Stocarea energiei volantului - stocarea energiei mecanice , în care energia este acumulată și stocată sub formă de energie cinetică a unui volant rotativ sau designul său promițător - supervolant și este eliberată sub formă de energie mecanică de rotație . Astfel, tipul de energie se păstrează fără transformarea lui, ceea ce este o cerință esențială pentru dispozitivele de stocare a energiei [1] .
Adesea, un dispozitiv de stocare a energiei volantului este combinat cu dispozitive pentru conversia tipului de energie - mașini hidraulice, pneumatice, electrice, formând un sistem de stocare a energiei . Cele mai utilizate sunt sistemele de stocare a energiei cu mașini electrice reversibile ( motor - generator ) . Pentru a încărca dispozitivul de stocare a energiei volantului, mașina electrică funcționează în modul motor, consumă energie electrică dintr-o sursă externă și accelerează volantul (super volant), iar la descărcare, mașina electrică funcționează deja în modul generator, eliberând energie electrică. , în timp ce încetinește volantul (super volant) [2] .
Un dispozitiv de stocare a energiei volantului bazat pe un super volant are unul dintre cele mai mari rapoarte putere/greutate dintre dispozitivele existente de stocare a energiei. Și atunci când se folosesc materiale moderne de înaltă rezistență, de exemplu, benzi de grafen („hârtii”) [3] , cel mai mare indice de energie specifică dintre toate unitățile.
Dispozitivele moderne de stocare a energiei volante se bazează de obicei pe supervolante avansate. Volanele monolitice „clasice” pentru dispozitivele de stocare a energiei volante devin din ce în ce mai puțin frecvente - acumulează prea puțină energie specifică și sunt foarte periculoase în caz de distrugere de urgență (ruptură).
Un superflywheel este un volant cu o intensitate energetică specifică mare, realizat prin înfășurare cu o potrivire prin interferență pe centrul elastic al materialelor cu rezistență uniaxială mare - fire, benzi, fibre cu liant (lipire). Superflywheel este acționat nu în aer, ci într-un mediu cu rezistență redusă la rotație, cum ar fi vidul. Există trei tipuri principale de supervolante - bandă și fibră, mult mai rar - sârmă. De asemenea, sunt dezvoltate supervolante „lamelare” din compozit , realizate din discuri subțiri de mare rezistență.
Consumul semnificativ de energie pentru răcire a dus la abandonarea supraconductoarelor de joasă temperatură pentru a fi utilizate în rulmenții magnetici pentru sistemele de stocare a energiei volantului. Cei mai potriviti pentru supervolante de viteza medie sunt rulmentii hibridi cu corpuri ceramice .
Cu toate acestea, pentru corpurile de revoluție de mare viteză, cum ar fi supervolantele din benzi de grafen , utilizarea rulmenților supraconductori la temperatură înaltă poate fi justificată din punct de vedere economic și, eventual, poate crește economiile de energie.
Proprietățile fizice ale volantelor și supervolantelor dispozitivelor de stocare cu volantă sunt aproape unele de altele și pot fi găsite aici - Flywheel - Fizica
În comparație cu alte metode de stocare a energiei, sistemele de stocare a energiei cu volantă au o durată de viață lungă, de obicei peste 20 până la 25 de ani.
Energia specifică ridicată a corpurilor de revoluție aplicate, ținând cont de factorii de siguranță - de la 2,5 W*h/kg pentru volantele monolitice până la 1200 W*h/kg pentru supervolante avansate din grafen și o putere maximă mare de ieșire. Eficiența dispozitivului poate ajunge la 95%. Viteza de încărcare/descărcare a dispozitivelor de stocare a energiei volantului depinde de puterea mașinilor atașate acestora. În scopul recuperării energiei în transportul feroviar electric (de exemplu, subteran), timpul de încărcare/descărcare este legat de frânarea/accelerarea trenului electric și este în medie de aproximativ 15 secunde.
Intensitatea energetică specifică (vezi intensitatea energiei ) a dispozitivelor de stocare a energiei volantului este de obicei dată de doi indicatori - masa J/kg sau W*h/kg și volumetric J/m3 și W*h/ m3 .
Proprietatea principală a materialului este rezistența ridicată . În acest caz, dacă materialul are o densitate mare, atunci intensitatea energetică a masei specifice scade, dar frecvența de rotație a volantului (superflywheel) este mult redusă. Cu o densitate scăzută a materialului, această intensitate energetică crește, dar în detrimentul unei creșteri semnificative a vitezei de rotație, ceea ce necesită o complicație semnificativă a suporturilor și etanșărilor de stocare a energiei volantului și a mașinilor asociate - convertoare de energie. Acest lucru este valabil atât pentru rulmenții de rotație a volantului (superflywheel) și sistemele de priză de putere, cât și pentru nivelul de vid din camera de rotație a volantului (superflywheel).
Pentru volantele monolitice, se folosesc de obicei oțeluri cu carbon mediu cu tratament termic (călire cu revenire suficient de adâncă pentru a preveni fragilitatea) precum 40X, 40XH și altele asemenea. Dar, din cauza călibilității limitate a unor astfel de oțeluri, producția de volante mari este dificilă din punct de vedere tehnologic. Au existat, de asemenea, încercări de a utiliza oțeluri maraging care rezistă la solicitări mari. Cu toate acestea, astfel de materiale sunt extrem de scumpe și nu sunt viabile din punct de vedere economic.
