Acumulator mecanic de energie electrică. Aplicarea dispozitivelor de stocare a energiei. Informații generale despre stocarea energiei

Depozitare mecanică (MH), sau acumulator mecanic de energie, este un dispozitiv pentru depozitarea și stocarea energiei cinetice sau potențiale cu eliberarea ulterioară a acesteia pentru lucrări utile.

În ceea ce privește orice tip de dispozitiv de stocare a energiei (EE), modurile caracteristice de funcționare ale MN sunt încărca (acumulare) și descărcare (randament de energie). Depozitare energia servește ca mod intermediar MN. În modul de încărcare, energia mecanică este furnizată MN de la o sursă externă, iar implementarea tehnică specifică a sursei de energie este determinată de tipul de MN. Atunci când MN este descărcat, partea principală a energiei stocate este transferată consumatorului. O parte din energia acumulată este cheltuită pentru compensarea pierderilor care apar în modul de descărcare, și în majoritatea tipurilor de MN - în modurile de stocare.

Întrucât într-un număr de instalații de stocare, timpul de încărcare D3 poate fi mult mai lung decât timpul de descărcare (r3 "g), este posibil un exces semnificativ al ratei medii de descărcare. RP peste puterea medie P3 taxa MN. Astfel, este permisă acumularea de energie în MP utilizând surse de energie relativ reduse.

Principalele tipuri de MN sunt subdivizate în dispozitive statice, dinamice și combinate.

Static MN stochează energia potențială prin modificări elastice ale formei sau volumului fluidului de lucru sau când se deplasează împotriva direcției gravitației într-un câmp gravitațional. Lichidul de lucru solid, lichid sau gazos al acestor MN are o stare statică în modul de stocare a energiei, iar încărcarea și descărcarea NE sunt însoțite de mișcarea fluidului de lucru.

Dinamic MN acumulează energie cinetică în principal în masele rotative ale solidelor. Condițional - dispozitivele de stocare a acceleratorilor de particule elementare încărcate, în care energia cinetică a electronilor sau protonilor, care se deplasează ciclic de-a lungul traiectoriilor închise, poate fi de asemenea menționată la MP dinamici.

combinat MN stochează energie cinetică și potențială. Un exemplu de MN combinat este o volantă super volantă realizată dintr-un material fibros de mare rezistență, cu un modul relativ elastic de elasticitate. Când un IM dat se rotește, energia potențială a deformării elastice este stocată în ea împreună cu energia cinetică. La extragerea energiei acumulate dintr-o astfel de MN se realizează utilizarea ambelor tipuri.

În ceea ce privește nivelul de energie acumulată specifică pentru unitatea de masă sau volumul elementului acumulator, MN-ul inerțial dinamic este semnificativ superior celorlalte tipuri de NE (de exemplu, stocarea inductivă și capacitivă). Prin urmare, MN sunt de mare interes practic pentru o varietate de aplicații în diferite ramuri ale tehnologiei și cercetării științifice.

Anumite tipuri de deputați au găsit o aplicație pe scară largă în industria energiei electrice, de exemplu, ghidul - Instalații de depozitare a acoperișului centralelor electrice. Încărcare - Ciclul de descărcare a muncii lor ajunge la zeci de ore.

Pentru parlamentarii inerțiali, sunt caracteristice modurile de descărcare pe termen scurt. Extracția de energie din MP este însoțită de o scădere a vitezei unghiulare a volanului până la nivelul admis. În unele cazuri, frânarea poate avea loc până la oprirea completă a volanului. Posibile descărcări „de șoc”, caracterizate printr-o retragere unică sau ciclică a energiei stocate și datorită momentului unghiular mare și a timpului scurt de descărcare a MN, scăderea vitezei unghiulare a rotorului său este relativ mică, deși puterea furnizată poate atinge valori suficient de ridicate. În acest mod MN, impun cerințe speciale pentru asigurarea rezistenței arborelui. Sub influența cuplului, în arbore apar tensiuni periculoase de forfecare. energia cinetică a rotorului este transformată în energia potențială a deformării elastice a torsiunii arborelui. Pentru a depăși dificultățile de mai sus, sunt prevăzute cuplaje elastice sau de frecare în proiectele individuale MH.

