Vauhtipyörän energian varastointi - mekaanisen energian varastointi , jossa energiaa kerääntyy ja varastoituu pyörivän vauhtipyörän tai sen lupaavan suunnittelun - supervauhtipyörän - liike-energian muodossa ja vapautuu mekaanisen pyörimisenergian muodossa . Siten energiatyyppi säilyy ilman sen muuntamista, mikä on olennainen vaatimus energian varastointilaitteille [1] .
Usein vauhtipyörän energian varastointilaite yhdistetään laitteisiin, joilla muunnetaan energiatyyppiä - hydraulisia, pneumaattisia, sähkökoneita, jotka muodostavat energian varastointijärjestelmän . Eniten käytetään energian varastointijärjestelmiä, joissa on sähköiset käännettävät koneet ( moottori - generaattori ) . Vauhtipyörän energian varastointilaitteen lataamiseksi sähkökone toimii moottoritilassa, kuluttaa sähköä ulkoisesta lähteestä ja kiihdyttää vauhtipyörää (supervauhtipyörä), ja purkautuessaan sähkökone toimii jo generaattoritilassa vapauttaen sähköenergiaa. , hidastaen samalla vauhtipyörää (supervauhtipyörä) [2] .
Supervauhtipyörään perustuvalla vauhtipyörän energian varastointilaitteella on yksi korkeimmista teho-paino-suhteista olemassa olevista energian varastointilaitteista. Ja kun käytetään nykyaikaisia lujia materiaaleja, esimerkiksi grafeeniteippejä ("papereita") [3] , kaikkien asemien korkein ominaisenergiaindeksi.
Nykyaikaiset vauhtipyörän energiavarastolaitteet perustuvat yleensä edistyneisiin supervauhtipyöriin. "Klassiset" monoliittiset vauhtipyörät vauhtipyörän energian varastointilaitteille ovat yhä harvinaisempia - ne keräävät liian vähän ominaisenergiaa ja ovat erittäin vaarallisia hätätuhojen (murtuman) sattuessa.
Supervauhtipyörä on korkean ominaisenergian intensiteetin omaava vauhtipyörä, joka on valmistettu käämimällä häiriösovituksella materiaalien elastiseen keskustaan, joilla on korkea yksiakselinen lujuus - langat, teipit, kuidut sideaineella (liimaus). Supervauhtipyörää ei käytetä ilmassa, vaan ympäristössä, jossa on alennettu pyörimisvastus, kuten tyhjiö. Supervauhtipyöriä on kolme päätyyppiä - teippi ja kuitu, paljon harvemmin - lanka. Myös ohuista lujista kiekoista valmistettuja komposiitti- "lamellaarisia" supervauhtipyöriä kehitetään.
Merkittävä jäähdytyksen energiankulutus johti vauhtipyörän energian varastointijärjestelmien magneettilaakereissa käytettävien matalan lämpötilan suprajohtimien luopumiseen. Keskinopeisiin supervauhtipyöriin sopivimmat ovat hybridirullalaakerit, joissa on keraaminen runko.
Nopeissa vallankumouskappaleissa, kuten grafeeninauhoista valmistetuissa supervauhtipyörissä , korkean lämpötilan suprajohtavien laakereiden käyttö voi kuitenkin olla taloudellisesti perusteltua ja mahdollisesti lisätä energiansäästöä.
Vauhtipyörän tallennuslaitteiden vauhtipyörien ja supervauhtipyörien fysikaaliset ominaisuudet ovat lähellä toisiaan ja ne löytyvät täältä - Vauhtipyörä - Fysiikka
Muihin energian varastointimenetelmiin verrattuna vauhtipyörän energianvarastointijärjestelmillä on pitkä käyttöikä, tyypillisesti yli 20-25 vuotta.
