Zariadenia na ukladanie kinetickej energie pre energetiku

Téma zlepšovania energetickej efektívnosti zrejme nikdy nestratí na aktuálnosti. Vďaka tejto skutočnosti dnes mnohé inštitúcie vyvíjajú efektívnejšie zariadenia na ukladanie energie. A jedným zo sľubných riešení v tejto oblasti je využitie kinetickej (v pohybe) akumulácie energie na báze vysokoenergetických zotrvačníkov.

Oblasti ich použitia sa môžu líšiť od malých nezávislých zdrojov nepretržitého napájania pre súkromné ​​domácnosti až po veľké priemyselné inštalácie, ktoré akumulujú energiu počas otáčania zotrvačníka a v správnom čase ju uvoľňujú na požadovanú úroveň výkonu, čím chránia sieť pred napäťovými rázmi.

Výhodou takýchto jednotiek je, že masívny zotrvačník je schopný okamžite premieňať nahromadenú kinetickú energiu na elektrickú energiu, čím dodáva spotrebiču potrebný výkon.

Takéto zariadenia sa vyznačujú minimálnymi prevádzkovými nákladmi, vysokým stupňom automatizácie a potrebou pravidelnej údržby.

Po nabití na plnú kapacitu v priebehu niekoľkých minút zotrvačník v prípade potreby na niekoľko sekúnd uvoľní uloženú energiu, pričom bežné prevádzkové parametre siete nemusia odolať vysokým špičkovým prúdom.

Ako to funguje

Zotrvačník prijíma rotáciu od elektrického stroja cez hriadeľ alebo cez iný prevodový mechanizmus a v prípade potreby dáva nahromadenú energiu cez hriadeľ v režime generátora a stroj, ktorý otáča zotrvačníkom, môže v tom momente pracovať ako generátor.

Automatizovaný riadiaci systém so snímačmi na riadenie parametrov zabezpečí proces naberania rýchlosti a v kritickej situácii bude reagovať ako na dosiahnutie nebezpečnej rýchlosti otáčania zotrvačníka, tak aj na potrebu okamžitého prechodu do režimu vracania motora. akumulovaná kinetická energia.

Vlastnosti a možnosti

Týmto spôsobom kinetické akumulačné zariadenia umožňujú riešiť problémy akumulácie, dočasného skladovania a následnej premeny energie na zabezpečenie optimálnych výkonových režimov zariadení aj pri extrémne neštandardných parametroch. Vďaka tomu je pokrytá najširšia škála možných aplikácií tohto technického riešenia.

Elektromechanický menič tohto typu má množstvo výhod. Špecifická energetická náročnosť kinetických akumulačných zariadení je vyššia ako u kondenzátorov a z hľadiska merného výkonu (prúdu) dodávaného do záťaže sú pred kyselinovými batériami aj palivovými článkami.

Zároveň sú kinetické skladovacie zariadenia kompaktné, ekologické, majú účinnosť okolo 90 %, majú dlhú životnosť viac ako 10 rokov, sú nenáročné na údržbu a pracovný zdroj je prakticky neobmedzený. chladiaci systém je stokrát lacnejší ako systém supravodivých indukčných úložných zariadení (SPIN). …

Zdravotnícke centrá, jadrové zariadenia, strediská na ukladanie dát, bankové sklady, chemický priemysel – všade tam, kde je potrebná energetická záloha na napájanie kritických používateľov, kinetické úložné zariadenia sa budú hodiť. Čo môžeme povedať o kompenzácii špičkových zaťažení pre veľké energetické systémy, čo je dôvod, prečo dochádza k výpadkom prúdu v celých mestských oblastiach.

Čo sa používa teraz

Desať rokov sa vývoj kinetických pamäťových zariadení nezastavil vo viacerých regiónoch sveta, najmä v USA a Nemecku a v posledných rokoch aj v Rusku.

Nemecká ATZ vyrába 20 MJ pohony schopné dodávať výkon až 250 kW, vybavené systémom synchronizácie siete. Rozmery zariadenia navyše nepresahujú 1,5 metra.

