Akumulator mekanik i energjisë elektrike. Përdorimi i pajisjeve për ruajtjen e energjisë. Informacione të përgjithshme në lidhje me ruajtjen e energjisë

Magazinimi mekanik (MN), ose akumulator i energjisë mekanike, është një pajisje për ruajtjen dhe ruajtjen e energjisë kinetike ose potenciale me lëshimin e saj pasues për punë të dobishme.

Ndërsa për çdo lloj pajisje për ruajtjen e energjisë (EE), mënyrat karakteristike të funksionimit të MN janë ngarkuar (akumulimi) dhe shkarkimi (kthimi i energjisë). Magazinimi energjia shërben si një mënyrë e ndërmjetme MN. Në mënyrën e karikimit, energjia mekanike furnizohet në MN nga një burim i jashtëm dhe zbatimi specifik teknik i burimit të energjisë përcaktohet nga lloji i MN. Kur MN shkarkohet, pjesa kryesore e energjisë së depozituar transferohet te konsumatori. Një pjesë e energjisë së akumuluar shpenzohet për kompensimin e humbjeve që ndodhin në mënyrën e shkarkimit, dhe në shumicën e llojeve të MN - në mënyrat e ruajtjes.

Meqenëse në një numër instalimesh depozitimi koha e ngarkimit D3 mund të jetë shumë më e gjatë se koha e shkarkimit (r3 "g), një tejkalim i konsiderueshëm i normës mesatare të shkarkimit është i mundur. RP mbi fuqinë mesatare P3 ngarkuar MN. Kështu, është e lejueshme të grumbullohet energji në MP duke përdorur burime relativisht të ulëta të energjisë.

Llojet kryesore të MN ndahen në pajisje statike, dinamike dhe të kombinuara.

Statike MN ruan energjinë e mundshme përmes ndryshimeve elastike në formën ose vëllimin e lëngut të punës ose kur lëviz kundër drejtimit të gravitetit në një fushë gravitacioni. Lëngu i ngurtë, i lëngët ose i gaztë i punës i këtyre MN-ve ka një gjendje statike në mënyrën e ruajtjes së energjisë dhe ngarkesa dhe shkarkimi i NE shoqërohen nga lëvizja e lëngut punues.

Dinamik MN grumbullojnë energji kinetike kryesisht në masat rrotulluese të trupave të ngurtë. Me kusht - pajisjet e ruajtjes së akseleratorëve të grimcave elementare të ngarkuara, në të cilat ruhet energjia kinetike e elektroneve ose protoneve, që lëvizin në mënyrë ciklike përgjatë trajekteve të mbyllura, gjithashtu mund t'u referohen deputetëve dinamikë.

Kombinuar MN ruan energjinë kinetike dhe potenciale. Një shembull i një MN të kombinuar është një super volant i bërë nga një material fijor me rezistencë të lartë me një modul relativisht të ulët të elasticitetit. Kur një MI i caktuar rrotullohet, energjia e mundshme e deformimit elastik ruhet në të së bashku me energjinë kinetike. Kur nxjerrni energjinë e akumuluar nga një MN i tillë, arrihet përdorimi i të dy llojeve të tij.

Për sa i përket nivelit të energjisë specifike të akumuluar për njësi të masës ose vëllimit të elementit akumulues, MN inerciale dinamike është dukshëm më e lartë se disa lloje të tjera të NE (për shembull, depozita induktive dhe kapacitive). Prandaj, MN-të kanë interes të madh praktik për aplikime të ndryshme në degë të ndryshme të teknologjisë dhe kërkimit shkencor.

Lloje të caktuara të MP kanë gjetur deri tani aplikim në shkallë të gjerë në industrinë e energjisë elektrike, për shembull, udhëzues - Instalimet e magazinimit të kulmit të termocentraleve. Karikimi - Cikli i shkarkimit të punës së tyre arrin në dhjetëra orë.