MN-urile statice păstrează energia stocată în timp ce sunt în stare staționară. Purtătorii de energie potențială din ele sunt solide deformate elastic sau gaze comprimate sub presiune excesivă, precum și mase ridicate la o înălțime în raport cu suprafața pământului. Exemple tipice de MN static sunt: \u200b\u200barcuri întinse sau comprimate, cauciucuri; acumulatori de gaz și acumulatori pneumatici; dispozitive de impact ale diverselor drivere de piloți, de exemplu, pentru conducerea grămeților, folosind energia maselor în stare ridicată; rezervoarele centralelor de stocare pompate, rezervoarele instalațiilor sub presiune. Iată principalele raporturi energetice și parametrii caracteristici ai unor dispozitive tipice.

Luați în considerare un MN cu elastic elemente.

Credem stare solidă sistemul este liniar, apoi elementul de depozitare elastic are o rigiditate constantă (sau elasticitate) N= Const. Forta actioneaza asupra lui F\u003d Nx proporțional cu deformarea liniară X. Lucrare elementară perfectă atunci când este taxată cu MH dW\u003d Fdx. Energia totală stocată

W = J Fdx \u003d J Nxdx \u003d NAh2 / 2-FaAh / 2, oo

UndeAh este deformarea rezultată, limitată, de exemplu, admisibil tensiune Ar material; Fn = Nah - forța aplicată.

Să estimăm energia specifică WYA \u003d Wj M, pe unitate de masă M \u003d yV\u003d ySh volumul arcului sau al tijei V și secțiune S, al cărui material are o densitate y și lucrează pentru a se rupe în limitele legii lui Hooke A \u003d xfE, în plus X* \u003d xfh- deformare relativă; E-modul de elasticitate (Young), G ^ Gp. Introducand da \u003d Edx„ putem scrie DW\u003d Fhdx* \u003d Fhdo/ E și dWya \u003d dW/ ySh \u003d Fda/ DA, de unde la C \u003d F/ S găsi

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

Pentru oțel vom accepta izvoare cu „\u003d 8 108 N / m "E \u003d 2 , 1-1011 N / m2, y \u003d 7800 kg / m3 WYA ^200 J/ kg. AnaUn calcul logic pentru cauciucul tehnic dă ^ bătăi ^ 350 J / kg, însă, datorită naturii de histerezis a dependenței F= F(X) În ciclul de încărcare-descărcare, pierderile și încălzirea rezultate duc la LA îmbătrânirea treptată (distrugerea) cauciucului, instabilitatea și deteriorarea proprietăților sale elastice.

Depozitarea gazului sistemul este într-o stare mecanică de echilibru în raport cu mediul: când temperaturile sistemului și mediul sunt egale (T \u003d T0C) presiunea sistemului p\u003e p0, c, prin urmare, sistemul poate să funcționeze. Rezerva de energie elastică comprimată într-un cilindru cu un volum V gazul este

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

Conform (4.1), pentru fiecare unitate de masă M a oricărui gaz comprimat, există o energie specifică

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

Pe baza (4.2) la K \u003d 1m3 valoarea W- WysM numeric egal cu căderea de presiune Ap \u003d p1-p1. De exemplu, dacă A /? \u003d 250 105 Pa (presiunea inițială p! \u003d 105 Pa), apoi IL \u003d 25-106 J, indiferent de compoziția chimică a gazului. Valoarea maximă a Wya în timpul extinderii gazului comprimat la presiune zero la o temperatură dată conform ecuației Mendeleev - Clapeyron PV- MvRyT este

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

Unde c \u003d M / Mts - masa molară (kg / kmol); Ry & ~ 8.314 kJ / (kmol K) - constantă de gaz universal la Тх273 К; /? "105Pa; Mm este numărul de kilomoli dintr-un gaz cu masa M.

Din (4.3) se poate observa că utilizarea gazelor ușoare în ML este cea mai eficientă. Pentru cel mai ușor gaz, hidrogen (μ \u003d 2 kg / kmol) la T \u003d 300 K, energia specifică este ~ 1250 kJ / kg (sau 1250 J / g). În (4.3), presiunea nu este inclusă în mod explicit, deoarece Wya este determinată de (4.2) prin raportul dintre excesul de presiune a gazului și densitatea sa. Acesta din urmă cu creșterea presiunii și Г \u003d const crește liniar (în procesul izotermic PV= Const). Trebuie menționat că presiunile ridicate care sunt rezonabile pentru aplicarea eficientă a MN în cauză determină, din motive de rezistență, o masă semnificativă de butelii de gaz, ținând cont de faptul că valoarea Wya a instalației în ansamblu poate scădea cu aproape un ordin de mărime în comparație cu fVya de la (4.2), (4.3). Evaluarea rezistenței cilindrilor poate fi realizată folosind relațiile de proiectare § 4.5.7.

