Ako sú usporiadané a fungujú zariadenia na ukladanie energie zotrvačníka (kinetickej).

FES je skratka pre ukladanie energie zotrvačníka, čo znamená skladovanie energie pomocou zotrvačníka. To znamená, že mechanická energia sa akumuluje a ukladá v kinetickej forme, keď sa masívne koleso otáča vysokou rýchlosťou.

Takto nahromadená mechanická energia sa môže neskôr premeniť na elektrickú energiu, na čo je systém zotrvačníka kombinovaný s reverzibilným elektrickým strojom schopným pracovať v režime motora aj generátora.

Keď je potrebné akumulovať energiu, elektrický stroj slúži ako motor a otáča zotrvačník na požadovanú uhlovú rýchlosť, pričom spotrebúva elektrickú energiu z externého zdroja, v skutočnosti – premieňa elektrickú energiu – na mechanickú (kinetickú) energiu. Keď je potrebné preniesť uloženú energiu do záťaže, elektrický stroj prejde do režimu generátora a mechanická energia sa uvoľní pri spomaľovaní zotrvačníka.

Najpokročilejšie systémy skladovania energie na báze zotrvačníkov majú pomerne vysokú hustotu výkonu a môžu konkurovať tradičným systémom skladovania energie.

Za obzvlášť sľubné sa v tomto smere považujú inštalácie kinetických batérií na báze super zotrvačníkov, kde je rotačné telo vyrobené z vysokopevnostnej grafénovej pásky. Takéto úložné zariadenia dokážu uložiť až 1200 W * h (4,4 MJ!) energie na 1 KILOGRAM hmoty.

Nedávny vývoj v oblasti super zotrvačníkov už umožnil vývojárom opustiť myšlienku použitia monolitických pohonov v prospech menej nebezpečných pásových systémov.

Faktom je, že monolitické systémy boli nebezpečné v prípade núdzového pretrhnutia a mohli akumulovať menej energie. Pri lámaní sa páska nerozptýli na veľké úlomky, ale len čiastočne sa zlomí; v tomto prípade samostatné časti remeňa zastavia zotrvačník trením o vnútorný povrch krytu a zabránia jeho ďalšiemu zničeniu.

Vysoká merná energetická náročnosť superzotrvačníkov vyrobených z navíjacej pásky alebo interferenčného vlákna je dosiahnutá vďaka množstvu prispievajúcich faktorov.

Po prvé, zotrvačník pracuje vo vákuu, čo výrazne znižuje trenie v porovnaní so vzduchom. Na to musí byť vákuum v kryte neustále udržiavané systémom vytvárania a udržiavania vákua.

Po druhé, systém musí byť schopný automaticky vyvážiť rotujúce teleso. Na zníženie vibrácií a gyroskopických vibrácií sa prijímajú špeciálne technické opatrenia. Zotrvačníkové systémy sú skrátka z konštrukčného hľadiska veľmi náročné, preto je ich vývoj zložitým inžinierskym procesom.

Zdá sa, že sú vhodnejšie ako ložiská magnetické (vrátane supravodivých) suspenzií... Inžinieri však museli opustiť nízkoteplotné supravodiče v závesoch, pretože vyžadujú veľa energie. Hybridné valivé ložiská s keramickým telom sú oveľa lepšie pre stredné otáčky. Pokiaľ ide o vysokorýchlostné zotrvačníky, zistilo sa, že je ekonomicky prijateľné a veľmi ekonomické použiť vysokoteplotné supravodiče v suspenziách.

Jednou z hlavných výhod akumulačných systémov FES je po ich vysokej mernej energetickej náročnosti ich relatívne dlhá životnosť, ktorá môže dosiahnuť 25 rokov, mimochodom, účinnosť zotrvačníkových systémov na báze grafénových pásikov dosahuje 95 %. Okrem toho stojí za zmienku rýchlosť nabíjania. To samozrejme závisí od parametrov elektroinštalácie.

Napríklad rekuperátor energie na zotrvačníku metra, ktorý funguje pri zrýchľovaní a spomaľovaní vlaku, sa nabíja a vybíja za 15 sekúnd. Predpokladá sa, že na dosiahnutie vysokej účinnosti zotrvačného systému skladovania by nominálny čas nabíjania a vybíjania nemal presiahnuť jednu hodinu.