Për deputetët inercial, mënyrat e shkarkimit afatshkurtra janë karakteristike. Nxjerrja e energjisë nga MP shoqërohet me një ulje të shpejtësisë këndore të volantit në nivelin e lejuar. Në disa raste, frenimi mund të ndodhë deri në ndaljen e plotë të volantit. Shkarkimet e mundshme "goditëse", të karakterizuara nga një tërheqje një herë ose ciklike e energjisë së ruajtur dhe për shkak të momentit të madh këndor dhe kohës së shkurtër të shkarkimit të MN, ulja e shpejtësisë këndore të rotorit të saj është relativisht e vogël, megjithëse fuqia e furnizuar mund të arrijë vlera mjaft të larta. Në këtë mënyrë MN, kërkesa të veçanta imponohen për të siguruar forcën e boshtit. Nën ndikimin e momentit rrotullues, tensionet e rrezikshme të prerjes lindin në bosht, h. energjia kinetike e rotorit shndërrohet në energji potenciale të deformimit elastik të rrotullimit të boshtit. Për të kapërcyer vështirësitë e mësipërme, kthetrat elastike ose të fërkimit sigurohen në modelet individuale të MN.

MN-të statike ruajnë energjinë e depozituar, duke qenë në gjendje stacionare. Transportuesit e energjisë potenciale në to janë lëndë të ngurta të deformuara në mënyrë elastike ose gazra të kompresuar nën presion të tepërt, si dhe masa të ngritura në një lartësi në krahasim me sipërfaqen e tokës. Shembuj tipikë të MN statik janë: burimet e shtrirë ose të kompresuar, gomat; akumulatorët e gazit dhe akumulatorët pneumatikë; pajisjet e goditjes së shtyllave të ndryshme, për shembull, për ngarjen e shtyllave, duke përdorur energjinë e masave në një gjendje të ngritur; rezervuarët e centraleve të magazinimit të pompuar, rezervuarët e instalimeve të presionit të ujit. Këtu janë raportet kryesore të energjisë dhe parametrat karakteristikë të disa pajisjeve tipike.

Konsideroni një MN me elastik elementet.

Ne besojmë gjendje solide sistemi është linear, atëherë elementi i ruajtjes elastike ka ngurtësi të vazhdueshme (ose elasticitet) N= Konst. Forca që vepron mbi të F\u003d Nx proporcionale me deformimin linear x Puna elementare e përsosur kur ngarkohet me MH dW\u003d Fdx. Energjia totale e depozituar

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

KuAh është deformimi që rezulton, i kufizuar, për shembull, Të pranueshme tensioni ar material; Fn = NAh - forca e aplikuar.

Le të vlerësojmë energjinë specifike Wya \u003d Wj M, për njësi të masës M \u003d yV\u003d ySh vëllimi i pranverës ose shufrës V dhe seksioni S, materiali i së cilës ka një dendësi y dhe punon për t’u thyer brenda kufijve të ligjit Hooke a \u003d xfE, për më tepër X* \u003d xfh- deformimi relativ, E-moduli i elasticitetit (i Ri), G ^ Gp. Duke ju prezantuar da \u003d Edx„ ne mund të shkruajmë DW\u003d Fhdx* \u003d Fhdo/ E dhe dWya \u003d dW/ ySh \u003d Fda/ ySE, prej nga C \u003d F/ S Gjej

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

Për çelikun do pranojmë pranvera me „\u003d 8 108 N / m "E \u003d 2 , 1-1011 N / m2, y \u003d 7800 kg / m3, atëherë Wya ^200 J/ kg AnaNjë llogaritje logjike për gomën teknike jep ^ rreh ^ 350 J / kg, megjithatë, për shkak të natyrës hysteresis të varësisë F= F(X) Në ciklin e shkarkimit të ngarkesës, humbjet dhe ngrohja që rezultojnë sjellin TE plakja (shkatërrimi) gradual i gomës, paqëndrueshmëria dhe përkeqësimi i vetive të tij elastike.

