Mechaniczny akumulator energii elektrycznej. Stosowanie urządzeń magazynujących energię. Ogólne informacje o magazynowaniu energii

Przechowywanie mechaniczne(MH), czyli akumulator energii mechanicznej, nazywany jest urządzeniem do przechowywania i przechowywania energii kinetycznej lub energia potencjalna z późniejszym wydaniem go do użytecznej pracy.

Jak dla każdego typu urządzenia do magazynowania energii (EE), charakterystyczne tryby pracy MN to opłata(akumulacja) i rozładować się(zwrot energii). Składowanie energia służy jako pośredni tryb MN. W trybie ładowania energia mechaniczna jest dostarczana do MN z źródło zewnętrzne, a konkretna realizacja techniczna źródła energii zależy od rodzaju MN. Kiedy MN jest rozładowywany, główna część zmagazynowanej przez niego energii jest przekazywana do odbiorcy. Część zgromadzonej energii jest przeznaczana na kompensację strat występujących w trybie rozładowania iw większości typów obwodów magnetycznych - oraz w trybach przechowywania.

Ponieważ w wielu instalacjach magazynowych czas ładowania D3 może być znacznie dłuższy niż czas rozładowania (r3 "g), możliwe jest znaczne przekroczenie średniej szybkości rozładowania. r P ponad średnią moc P3 opłata MN. W związku z tym dopuszcza się akumulację energii w MP przy użyciu źródeł o stosunkowo małej mocy.

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

Statyczny MN magazynują energię potencjalną poprzez elastyczną zmianę kształtu lub objętości płynu roboczego, lub gdy porusza się on w polu grawitacyjnym przeciwnie do kierunku grawitacji. Ciecz robocza w stanie stałym, ciekłym lub gazowym tych MN ma stan statyczny w trybie magazynowania energii, a ładowaniu i rozładowaniu NEs towarzyszy ruch płynu roboczego.

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

Łączny MN przechowuje zarówno energię kinetyczną, jak i potencjalną. Przykładem kombinowanego MH jest super koło zamachowe wykonane z bardzo wytrzymałego materiału włóknistego o stosunkowo niskim module sprężystości. Kiedy dany MI się obraca, potencjalna energia odkształcenia sprężystego jest w nim magazynowana wraz z energią kinetyczną. Pozyskując zakumulowaną energię z takiego MN uzyskuje się wykorzystanie obu jego rodzajów.

Pod względem poziomu specyficznej zgromadzonej energii na jednostkę masy lub objętości elementu akumulacyjnego dynamiczne inercyjne MN znacznie przewyższają niektóre inne typy NE (na przykład magazynowanie indukcyjne i pojemnościowe). Dlatego MN cieszą się dużym praktycznym zainteresowaniem do różnych zastosowań w różnych gałęziach technologii i badań naukowych.

Niektóre typy MP znalazły do ​​tej pory zastosowanie na dużą skalę w elektroenergetyce, na przykład przewodnik - Instalacje magazynów dachowych elektrowni. Ładowanie - Cykl rozładowania ich pracy sięga kilkudziesięciu godzin.

W przypadku bezwładnościowych MP charakterystyczne są krótkotrwałe tryby rozładowania. Pozyskiwaniu energii z MP towarzyszy spadek prędkości kątowej koła zamachowego do dopuszczalnego poziomu. V indywidualne przypadki hamowanie może nastąpić aż do całkowitego zatrzymania koła zamachowego. Możliwe wyładowania „wstrząsowe”, które wyróżniają się jednorazowym lub cyklicznym wycofaniem zmagazynowanej energii, a ze względu na duży moment pędu i krótki czas wyładowania MN spadek prędkości kątowej jego wirnika jest stosunkowo niewielki , chociaż 0m wysokie wartości... W tym trybie MH nałożone są specjalne wymagania dotyczące zapewnienia wytrzymałości wału. Pod wpływem momentu obrotowego w wale powstają niebezpieczne naprężenia ścinające, h. NS energia kinetyczna wirnik zamienia się na energię potencjalną odkształcenia sprężystego skręcania wału. Aby przezwyciężyć powyższe trudności, w indywidualnych konstrukcjach MH dostarczane są sprzęgła elastyczne lub cierne.

