Механічний акумулятор електричної енергії. Застосування накопичувачів електроенергії. Загальні відомості про енергетичні накопичувачах

механічним накопичувачем (МН), або акумулятором механічної енергії, називається пристрій для запасання і зберігання кінетичної або потенційної енергії з наступною віддачею її для здійснення корисної роботи.

Як і для будь-якого виду накопичувачів енергії (НЕ), характерними режимами роботи МН є заряд (Накопичення) і розряд (Віддача енергії). зберігання енергії служить проміжним режимом МН. У зарядному режимі до МН підводиться механічна енергія від зовнішнього джерела, причому конкретна технічна реалізація джерела енергії визначається типом МН. При розряді МН основна частина збереженої їм енергії передається споживачеві. Деяка частина накопиченої енергії витрачається на компенсацію втрат, що мають місце в розрядному режимі, а в більшості видів МН - і в режимах зберігання.

Оскільки в ряді накопичувальних установок час заряД3 може набагато перевершувати час розряду (Г3 »гр), ^ можливе істотне перевищення среднеразрядяой мій" ності РР над середньою потужністю Р3 заряду МН. Таким чином, в МН накопичувати енергію допустимо за допомогою порівняно малопотужних джерел.

Основні різновиди МН підрозділяються на статичні, динамічні і комбіновані пристрої.

статичні МН запасають потенційну енергію за допомогою пружного зміни форми або об'єму робочого тіла або при його переміщенні проти напрямку сили тяжіння в гравітаційному полі. Тверде, рідинне або газоподібне робоче тіло цих МН має статичний стан в режимі зберігання енергії, а заряд і розряд НЕ супроводжуються рухом робочого тіла.

динамічні МН акумулюють кінетичну енергію переважно в обертових масах твердих тіл. Умовно - до динамічних МН можна віднести також накопітельние- пристрої прискорювачів заряджених елементарних частинок, в яких запасається кінетична енергія електронів або протонів, циклічно рухомих по замкнутих траєкторіях.

комбіновані МН запасають одночасно кінетичну і потенційну енергію. Прикладом комбінованого МН може служити супермаховик з високоміцного волокнистого матеріалу, що має відносно малий модуль пружності. При обертанні даного МН в ньому поряд з кінетичної енергією запасається потенційна енергія пружної деформації. Під час вилучення накопиченої енергії з такого МН досягається використання обох її видів.

За рівнем питомої накопиченої енергії, що припадає на одиницю маси або обсягу акумулює елемента, динамічні інерційні МН істотно перевершують деякі інші різновиди НЕ (наприклад, індуктивні і ємнісні накопичувачі). Тому МН представляють великий практичний інтерес для різноманітних застосувань в різних галузях техніки і наукових досліджень.

Окремі види МН знайшли до теперішнього часу великомасштабне застосування в електроенергетиці, наприклад гід - Роаккумулірующіе установки електричних станцій. Зарядно - Розрядний цикл їх роботи досягає десятків годин.

Для інерційних МН характерні короткочасні раз- Рядні режими. Відбір енергії від МН супроводжується зменшенням кутової швидкості маховика до допустимого Рівня. В окремих випадках гальмування може відбуватися аж до повної зупинки маховика. Можливі «ударні» Розряди, що відрізняються одноразовим або циклічним відбором збереженої енергії, причому внаслідок великого кінетичного моменту і малого часу розряду МН зниження Кутовий швидкості його ротора відносно невелике, хоча 0тДаваемая потужність може досягати досить високих значень. У такому режимі МН особливі вимоги пред'являються до забезпечення міцності вала. Під впливом крутного моменту в валі виникають небезпечні дотичні напруження, ча. сть кінетичної енергії ротора переходить в потенційну енергію пружних деформацій кручення валу. Для подолання зазначених труднощів в окремих конструкціях МН передбачаються пружні або фрикційні муфти.

