Magazynowanie energii. Ogólne informacje o mechanicznym magazynowaniu energii

Magazynowanie mechaniczne (MH), czyli akumulator energii mechanicznej, jest urządzeniem do przechowywania i magazynowania energii kinetycznej lub potencjalnej, a następnie uwalniania jej do użytecznej pracy.

Podobnie jak w przypadku każdego typu urządzenia magazynującego energię (EE), charakterystyczne tryby działania MN są opłata (akumulacja) i rozładować się (zwrot energii). Przechowywanie energia służy jako tryb pośredni MN. W trybie ładowania energia mechaniczna jest dostarczana do MN ze źródła zewnętrznego, a o konkretnej realizacji technicznej źródła energii decyduje rodzaj MN. Po rozładowaniu MN główna część zgromadzonej w nim energii jest przekazywana konsumentowi. Część zgromadzonej energii jest przeznaczana na kompensację strat występujących w trybie rozładowania oraz w większości typów obwodów magnetycznych - oraz w trybach magazynowania.

Ponieważ w wielu instalacjach magazynowych czas ładowania D3 może być znacznie dłuższy niż czas rozładowania (r3 "g), możliwe jest znaczne przekroczenie średniej szybkości rozładowania. RP ponad średnią moc P3 opłata MN. W związku z tym dopuszczalne jest gromadzenie energii w MP za pomocą źródeł o stosunkowo małej mocy.

Główne typy MN są podzielone na urządzenia statyczne, dynamiczne i połączone.

Statyczny MN magazynuje energię potencjalną poprzez elastyczną zmianę kształtu lub objętości płynu roboczego lub gdy porusza się on w kierunku przeciwnym do grawitacji w polu grawitacyjnym. Stały, ciekły lub gazowy płyn roboczy tych MN ma stan statyczny w trybie magazynowania energii, a ładowaniu i rozładowywaniu NE towarzyszy ruch płynu roboczego.

Dynamiczny MN akumulują energię kinetyczną głównie w wirujących masach ciał stałych. Warunkowo urządzenia magazynujące akceleratory naładowanych cząstek elementarnych, w których przechowywana jest energia kinetyczna elektronów lub protonów, cyklicznie poruszających się po zamkniętych trajektoriach, można również nazwać dynamicznymi MP.

Łączny MN magazynuje zarówno energię kinetyczną, jak i potencjalną. Przykładem kombinowanego MH jest super koło zamachowe wykonane z materiału włóknistego o wysokiej wytrzymałości i stosunkowo niskim module sprężystości. Kiedy dany MI obraca się, gromadzona jest w nim energia potencjalna odkształcenia sprężystego wraz z energią kinetyczną. Podczas wydobywania nagromadzonej energii z takiego MN uzyskuje się wykorzystanie obu jego typów.

Pod względem poziomu określonej energii zakumulowanej na jednostkę masy lub objętości elementu akumulującego, dynamiczne inercyjne MN znacznie przewyższają niektóre inne typy NE (na przykład urządzenia indukcyjne i pojemnościowe). Dlatego MN cieszą się dużym zainteresowaniem praktycznym w różnych zastosowaniach w różnych gałęziach techniki i badań naukowych.

Niektóre typy MP znalazły obecnie szerokie zastosowanie w elektroenergetyce, na przykład przewodnik - Instalacje magazynów dachowych elektrowni. Ładowanie - Cykl rozładowania ich pracy sięga dziesiątek godzin.