Considera gravitaționale dispozitive de stocare a energiei

Energia gravitațională a gravitației Pământului (la nivelul oriei) este estimată de un indicator destul de ridicat "bătăi \u003d 61,6 MJ / kg, care caracterizează munca necesară pentru mișcarea uniformă a unui corp cu o masă de Mx \u003d Kg de la suprafața pământului în spațiul exterior (pentru comparație, vom indica că această valoare PVya este aproximativ de două ori mai mare decât energia chimică de 1 kg de kerosen) .Când ridicați o sarcină cu o masă M la înălțime h \u003d x2 - xl energia potențială stocată

W \u003d jgMdx \u003d gMh , (4.4)

Unde M \u003d const, g \u003d 9,8l m / s2. Conform (4.4), energia specifică WYA\u003d Wj M\u003d gh depinde doar de înălțime h. Energia stocată este eliberată când încărcătura și lucrarea utilă corespunzătoare este realizată ca urmare a transformării energiei potențiale în cea cinetică. Cea mai mare energie cinetică specifică din natură la cădere poate fi dezvoltată de meteoriți, pentru care Wya ^ 60 MJ / kg (exclusiv consumul de energie pentru frecare în atmosferă).

Utilizarea directă a forțelor gravistatice generate de mase naturale este practic imposibilă. Cu toate acestea, prin pomparea apei în rezervoare artificiale ridicate sau din rezervoare subterane la suprafață, se poate acumula o cantitate suficient de mare de energie potențială pentru aplicații pe scară largă în sistemele de energie electrică. Dacă diferența de nivel h \u003d 200 m, apoi, pe baza masei de apă M \u003d 103 kg, energia stocată conform (4.4) este egală cu I\u003e "\u003d 1962 kJ, energie specifică WYA\u003d WjM= 1.962 kJ / kg.

Considera cinetică inerțială MN.

În principiu, energia cinetică poate fi stocată pentru orice mișcare de masă. Pentru mișcare uniformă de translație a unui corp cu masă M cu viteză v energie kinetică W\u003d Mv2 / 2. Energia specifică WYA\u003d W/ M \u003d v2 j2 depinde (în mod quadrat) doar de viteza liniară a corpului. Un corp care se deplasează cu prima viteză cosmică km / s are un specific

Energie Wyax32 MJ / kg.

Pentru o varietate de aplicații de transport și energie, MN-urile de rotație sunt MN-uri raționale - inerțiale (volane). Energia cinetică stocată W \u003d J & / ~ este determinată de pătratul vitezei unghiulare Q \u003d 2nn (P - viteza) și momentul inerției J volantă în raport cu axa de rotație. Dacă volanta are o rază r si masa M = YV (V-volum, la - densitatea materialului), t °

J ^ Mr2 / 2 \u003d yVr2j2 și W \u003d n2Mr2n2 \u003d n2yVr2n2. Energia specifică corespunzătoare (pe unitate) M sau V) este FV/ M\u003d n* r2n2 , J / kg și lV0ya\u003d W/ V\u003d n2yr2n2 , J / m3. Valorile Q și n pentru o dimensiune dată r sunt limitate de viteza periferică liniară v \u003d Q.r \u003d 2 mr, asociate cu tensiunea de rupere admisă a materialului ar. Se știe că tensiunea a într-un disc sau rotorul cilindric MH depinde de v2. În funcție de forma geometrică a volanelor metalice, acestea se caracterizează prin viteze limită permise la periferia de aproximativ 200 până la 500 m / s.

Energie stocată, în special pentru volanta subțire a jantei, W\u003d Mv /2 (Meste masa inelului rotativ). Energie specifică WYA\u003d W/ M \u003d v2 /2 nu depinde de dimensiunea inelului și este determinat de raportul parametrilor Op / y din materialul său (vezi Sec. 4.5.1, unde se arată că v2 \u003d opjY). Trebuie menționat că un model similar pentru Wya ~ avjу are loc și în stocarea de energie inductivă (vezi cap. 2), deși diferă semnificativ de MN în natura fizică. În cazul general, la fabricarea elementelor de stocare MN, este necesar să se utilizeze materiale cu Gp / y\u003e 105 J / kg. Cele mai potrivite materiale sunt oțelurile din aliaj de înaltă rezistență, aliajele de titan, precum și aliajele de aluminiu ușor (tip duralumin) și aliajele de magneziu (tip electron). Folosind materiale metalice, este posibilă obținerea energiei specifice MN până la Wm \u003d 200-300 kJ / kg.

