Stocare a energiei. Informații generale despre stocarea mecanică a energiei

Unitate mecanică (Mn) sau acumulator de energie mecanică, se numește un dispozitiv pentru răsfățarea și depozitarea energiei cinetice sau potențiale, cu randamente ulterioare pentru a face munca utilă.

În ceea ce privește orice tip de dispozitive de stocare a energiei (NE), modurile caracteristice de operare Mn sunt încărca (acumularea) și descărcarea de gestiune (Returnarea energiei). Depozitare Energia servește drept mod intermediar Mn. În modul de încărcare, energia mecanică dintr-o sursă externă este furnizată la MN, iar implementarea tehnică specifică a sursei de energie este determinată de tipul MN. La descărcarea de gestiune a MN, partea principală a energiei stocate de acestea este transmisă consumatorului. Unele dintre energia acumulată sunt cheltuite pentru compensarea pierderilor care apar în modul de descărcare și în majoritatea modurilor de depozitare MN și în depozitare.

Deoarece într-o serie de instalații acumulate, taxa de timp3 poate fi mult superioară timpului de evacuare (G3 "GR), este posibil să exude în mod substanțial o cifră medie" R.P peste putere medie P3. Încărcați mn. Astfel, este permisă acumularea de energie pentru a acumula energie cu surse relativ scăzute.

Principalele soiuri de Mn sunt împărțite în dispozitive statice, dinamice și combinate.

Static MNS sugeți energia potențială printr-o schimbare elastică a formei sau volumului fluidului de lucru fie prin deplasarea împotriva direcției de gravitate în câmpul gravitațional. Fluidul de lucru solid, lichid sau gazos al acestor MNS are o stare statică în modul de stocare a energiei, iar încărcătura și descărcarea NE sunt însoțite de mișcarea fluidului de lucru.

Dinamic My acumulează energia cinetică în principal în masele rotative de solide. Condiționat - la Dynamic MNS pot include, de asemenea, dispozitive cumulative de acceleratoare de particule elementare încărcate, în care energia cinetică a electronilor sau protonilor, se mișcă ciclic de-a lungul traiectorii închise.

Combinate MNS sunt în același timp energia cinetică și potențială. Un exemplu de MN combinat poate servi ca un supermarker din material fibros de înaltă rezistență având un modul elastic relativ mic. În timpul rotirii acestui MN, împreună cu energia cinetică, se intensifică energia potențială a deformării elastice. La extragerea energiei acumulate de la un astfel de lucru, se realizează utilizarea atât a speciei sale.

În ceea ce privește nivelul de energie acumulată specifică pe unitate de masă sau volumul elementului de acumulare, myurile inerțiale dinamice depășesc semnificativ unele alte soiuri ne (de exemplu, unități inductive și capacitive). Prin urmare, Mn are un mare interes practic pentru diverse aplicații din diferite industrii și cercetări științifice.

Specii separate de MN găsite la data la scară largă în industria energiei electrice, cum ar fi un ghid - rotație a stațiilor electrice. Încărcarea - ciclul de descărcare a muncii lor atinge zeci de ore.

Pentru minele inerțiale, modurile de diferență pe termen scurt sunt caracteristice. Selectarea energiei de la Mn este însoțită de o scădere a vitezei unghiulare a volantului la un nivel admisibil. În unele cazuri, se poate produce frânarea până când volantul se oprește. Evacuările "șoc", caracterizate printr-o selecție disponibilă sau ciclică a energiei stocate și, ca rezultat al momentului kinetic mare și al timpului mic al descărcării MN, reducerea vitezei unghiulare a rotorului său este relativ mică, Deși puterea puternică poate atinge valori suficient de mari. În acest mod, sunt prezentate multe cerințe pentru a asigura rezistența arborelui. Sub influența cuplului în arbore există tensiuni tangente periculoase, cha. Energia cinetică a rotorului trece în energia potențială a deformărilor elastice ale arborelui. Pentru a depăși aceste dificultăți în structurile separate, sunt furnizate ghearele elastice sau de frecare.

Static MN păstrează energia stocată, fiind într-o stare fixă. Transportatorii de energie potențială în ele sunt corpuri solide deformate elastic sau gaze comprimate sub presiune excesivă, precum și masele ridicate la înălțime față de suprafața Pământului. Exemple tipice de MN statice sunt: \u200b\u200barcuri întinse sau comprimate, cauciuc; Baterii de biliard și acumulatori pneumatici; Dispozitive de impact ale diferitelor polițiști, de exemplu, pentru a urca grămezi folosind energia în masă în starea ridicată; Rezervoare de centrale electrice hidraulice, rezervoare de apă. Prezentăm rapoartele energetice principale și parametrii caracteristici ai unor dispozitive tipice.