Pentru supervolante se vor folosi atât oțeluri de înaltă rezistență sub formă de benzi ( KEST ) și fire ( experimente Amber Kinetics ), cât și materiale fibroase de înaltă rezistență (Kevlar, fibră de sticlă, fibră de carbon etc.). Un material promițător pentru producția de superflywheels este banda de grafen. Avantajul benzii de grafen în comparație cu fibra de carbon este capacitatea de a sparge în siguranță corpul revoluției, similar cu super volantele realizate din bandă de oțel de înaltă rezistență.
Una dintre principalele limitări ale designului volantelor (superflywheels) este rezistența la tracțiune a materialului corpului de revoluție la rupere. În general, cu cât volantul (superflywheel) este mai puternic, cu atât se rotește mai repede și sistemul poate stoca mai multă energie.
Volanții monolitici sunt rupte în fragmente mari (de obicei trei bucăți), fiecare cu o energie cinetică uriașă, provocând distrugeri mari. Pe lângă distrugerea din depășirea rezistenței la tracțiune a materialului, ruperea volantului poate apărea din cauza defecte ascunse, linii de păr, cochilii etc.
Când rezistența la tracțiune a unui supervolant compozit este depășită, corpul de revoluție se va prăbuși, eliberând toată energia sa stocată în același timp; aceasta este denumită în mod obișnuit „explozie de volantă”, deoarece fragmentele unei roți pot atinge o energie cinetică comparabilă cu cea a unui glonț. Materialele compozite care sunt înfășurate și lipite în straturi tind să se dezintegreze rapid, mai întâi în filamente de diametru mic care se întrepătrund și încetinesc reciproc, iar apoi în pulbere fierbinte.
Supervolantele cu centură sunt rupte într-un mod strict controlat prin ruperea bobinelor subțiri exterioare ale benzii, frecându-se de suprafața interioară a corpului și încetinind rotația masei principale a supervolantei. În acest caz, nici măcar corpul subțire și întregul sistem de stocare a energiei nu sunt afectate.
Sistemele convenționale cu volante (superflywheels, cu excepția celor cu bandă) necesită carcase de protecție puternice sau inserții inelare puternice, care măresc semnificativ masa totală a dispozitivului. Eliberarea de energie din fractură poate fi atenuată prin utilizarea unei căptușeli interioare lichide gelificate sau încapsulate care absoarbe energia fracturii.
Cu toate acestea, mulți clienți ai sistemelor de stocare a energiei la scară largă cu volante aleg să le înglobeze în pământ pentru a opri orice fragmente de volant rupt (supervolant) să pătrundă în carenă. Dar acest lucru nu ajută întotdeauna. Sunt cunoscute cazuri de ieșire superioară a fragmentelor dintr-un corp îngropat în pământ cu distrugerea învelișului de beton și a clădirilor din apropiere.
Eficiența stocării energiei în sistemele cu volant (super volant) este destul de mare, până la 95%, cu selectarea corectă a rulmenților , nivelul de vid și cicluri de încărcare-descărcare suficient de scurte (de preferință mai puțin de o oră).
Încercările de a atribui pierderi semnificative de la sarcinile giroscopice cauzate de rotația Pământului nu sunt justificate - aceste încărcări giroscopice sunt neglijabile. De exemplu, un super volant, cu o frecvență de rotație (ω 1 ) - 1500 s −1 , un moment de inerție (I) - 8 kg * m 2 la frecvența de rotație a Pământului (ω 2 ) - aproximativ 7,3 * 10 −5 s −1 precesia momentului giroscopic la poziția cea mai nefavorabilă a axelor de rotație este M = I * ω 1 * ω 2 = 8 * 1500 * 7,3 * 10 −5 = 0,8 N * m. Aceasta este o cantitate neglijabilă de cuplu, care nu poate afecta în niciun fel nici rezistența la rotație, nici durabilitatea rulmenților.
Sarcinile giroscopice cauzate de întoarcerile vehiculului vor avea o influență mult mai mare dacă pe ele sunt instalate dispozitive de stocare a energiei la volantă, dar sunt reduse efectiv și prin sistemele de suspensie cu amortizare elastică .
Sistemele de stocare a energiei cu volant (superflywheel) cu eficiență ridicată pot fi utilizate pentru recuperarea energiei de frânare pe vehiculele feroviare cu o mișcare ciclică mare, de exemplu, trenuri de metrou și trenuri electrice. Economiile de energie în aceste cazuri pot ajunge la 50% sau mai mult.
În plus, aceste sisteme pot fi utilizate cu succes pe macarale , ascensoare și alte dispozitive de ridicare. În același timp, câștigul în consumul de energie al dispozitivelor de ridicare echipate cu un sistem de stocare a energiei cu volant (super volant) poate ajunge la 90% sau mai mult (de exemplu, la descărcarea unei nave container a cărei marfă este situată deasupra zonei de descărcare).
Cu succes, aceste sisteme pot fi utilizate pentru încărcarea rapidă a bateriilor de vehicule electrice, stabilizarea frecvenței și a puterii în rețelele electrice [4] , în surse de alimentare neîntreruptibile, în instalații hibride de vehicule etc.