Статичні МН зберігають накопичену енергію, перебуваючи в нерухомому стані. Носіями потенційної енергії в них служать пружно деформовані тверді тіла або стислі гази, що знаходяться під надлишковим тиском, а також маси, підняті на висоту відносно земної поверхні. Типовими прикладами статичних МН є: розтягнуті або стислі пружини, гуми; газобалонні акумулятори та Пневмоакумулятори; ударні пристрої різних копрів, наприклад для забивання паль, які використовують енергію мас в піднятому стані; водосховища гідроакумулюючих електростанцій, баки водонапірних установок. Наведемо основні енергетичні співвідношення і характерні параметри деяких типових пристроїв.

Розглянемо МН з пружними елементами.

вважаємо твердотельную систему лінійної, тоді пружний накопичувальний елемент має постійну жорсткість (або пружність) N= Const. Діюча на нього сила F\u003d Nx пропорційна лінійній деформації х. Досконала при заряді МН елементарна робота dW\u003d Fdx. Повна запасені енергія

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

деAh - результуюча деформація, обмежена, наприклад, допустимим напругою ар матеріалу; Fn = NAh -Додатків сила.

Оцінимо питому енергію Wya \u003d Wj М, що припадає на одиницю маси M \u003d yV\u003d ySh пружини або стрижня об'ємом V і перетином S, матеріал яких має щільність у і працює на розрив в межах закону Гука a \u003d xfE, причому X* \u003d Xfh- відносна деформація, Е-модуль пружності (Юнга), G ^ Gp. ввівши da \u003d Edx„ можемо записати DW\u003d Fhdx* \u003d Fhdo/ Е і dWya \u003d dW/ ySh \u003d Fda/ ySE, звідки при C \u003d F/ S знаходимо

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

для сталевих пружин приймемо з "\u003d 8 108 Н / м "Е \u003d 2 , 1-1011 Н / м2, у \u003d 7800 кг / м3, тоді Wya ^200 Дж/ Кг. АнаЛогічний розрахунок для технічної гуми дає ^ уд ^ 350 Дж / кг, однак через гістерезисного характеру залежності F= F(X) У циклі «заряд-розряд» виникають втрати і нагрів призводять До поступового старіння (руйнування) гуми, нестабільності й погіршення її пружних властивостей.

Газоаккумулірующая система знаходиться в механічно нерівноважному стані по відношенню до навколишнього середовища: при рівності температур системи і навколишнього середовища (Т \u003d Т0С) тиск системи р\u003e р0, з, тому система може здійснювати роботу. Запас пружної енергії стисненого в балоні об'ємом V газу становить

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

На одиницю маси М будь-якого стисненого газу відповідно до (4.1) припадає питома енергія

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

На підставі (4.2) при К \u003d 1м3 значення W- WysM чисельно дорівнює перепаду тиску Ар \u003d р1-р 1. Наприклад, якщо А /? \u003d 250 105 Па (початковий тиск р! \u003d Ю5Па), то ІЛ \u003d 25-106 Дж незалежно від хімічного складу газу. Максимальне значення Wya при розширенні стисненого газу до нульового тиску при даній температурі відповідно до рівняння Менделєєва - Клапейрона PV- MvRyT становить

Wya\u003d WlM \u003d RyTI », (4.3)

Де ц \u003d М / Мц - молярна маса (кг / кмоль); Ry & ~ 8,314 кДж / (кмоль К) - універсальна газова постійна при Тх273 К; /? «105Па; Мм - кількість кіломолей в газі масою М.

З (4.3) видно, що найбільш ефективним є застосування в МН легких газів. Для самого легкого газу - водню (ц \u003d 2 кг / кмоль) при Г \u003d 300 К питома енергія ~ 1250 кДж / кг (або 1250 Дж / г). В (4.3) тиск в явному вигляді не входить, так як Wya визначається по (4.2) відношенням надлишкового тиску газу до його густини. Остання при підвищенні тиску і Г \u003d const зростає за лінійним законом (в ізотермічному процесі PV= Const). Слід зауважити, що доцільні для ефективного застосування розглянутих МН високі тиску обумовлюють з міркувань міцності істотну масу газових балонів, з урахуванням якої значення Wya установки в цілому може знижуватися майже на порядок в порівнянні з fVya з (4.2), (4.3). Оцінку міцності балонів можна провести, користуючись Розрахунковими співвідношеннями § 4.5.7.

Розглянемо гравітаційні накопичувачі енергії.