Hnací zotrvačník je vyrobený z vysoko pevných uhlíkových vlákien a je uložený na keramickom závese HTSC. Elektrický stroj, ktorý zrýchľuje zotrvačník ATZ a vyrába elektrinu, je hotový na báze permanentných magnetov vzácnych zemín.

American Beacon Power vyrába valcové úložné zariadenia pre 6 kWh a 25 kWh, ktoré možno použiť v klastroch na zabezpečenie stability aktuálnych parametrov v priemyselných elektrických sieťach krajiny.

Etapy návrhu KNE

Pri navrhovaní kinetického úložného zariadenia vývojári riešia nasledujúce technické problémy: vypočítajte motor-generátor, vyberte ložiská, vypočítajte zotrvačník, ako aj chladiace, monitorovacie a riadiace systémy a potom pokračujte vo výrobe.

Na základe účelu konkrétneho modelu pohonu môžu byť v nich integrované elektrické stroje principiálne odlišné. Je tu však nepopierateľná výhoda synchrónne elektrické stroje… V synchrónnych strojoch nie sú žiadne kefy a permanentné magnety rotora umožňujú získať vysoký špecifický výkon motorgenerátora.

Ložiská a závesy sú najvhodnejšie pre bezkontaktné ložiská, ako sú napríklad ložiská na báze vysokoteplotných supravodičov (HTSC).

Aj keď takéto systémy vyžadujú špeciálne chladenie, napriek tomu sú dokonale stabilizované bez napájania: induktor sústavy permanentných magnetov interaguje s HTSP matricou v supravodivom stave. Nedochádza k stratám trením ani na vzduchu, vibrácie sú minimálne aj pri vysokých rýchlostiach a konštrukcia sa počas prevádzky automaticky centruje.

Príklad zariadenia vyvinutého v ruskom MAI

Magnetické pole permanentných magnetov interaguje s aktivovanými blokmi HTSP a po inštalácii podpery sa zotrvačník jednoducho nakloní nad kryostat (levituje nad ním vo vzdialenosti menšej ako 1 cm), pričom sa nepohybuje v radiálnom smere.

Elektromagnetická interakcia pólov statora a rotora vytvára výsledný krútiaci moment, ktorý zrýchľuje zotrvačník a tým dodáva energiu pohonu.A keďže nedochádza k stratám v podperách akumulovaných v kinetickej forme, energia sa dlho skladuje a v prípade potreby sa spotrebúva prestavbou na generátorový režim.

V procese akumulácie plných nominálnych 500 kJ energie sa zotrvačník zrýchli za 300 sekúnd na 6000 otáčok za minútu. Bez problémov dokáže dodávať výkon 10 kW po dobu 25 sekúnd nepretržite, keďže menovitý výkon odoberaný zo zariadenia je 250 kJ, resp. záťaž 1 kW je zaručená na dodávanie po dobu 4 minút.

Frekvencia vstupného napätia pri nabíjaní je 50 Hz pri štandardnom sieťovom napätí 220-240 voltov. Zotrvačník váži 100 kg a moment zotrvačnosti je približne 3,6 kg * m2.

Pokiaľ ide o režim generátora, aktuálna frekvencia pri výbere je 200 Hz na troch fázach pri napätiach od 160 do 240 voltov. Maximálny menovitý výkon pre výber je 11 kW.

Perspektívy Ruska a SNŠ

Nedávno ruská spoločnosť Kinetic Power vytvorila vlastnú verziu stacionárnych zariadení na uchovávanie kinetickej energie na báze super zotrvačníkov. Jedno takéto akumulačné zariadenie je schopné uložiť až 100 kWh energie a krátkodobo poskytnúť výkon až 300 kW.

V podmienkach ruského trhu je skupina niekoľkých takýchto akumulačných zariadení schopná vyrovnať dennú heterogenitu elektrického zaťaženia celého regiónu a nahradiť drahé a objemné prečerpávacie elektrárne.

Okrem toho, ako bolo uvedené na začiatku, kinetické úložné zariadenia možno použiť na zabezpečenie nepretržitého napájania zariadení s najvyššou úrovňou zodpovednosti.Jedinečné vlastnosti tohto vývoja zaisťujú odozvu zariadenia na úrovni stotín sekundy, čo umožňuje používateľom neprerušiť napájanie ani na sekundu.