Akumulace energie setrvačníku - akumulace mechanické energie , ve které se energie akumuluje a ukládá ve formě kinetické energie rotujícího setrvačníku nebo jeho perspektivní konstrukce - supersetrvačníku a uvolňuje se ve formě mechanické energie rotace . Typ energie je tak zachován bez její transformace, což je nezbytný požadavek na zařízení pro ukládání energie [1] .
Zařízení pro ukládání energie setrvačníku je často kombinováno se zařízeními pro přeměnu typu energie - hydraulické, pneumatické, elektrické stroje, které tvoří systém skladování energie . Nejrozšířenější jsou systémy akumulace energie s elektrickými reverzními stroji ( motor - generátor ) . Pro nabíjení zásobníku energie setrvačníku pracuje elektrický stroj v režimu motoru, spotřebovává elektrickou energii z externího zdroje a zrychluje setrvačník (super setrvačník) a při vybíjení již elektrický stroj pracuje v režimu generátoru a uvolňuje elektrickou energii. , při zpomalování setrvačníku (super setrvačníku) [2] .
Zařízení pro ukládání energie setrvačníku založené na super setrvačníku má jeden z nejvyšších poměrů výkonu k hmotnosti mezi existujícími zařízeními pro ukládání energie. A při použití moderních vysokopevnostních materiálů, například grafenových pásek („papírů“) [3] , nejvyšší měrný energetický index ze všech pohonů.
Moderní zařízení pro ukládání energie setrvačníku jsou obvykle založena na pokročilých supersetrvačnících. „Klasické“ monolitické setrvačníky pro akumulační zařízení energie setrvačníku jsou stále méně rozšířené – akumulují příliš málo měrné energie a jsou velmi nebezpečné v případě havarijní destrukce (prasknutí).
Supersetrvačník je setrvačník s vysokou měrnou energetickou náročností, vyrobený navinutím s přesahem na pružný střed z materiálů s vysokou jednoosou pevností - dráty, pásky, vlákna s pojivem (lepením). Supersetrvačník není provozován na vzduchu, ale v prostředí se sníženým odporem proti otáčení, jako je vakuum. Existují tři hlavní typy superflywheelů - páska a vlákno, mnohem méně často - drát. Vyvíjeny jsou i kompozitové „lamelové“ supersetrvačníky z tenkých vysoce pevných disků.
Značná spotřeba energie na chlazení vedla k opuštění nízkoteplotních supravodičů pro použití v magnetických ložiscích pro systémy ukládání energie setrvačníku. Pro středněotáčkové supersetrvačníky jsou nejvhodnější hybridní valivá ložiska s keramickým tělesem.
U vysokorychlostních rotačních těles, jako jsou supersetrvačníky vyrobené z grafenových pásků, však může být použití vysokoteplotních supravodivých ložisek ekonomicky opodstatněné a případně může zvýšit úspory energie.
Fyzikální vlastnosti setrvačníky a supersetrvačníky úložných zařízení setrvačníku jsou si blízké a najdete je zde - Setrvačník - Fyzika
Ve srovnání s jinými metodami skladování energie mají systémy akumulace energie setrvačníku dlouhou životnost, obvykle přes 20 až 25 let.
Vysoká měrná energie aplikovaných rotačních těles s přihlédnutím k bezpečnostním faktorům - od 2,5 W*h/kg pro monolitické setrvačníky do 1200 W*h/kg pro pokročilé grafenové supersetrvačníky a velký maximální výstupní výkon. Účinnost zařízení může dosáhnout 95%. Rychlost nabíjení / vybíjení zařízení pro ukládání energie setrvačníku závisí na výkonu strojů k nim připojených. Pro účely rekuperace energie v elektrické železniční dopravě (například v podzemí) souvisí doba nabíjení/vybíjení s brzděním/zrychlováním elektrického vlaku a činí v průměru asi 15 sekund.
Měrná energetická náročnost (viz energetická náročnost ) setrvačníkových zásobníků energie je obvykle dána dvěma ukazateli - hmotnostním J/kg nebo W*h/kg a objemovým J/m 3 a W*h/m 3 .
Hlavní vlastností materiálu je vysoká pevnost . V tomto případě, pokud má materiál vysokou hustotu, pak se měrná hmotnostní energetická náročnost sníží, ale frekvence rotace setrvačníku (supersetrvačníku) se značně sníží. Při nízké hustotě materiálu tato energetická náročnost roste, ale na úkor výrazného zvýšení rychlosti otáčení, což vyžaduje značnou komplikaci podpěr a těsnění zásobníku energie setrvačníku a přidružených strojů - měničů energie. To platí jak pro rotační ložiska setrvačníku (supersetrvačník), tak pro systémy vývodového hřídele, stejně jako pro úroveň podtlaku v rotační komoře setrvačníku (supersetrvačník).
Pro monolitické setrvačníky se obvykle používají středně uhlíkové oceli s tepelným zpracováním (kalení dostatečně hlubokým popuštěním, aby nedocházelo ke křehnutí) jako 40X, 40XH a podobně. Ale kvůli omezené prokalitelnosti takových ocelí je výroba velkých setrvačníků technologicky obtížná. Byly také pokusy použít vysokopevnostní oceli, které odolávají vysokému namáhání. Takové materiály jsou však extrémně drahé a ekonomicky nerentabilní.