Magazinimi i gazit sistemi është në gjendje mekanike jo ekuilibri në lidhje me mjedisin: kur temperaturat e sistemit dhe mjedisit janë të barabarta (T \u003d T0C) presioni i sistemit p\u003e p0, c, prandaj, sistemi mund të bëjë punë. Rezerva e energjisë elastike e ngjeshur në një vëllim cilindri V gazi është

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

Sipas (4.1), për njësi të masës M të çdo gazi të kompresuar, ekziston një energji specifike

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

Bazuar në (4.2) në K \u003d 1m3 vlerën W- WysM numerikisht e barabartë me rënien e presionit Ap \u003d p1-p1. Për shembull, nëse A /? \u003d 250 105 Pa (presioni fillestar p! \u003d 105 Pa), pastaj IL \u003d 25-106 J, pa marrë parasysh përbërjen kimike të gazit. Vlera maksimale e Wya gjatë zgjerimit të gazit të kompresuar në presionin zero në një temperaturë të caktuar sipas ekuacionit Mendeleev - Clapeyron PV- MvRyT është

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

Ku c \u003d M / Mts - masa molare (kg / kmol); Ry & ~ 8.314 kJ / (kmol K) - konstante universale e gazit në Тх273 К; /? "105Pa; Mm është numri i kilomoleve në një gaz me masë M.

Mund të shihet nga (4.3) që përdorimi i gazrave të lehta në ML është më efektivi. Për gazin më të lehtë, hidrogjen (μ \u003d 2 kg / kmol) në T \u003d 300 K, energjia specifike është ~ 1250 kJ / kg (ose 1250 J / g). Në (4.3), presioni nuk përfshihet qartë, pasi Wya përcaktohet nga (4.2) nga raporti i presionit të gazit të tepërt me densitetin e tij. Kjo e fundit me presion në rritje dhe Г \u003d konst rritet në mënyrë lineare (në procesin izotermik PV= Konst) Duhet të theksohet se presionet e larta që janë të arsyeshme për zbatimin efektiv të MN në shqyrtim shkaktojnë, për arsye të forcës, një masë të konsiderueshme të bombolave \u200b\u200btë gazit, duke marrë parasysh se vlera e Wya e instalimit si një e tërë mund të ulet me pothuajse një rend madhësie krahasuar me fVya nga (4.2), (4.3). Vlerësimi i rezistencës së cilindrave mund të kryhet duke përdorur Marrëdhëniet e Projektimit. 4.5.7.

Konsideroni gravitacionale pajisje për ruajtjen e energjisë.

Energjia gravitacionale gravitacionale e gravitetit të Tokës (në nivelin e ory) vlerësohet si një tregues mjaft i lartë "rrahje \u003d 61.6 MJ / kg, e cila karakterizon punën e nevojshme për lëvizjen uniforme të një trupi me një masë prej Mx \u003d Kg nga sipërfaqja e tokës në hapësirën e jashtme (për krahasim, ne do të tregojmë se kjo vlerë PVya është afërsisht dyfishi i energjisë kimike prej 1 kg vajguri) .Kur ngre një ngarkesë me masë M deri në lartësi h \u003d x2 - xl energjia e mundshme e ruajtur

W \u003d jgMdx \u003d gMh , (4.4)

Ku M \u003d konst, g \u003d 9,8 l m / s2. Sipas (4.4), energjia specifike Wya\u003d Wj M\u003d gh varet vetëm nga lartësia h. Energjia e depozituar lirohet kur ngarkesa bie dhe puna përkatëse e dobishme kryhet si rezultat i transformimit të energjisë potenciale në atë kinetike. Energjia kinetike më e lartë specifike në natyrë kur bie mund të zhvillohet nga meteoritët, për të cilët Wya ^ 60 MJ / kg (duke përjashtuar konsumin e energjisë për fërkime në atmosferë).

Përdorimi i drejtpërdrejtë i forcave gravistatike të gjeneruara nga masat natyrore është praktikisht e pamundur. Sidoqoftë, duke pompuar ujë në rezervuarë artificialë të ngritur ose nga rezervuarë nëntokësorë në sipërfaqe, një sasi mjaft e madhe e energjisë potenciale mund të grumbullohet për aplikime në shkallë të gjerë në sistemet e energjisë elektrike. Nëse ndryshimi i nivelit h \u003d 200 m, atëherë, bazuar në masën e ujit M \u003d 103 kg, energjia e depozituar sipas (4.4) është e barabartë me I\u003e "\u003d 1962 kJ, energji specifike Wya\u003d WjM= 1.962 kJ / kg.

