Svänghjulsenergilagring - lagring av mekanisk energi , där energi ackumuleras och lagras i form av kinetisk energi hos ett roterande svänghjul eller dess lovande design - supersvänghjul , och frigörs i form av mekanisk rotationsenergi . Således bevaras energitypen utan dess omvandling, vilket är ett väsentligt krav för energilagringsanordningar [1] .
Ofta kombineras en svänghjulsenergilagringsanordning med enheter för att konvertera typen av energi - hydrauliska, pneumatiska, elektriska maskiner, vilket bildar ett energilagringssystem . Energilagringssystem med elektriska reversibla maskiner ( motor- generator ) används mest . För att ladda svänghjulsenergilagringsanordningen arbetar den elektriska maskinen i motorläge, förbrukar elektrisk energi från en extern källa och accelererar svänghjulet (supersvänghjul), och vid urladdning arbetar den elektriska maskinen redan i generatorläget och frigör elektrisk energi , medan du saktar ner svänghjulet (supersvänghjul) [2] .
En svänghjulsenergilagringsenhet baserad på ett supersvänghjul har ett av de högsta effekt-till-vikt-förhållandena bland befintliga energilagringsenheter. Och när man använder moderna höghållfasta material, till exempel grafenband ("papper") [3] , det högsta specifika energiindexet av alla enheter.
Moderna svänghjulsenergilagringsenheter är vanligtvis baserade på avancerade supersvänghjul. "Klassiska" monolitiska svänghjul för svänghjulsenergilagringsenheter blir mindre och mindre vanliga - de ackumulerar för lite specifik energi och är mycket farliga i händelse av nödförstörelse (ruptur).
Ett supersvänghjul är ett svänghjul med hög specifik energiintensitet, tillverkat genom lindning med en interferenspassning på det elastiska mitten av material med hög enaxlig hållfasthet - trådar, tejper, fibrer med bindemedel (limning). Supersvänghjulet drivs inte i luft, utan i en miljö med minskat motstånd mot rotation, såsom vakuum. Det finns tre huvudtyper av supersvänghjul - tejp och fiber, mycket mindre ofta - tråd. Komposit "lamellära" supersvänghjul av tunna höghållfasta skivor utvecklas också.
Betydande energiförbrukning för kylning ledde till att lågtemperatursupraledare övergavs för användning i magnetiska lager för svänghjulsenergilagringssystem. De mest lämpliga för medelhastighets supersvänghjul är hybridrullningslager med keramiska kroppar.
Men för snabba rotationskroppar, såsom supersvänghjul gjorda av grafenband , kan användningen av högtemperatursupraledande lager vara ekonomiskt motiverad och kan eventuellt öka energibesparingarna.
De fysiska egenskaperna hos svänghjul och supersvänghjul hos svänghjulslagringsenheter ligger nära varandra och kan hittas här - Svänghjul - Fysik
Jämfört med andra energilagringsmetoder har svänghjulsenergilagringssystem en lång livslängd, vanligtvis över 20 till 25 år.
Den höga specifika energin hos de applicerade rotationskropparna, med hänsyn tagen till säkerhetsfaktorerna - från 2,5 W*h/kg för monolitiska svänghjul till 1200 W*h/kg för avancerade grafen-supersvänghjul och en stor maximal uteffekt. Enhetens effektivitet kan nå 95%. Hastigheten för laddning/urladdning av svänghjulsenergilagringsenheter beror på kraften hos de maskiner som är anslutna till dem. För energiåtervinning i elektriska järnvägstransporter (till exempel tunnelbana) är laddnings-/urladdningstiden relaterad till det elektriska tågets bromsning/acceleration och är i genomsnitt cirka 15 sekunder.
Specifik energiintensitet (se energiintensitet ) för svänghjulsenergilagringsanordningar ges vanligtvis av två indikatorer - massa J/kg eller W*h/kg och volymetrisk J/m3 och W*h/ m3 .
Materialets huvudsakliga egenskap är hög hållfasthet . I det här fallet, om materialet har en hög densitet, minskar den specifika massans energiintensitet, men svänghjulets rotationsfrekvens (supersvänghjul) reduceras kraftigt. Med en låg densitet av materialet ökar denna energiintensitet, men på bekostnad av en betydande ökning av rotationshastigheten, vilket kräver en betydande komplikation av stöden och tätningarna av svänghjulets energilagring och tillhörande maskiner - energiomvandlare. Detta gäller både svänghjulets (supersvänghjulets) rotationslager och kraftuttagssystemen, samt vakuumnivån i svänghjulets (supersvänghjulets) rotationskammare.
För monolitiska svänghjul används vanligtvis medelkolstål med värmebehandling (härdning med tillräckligt djup anlöpning för att förhindra sprödhet) såsom 40X, 40XH och liknande. Men på grund av den begränsade härdbarheten hos sådana stål är tillverkningen av stora svänghjul tekniskt svår. Det har också gjorts försök att använda maråldrat stål som tål höga påkänningar. Sådana material är emellertid extremt dyra och inte ekonomiskt lönsamma.