Käytettyjen pyörähdyskappaleiden korkea ominaisenergia ottaen huomioon turvallisuustekijät - 2,5 W*h/kg monoliittisille vauhtipyörille 1200 W*h/kg edistyneille grafeenisupervauhtipyörille ja suuri maksimilähtöteho. Laitteen hyötysuhde voi olla 95%. Vauhtipyörän energian varastointilaitteiden lataus-/purkausnopeus riippuu niihin liitettyjen koneiden tehosta. Sähköjunaliikenteen (esim. maanalainen) energian talteenoton kannalta lataus-/purkausaika liittyy sähköjunan jarrutukseen/kiihdytykseen ja on keskimäärin noin 15 sekuntia.
Vauhtipyörän energian varastointilaitteiden ominaisenergiaintensiteetti (katso energiaintensiteetti) saadaan yleensä kahdella indikaattorilla - massa J / kg tai W * h / kg ja tilavuus J / m 3 ja W * h / m 3 .
Materiaalin tärkein ominaisuus on korkea lujuus . Tässä tapauksessa, jos materiaalilla on korkea tiheys, ominaismassaenergian intensiteetti pienenee, mutta vauhtipyörän (supervauhtipyörän) pyörimistaajuus pienenee huomattavasti. Materiaalin alhaisella tiheydellä tämä energiaintensiteetti kasvaa, mutta pyörimisnopeuden merkittävän kasvun kustannuksella, mikä vaatii huomattavaa monimutkaista vauhtipyörän energiavaraston ja niihin liittyvien koneiden - energianmuuntimien - tuet ja tiivisteet. Tämä koskee sekä vauhtipyörän (supervauhtipyörän) pyörimislaakereita ja voimanottojärjestelmiä että alipainetasoa vauhtipyörän (supervauhtipyörän) pyörimiskammiossa.
Monoliittisissa vauhtipyörissä käytetään yleensä lämpökäsiteltyjä keskihiilisiä teräksiä (karkaisu riittävän syvällä karkaisulla haurauden estämiseksi), kuten 40X, 40XH ja vastaavia. Mutta tällaisten terästen rajoitetun karkenevuuden vuoksi suurten vauhtipyörien valmistus on teknisesti vaikeaa. On myös yritetty käyttää maraging-teräksiä, jotka kestävät suuria jännityksiä. Tällaiset materiaalit ovat kuitenkin erittäin kalliita eivätkä taloudellisesti kannattavia.
Supervauhtipyörissä käytetään sekä lujia teräksiä nauhoina ( KEST ) että lankoja ( Amber Kinetics -kokeet ) sekä lujia kuitumateriaaleja (Kevlar, lasikuitu, hiilikuitu jne.). Lupaava materiaali supervauhtipyörien valmistukseen on grafeeniteippi. Grafeeniteipin etuna hiilikuituun verrattuna on kyky murtaa vallankumousrunko turvallisesti, kuten huippulujasta teräsnauhasta valmistetut supervauhtipyörät.
Yksi vauhtipyörien (supervauhtipyörien) suunnittelun päärajoituksista on pyörähdyskappaleen materiaalin vetolujuus murtohetkellä. Yleensä mitä vahvempi vauhtipyörä (supervauhtipyörä), sitä nopeammin se pyörii ja sitä enemmän energiaa järjestelmä voi varastoida.
Monoliittiset vauhtipyörät repeytyvät suuriksi palasiksi (yleensä kolmeen osaan), joista jokaisella on valtava liike-energia, mikä aiheuttaa suurta tuhoa. Materiaalin vetolujuuden ylittämisen aiheuttaman tuhoutumisen lisäksi vauhtipyörä voi repeytyä piilovioista, hiusviivoja, kuoria jne.
Kun komposiittisen supervauhtipyörän vetolujuus ylittyy, pyörähdyskappale romahtaa ja vapauttaa kaiken varastoidun energiansa samanaikaisesti; tätä kutsutaan yleisesti "vauhtipyöräräjähdykseksi", koska pyörän palaset voivat saavuttaa luodin kineettisen energian. Kerroksittain kierretyt ja liimatut komposiittimateriaalit hajoavat nopeasti, ensin halkaisijaltaan pieniksi filamenteiksi, jotka kietoutuvat toisiinsa ja hidastavat toisiaan, ja sitten kuumaksi jauheeksi.