Pro supersetrvačníky budou použity jak vysokopevnostní oceli ve formě pásků ( KEST ), tak drátů ( experimenty Amber Kinetics ), tak i vysokopevnostní vláknité materiály (Kevlar, sklolaminát, uhlíkové vlákno atd.). Perspektivním materiálem pro výrobu superflywheelů je grafenová páska. Výhodou grafenového pásku oproti uhlíkovému vláknu je schopnost bezpečně rozbít tělo revoluce, podobně jako super setrvačníky z vysokopevnostní ocelové pásky.
Jedním z hlavních omezení konstrukce setrvačníků (supersetrvačníků) je pevnost v tahu materiálu rotačního tělesa při přetržení. Obecně platí, že čím silnější je setrvačník (superflywheel), tím rychleji se točí a tím více energie dokáže systém uložit.
Monolitické setrvačníky jsou roztrhány na velké úlomky (obvykle tři kusy), z nichž každý má obrovskou kinetickou energii, což způsobuje velkou destrukci. Kromě zničení z překročení pevnosti materiálu v tahu může dojít k prasknutí setrvačníku od skrytých vad, vlasových linií, skořápek atd.
Když je překročena pevnost v tahu kompozitního supersetrvačníku, rotační těleso se zhroutí a současně uvolní veškerou svou uloženou energii; toto je obyčejně odkazoval se na jako “exploze setrvačníku”, zatímco fragmenty kola mohou dosáhnout kinetické energie srovnatelné s tou kulky. Kompozitní materiály, které jsou navinuty a slepeny ve vrstvách, mají tendenci se rychle rozpadat, nejprve na vlákna malého průměru, která se vzájemně proplétají a zpomalují, a poté na horký prášek.
Řemenové supersetrvačníky se trhají přísně kontrolovaným způsobem odlamováním vnějších tenkých závitů pásky třenoucích o vnitřní povrch těla a zpomalením rotace hlavní hmoty supersetrvačníku. V tomto případě nedochází k poškození ani tenkého těla a celého systému ukládání energie.
Konvenční systémy se setrvačníky (supersetrvačníky, kromě páskových) vyžadují silná ochranná pouzdra nebo výkonné prstencové vložky, které výrazně zvyšují celkovou hmotnost zařízení. Uvolnění energie z lomu lze zmírnit použitím gelového nebo zapouzdřeného tekutého vnitřního obložení trupu, které absorbuje energii lomu.
Mnoho zákazníků velkokapacitních systémů pro uchovávání energie se setrvačníky se však rozhodlo je zapustit do země, aby zabránili průniku úlomků utrženého setrvačníku (supersetrvačníku) do trupu. Ale ne vždy to pomůže. Jsou známy případy horního výstupu úlomků z těla pohřbeného v zemi s destrukcí betonového krytu a blízkých budov.
Účinnost akumulace energie v setrvačníkových (super setrvačníkových) systémech je poměrně vysoká až 95 % při správném výběru valivých ložisek , úrovni podtlaku a dostatečně krátkých cyklech nabíjení-vybíjení (nejlépe méně než hodinu).
Pokusy připisovat značné ztráty z gyroskopických zátěží způsobených rotací Země nejsou oprávněné – tato gyroskopická zatížení jsou zanedbatelná. Například super setrvačník s frekvencí otáčení (ω 1 ) - 1500 s −1 , momentem setrvačnosti (I) - 8 kg * m 2 při frekvenci otáčení Země (ω 2 ) - asi 7,3 * 10 −5 s −1 gyroskopická momentová precese v nejnepříznivější poloze os otáčení je rovna M= I* ω 1* ω 2 = 8*1500*7,3*10 −5 = 0,8 N*m. Jedná se o zanedbatelné množství točivého momentu, které nemůže v žádném případě ovlivnit ani odolnost proti otáčení, ani životnost ložisek.
Gyroskopické zatížení způsobené zatáčením vozidla bude mít mnohem větší vliv, pokud se na něj nainstalují zařízení pro ukládání energie setrvačníku, ale také je účinně redukují systémy odpružení s elastickým tlumením .
Systémy akumulace energie setrvačníku (superflywheel) s vysokou účinností lze využít k rekuperaci brzdné energie u kolejových vozidel s velkým cyklickým pohybem, například u vlaků metra a elektrických vlaků. Úspora energie v těchto případech může dosáhnout 50 % i více.
Kromě toho lze tyto systémy úspěšně použít na jeřábech , výtazích a dalších zvedacích zařízeních. Současně může zisk ve spotřebě energie zdvihacích zařízení vybavených systémem akumulace energie setrvačníkem (super setrvačníkem) dosáhnout 90 % i více (například při vykládce kontejnerové lodi , jejíž náklad se nachází nad zónou vykládky).
S úspěchem lze tyto systémy použít pro rychlé nabíjení baterií elektromobilů, stabilizaci frekvence a výkonu v elektrických sítích [4] , v nepřerušitelných zdrojích energie, v hybridních instalacích vozidel atd.