Statyczne MN zachowują zmagazynowaną energię będąc w stanie stacjonarnym. Nośnikami w nich energii potencjalnej są elastycznie odkształcone ciała stałe lub sprężone gazy pod nadmiernym ciśnieniem, a także masy uniesione do wysokości w stosunku do powierzchni ziemi. Typowymi przykładami statycznego MN są: naciągnięte lub ściśnięte sprężyny, gumy; akumulatory gazu i akumulatory pneumatyczne; urządzenia udarowe różnych pali, na przykład do wbijania pali, wykorzystujące energię mas w stanie podniesionym; zbiorniki elektrowni szczytowo-pompowych, zbiorniki instalacji wodno-ciśnieniowych. Oto główne wskaźniki energetyczne i charakterystyczne parametry niektórych typowych urządzeń.

Rozważ MN z elastyczny elementy.

Wierzymy stan stały układ jest liniowy, wtedy elastyczny element akumulacyjny ma stałą sztywność (lub sprężystość) n= Konst. Siła działająca na niego F= Nx proporcjonalna do odkształcenia liniowego NS. Podstawowa praca idealna przy naładowaniu MH dW= Fdx. Całkowita zmagazynowana energia

W = J Fdx = J Nxdx = NAh2 / 2-FaAh / 2, oo

Gdzie Ah - powstałe odkształcenie, ograniczone np. Dopuszczalny napięcie Ar materiał; Fn = NAh - przyłożona siła.

Oszacujmy energię właściwą Wya = Wj M, na jednostkę masy m= yV= jSz objętość sprężyny lub pręta V i sekcja S, którego materiał ma gęstość y i działa, aby złamać w granicach prawa Hooke'a a= xfE, Ponadto x* = xfh- odkształcenie względne, mi-moduł sprężystości (Young), G ^ Gp. Przedstawiamy da= Edx„ możemy pisać DW= Fhdx* = Fhdo/ E oraz dWya= dW/ ySz= Fda/ YSE, skąd w C= F/ S odnaleźć

Wya =] (aljE) da = a2J (2jE).O

Do staliprzyjmiemy sprężyny z „= 8” 108 N/m”E = 2 , 1-1011 N/m2,y = 7800 kg / m3, a następnieWya ^200 J/ kg. Ana Logiczna kalkulacja dla gumy technicznej daje ^ uderzeń^ 350 J/kg, jednak ze względu na histerezyową naturę zależności F= F(x) W cyklu ładowania-rozładowania powstałe straty i nagrzewanie prowadzą do: DO stopniowe starzenie się (zniszczenie) gumy, niestabilność i pogorszenie jej właściwości elastycznych.

Magazynowanie gazu układ znajduje się w stanie nierównowagi mechanicznej względem otoczenia: gdy temperatury układu i otoczenia są równe (T = T0C) ciśnienie w systemie p> p0, c, dlatego system może działać. Zapas energii sprężystej skompresowany w cylindrze o objętości V gaz jest

W= P (vdp = v (p2-pi) .. (4.1)

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

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

Na podstawie (4.2) przy K = 1m3, wartość W- WysM liczbowo równy spadkowi ciśnienia Ap = p1-p1. Na przykład, jeśli A /? = 250 105 Pa (ciśnienie początkowe p! = 105 Pa), następnie IL = 25-106 J niezależnie od skład chemiczny gaz. Maksymalna wartość Wya, gdy sprężony gaz rozszerza się do ciśnienia zerowego w danej temperaturze zgodnie z równaniem Mendelejewa - Clapeyrona PV- MvRyT jest

Wya= WIM = RyTI ”, (4.3)

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

Jak widać z (4.3), użycie lekkich gazów w ML jest najbardziej efektywne. Dla najlżejszego gazu, wodoru (μ=2 kg/kmol) przy T=300 K, energia właściwa wynosi ~1250 kJ/kg (lub 1250 J/g). W (4.3) ciśnienie nie jest wyraźnie uwzględnione, ponieważ Wya jest określane przez (4.2) przez stosunek nadciśnienia gazu do jego gęstości. Ten ostatni wraz ze wzrostem ciśnienia i Г = const rośnie liniowo (w procesie izotermicznym PV= Const). Należy zauważyć, że odpowiednie dla skutecznego stosowania rozważanego MN wysokie ciśnienia określić, ze względów wytrzymałościowych, znaczną masę butli gazowych, biorąc pod uwagę, że wartość Wya instalacji jako całości może się zmniejszyć o prawie rząd wielkości w porównaniu z fVya z (4.2), (4.3). Ocenę wytrzymałości butli można przeprowadzić za pomocą Zależności projektowych § 4.5.7.