Luați în considerare Mn S. Elastic elemente.

Cred Stare solidă Sistemul liniar, atunci elementul elastic acumulativ are o rigiditate constantă (sau elasticitate) N.= Const. Putere F.\u003d Nx. proporțională cu deformarea liniară X. Perfect când este încărcat munca elementară DW.\u003d FDX.. Energie deplină stocată

W. = J. FDX \u003d. J. Nxdx \u003d NAH2 / 2-FAAH / 2, OO.

UndeAh - deformarea rezultată, limitată, de exemplu, Admisibilă Voltaj AR. material; FN. = Nah. - puterea.

Să estimăm energia specifică Wya. \u003d Wj. M, pe unitate masa. M. \u003d Yv.\u003d ysh. Arcuri sau volumul tijei V. și secțiunea transversală S., Materialul care are densitatea Y și se desfășoară pe decalajul din legea gâtului A. \u003d Xfe., în plus X.* \u003d Xfh.- deformare relativă, E.- Elasticitate (Jung), G ^ gp. Introducand Da. \u003d EDX.„ Putem scrie în jos DW.\u003d FHDX.* \u003d FHDO./ E. și dwya. \u003d DW./ ysh. \u003d FDA./ Yse., De unde C. \u003d F./ S. Găsi

Wya \u003d] (alje) da \u003d a2j (2je).DESPRE

Pentru oțel. Izvoare C "\u003d 8 108 n / m "E \u003d. 2 , 1-1011 N / m2, y \u003d 7800 kg / m3, atunci Wya. ^200 J./ kg. Ana.Calculul logic pentru cauciucul tehnic oferă ^ ud ^ 350 J / kg, cu toate acestea, datorită caracterului de histerezis F.= F.(X.) În ciclul "de încărcare-descărcare", pierderile și încălzirea LA Îmbătrânirea treptată (distrugerea) cauciucului, instabilitatea deteriorării proprietăților elastice.

Gazul acumulat de gaz Sistemul se află într-o stare mecanică non-echilibru în raport cu mediul: cu egalitatea temperaturii și temperaturii mediului (T \u003d t0c) Presiunea sistemului P\u003e P0, C, Prin urmare, sistemul poate funcționa. Energie elastică comprimată într-un volum de cilindru V. Gazul este

W. \u003d P (VDP \u003d V (P2-PI) .. (4.1)

Pe o unitate de masă m de orice gaz comprimat în conformitate cu (4.1) există o energie specifică

Wya \u003d w / m \u003d v (p2-pl) im \u003d Aply. (4.2)

Bazat pe (4.2), la valoarea K \u003d 1m3 W.- WYSM. numeric egal cu scăderea presiunii Ar \u003d P1-P1. De exemplu, dacă A /? \u003d 250 105 PA (presiune inițială P! \u003d Y5PA), apoi IL \u003d 25-106 J, indiferent de compoziția chimică a gazului. Valoarea maximă a WYA la extinderea gazului comprimat la presiunea zero la o temperatură dată în conformitate cu ecuația Mendeleev - Klapairone Pv.- Mvryt. inventa

Wya.\u003d Wlm \u003d ryti ", (4.3)

Unde c \u003d m / ms - masa molară (kg / kmol); ~ 8,314 kJ / (Kolol K) este o constantă de gaz universală la TX273 K; /? "105PA; MM - numărul de kilometri dintr-o masă de gaz M.

De la (4.3) se poate observa că cea mai eficientă utilizare a gazelor luminoase în Mn. Pentru cel mai simplu gaz - hidrogen (c \u003d 2 kg / kmol) la r \u003d 300 la energie specifică ~ 1250 kJ / kg (sau 1250 J / g). În (4.3), presiunea explicit nu este inclusă, deoarece WYA este determinată de (4.2) raportul de gaze de suprapresiune la densitatea sa. Acesta din urmă cu o creștere a presiunii și r \u003d const crește în conformitate cu legea liniară (într-un proces izotermic Pv.= Const). Trebuie remarcat faptul că adecvate adecvate pentru utilizarea eficientă a presiunii ridicate se datorează considerentelor de rezistență a masei substanțiale a cilindrilor de gaz, luând în considerare valoarea instalației WYA în ansamblul său, poate refuza aproape o ordine de mărime comparativ cu Fvya de la (4.2), (4.3). O evaluare a rezistenței cilindrilor poate fi efectuată utilizând relațiile calculate de § 4.5.7.