Konsideroni kinetike inerciale MN

Në parim, energjia kinetike mund të ruhet për çdo lëvizje të masës. Për lëvizje uniforme përkthimore të një trupi me masë M me shpejtesi v energjia kinetike W\u003d Mv2 / 2. Energji specifike Wya\u003d W/ M \u003d v2 j2 varet (kuadratikisht) vetëm nga shpejtësia lineare e trupit. Një trup që lëviz me shpejtësinë e parë kozmike km / s ka një specifik

Energjia Wyax32 MJ / kg.

Për një larmi të aplikacioneve të energjisë dhe transportit, MN-të e lëvizjes rrotulluese janë MN racionale - inerciale (volantet). Energjia kinetike e ruajtur W \u003d J & / ~ përcaktohet nga katrori i shpejtësisë këndore Pyetje \u003d 2nn (P - shpejtësia) dhe momenti i inercisë J volant në krahasim me boshtin e rrotullimit. Nëse volant disku ka një rreze r dhe masës M = yV (V-vëllimi, në - dendësia e materialit), t °

J ^ Mr2 / 2 \u003d yVr2j2 dhe W \u003d n2Mr2n2 \u003d n2yVr2n2. Energjia specifike përkatëse (për njësi) M ose V) është FV/ M\u003d n* r2n2 , J / kg dhe lV0ya\u003d W/ V\u003d n2 vjet2n2 , J / m3. Vlerat e Q dhe n për një madhësi të caktuar r kufizohen nga shpejtësia lineare periferike v \u003d P.r \u003d 2mr, shoqërohet me stresin e lejueshëm të thyerjes së materialit ar. Dihet që voltazhi a në një disk ose rotor cilindrik MH varet nga v2. Në varësi të formës gjeometrike të volanteve metalike, ato karakterizohen nga shpejtësi maksimale të lejueshme në periferinë prej afërsisht 200 deri 500 m / s.

Energjia e ruajtur, në veçanti për një volant të hollë të buzës, W\u003d Mv /2 (Mështë masa e unazës rrotulluese). Energji specifike Wya\u003d W/ M \u003d v2 /2 nuk varet nga madhësia e unazës dhe përcaktohet nga raporti i parametrave Op / y të materialit të saj (shih Sek. 4.5.1, ku tregohet se v2 \u003d opjY) Duhet të theksohet se një model i ngjashëm për Wya ~ avjу gjithashtu ndodh në pajisjet e ruajtjes së energjisë induktive (shih Ch. 2), megjithëse ato ndryshojnë ndjeshëm nga MN në natyrën fizike. Në rastin e përgjithshëm, në prodhimin e elementeve të ruajtjes së MN, është e nevojshme të përdoren materiale me rritje të Gp / y\u003e 105 J / kg. Materialet më të përshtatshme janë çeliqet aliazh me rezistencë të lartë, lidhjet e titanit, si dhe lidhjet e lehta të aluminit (lloji duralumin) dhe lidhjet e magnezit (lloji i elektronit). Duke përdorur materiale metalike, është e mundur të merret energjia specifike MN deri në Wm \u003d 200-300 deri në J / kg.

Projektuar për krijimin e volave \u200b\u200bme energji specifike veçanërisht të larta (super volante), materialet me fibra të imët mund të sigurojnë teorikisht nivelet e mëposhtme të indeksit Wya: filamente qelqi - 650 kJ / kg, filamente kuarci - 5000 kJ / kg, fibra karboni (me strukturë diamanti) -15000 kJ / kg ... Filamentet (ose shiritat e bërë prej tyre) dhe rrëshirat ngjitëse formojnë një strukturë të përbërë, forca e së cilës është më e ulët se ajo e fibrave origjinale. Duke marrë parasysh elementët e fiksimit në super-volantet reale, vlerat e Zhudit praktikisht arrihen më pak se ato të treguara, por gjithsesi relativisht më të larta se në Varietetin tjetër të MN. Super volantet lejojnë shpejtësi periferike deri në v "1000 m / s. Zbatimi teknik i pajisjeve të tilla kërkon kushte të veçanta. Për shembull, është e nevojshme të instaloni një volant në një strehim të evakuar, pasi vlerat e treguara v korrespondojnë me shpejtësitë supersonike në ajër (numri Mach Ma\u003e 1), i cili në rastin e përgjithshëm mund të shkaktojë një numër efektesh të papranueshme: shfaqja e goditjeve të ngjeshjes së ajrit dhe valëve të goditjes, një rritje e mprehtë e tërheqjes aerodinamike dhe temperaturës.