Hihnan supervauhtipyörät repeytyvät tiukasti kontrolloidusti murtamalla irti rungon sisäpintaa vasten hankaavat nauhan ulommat ohuet kierteet ja hidastamalla supervauhtipyörän päämassan pyörimistä. Tällöin ei vaurioidu edes ohut runko ja koko energian varastointijärjestelmä.
Perinteiset vauhtipyörillä varustetut järjestelmät (supervauhtipyörät, paitsi teippipyörät) vaativat vahvat suojakotelot tai voimakkaat rengasmaiset sisäkkeet, jotka lisäävät merkittävästi laitteen kokonaismassaa. Energian vapautumista murtumasta voidaan vähentää käyttämällä hyytelöityä tai kapseloitua nestemäistä rungon sisävuorausta, joka absorboi murtuman energian.
Monet suuren mittakaavan vauhtipyörillä varustettujen energian varastointijärjestelmien asiakkaat päättävät kuitenkin upottaa ne maahan estääkseen repeytyneen vauhtipyörän (supervauhtipyörän) palasia tunkeutumasta runkoon. Mutta tämä ei aina auta. Tiedossa on tapauksia, joissa maahan haudatun ruumiin sirpaleet ovat ylhäältä poistuneet betonikatteen ja lähellä olevien rakennusten tuhoutuessa.
Energian varastoinnin hyötysuhde vauhtipyöräjärjestelmissä (supervauhtipyörä) on varsin korkea, jopa 95 % oikealla vierintälaakerivalinnalla , alipainetasolla ja riittävän lyhyillä lataus-purkausjaksoilla (mieluiten alle tunnin).
Yritykset laskea merkittäviä häviöitä maan pyörimisen aiheuttamista gyroskooppisista kuormituksista eivät ole perusteltuja - nämä gyroskooppiset kuormat ovat mitättömiä. Esimerkiksi supervauhtipyörä, jonka pyörimistaajuus (ω 1 ) - 1500 s -1 , hitausmomentti (I) - 8 kg * m 2 Maan pyörimistaajuudella (ω 2 ) - noin 7,3 * 10 -5 s −1 gyroskooppisen momentin precessio pyörimisakselien epäsuotuisimmassa kohdassa on yhtä suuri kuin M= I* ω 1* ω 2 = 8*1500*7.3*10 −5 = 0.8 N*m. Tämä on mitätön vääntömomentti, joka ei voi millään tavalla vaikuttaa laakerien pyörimiskestävyyteen tai kestävyyteen.
Ajoneuvon käännöksistä aiheutuvat gyroskooppiset kuormitukset vaikuttavat paljon enemmän, jos niihin asennetaan vauhtipyörän energian varastointilaitteita, mutta niitä vähennetään tehokkaasti myös joustavasti vaimentavilla jousitusjärjestelmillä .
Tehokkaita vauhtipyörän (supervauhtipyörän) energian varastointijärjestelmiä voidaan käyttää jarrutusenergian talteenottoon suurissa syklisissä kulkuneuvoissa , esimerkiksi metro- ja sähköjunissa. Energiansäästö voi näissä tapauksissa olla 50 % tai enemmän.
Lisäksi näitä järjestelmiä voidaan käyttää menestyksekkäästi nostureissa , hisseissä ja muissa nostolaitteissa. Samaan aikaan vauhtipyörällä (supervauhtipyörä) energian varastointijärjestelmällä varustettujen nostolaitteiden energiankulutus voi nousta 90 %:iin tai enemmän (esimerkiksi purettaessa konttialusta, jonka lasti sijaitsee purkualueen yläpuolella).
Näitä järjestelmiä voidaan menestyksekkäästi käyttää sähköajoneuvojen akkujen pikalataukseen , taajuuden ja tehon stabilointiin sähköverkoissa [4] , keskeytymättömissä virtalähteissä, ajoneuvojen hybridiasennuksissa jne.