Considera Gravitationala Drivere de energie.

Energia gavazitatică a atracției Pământului (la nivelul ORA) este estimată destul de mare "UD \u003d 61,6 MJ / kg, care caracterizează lucrarea necesară pentru mișcarea uniformă a corpului cu o masă de MX \u003d kg de pe suprafața pământului spațiul exterior (indicăm că această valoare Pvya este de aproximativ mai mult decât o energie chimică de 1 kg kerosen). Când ridicați cântărirea mărfurilor M. La înălțime H. \u003d X.2 - XL. Energia potențială de rezervă

W. \u003d jgmdx \u003d gmh , (4.4)

Unde m \u003d const, g \u003d 9,8L m / s2. Conform unei energii specifice (4.4) Wya.\u003d Wj. M.\u003d Gh. Depinde doar de înălțime H.. Energia stocată este eliberată atunci când cargoul cade și efectuează o activitate utilă relevantă ca urmare a tranziției energiei potențiale în cinetică. Cea mai mare energie kinetică specifică în natură în timpul căderii poate dezvolta meteoriți pentru care WYA ^ 60 MJ / kg (excluzând costurile de energie pentru frecare în atmosferă).

Utilizarea imediată a forțelor graviste, cu masele naturale ale maselor naturale, este aproape imposibilă. Cu toate acestea, pomparea apei în rezervoarele artificiale ridicate sau din rezervoarele subterane la suprafață, este posibilă acumularea unei cantități suficient de mari de energie potențială pentru aplicații la scară largă în sistemele de energie electrică. Dacă diferența de nivel H. \u003d 200 m, apoi calculat pe masa de apă M \u003d 103 kg Energie stocată în (4.4) egală cu și\u003e "\u003d 1962 kJ, energie specifică Wya.\u003d Wjm.= 1.962 kJ / kg.

Considera Kinetic inert. Mn.

Energia cinetică, în principiu, poate fi reparată la orice mișcare de masă. Pentru mișcarea uniformă a corpului progresiv M. cu viteză V. energie kinetică W.\u003d Mv.2 / 2. Energie specifică Wya.\u003d W./ M. \u003d V.2 J.2 Depinde (quadratic) numai de la viteza corpului liniar. Corpul care se deplasează la prima viteză spațială a KM / C are un anumit

Energie Wyax32 MJ / kg.

Pentru o varietate de aplicații de energie și de transport, raționalizarea mișcării rotative este rațională - MN inerțială (volante). Energia cinetică de rezervă W \u003d J & / ~ este determinată de pătratul vitezei unghiulare Q. \u003d 2nn. (P. - frecvența de rotație) și momentul inerției J. Flywheel în raport cu axa de rotație. Dacă volantul de disc are o rază G. și masa. M. = Yv. (V.- Volumul, W. - densitatea materialului), t °

J ^ MR2 / 2 \u003d YVR2J2 și W \u003d n2mr2n2 \u003d N2YVR2N2. Energie specifică adecvată (pe unitate M. sau V) inventa Fv./ M.\u003d N.* R.2N.2 , J / kg și Lv.0ya.\u003d W./ V.\u003d N.2YR.2N.2 , J / m3. Valorile Q și N la o anumită dimensiune G sunt limitate la o viteză liniară circumferențială V. \u003d Q..r. \u003d 2mr., asociate cu o tensiune permisă de rupere a materialului AP. Se știe că tensiunea A din disc sau rotor cilindric Mn depinde de V2. În funcție de forma geometrică a flutorilor metalice, vitezele de limitare admise pe periferie sunt caracterizate cu aproximativ 200 până la 500 m / s.

Energia acumulată, în special pentru un volant subțire de hoți, W.\u003d Mv. /2 (M.- Domnișoara de inele rotative). Energie specifică Wya.\u003d W./ M. \u003d V.2 /2 nu depinde de dimensiunea inelului și este determinată de raportul dintre parametrii sau / în materialul său (vezi § 4.5.1, unde se arată că V.2 \u003d Opj.Y). Trebuie remarcat faptul că un model similar pentru WYA ~ avju are loc, de asemenea, în stocarea de energie inductivă (vezi capitolul 2), deși diferă semnificativ de natura fizică. În general, în fabricarea elementelor de stocare Mn, este necesar să se aplice materiale cu valori ridicate GP / Y\u003e 105 J / kg. Materialele cele mai potrivite sunt oțelul aliat cu rezistență ridicată, aliaje de titan, precum și aliaje de aluminiu ușoare (tip "dural") și aliaje de magneziu (tip "electron"). Aplicarea materialelor metalice, puteți obține energia specifică a Mn la WM \u003d 200-300 la J / kg.