Гравістатіческая енергія тяжіння Землі (на рівні репетуючи) оцінюється досить високим показником "уд \u003d 61,6 МДж / кг, який характеризує роботу, необхідну для рівномірного переміщення тіла масою М х \u003d Кг з земної поверхні в космічний простір (для порівняння зазначимо, що це значення PVya приблизно в рази більше хімічної енергії 1 кг гасу). При підйомі вантажу масою М на висоту h \u003d x2 - xl запасені потенційна енергія

W \u003d JgMdx \u003d gMh , (4.4)

Де M \u003d const, g \u003d 9,8l м / с2. Згідно (4.4) питома енергія Wya\u003d Wj M\u003d gh залежить тільки від висоти h. Запасені енергія вивільняється при падінні вантажу і здійсненні відповідної корисної роботи в результаті переходу потенційної енергії в кінетичну. Найбільшу питому кінетичну енергію в природі при падінні можуть розвивати метеорити, для яких Wya ^ 60 МДж / кг (без урахування витрат енергії на тертя в атмосфері).

Безпосереднє використання гравістатіческіх сил, зі - здабаемих природними масами, практично неможливо. Однак, перекачуючи воду в підняті штучні водосховища або з підземних водоймищ на поверхню, можна накопичити достатньо велику кількість потенційної енергії для великомасштабних застосувань в електроенергетичних системах. Якщо різниця рівнів h \u003d 200 м, то в розрахунку на масу води М \u003d 103кг запасені енергія по (4.4) дорівнює І\u003e "\u003d 1962 кДж, питома енергія Wya\u003d WjM= 1,962 кДж / кг.

Розглянемо інерційні кінетичні МН.

Кінетичну енергію в принципі можна запасати при будь-якому русі маси. Для рівномірного поступального руху тіла масою М зі швидкістю v кінетична енергія W\u003d Mv2 / 2. Питома енергія Wya\u003d W/ M \u003d v2 j2 залежить (квадратично) тільки від лінійної швидкості тіла. Тіло, що рухається з першою космічною швидкістю км / с, має питому

Енергію Wyax32 МДж / кг.

Для різноманітних енергетичних і транспортних застосувань раціональні МН обертального руху - інерційні МН (маховики). Запасена кінетична енергія W \u003d J & / ~ визначається квадратом кутової швидкості Q \u003d 2nn (П - частота обертання) і моментом інерції J маховика щодо осі обертання. Якщо дисковий маховик має радіус г і масу М = yV (V-Об `єм, у - щільність матеріалу), т °

J ^ Mr2 / 2 \u003d yVr2j2 і W \u003d n2Mr2n2 \u003d n2yVr2n2. Відповідна питома енергія (на одиницю М або V) становить FV/ M\u003d n* r2n2 , Дж / кг і lV0ya\u003d W/ V\u003d n2yr2n2 , Дж / м3. Значення Q і п при заданому розмірі г обмежуються лінійної окружною швидкістю v \u003d Q.r \u003d 2mr, пов'язаної з допустимим розривають напругою матеріалу ар. Відомо, що напруга а в дисковому або циліндричному роторі МН залежить від v2. Залежно від геометричної форми металевих маховиків для них характерні допустимі граничні швидкості на периферії приблизно від 200 до 500 м / с.

Накопичена енергія, зокрема для тонкого ободкового маховика, W\u003d Mv /2 (М-маса обертового кільця). питома енергія Wya\u003d W/ M \u003d v2 /2 не залежить від розмірів кільця і \u200b\u200bвизначається співвідношенням параметрів Ор / у його матеріалу (див. § 4.5.1, де показано, що v2 \u003d opjУ). Слід зазначити, що аналогічна закономірність для Wya ~ avjу має місце також в індуктивних накопичувачах енергії (див. Гл. 2), хоча вони істотно відрізняються від МН по фізичній природі. У загальному випадку при виготовленні накопичувальних елементів МН необхідно застосовувати матеріали з підвищеними значеннями Gp / y\u003e 105 Дж / кг. Найбільш відповідними матеріалами є високоміцні леговані стали, титанові сплави, а також легкі алюмінієві сплави (типу «дюраль») і магнієві сплави (типу «електрон»). Застосовуючи металеві матеріали, можна отримати питому енергію МН до Wm \u003d 200-300 до Дж / кг.