W przypadku bezwładnościowych MP charakterystyczne są krótkotrwałe tryby rozładowania. Wydobyciu energii z MP towarzyszy zmniejszenie prędkości kątowej koła zamachowego do dopuszczalnego poziomu. W niektórych przypadkach może dojść do hamowania aż do całkowitego zatrzymania koła zamachowego. Możliwe wyładowania „szokowe”, charakteryzujące się jednorazowym lub cyklicznym wycofaniem zmagazynowanej energii, a ze względu na duży moment pędu i krótki czas rozładowania MN spadek prędkości kątowej wirnika jest stosunkowo niewielki, chociaż moc dostarczane mogą osiągnąć wystarczająco wysokie wartości. W tym trybie MH nakładane są specjalne wymagania dotyczące zapewnienia wytrzymałości wału. Pod wpływem momentu obrotowego w wale powstają niebezpieczne naprężenia ścinające, h. energia kinetyczna wirnika jest zamieniana na energię potencjalną odkształceń sprężystych przy skręcaniu wału. Aby przezwyciężyć powyższe trudności, sprzęgła elastyczne lub cierne są dostarczane w indywidualnych wersjach MH.

Statyczne MN zachowują zmagazynowaną energię będąc w stanie stacjonarnym. Nośnikami energii potencjalnej w nich są ciała stałe odkształcone sprężyście lub sprężone gazy pod nadciśnieniem, a także masy uniesione do wysokości względem powierzchni ziemi. Typowe przykłady statycznego MN to: rozciągnięte lub ściśnięte sprężyny, gumy; akumulatory gazowe i akumulatory pneumatyczne; urządzenia uderzeniowe różnych pali, na przykład do wbijania pali, wykorzystujące energię mas w stanie uniesionym; zbiorniki elektrowni szczytowo-pompowych, zbiorniki instalacji ciśnieniowych. Oto główne wskaźniki energetyczne i charakterystyczne parametry niektórych typowych urządzeń.

Rozważ MN z elastyczny elementy.

Wierzymy stan stały układ jest liniowy, wówczas sprężysty element magazynujący ma stałą sztywność (lub sprężystość) N= Konst. Siła działająca na niego fa\u003d Nx proporcjonalne do odkształcenia liniowego x. Podstawowa praca idealna po naładowaniu MH dW\u003d Fdx. Całkowita zmagazynowana energia

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

GdzieAh - powstałe odkształcenie, ograniczone np. Do przyjęcia napięcie ar materiał; Fn = Nie - przyłożona siła.

Oszacujmy konkretną energię Wya \u003d Wj M, na jednostkę masy M \u003d yV\u003d ySh objętość sprężyny lub pręta V i sekcja S, którego materiał ma gęstość y i działa, aby przełamać się w granicach prawa Hooke'a za \u003d xfE, Ponadto X* \u003d xfh- odkształcenie względne, mi-moduł sprężystości (Young), G ^ Gp. Przedstawiamy da \u003d Edx„ możemy pisać DW\u003d Fhdx* \u003d Fhdo/ E i dWya \u003d dW/ ySh \u003d Fda/ ySE, skąd w do \u003d F./ S odnaleźć

Wya \u003d] (aljE) da \u003d a2J (2jE).O

Do stali przyjmiemy sprężyny gdzie „\u003d 8 108 N / m ”E \u003d 2 , 1-1011 N / m2, y \u003d 7800 kg / m3, więc Wya ^200 jot/ kg. AnaLogiczne wyliczenie dla gumy technicznej daje ^ uderzeń ^ 350 J / kg, jednak ze względu na histerezowy charakter zależności fa= fa(X) W cyklu ładowania-rozładowania wynikające z tego straty i nagrzewanie prowadzą do DO stopniowe starzenie (niszczenie) gumy, niestabilność i pogorszenie jej właściwości sprężystych.

