Jak jsou uspořádána a fungují zařízení pro ukládání energie setrvačníku (kinetické).

FES je zkratka pro ukládání energie setrvačníku, což znamená ukládání energie pomocí setrvačníku. To znamená, že mechanická energie se akumuluje a ukládá v kinetické formě, když se masivní kolo otáčí vysokou rychlostí.

Takto akumulovaná mechanická energie může být později přeměněna na elektřinu, k čemuž je setrvačníkový systém kombinován s reverzibilním elektrickým strojem schopným pracovat v motorovém i generátorovém režimu.

Když je potřeba akumulovat energii, elektrický stroj slouží jako motor a otáčí setrvačník na požadovanou úhlovou rychlost, zatímco spotřebovává elektrickou energii z vnějšího zdroje, ve skutečnosti – přeměňuje elektrickou energii – na mechanickou (kinetickou) energii. Když je třeba převést nahromaděnou energii do zátěže, elektrický stroj přejde do režimu generátoru a mechanická energie se uvolní, když se setrvačník zpomalí.

Nejpokročilejší systémy skladování energie založené na setrvačnících mají poměrně vysokou hustotu výkonu a mohou konkurovat tradičním systémům skladování energie.

Za zvláště slibné jsou v tomto ohledu považovány instalace kinetických baterií na bázi super setrvačníků, kde je rotující tělo vyrobeno z vysokopevnostní grafenové pásky. Taková akumulační zařízení mohou uložit až 1200 W*h (4,4 MJ!) energie na 1 KILOGRAM hmoty.

Nedávný vývoj v oblasti super setrvačníků již umožnil vývojářům opustit myšlenku použití monolitických pohonů ve prospěch méně nebezpečných pásových systémů.

Faktem je, že monolitické systémy byly nebezpečné v případě nouzového protržení a mohly akumulovat méně energie. Při přetržení se páska nerozsype na velké úlomky, ale pouze částečně praskne; v tomto případě samostatné části řemene zastaví setrvačník třením o vnitřní povrch pouzdra a zabrání jeho další destrukci.

Vysoké měrné energetické náročnosti super setrvačníků vyrobených z navíjecí pásky nebo interferenčního vlákna je dosaženo díky řadě přispívajících faktorů.

Za prvé, setrvačník pracuje ve vakuu, což výrazně snižuje tření ve srovnání se vzduchem. K tomu musí být vakuum ve skříni neustále udržováno systémem vytváření a udržování vakua.

Za druhé, systém musí být schopen automaticky vyvažovat rotující těleso. Pro snížení vibrací a gyroskopických vibrací jsou přijata speciální technická opatření. Setrvačníkové systémy jsou zkrátka z konstrukčního hlediska velmi náročné, proto je jejich vývoj složitým inženýrským procesem.

Jako ložiska se zdají být vhodnější magnetické (včetně supravodivých) suspenze… Inženýři však museli opustit nízkoteplotní supravodiče v závěsech, protože vyžadují hodně energie. Hybridní valivá ložiska s keramickým tělesem jsou mnohem lepší pro střední otáčky. Pokud jde o vysokorychlostní setrvačníky, bylo zjištěno, že je ekonomicky přijatelné a velmi ekonomické používat vysokoteplotní supravodiče v závěsech.

Jednou z hlavních výhod akumulačních systémů FES je po jejich vysoké měrné energetické náročnosti jejich relativně dlouhá životnost, která může dosáhnout 25 let, mimochodem účinnost setrvačníkových systémů na bázi grafenových pásků dosahuje 95 %. Kromě toho stojí za zmínku rychlost nabíjení. To samozřejmě závisí na parametrech elektroinstalace.

Například rekuperátor energie na setrvačníku metra, který funguje při zrychlování a zpomalování vlaku, se nabíjí a vybíjí za 15 sekund. Má se za to, že za účelem dosažení vysoké účinnosti ze systému ukládání setrvačníku by jmenovitá doba nabíjení a vybíjení neměla přesáhnout jednu hodinu.

Použitelnost systémů FES je poměrně široká. Lze je s úspěchem použít na různých zvedacích zařízeních, poskytujících úsporu energie až 90 % při nakládání a vykládání. Tyto systémy lze efektivně využít pro rychlé nabíjení elektrických dopravních baterií, pro stabilizaci frekvence a výkonu v elektrických sítích, v nepřerušitelných zdrojích energie, v hybridních vozidlech atd.

Díky tomu všemu mají úložné systémy setrvačníku pozoruhodné vlastnosti.Pokud se tedy použije materiál s vysokou hustotou, pak se měrná spotřeba energie akumulačního zařízení sníží v důsledku snížení jmenovité rychlosti otáčení.

Pokud je použit materiál s nízkou hustotou, zvyšuje se spotřeba energie v důsledku zvýšení rychlosti, ale to zvyšuje požadavky na vakuum, stejně jako na podpěry a těsnění a elektrický měnič se stává složitějším.

Nejlepšími materiály pro super setrvačníky jsou vysokopevnostní ocelové řemeny a vláknité materiály jako kevlar a uhlíková vlákna. Nejslibnějším materiálem, jak již bylo uvedeno výše, zůstává grafenová páska nejen kvůli přijatelným parametrům pevnosti a hustoty, ale především kvůli její bezpečnosti při přetržení.

Možnost rozbití je hlavní překážkou pro vysokorychlostní setrvačníkové systémy. Kompozitní materiály, které jsou srolovány a slepeny ve vrstvách, se rychle rozpadají, nejprve se delaminují na vlákna o malém průměru, která se okamžitě vzájemně zaplétají a zpomalují, a poté na žhnoucí prášek. Řízené protržení (v případě havárie) bez poškození trupu je jedním z hlavních úkolů ženistů.

Uvolnění energie při prasknutí může být zmírněno zapouzdřenou tekutinou nebo gelovou vnitřní výstelkou, která absorbuje energii, pokud se setrvačník rozbije.

Jedním ze způsobů, jak se chránit před výbuchem, je umístit setrvačník pod zem, aby zastavil veškeré úlomky, které by v případě nehody létaly rychlostí střely. Existují však případy, kdy dochází k letu úlomků směrem vzhůru od země, přičemž dochází ke zničení nejen trupu, ale i přilehlých budov.

Nakonec se podívejme na fyziku procesu.Kinetická energie rotujícího tělesa je určena vzorcem:

kde I je moment setrvačnosti rotujícího tělesa

úhlová rychlost může být reprezentována takto:

Například pro spojitý válec je moment setrvačnosti:

a pak se kinetická energie pro pevný válec prostřednictvím frekvence f rovná:

kde f je frekvence (v otáčkách za sekundu), r je poloměr v metrech, m je hmotnost v kilogramech.

Pro pochopení si uveďme hrubý příklad. Kotel o výkonu 3 kW uvaří vodu za 200 sekund. Jakou rychlostí se musí otáčet spojitý válcový setrvačník o hmotnosti 10 kg a poloměru 0,5 m, aby při jeho zastavování měl dostatek energie k varu vody? Nechť je účinnost našeho generátoru-konvertoru (schopného provozu při jakékoli rychlosti) 60 %.

Odpovědět. Celkové množství energie potřebné k uvaření konvice je 200 * 3 000 = 600 000 J. Pokud vezmeme v úvahu účinnost, 600 000 / 0,6 = 1 000 000 J. Při použití výše uvedeného vzorce dostaneme hodnotu 201,3 otáček za sekundu.

Viz také:Zařízení pro ukládání kinetické energie pro energetiku

Další moderní způsob ukládání energie: Supravodivé systémy pro ukládání magnetické energie (SMES)