Použiteľnosť systémov FES je pomerne široká. Možno ich s úspechom použiť na rôznych zdvíhacích zariadeniach, pričom pri nakladaní a vykladaní poskytujú úsporu energie až 90 %. Tieto systémy možno efektívne využiť na rýchle nabíjanie elektrických dopravných batérií, na stabilizáciu frekvencie a výkonu v elektrických sieťach, v zdrojoch neprerušiteľného napájania, v hybridných vozidlách atď.

Vďaka tomu všetkému majú úložné systémy zotrvačníkov pozoruhodné vlastnosti.Ak sa teda použije materiál s vysokou hustotou, potom sa špecifická spotreba energie úložného zariadenia zníži v dôsledku zníženia nominálnej rýchlosti otáčania.

Ak sa použije materiál s nízkou hustotou, potom sa spotreba energie zvýši v dôsledku zvýšenia rýchlosti, ale to zvyšuje požiadavky na vákuum, ako aj na podpery a tesnenia a elektrický menič sa stáva zložitejším.

Najlepšími materiálmi pre super zotrvačníky sú vysokopevnostné oceľové remene a vláknité materiály ako kevlar a uhlíkové vlákna. Najsľubnejším materiálom, ako už bolo spomenuté vyššie, zostáva grafénová páska nielen kvôli prijateľným parametrom pevnosti a hustoty, ale hlavne kvôli bezpečnosti pri lámaní.

Potenciál rozbitia je hlavnou prekážkou pre systémy vysokorýchlostných zotrvačníkov. Kompozitné materiály, ktoré sú zrolované a zlepené vo vrstvách, sa rýchlo rozpadajú, najskôr sa delaminujú na vlákna s malým priemerom, ktoré sa okamžite navzájom zapletú a spomaľujú, a potom na žeravý prášok. Riadené pretrhnutie (v prípade havárie) bez poškodenia trupu je jednou z hlavných úloh inžinierov.

Uvoľňovanie energie pri pretrhnutí môže byť zmiernené zapuzdrenou tekutinou alebo gélovou vnútornou výstelkou, ktorá absorbuje energiu, ak sa zotrvačník zlomí.

Jedným zo spôsobov, ako sa chrániť pred výbuchom, je umiestniť zotrvačník pod zem, aby zastavil všetky úlomky, ktoré by v prípade nehody lietali rýchlosťou strely. Existujú však prípady, kedy dochádza k letu úlomkov smerom nahor od zeme, pričom dochádza k zničeniu nielen trupu, ale aj priľahlých budov.

Nakoniec sa pozrime na fyziku procesu.Kinetická energia rotujúceho telesa je určená vzorcom:

kde I je moment zotrvačnosti rotujúceho telesa

uhlová rýchlosť môže byť vyjadrená takto:

Napríklad pre spojitý valec je moment zotrvačnosti:

a potom sa kinetická energia pre pevný valec prostredníctvom frekvencie f rovná:

kde f je frekvencia (v otáčkach za sekundu), r je polomer v metroch, m je hmotnosť v kilogramoch.

Pre pochopenie si uveďme hrubý príklad. Kotol s výkonom 3 kW uvarí vodu za 200 sekúnd. Akou rýchlosťou sa musí otáčať súvislý valcový zotrvačník s hmotnosťou 10 kg a polomerom 0,5 m, aby pri jeho zastavovaní mal dostatok energie na uvarenie vody? Nech je účinnosť nášho generátora-konvertora (schopného prevádzky pri akejkoľvek rýchlosti) 60%.

Odpoveď. Celkové množstvo energie potrebnej na uvarenie kanvice je 200 * 3 000 = 600 000 J. Ak vezmeme do úvahy účinnosť, 600 000 / 0,6 = 1 000 000 J. Použitím vyššie uvedeného vzorca dostaneme hodnotu 201,3 otáčok za sekundu.

Pozri tiež:Zariadenia na ukladanie kinetickej energie pre energetiku

Ďalší moderný spôsob skladovania energie: Supravodivé systémy na ukladanie magnetickej energie (SMES)