u003d 250 105 Pa (초기 압력 p! \u003d 105 Pa), 다음 IL \u003d 25-106 J, 관계없이 화학적 구성 요소가스. Mendeleev-Clapeyron 방정식에 따라 주어진 온도에서 압축 가스가 0 압력으로 팽창하는 동안 Wya의 최대값 PV- 뮤직비디오~이다

와아=WlM=RyTI", (4.3)

어디서 c \u003d M / Mc - 몰 질량 (kg / kmol); Ry& ~8.314 kJ/(kmol K) - Tx273 K에서 보편적인 기체 상수; /? «105 Pa; Mm은 질량 M인 기체의 킬로몰 수입니다.

(4.3)에서 MN에서 가벼운 가스를 사용하는 것이 가장 효과적이라는 것을 알 수 있습니다. G = 300K에서 가장 가벼운 기체인 수소(q = 2kg/kmol)의 경우 비에너지는 ~ 1250kJ/kg(또는 1250J/g)입니다. (4.3)에서 Wya는 기체의 초과 압력 대 밀도의 비율에 의해 (4.2)에서 결정되기 때문에 압력은 명시적으로 포함되지 않습니다. 후자는 압력이 증가하고 Г = const가 증가함에 따라 선형 법칙에 따라 증가합니다(등온 과정에서 PV= 상수). 고려된 MT의 효과적인 적용에 적합하다는 점에 유의해야 합니다. 고압강도를 이유로 전체 설비의 Wya 값이 (4.2), (4.3)의 fVya에 비해 거의 10배 정도 감소할 수 있는 것을 고려하여 상당한 양의 가스 실린더를 결정합니다. 실린더 강도는 계산 관계 § 4.5.7을 사용하여 평가할 수 있습니다.

고려하다 중력에너지 저장 장치.

지구 인력의 중력 에너지(지구 수준에서)는 충분히 추정됩니다. 높은 비율"sp = 61.6 MJ / kg, 질량 Mx = Kg인 물체가 지표면에서 우주 공간으로 균일하게 이동하는 데 필요한 작업을 특성화합니다(비교를 위해 이 값 PVya는 화학 에너지의 약 2배임을 나타냅니다. 등유 1kg).짐을 들어 올릴 때 중높이까지 시간= x2 -특대저장된 위치 에너지

여=jgMdx=gMh , (4.4)

여기서 M = const, g = 9.8l m/s2. (4.4)에 따르면, 비에너지 와아=Wj중=으높이에만 의존 시간. 부하가 떨어지면 저장된 에너지가 방출되고 해당하는 유용한 작업은 위치 에너지가 운동 에너지로 전환된 결과로 수행됩니다. 가을 동안 자연에서 가장 큰 특정 운동 에너지는 Wya ^ 60 MJ / kg (대기 마찰에 대한 에너지 비용을 고려하지 않고)인 운석에 의해 개발될 수 있습니다.

자연 질량에 의해 생성된 중력을 직접 사용하는 것은 사실상 불가능합니다. 그러나 인공 저수지로 물을 펌핑하거나 지하 저수지에서 지표면으로 물을 펌핑함으로써 전력 시스템의 대규모 적용을 위해 충분히 많은 양의 위치 에너지를 저장할 수 있습니다. 레벨차이가 나는 경우 시간\u003d 200m, 그런 다음 물의 질량 M \u003d 103kg을 기준으로 (4.4)에 따른 저장된 에너지는 I\u003e "\u003d 1962 kJ, 비에너지 와아= WjM= 1.962kJ/kg.

고려하다관성 운동 미네소타

원칙적으로 운동 에너지는 질량의 모든 움직임에 저장될 수 있습니다. 질량이 있는 물체의 균일한 병진 운동 중속도로 V운동 에너지 여=뮤비2 / 2. 비에너지 와아=여/중=v2 제이2 몸체의 선형 속도에만 의존(2차)합니다. 최초의 우주 속도 km/s로 움직이는 물체는 특정한

에너지 Wyax32 MJ/kg.

다양한 에너지 및 운송 응용 분야에서 회전 운동의 MN은 합리적이며 관성 MN(플라이휠)입니다. 저장된 운동 에너지 W=J& / ~는 각속도의 제곱에 의해 결정됩니다. 큐= 2nn (피- 회전 주파수) 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*아르 자형2n2 , J/kg 및 LV야=여/V=n2년2n2 , J/m3. 주어진 크기 r에 대한 Q 및 n의 값은 선형 원주 속도에 의해 제한됩니다. V= 문.아르 자형= 2mr, 재료의 허용 파괴 응력과 관련이 있습니다. 디스크 또는 원통형 로터 MN의 전압은 v2에 의존하는 것으로 알려져 있습니다. 에 따라 기하학적 모양금속 플라이휠은 주변에서 약 200~500m/s의 허용 제한 속도가 특징입니다.