För supersvänghjul kommer både höghållfasta stål i form av tejp ( KEST ) och vajer ( Amber Kinetics experiment ) och höghållfasta fibermaterial (Kevlar, glasfiber, kolfiber etc.) användas. Ett lovande material för tillverkning av supersvänghjul är grafentejp. Fördelen med grafentejp jämfört med kolfiber är förmågan att säkert bryta rotationskroppen, liknande supersvänghjul gjorda av höghållfast ståltejp.
En av de huvudsakliga begränsningarna för designen av svänghjul (supersvänghjul) är draghållfastheten hos materialet i rotationskroppen vid brott. Generellt gäller att ju starkare svänghjul (supersvänghjul), desto snabbare snurrar det och desto mer energi kan systemet lagra.
Monolitiska svänghjul slits i stora fragment (vanligtvis tre stycken), var och en med en enorm kinetisk energi, vilket orsakar stor förstörelse. Förutom förstörelse från att överskrida materialets draghållfasthet kan svänghjulsbrott uppstå från dolda defekter, hårfästen, skal etc.
När draghållfastheten för ett sammansatt supersvänghjul överskrids kommer rotationskroppen att kollapsa och frigöra all sin lagrade energi samtidigt; detta kallas vanligen för en "svänghjulsexplosion", eftersom fragment av ett hjul kan nå en kinetisk energi som är jämförbar med den för en kula. Kompositmaterial som lindas och limmas i lager tenderar att snabbt sönderfalla, först till filament med liten diameter som flätas samman och bromsar varandra, och sedan till hett pulver.
Bältes supersvänghjul slits sönder på ett strikt kontrollerat sätt genom att bryta av de yttre tunna spolarna på tejpen som gnuggar mot kroppens inre yta och saktar ner rotationen av supersvänghjulets huvudmassa. I det här fallet är det ingen skada på ens den tunna kroppen och hela energilagringssystemet.
Konventionella system med svänghjul (supersvänghjul, förutom tejp) kräver starka skyddshöljen eller kraftfulla ringformade insatser, vilket avsevärt ökar enhetens totala massa. Frigörandet av energi från sprickor kan mildras genom att använda en gelad eller inkapslad flytande inre skrovfoder som absorberar sprickenergin.
Många kunder av storskaliga energilagringssystem med svänghjul väljer dock att bädda in dem i marken för att stoppa eventuella fragment av ett trasigt svänghjul (supersvänghjul) från att tränga in i skrovet. Men detta hjälper inte alltid. Det finns kända fall av den övre utgången av fragment från en kropp begravd i marken med förstörelsen av betonghöljet och närliggande byggnader.
Effektiviteten för energilagring i svänghjulssystem (supersvänghjul) är ganska hög upp till 95 % med rätt val av rullningslager , vakuumnivå och tillräckligt korta laddnings-urladdningscykler (helst mindre än en timme).
Försök att tillskriva betydande förluster från gyroskopiska belastningar orsakade av jordens rotation är inte motiverade - dessa gyroskopiska belastningar är försumbara. Till exempel ett supersvänghjul, med en rotationsfrekvens (ω 1 ) - 1500 s −1 , ett tröghetsmoment (I) - 8 kg * m 2 vid jordens rotationsfrekvens (ω 2 ) - ca 7,3 * 10 −5 s −1 gyroskopisk momentprecession vid det mest ogynnsamma läget för rotationsaxlarna är lika med M= I* ω 1* ω 2 = 8*1500*7,3*10 −5 = 0,8 N*m. Detta är en försumbar mängd vridmoment, som inte på något sätt kan påverka vare sig motståndet mot rotation eller hållbarheten hos lagren.
Gyroskopiska belastningar orsakade av fordonssvängar kommer att ha ett mycket större inflytande om svänghjulsenergilagringsanordningar installeras på dem, men de reduceras också effektivt av elastiskt dämpande fjädringssystem .
Svänghjul ( superflywheel ) energilagringssystem med hög verkningsgrad kan användas för att återvinna bromsenergi på järnvägsfordon med stor cyklisk rörelse, till exempel tunnelbanetåg och elektriska tåg. Energibesparingar i dessa fall kan uppgå till 50 % eller mer.
Dessutom kan dessa system framgångsrikt användas på kranar , hissar och andra lyftanordningar. Samtidigt kan vinsten i energiförbrukning för lyftanordningar utrustade med ett svänghjul (supersvänghjul) energilagringssystem nå 90 % eller mer (till exempel vid lossning av ett containerfartyg vars last är placerad ovanför lossningszonen).
Med framgång kan dessa system användas för snabbladdning av elfordonsbatterier, frekvens- och effektstabilisering i elnät [4] , i avbrottsfri strömförsörjning, i hybridinstallationer av fordon m.m.