Magazyn gazu system znajduje się w stanie nierównowagi mechanicznej względem otoczenia: gdy temperatury układu i otoczenia są równe (T \u003d T0C) ciśnienie w układzie p\u003e p0, c, dlatego system może działać. Rezerwa energii sprężystej skompresowanej w cylindrze o objętości V gaz jest

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

Zgodnie z (4.1) na jednostkę masy M dowolnego sprężonego gazu przypada energia właściwa

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

Na podstawie (4.2) przy K \u003d 1m3, wartość W- WysM liczbowo równe spadkowi ciśnienia Ap \u003d p1-p1. Na przykład, jeśli A /? \u003d 250 105 Pa (ciśnienie początkowe p! \u003d 105 Pa), wówczas IL \u003d 25-106 J niezależnie od składu chemicznego gazu. Maksymalna wartość Wya podczas rozprężania sprężonego gazu do zerowego ciśnienia w danej temperaturze zgodnie z równaniem Mendelejewa - Clapeyrona PV- MvRyT jest

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

Gdzie c \u003d M / Mts - masa molowa (kg / kmol); Ry & ~ 8,314 kJ / (kmol K) - uniwersalna stała gazowa przy Тх273 К; /? "105Pa; Mm to liczba kilomoli w gazie o masie M.

Jak widać z (4.3), stosowanie lekkich gazów w ML jest najbardziej efektywne. Dla najlżejszego gazu, wodoru (μ \u003d 2 kg / kmol) przy T \u003d 300 K, energia właściwa wynosi ~ 1250 kJ / kg (lub 1250 J / g). W (4.3) ciśnienie nie jest wyraźnie uwzględnione, ponieważ Wya jest określone przez (4.2) przez stosunek nadciśnienia gazu do jego gęstości. Ta ostatnia wraz ze wzrostem ciśnienia i Г \u003d const rośnie liniowo (w procesie izotermicznym PV= Konst). Należy zwrócić uwagę, że wysokie ciśnienia, które są uzasadnione dla efektywnego zastosowania rozważanego MN, powodują ze względów wytrzymałościowych znaczną masę butli gazowych, biorąc pod uwagę, że wartość Wya całej instalacji może spaść o prawie o rząd wielkości w porównaniu do fVya z (4.2), (4.3). Ocenę wytrzymałości butli można przeprowadzić za pomocą Relacji projektowych § 4.5.7.

Rozważać grawitacyjny urządzenia do magazynowania energii.

Energię grawistatyczną grawitacji Ziemi (na poziomie ory) szacuje dość wysoki wskaźnik "uderzenia \u003d 61,6 MJ / kg, który charakteryzuje pracę niezbędną do równomiernego ruchu ciała o masie Mx \u003d Kg od z powierzchni ziemi w przestrzeń kosmiczną (dla porównania wskazujemy, że ta wartość PVya jest około dwa razy większa niż energia chemiczna 1 kg nafty). M na wysokość godz \u003d x2 - XL zmagazynowana energia potencjalna

W \u003d jgMdx \u003d gMh , (4.4)

Gdzie M \u003d const, g \u003d 9,8 l m / s2. Zgodnie z (4.4) energia właściwa Wya\u003d Wj M\u003d gh zależy tylko od wysokości godz. Zmagazynowana energia jest uwalniana, gdy obciążenie spada, a odpowiednia użyteczna praca jest wykonywana w wyniku przekształcenia energii potencjalnej w kinetyczną. Najwyższą właściwą energię kinetyczną w przyrodzie podczas spadania mogą wytworzyć meteoryty, dla których Wya ^ 60 MJ / kg (z wyłączeniem zużycia energii na tarcie w atmosferze).

Bezpośrednie użycie sił grawistatycznych generowanych przez masy naturalne jest praktycznie niemożliwe. Jednak pompując wodę do sztucznych zbiorników wzniesionych lub ze zbiorników podziemnych na powierzchnię, można zgromadzić wystarczająco dużą ilość energii potencjalnej do zastosowań na dużą skalę w systemach elektroenergetycznych. Jeśli różnica poziomów godz \u003d 200 m, to na podstawie masy wody M \u003d 103 kg, energia zmagazynowana zgodnie z (4.4) jest równa I\u003e "\u003d 1962 kJ, energia właściwa Wya\u003d WjM= 1,962 kJ / kg.

Rozważać bezwładnościowa kinetyka MN.