특히 얇은 테두리가 있는 플라이휠의 경우 저장된 에너지, 여=뮤비 /2 (중는 회전 링의 질량)입니다. 비에너지 와아=여/중=v2 /2 링의 치수에 의존하지 않고 재료의 매개변수 Op/y의 비율에 의해 결정됩니다(§4.5.1 참조, 여기서 V2 = opj유). Wya~avjу에 대한 유사한 규칙성은 유도성 에너지 저장 장치에서도 발생하지만(2장 참조) 물리적 특성에서 MN과 상당히 다릅니다. 일반적인 경우 MP 저장 요소의 제조에서는 Gp/y > 105 J/kg의 값이 증가한 재료를 사용해야 합니다. 최대 적합한 재료고강도 합금강, 티타늄 합금, 경알루미늄 합금(두랄루민계), 마그네슘합금(전자계) 등이 있습니다. 금속 재료를 사용하여 Wm = 200-300 kJ/kg까지 비에너지 MN을 얻을 수 있습니다.

특히 높은 비에너지를 가진 플라이휠(수퍼플라이휠)을 만들기 위한 미세 섬유 재료는 이론적으로 다음과 같은 수준의 Wya 지수를 제공할 수 있습니다. 유리 필라멘트 - 650kJ/kg, 석영 필라멘트 - 5000kJ/kg, 탄소 섬유( 다이아몬드 구조) - 15000 kJ/kg . 실(또는 그것으로 만든 테이프)과 접착 수지는 복합 구조를 형성하며, 그 강도는 원래 섬유의 강도보다 낮습니다. 실제 슈퍼 플라이휠의 고정 요소를 고려하면 Zhud의 값은 표시된 값보다 실제로 적게 달성되지만 여전히 MN의 다른 품종보다 상대적으로 높습니다. 슈퍼플라이휠은 최대 원주 속도를 허용합니다. V“1000m/s. 이러한 장치의 기술 구현에는 다음이 필요합니다. 특별한 조건. 예를 들어, 표시된 값 때문에 진공 케이싱에 플라이휠을 설치해야 합니다. V일반적으로 다음을 유발할 수 있는 공기 중 초음속 속도(마하 수 Ma > 1)에 해당 전선허용할 수 없는 영향: 공기 충격 및 충격파의 출현, 공기 역학적 항력 및 온도의 급격한 증가.

다층 섬유 슈퍼플라이휠은 충분히 높은 신뢰성을 가지며 솔리드 플라이휠보다 작동 시 더 안전합니다. 관성력으로 인해 허용되지 않는 하중이 가해지면 슈퍼 플라이휠 섬유 복합 구조의 가장 스트레스를 받는 외부 레이어만 파괴되는 반면, 거대한 플라이휠의 파괴는 찢어진 부분의 팽창을 동반합니다.

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

충전하는 동안 운동 에너지와 위치 에너지를 모두 저장하는 MN의 예시를 살펴보겠습니다. 그들은 축적된 기계적 에너지의 두 가지 유형의 공동 실제 사용의 기본적인 가능성을 보여줍니다. 무화과에. 4.1, ㅏ표시된 무게 중,중심을 중심으로 회전 영형길이 / 의 절대적으로 단단한 끈에 수직 위치에서 각도 cf. 라인 속도 V반지름의 원을 따라 M의 회전 운동에 해당 G.부하의 잠재적 에너지 승=gMh높이로 인해 시간편차의 결과로. 부하의 운동 에너지는 1FK = 0.5입니다. 뮤직비디오2 . 하중 F = F„ + Fr에 힘이 작용합니다. 관성 성분은 FK = Mv lr> 중력 성분 F의 값과 같습니다. 티= GM. Fn/Fr = r2/rg = tg(D)이므로 승/주= 2시간/rtg^>. 계정이면^! A = /(l - coscp) 및 r = /sincp, 그리고 /r/r = (1 - coscp)/sincp입니다. 따라서, 여"엘 lFK = 2coscp/(l + cos(p), 그리고 ср->0의 경우 Wn/WK->1을 얻습니다. 따라서 작은 각도 ср에서 저장된 에너지 fV=JVK+Wn은 동일한 부분으로 분배될 수 있습니다(W , 하중이 탄성 서스펜션(막대 또는 끈)에 고정되어 있는 경우.

공동 저장의 또 다른 예 여„ 그리고 주탄성(강성)이 있는 회전하는 얇은 테두리의 플라이휠(그림 4.1, b) 역할을 합니다. N.림의 장력 ^p = NAI는 관성력에 의한 탄성 신장율 A/=2n(r - r0)에 비례합니다. AFR= AMv2 /G,분산 님미반지름이 r인 테두리의 둘레를 따라 질량이 2DM=2(L//2l;)D(p인 테두리 요소의 평형은 관계식 2A/v = 2A/7(()sinAcp^Ai^에 의해 결정됩니다. Acp, 여기서 0.5 뮤직비디오2 = 2K2 (아르 자형-아르 자형0 )N. 따라서 림의 운동에너지는 LVK= 2n2 (아르 자형-아르 자형0 )N. 저장된 위치 에너지 이후)