Volantet super të fibrave me shumë shtresa kanë një besueshmëri mjaft të lartë dhe janë më të sigurta në punë sesa volantet e ngurta. Nën ngarkesa të papranueshme të shkaktuara nga forcat inerciale, "vetëm shtresat e jashtme më të stresuara të strukturës së përbërë nga fibra të super volantit shkatërrohen, ndërsa shkatërrimi i një volanti masiv shoqërohet me shpërndarjen e pjesëve të tij të coptuara.

Kombinimi i vetive të MN statike dhe dinamike zhvillohet në pajisje të ndryshme. Më e thjeshtë nga këto është lavjerrësi lëkundës. Procesi ciklik i transformimit reciprok të energjisë potenciale në energji kinetike mund të ruhet për një kohë të mjaftueshme nëse humbjet në mekanizmin e lavjerrësit kompensohen.

Le të shqyrtojmë shembuj ilustrues të MN që ruajnë energjitë kinetike dhe potenciale në të njëjtën kohë kur ngarkohen. Ato demonstrojnë mundësitë themelore të përdorimit praktik të përbashkët të të dy llojeve të energjisë mekanike të akumuluar. Në fig. 4.1, dhe tregohet pesha M, rrotullohen rreth qendrës RRETH në një varg absolutisht të ngurtë me gjatësi /, të devijuar nga pozicioni vertikal nga një kënd cf. Shpejtësia lineare v korrespondon me lëvizjen rrotulluese M rreth një rrethi të rrezes g Energjia potenciale e ngarkesës Wn\u003d gMh për shkak të ngritjes së saj në një lartësi h si rezultat i refuzimit. Energjia kinetike e ngarkesës është 1FK \u003d 0,5 Mv2 . Ngarkesa veprohet nga forca F \u003d F „+ Fr. Komponenti i saj inercial është FK \u003d Mv lr\u003e vlera e përbërësit gravitacional F T \u003d gM. Meqenëse F „/ Fr \u003d r2 / rg \u003d tg (D, për sa kohë që Wn/ Wk \u003d 2 orë/ RTG^>. Nëse Uchest ^! se A \u003d / (l - coscp) dhe r \u003d / sincp, atëherë / y / r \u003d (1 - coscp) / sinsr. Në këtë mënyrë, W„L lFK \u003d 2coscp / (l + cos (p), dhe në rastin e cp-\u003e 0 fitojmë Wn / WK-\u003e 1. Prandaj, në kënde të vogla cp, energjia e depozituar fV \u003d JVK + Wn mund të shpërndahet në frekuenca të barabarta (W Vlera e Wn mund të rritet , nëse rregulloni ngarkesën në një pezullim elastik (shirit ose tel).

Një shembull tjetër i akumulimit të përbashkët W„ dhe Wk një volant me rim të hollë rrotullues shërben si (Figura 4.1, b), i cili kishte elasticitet (ngurtësi) N. Tensioni në rim ^ p \u003d NAI është proporcional me zgjatimin elastik A / \u003d 2n (r-r0) të shkaktuar nga forcat inerciale AFR \u003d AMv2 / r, të shpërndara Nymi përgjatë perimetrit të buzës me rreze r. Ekuilibri i një elementi rim me masë 2DM \u003d 2 (A // 2l;) A (p përcaktohet nga relacioni 2A / v \u003d 2A / 7 (() sinAcp ^ Ai ^ Acp, prej nga 0,5 Mv2 \u003d 2K2 (r - r0 ) N. Prandaj, energjia kinetike e buzës lVK \u003d 2n2 (r - r0 ) N. Meqenëse energjia potenciale e ruajtur)