Rozważać grawitacyjny urządzenia do magazynowania energii.

Energia grawistatyczna przyciągania Ziemi (na poziomie ory) jest wystarczająco oszacowana wysoka ocena„uderzenia = 61,6 MJ/kg, co charakteryzuje pracę wymaganą do równomiernego ruchu ciała o masie Mx = Kg z powierzchni ziemi w przestrzeń kosmiczną (dla porównania wskażemy, że ta wartość PVya jest w przybliżeniu dwukrotnie większa niż tyle co energia chemiczna 1 kg nafty). m na wysokość h= x2 - xl zmagazynowana energia potencjalna

W= jgMdx = gMh , (4.4)

Gdzie M = const, g = 9,8 l m / s2. Zgodnie z (4.4) energia właściwa Wya= Wjm= gh zależy tylko od wzrostu h. Zmagazynowana energia jest uwalniana, gdy ładunek spada i wykonywana jest odpowiednia praca użyteczna w wyniku przekształcenia energii potencjalnej w energię kinetyczną. Najwyższą właściwą energię kinetyczną w przyrodzie podczas spadania mogą rozwinąć meteoryty, dla których Wya^60 MJ/kg (bez uwzględnienia zużycia energii na tarcie w atmosferze).

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

Rozważać kinetyka bezwładności MN.

W zasadzie energia kinetyczna może być magazynowana dla dowolnego ruchu masy. Dla jednostajnego ruchu postępowego ciała o masie m z prędkością v energia kinetyczna W= Mv2 / 2. Energia właściwa Wya= W/ M= v2 J2 zależy (kwadratowo) tylko od prędkości liniowej ciała. Ciało poruszające się z pierwszą kosmiczną prędkością km/s ma specyficzny

Energia Wyax32 MJ/kg.

Dla różnych zastosowań energetycznych i transportowych, MNs o ruchu obrotowym są racjonalne - MNs inercyjne (koła zamachowe). Zmagazynowana energia kinetyczna W = J & / ~ jest określona kwadratem prędkości kątowej Q= 2nn (NS- prędkość) i moment bezwładności J koło zamachowe względem osi obrotu. Jeśli koło zamachowe ma promień g i masa m =YV (V-Tom, w- gęstość materiału), t °

J ^ Mr2 / 2 = yVr2j2 oraz W = n2Mr2n2 = n2yVr2n2. Odpowiednia energia właściwa (na jednostkę) m lub V) jest FV/ M= n* r2n2 , J / kg i lV0ya= W/ V= n2 lata2n2 , J / m3. Wartości Q i n dla danego rozmiaru r są ograniczone liniową prędkością obwodową v= Q.r= 2mr, związane z dopuszczalnym naprężeniem zrywającym materiału ar. Wiadomo, że napięcie a w wirniku tarczowym lub cylindrycznym MH zależy od v2. W zależności od kształt geometryczny metalowe koła zamachowe charakteryzują się dopuszczalnymi prędkościami maksymalnymi na obwodzie około 200 do 500 m/s.

Zmagazynowana energia, w szczególności dla smukłego koła zamachowego felgi, W= Mv /2 (m to masa obracającego się pierścienia). Specyficzna energia Wya= W/ M= v2 /2 nie zależy od wielkości pierścienia i jest określany przez stosunek parametrów Op / y jego materiału (patrz rozdz. 4.5.1, gdzie pokazano, że v2 = opj Y). Należy zauważyć, że podobny wzorzec dla Wya ~ avjу zachodzi również w przypadku indukcyjnych zasobników energii (patrz rozdz. 2), chociaż różnią się one istotnie od MN charakterem fizycznym. W ogólnym przypadku przy wytwarzaniu elementów akumulacyjnych MN konieczne jest stosowanie materiałów o podwyższonych wartościach Gp/y>105 J/kg. Bardzo odpowiednie materiały to wysokowytrzymałe stale stopowe, stopy tytanu, a także lekkie stopy aluminium (typu duraluminium) i stopy magnezu (typu elektronowego). Stosując materiały metaliczne możliwe jest uzyskanie energii właściwej MN do Wm=200-300 do J/kg.