Concepute pentru a crea volane cu energii specifice deosebit de ridicate (super volane), materialele din fibre fine pot furniza teoretic următoarele niveluri ale indicelui Wya: filamente de sticlă - 650 kJ / kg, filamente de cuarț - 5000 kJ / kg, fibre de carbon (cu o structură de diamant) -15000 kJ / kg ... Filamentele (sau benzile din ele) și rășinile adezive formează o structură compozită, a cărei rezistență este mai mică decât cea a fibrelor originale. Ținând cont de elementele de fixare în volanele super-volane reale, valorile Zhud sunt obținute practic mai mici decât cele indicate, dar încă relativ mai mari decât în \u200b\u200balte varietăți de MN. Volantele super volante permit viteze periferice până la v "1000 m / s. Implementarea tehnică a acestor dispozitive necesită condiții speciale. De exemplu, este necesară instalarea unei volane într-o carcasă evacuată, deoarece valorile indicate v corespund cu viteze supersonice în aer (numărul Mach Ma\u003e 1), care, în cazul general, pot provoca o serie de efecte inacceptabile: apariția șocurilor de compactare a aerului și a undelor de șoc, o creștere accentuată a tragerii aerodinamice și a temperaturii.

Volantele super-straturi din fibre multistrat au o fiabilitate destul de ridicată și sunt mai sigure în funcționare decât volanele solide. Sub sarcini inacceptabile cauzate de forțe inerțiale, sunt distruse doar straturile exterioare cele mai stresate ale structurii compozitului de fibre ale super volanului, în timp ce distrugerea unei volane masive este însoțită de împrăștierea părților sale rupte.

Combinația proprietăților MN static și dinamic are loc în diferite dispozitive. Cel mai simplu dintre acestea este pendulul oscilant. Procesul ciclic de transformare reciprocă a energiei potențiale în energie cinetică poate fi menținut pentru o perioadă suficient de lungă, dacă se compensează pierderile din mecanismul pendulului.

Să luăm în considerare exemple ilustrative de MN-uri care stochează atât energie cinetică cât și potențială la o taxă. Ele demonstrează posibilitățile fundamentale ale utilizării practice comune a ambelor tipuri de energie mecanică acumulată. În fig. 4.1, și greutatea indicată M, rotind în jurul centrului DESPRE pe o coardă de rigiditate absolut rigidă, deviată din poziția verticală printr-un unghi cf. Viteza liniară v corespunde mișcării de rotație a lui M de-a lungul unui cerc de rază g. Energia potențială a sarcinii wn\u003d gMh datorită creșterii sale la înălțime h ca urmare a respingerii. Energia cinetică a sarcinii este de 1FK \u003d 0,5 mv2 . Sarcina este acționată de forța F \u003d F „+ Fr. Componenta sa inerțială este FK \u003d Mv lr\u003e valoarea componentei gravitaționale F T \u003d gM. Deoarece F „/ Fr \u003d r2 / rg \u003d tg (D, în măsura în care wn/ Sapt \u003d 2 ore/ rtg^>. Dacă Uchest ^! că A \u003d / (l - coscp) și r \u003d / sincp, apoi / y / r \u003d (1 - coscp) / sinср. Prin urmare, W„L lFK \u003d 2coscp / (l + cos (p), iar în cazul cp-\u003e 0 obținem Wn / WK-\u003e 1. Prin urmare, la unghiuri mici cp, energia stocată fV \u003d JVK + Wn poate fi distribuită la frecvențe egale (W Valoarea lui Wn poate fi crescută , dacă fixați sarcina pe o suspensie elastică (bară sau șnur).

Un alt exemplu de acumulare articulară W„ și săpt servește ca volant rotativ cu margine fină (Fig.4.1, b), care avea elasticitate (rigiditate) N. Tensiunea la margine ^ p \u003d NAI este proporțională cu alungirea elastică A / \u003d 2n (r - r0) cauzată de forțele de inerție AFr \u003d AMv2 / r, distribuite Nymi de-a lungul circumferinței jantei cu o rază r. Echilibrul unui element al jantei cu masa 2DM \u003d 2 (A // 2n;) A (p este determinată de relația 2A / v \u003d 2A / 7 (() sinAcp ^ Ai ^ Acp, de unde 0,5 mv2 \u003d 2K2 (r - r0 ) N. Prin urmare, energia cinetică a jantei LVK \u003d 2n2 (r - r0 ) N. De când energia potențială stocată)