Zasadniczo energia kinetyczna może być przechowywana dla dowolnego ruchu masy. Do równomiernego ruchu postępowego ciała z masą M z prędkością v energia kinetyczna W\u003d Mv2 / 2. Energia właściwa Wya\u003d W/ M \u003d w2 jot2 zależy (kwadratowo) tylko od prędkości liniowej ciała. Ciało poruszające się z pierwszą kosmiczną prędkością km / s ma specyficzne

Energia Wyax 32 MJ / kg.

Dla różnych zastosowań energetycznych i transportowych, MN ruchu obrotowego są racjonalne - inercyjne MN (koła zamachowe). Zmagazynowana energia kinetyczna W \u003d J & / ~ jest określona przez kwadrat prędkości kątowej Q \u003d 2nn (P. - prędkość) i moment bezwładności jot koło zamachowe względem osi obrotu. Jeśli koło zamachowe ma promień r i masa M = yV (V-Tom, w - gęstość materiału), t °

J ^ Mr2 / 2 \u003d yVr2j2 i W \u003d n2Mr2n2 \u003d n2yVr2n2. Odpowiednia energia właściwa (na jednostkę M lub V) jest FV/ M\u003d n* r2n2 , J / kg i lV0ya\u003d W/ V\u003d n2 lata2n2 , J / m3. Wartości Q i n dla danego rozmiaru r są ograniczone przez liniową prędkość obwodową v \u003d Q.r \u003d 2mr, związane z dopuszczalnym naprężeniem niszczącym materiału ar. Wiadomo, że napięcie a w tarczy lub cylindrycznym wirniku MH zależy od v2. W zależności od kształtu geometrycznego metalowych kół zamachowych charakteryzują się one dopuszczalnymi prędkościami maksymalnymi na obwodzie od około 200 do 500 m / s.

Zmagazynowana energia, w szczególności dla smukłego koła zamachowego obręczy, W\u003d Mv /2 (Mjest masą obracającego się pierścienia). Specyficzna energia Wya\u003d W/ M \u003d w2 /2 nie zależy od rozmiaru pierścienia i jest określane przez stosunek parametrów Op / y jego materiału (patrz rozdział 4.5.1, gdzie pokazano, że v2 \u003d opjY). Należy zauważyć, że podobny wzorzec dla Wya ~ avjу ma miejsce również w urządzeniach do magazynowania energii indukcyjnej (patrz rozdz. 2), chociaż różnią się one istotnie od MN pod względem fizycznym. W ogólnym przypadku do produkcji elementów magazynowych MN konieczne jest stosowanie materiałów o podwyższonych wartościach Gp / y\u003e 105 J / kg. Najbardziej odpowiednimi materiałami są stale stopowe o dużej wytrzymałości, stopy tytanu, a także lekkie stopy aluminium (typu duraluminium) i stopy magnezu (typu elektronowego). Przy użyciu materiałów metalicznych można uzyskać energię właściwą MN do Wm \u003d 200-300 do J / kg.

Zaprojektowane do tworzenia kół zamachowych o szczególnie wysokich energiach właściwych (super koła zamachowe), materiały o drobnych włóknach mogą teoretycznie zapewnić następujące poziomy wskaźnika Wya: włókna szklane - 650 kJ / kg, włókna kwarcowe - 5000 kJ / kg, włókna węglowe struktura diamentowa) -15000 kJ / kg ... Włókna (lub wykonane z nich taśmy) i żywice klejące tworzą strukturę kompozytową, której wytrzymałość jest mniejsza niż włókien pierwotnych. Biorąc pod uwagę elementy mocujące w prawdziwych super-kołach zamachowych, wartości Zhud są praktycznie osiągane mniej niż wskazane, ale wciąż relatywnie wyższe niż w innych Odmianach MN. Super koła zamachowe pozwalają na prędkości obwodowe do v „1000 m / s. Techniczne wykonanie takich urządzeń wymaga specjalnych warunków. Na przykład konieczne jest zainstalowanie koła zamachowego w ewakuowanej obudowie, ponieważ wskazane wartości v odpowiadają prędkościom naddźwiękowym w powietrzu (liczba Macha Ma\u003e 1), co w ogólnym przypadku może powodować szereg niedopuszczalnych efektów: pojawienie się wstrząsów zagęszczających w powietrzu i fal uderzeniowych, gwałtowny wzrost oporu aerodynamicznego i temperatury.