Zaprojektowane do tworzenia kół zamachowych o szczególnie wysokich energiach właściwych (superkoła zamachowe), materiały drobnowłókniste mogą teoretycznie zapewnić następujące poziomy wskaźnika Wya: włókna szklane - 650 kJ / kg, włókna kwarcowe - 5000 kJ / kg, włókna węglowe ( o strukturze diamentowej) -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 praktycznie osiągane są wartości Zhud, które są mniejsze niż wskazane, ale wciąż relatywnie wyższe niż w innych Odmianach MN. Super koła zamachowe umożliwiają prędkości obwodowe do v„1000 m/s. Realizacja techniczna takich Urządzeń wymaga zapewnienia: specjalne warunki... Na przykład konieczne jest zainstalowanie koła zamachowego w opróżnionej obudowie, ponieważ wskazane wartości v odpowiadają naddźwiękowym prędkościom w powietrzu (liczba Macha Ma>1), które w ogólnym przypadku mogą powodować cała linia niedopuszczalne skutki: pojawienie się wstrząsów zagęszczających powietrze 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 pełne. Pod wpływem niedopuszczalnych obciążeń wywołanych siłami bezwładności zniszczeniu ulegają tylko najbardziej obciążone warstwy zewnętrzne kompozytowej struktury włóknistej super koła zamachowego, natomiast zniszczeniu masywnego koła zamachowego towarzyszy rozproszenie jego rozerwanych części.

Połączenie właściwości statycznych i dynamicznych MN odbywa się w różnych urządzeniach. Najprostszym z nich jest wahadło oscylacyjne. Cykliczny proces wzajemnej przemiany energii potencjalnej w energię kinetyczną może być utrzymany dość długo, jeśli straty w mechanizmie wahadłowym zostaną skompensowane.

Rozważmy ilustracyjne przykłady MN-ów, które podczas ładowania przechowują jednocześnie energię kinetyczną i potencjalną. Pokazują podstawowe możliwości wspólnego praktycznego wykorzystania obu rodzajów zakumulowanej energii mechanicznej. Na ryc. 4.1, a waga jest pokazana M, obraca się wokół centrum O na absolutnie sztywnym sznurku o długości /, odchylonym od pozycji pionowej o kąt cp. Prędkość liniowa v odpowiada ruchowi obrotowemu M po okręgu o promieniu G. Energia potencjalna obciążenia Wn= gMh ze względu na jego wzrost na wysokość h w wyniku odrzucenia. Energia kinetyczna ładunku wynosi 1FK = 0,5 Mv2 . Na obciążenie działa siła F = F „+ Fr. Jej składowa bezwładnościowa to FK = Mv lr> wartość składowej grawitacyjnej F T= gM. Ponieważ F „/ Fr = r2 / rg = tg (D, o ile Wn/ Wk= 2h/ rtg^>. Jeśli Uchest ^! że A = / (l - coscp) i r = / sincp, następnie / y / r = (1 - coscp) / sincp. Zatem, W„L” lFK = 2coscp / (l + cos (p), a w przypadku cp->0 otrzymujemy Wn / WK->1. W konsekwencji, przy małych kątach cp, zmagazynowana energia fV = JVK + Wn może być częstotliwości (W Wartość Wn można zwiększyć, jeśli obciążenie zostanie zamocowane na elastycznym zawieszeniu (pręcie lub sznurku).

Kolejny przykład akumulacji stawów W„ oraz Wk obracające się koło zamachowe z cienką obręczą służy jako (rysunek 4.1, b), które miało elastyczność (sztywność) N. Naprężenie w wieńcu ^ p = NAI jest proporcjonalne do wydłużenia sprężystego A / = 2n (r - r0) wywołanego siłami bezwładności Afr= AMv2 /G, Rozpowszechniane Nymi wzdłuż obwodu obręczy o promieniu r. Równowaga elementu obręczy o masie 2DM = 2 (A // 2l;) A (p jest określona zależnością 2A / v = 2A / 7 (() sinAcp ^ Ai ^ Acp , skąd 0,5 Mv2 = 2K2 (r- r0 ) N. Dlatego energia kinetyczna obręczy lVK= 2n2 (r- r0 ) N. Ponieważ zmagazynowana energia potencjalna)