Призначені длй створення маховиків з особливо великими питомими енергіями (супермаховиков) тонковолокнисті матеріали теоретично можуть забезпечити такі рівні показника Wya: скляні нитки-650 кДж / кг, кварцові нитки - 5000 кДж / кг, вуглецеві волокна (зі структурою алмазу) -15000 кДж / кг . Нитки (або виконані з них стрічки) і клеющие смоли утворюють композитну конструкцію, міцність якої нижче, ніж у вихідних волокон. З урахуванням елементів кріплення в реальних супер - маховиках практично досягаються значення Жуд менше Зазначених, але все ж відносно більш високі, ніж в інших різновидах МН. Супермаховики допускають окружні швидкості до v «1000 м / с. Технічна реалізація таких Пристроїв вимагає забезпечення спеціальних умов. Наприклад, Необхідна установка маховика в вакуумованому кожусі, так як вказані значення v відповідають надзвукових швидкостей в повітрі (число Маха Ма\u003e 1), які в загальному випадку можуть викликати цілий ряд неприпустимих ефектів: Поява стрибків ущільнення повітря і ударних хвиль, різке підвищення аеродинамічного опору і температури.

Багатошарові волокнисті супермаховики мають досить високою надійністю і безпечніше в експлуатації, ніж суцільні маховики. При неприпустимих навантаженнях, обумовлених інерційними силами, руйнуються "тільки найбільш напружені зовнішні шари волоконної композитної конструкції супермаховика, тоді як руйнування масивного маховика супроводжується розлітанням його розірвалися частин.

Поєднання властивостей статичного і динамічного МН має місце в різних пристроях. Найпростішим з них є що коливається маятник. Циклічний процес взаємного перетворення потенційної енергії в кінетичну може підтримуватися досить довго, якщо компенсувати втрати в маятниковому механізмі.

Розглянемо ілюстративні приклади МН, що запасають при заряді одночасно кінетичну і потенційну енергію. Вони демонструють принципові можливості спільного практичного використання обох видів накопиченої механічної енергії. На рис. 4.1, а показаний вантаж масою М, обертається навколо центру Про на абсолютно жорсткій струні довжиною /, відхиленою від вертикального положення на кут пор. лінійна швидкість v відповідає обертальному руху М по колу радіуса м Потенційна енергія вантажу Wn\u003d gMh обумовлена \u200b\u200bйого підйомом на висоту h в результаті відхилення. Кінетична енергія вантажу становить 1FK \u003d 0,5 Mv2 . На вантаж діє сила F \u003d F "+ Fr. Її інерційна компонента дорівнює FK \u003d Mv lr\u003e значення гравітаціонноі компоненти F T \u003d gM. Оскільки F "/ Fr \u003d r2 / rg \u003d tg (D, остільки Wn/ WK \u003d 2h/ rtg^>. Якщо врахувати ^! що A \u003d / (l - coscp) і r \u003d / sincp, то / г / г \u003d (1 - coscp) / sinср. Таким чином, W"l lFK \u003d 2coscp / (l + cos (p), і в разі порівн-\u003e 0 отримуємо Wn / WK-\u003e 1. Отже, при малих кутах ср запасені енергія fV \u003d JVK + Wn може розподілятися на рівні част (WЗначеніе Wn можна збільшити , якщо закріпити вантаж на пружному підвісі (прутки або струні).

Іншим прикладом спільного накопичення W„ і WK служить обертається тонкоободковий маховик (рис. 4.1, б), який володів пружністю (твердістю) N. Натяг в обід ^ р \u003d NAI пропорційно пружного подовження А / \u003d 2л (г -г0), викликаному інерційними силами AFr \u003d AMv2 / Г, розподілений ними по колу обода радіусом р Рівновага елемента обода масою 2ДМ \u003d 2 (Л // 2л;) Д (р визначається співвідношенням 2A / v \u003d 2A / 7 (() sinAcp ^ Ai ^ Acp, звідки 0,5 Mv2 \u003d 2K2 (r - r0 ) N. Отже, кінетична енергія обода lVK \u003d 2n2 (r - r0 ) N. Оскільки запасені потенційна енергія)