Wielowarstwowe super koła zamachowe z włókna mają dość wysoką niezawodność i są bezpieczniejsze w eksploatacji niż koła zamachowe pełne. Przy niedopuszczalnych obciążeniach wywołanych siłami bezwładności niszczone są tylko najbardziej naprężone warstwy zewnętrzne struktury kompozytowej włókna super koła zamachowego, podczas gdy zniszczeniu masywnego koła zamachowego towarzyszy rozproszenie jego rozdartych części.

Połączenie właściwości statycznego i dynamicznego MN odbywa się w różnych urządzeniach. Najprostszym z nich jest wahadło oscylacyjne. Cykliczny proces wzajemnej przemiany energii potencjalnej w energię kinetyczną może trwać dość długo, jeśli skompensowane zostaną straty w mechanizmie wahadła.

Rozważmy ilustracyjne przykłady MN, które podczas ładowania przechowują energię kinetyczną i potencjalną w tym samym czasie. Pokazują podstawowe możliwości wspólnego praktycznego wykorzystania obu rodzajów zakumulowanej energii mechanicznej. Na rys. 4.1, i waga jest pokazana M, obracające się wokół centrum O na absolutnie sztywnym sznurku o długości /, odchylonej od pozycji pionowej o kąt cp. Prędkość liniowa v odpowiada ruchowi obrotowemu M po okręgu o promieniu sol. Energia potencjalna obciążenia Wn\u003d gMh ze względu na jego wzniesienie się na wysokość godz w wyniku odrzucenia. Energia kinetyczna obciążenia wynosi 1FK \u003d 0,5 Mv2 . Na obciążenie działa siła F \u003d F „+ Fr. Jego składowa bezwładnościowa jest równa FK \u003d Mv lr\u003e wartość składowej grawitacyjnej F. T \u003d gM. Ponieważ F „/ Fr \u003d r2 / rg \u003d tg (D, o ile Wn/ Wk \u003d 2 godz/ rtg^>. Jeśli Uchest ^! że A \u003d / (l - coscp) i r \u003d / sincp, a następnie / r / r \u003d (1 - coscp) / sinср. A zatem, W„L lFK \u003d 2coscp / (l + cos (p), aw przypadku cp-\u003e 0 otrzymujemy Wn / WK-\u003e 1. W konsekwencji, przy małych kątach cp, zmagazynowana energia fV \u003d JVK + Wn może być równo rozłożona częstotliwości (W Wartość Wn można zwiększyć, jeśli zamocujesz obciążenie na zawieszeniu sprężystym (pręcie lub strunie).

Kolejny przykład kumulacji stawów W„ i Wk obracające się koło zamachowe z cienką obręczą służy jako (Rysunek 4.1, b), które miało elastyczność (sztywność) N. Naprężenie obręczy ^ p \u003d NAI jest proporcjonalne do wydłużenia sprężystego A / \u003d 2n (r - r0) wywołanego siłami bezwładności AFr \u003d AMv2 / r, Rozpowszechniane Nymi po obwodzie obręczy o promieniu r. Równowaga elementu obręczy o masie 2DM \u003d 2 (A // 2l;) A (p jest określone zależnością 2A / v \u003d 2A / 7 (() sinAcp ^ Ai ^ Acp , skąd 0.5 Mv2 \u003d 2 tys2 (r - r0 ) N. Dlatego energia kinetyczna obręczy lVK \u003d 2n2 (r - r0 ) N. Ponieważ zmagazynowana energia potencjalna)