Redirecționarea volantelor cu energii specifice deosebit de mari (supermarketuri) Materialele fibrelor de tonuri teoretic pot furniza următoarele nivele ale indicatorului WYA: filamente de sticlă 650 kJ / kg, fire de cuarț - 5000 kJ / kg, fibre de carbon (cu structură cu diamant) -15000 kJ / kg. Firele (sau benzile din ele) și adezivul formează un design compozit, a căror rezistență este mai mică decât cea a fibrelor sursă. Având în vedere elementele de fixare în reale super-flywheels, valorile evreului mai puțin specificate sunt practic realizate, dar sunt încă relativ mai mari decât în \u200b\u200balte soiuri de Mn. Supermanhovikov admit viteze circumferențiale V. "1000 m / s. Implementarea tehnică a acestor dispozitive necesită furnizarea de condiții speciale. De exemplu, este necesară instalarea unui volant într-o carcasă în vid, deoarece valorile specificate V. Corespund vitezei supersonice din aer (numărul de maha ma\u003e 1), care, în cazul general, poate provoca o serie de efecte inacceptabile: apariția sigiliilor de aer și a valurilor de șoc, o creștere accentuată a rezistenței și temperaturii aerodinamice.

Supermarketurile fibroase multistrat au o fiabilitate suficient de mare și mai sigure în funcționare decât volanii solizi. Cu sarcini inacceptabile cauzate de forțele inerțiale, sunt distruse numai straturile exterioare cele mai stresante ale designului compozitar din supermanovka, în timp ce distrugerea volantului masiv este însoțită de o expansiune a părților sale sparte.

Combinația de proprietăți MN statice și dinamice are loc în diferite dispozitive. Cel mai simplu dintre ele este pendulul oscilant. Procesul ciclic de transformare reciprocă a energiei potențiale în cinetică poate fi menținut suficient de lung, dacă compensezi pierderea în mecanismul pendulului.

Luați în considerare exemplele ilustrative ale MN, responsabil cu taxa, în același timp, energia cinetică și potențială. Acestea demonstrează principalele posibilități de utilizare practică comună a ambelor tipuri de energie mecanică acumulată. În fig. 4.1, dar Se afișează încărcătura M, Rotind în jurul centrului DESPRE Pe o lungime absolut rigidă a șirului / deflectată din poziția verticală la colțul CP. Viteza liniei V. corespunde mișcării de rotație a M în jurul cercului razei G. Energia potențială a încărcăturii Wn.\u003d GMH. Datorită înălțimii sale la înălțime H. Ca urmare a deviației. Energia cinetică a încărcăturii este 1fk \u003d 0,5 Mv.2 . Forța F \u003d F "+ FR. Componenta sa inerțială este egală cu FK \u003d MV LR\u003e Componentele valorii gravitaționale F T. \u003d Gm.. Deoarece F "/ FR \u003d R2 / RG \u003d Tg (D, Postolo Wn./ Wk. \u003d 2h./ Rtg.^>. Dacă treceți ^! Ceea ce a \u003d / (L - COSCP) și r \u003d / SINCP, apoi / g / g \u003d (1 - COSCP) / păcat. În acest fel, W."L. LFK \u003d 2COSCP / (L + COS (P) și în cazul CP-\u003e 0 Obținem WN / WK-\u003e 1. Prin urmare, la cps mici, energia stocată FV \u003d JVK + WN poate fi distribuită în părți egale (WN \u200b\u200bWN poate fi mărit dacă asigurăm încărcătura pe suspensia elastică (tija sau șir).

Un alt exemplu de acumulare în comun W.„ și Wk. servește flutor rotativ de beton fin (figura 4.1, b), care are elasticitate (rigiditate) N. Tensiunea din RIM ^ p \u003d NAI este proporțională cu alungirea elastică A / \u003d 2L (domnule) cauzată de forțele inerțiale AFR. \u003d AMV.2 / g, distribuit Nu eu Pe circumferința jantei de către raza echilibrului elementului de jantă de cântărit 2 dm \u003d 2 (l // 2L;) d (P determinat de raportul 2A / V \u003d \u200b\u200b2A / 7 (() SINACP ^ AI ^ ACP, unde 0,5 Mv.2 \u003d 2k.2 (R. - R.0 ) N.. În consecință, banda de energie cinetică LVK. \u003d 2n.2 (R. - R.0 ) N.. Deoarece energia potențială stocată)