플라이휠(운동) 에너지 저장 장치의 배열 및 작동 방식

FES는 플라이휠 에너지 저장 장치의 약자로 플라이휠을 이용한 에너지 저장 장치를 의미합니다. 이것은 거대한 바퀴가 고속으로 회전함에 따라 기계적 에너지가 운동 형태로 축적되고 저장된다는 것을 의미합니다.

이렇게 축적된 기계적 에너지는 나중에 전기로 변환될 수 있으며, 이를 위해 플라이휠 시스템은 모터 및 발전기 모드에서 모두 작동할 수 있는 가역 전기 기계와 결합됩니다.

에너지를 저장해야 할 때 전기 기계는 모터 역할을 하고 플라이휠을 필요한 각속도로 회전시키면서 외부 소스에서 전기 에너지를 소비하여 사실상 전기 에너지를 기계(운동) 에너지로 변환합니다. 저장된 에너지를 부하로 전송해야 하는 경우 전기 기계는 발전기 모드로 전환되고 플라이휠이 감속함에 따라 기계적 에너지가 방출됩니다.

플라이휠을 기반으로 하는 가장 진보된 에너지 저장 시스템은 전력 밀도가 상당히 높으며 기존 에너지 저장 시스템과 경쟁할 수 있습니다.

회전체가 고강도 그래핀 리본으로 만들어진 슈퍼 플라이휠을 기반으로 한 키네틱 배터리 설치는 이와 관련하여 특히 유망한 것으로 간주됩니다. 이러한 저장 장치는 1킬로그램의 질량당 최대 1200W * h(4.4MJ!)의 에너지를 저장할 수 있습니다.

슈퍼 플라이휠 분야의 최근 개발로 인해 개발자는 이미 덜 위험한 벨트 시스템을 위해 모놀리식 드라이브를 사용한다는 아이디어를 포기할 수 있었습니다.

사실 모 놀리 식 시스템은 비상 파열시 위험하고 에너지를 덜 축적 할 수 있습니다. 파손될 때 테이프는 큰 조각으로 흩어지지 않고 부분적으로만 파손됩니다. 이 경우 벨트의 개별 부품이 하우징의 내부 표면과 마찰하여 플라이휠을 정지시키고 더 이상의 파손을 방지합니다.

와인딩 테이프 또는 간섭 간섭 섬유로 만든 슈퍼 플라이휠의 높은 비에너지 강도는 여러 요인으로 인해 달성됩니다.

첫째, 플라이휠은 진공 상태에서 작동하므로 공기에 비해 마찰이 크게 줄어듭니다. 이를 위해 하우징의 진공은 진공 생성 및 유지 관리 시스템에 의해 지속적으로 유지되어야 합니다.

둘째, 시스템은 회전체의 균형을 자동으로 맞출 수 있어야 합니다. 진동 및 자이로 스코프 진동을 줄이기 위해 특별한 기술적 조치가 취해집니다. 요컨대, 플라이휠 시스템은 설계 관점에서 매우 까다롭기 때문에 개발은 복잡한 엔지니어링 프로세스입니다.

그들은 베어링으로 ​​더 적합한 것 같습니다 자기(초전도 포함) 서스펜션… 그러나 엔지니어들은 많은 에너지가 필요하기 때문에 정지 상태의 저온 초전도체를 포기해야 했습니다. 세라믹 몸체가 있는 하이브리드 롤링 베어링은 중간 회전 속도에 훨씬 더 좋습니다. 고속 플라이휠의 경우 서스펜션에 고온 초전도체를 사용하는 것이 경제적으로 수용 가능하고 매우 경제적임이 밝혀졌습니다.

FES 저장 시스템의 주요 장점 중 하나는 비에너지 강도가 높기 때문에 상대적으로 수명이 길어 25년에 달할 수 있다는 것인데, 그래핀 스트립을 기반으로 하는 플라이휠 시스템의 효율성은 95%에 이릅니다. 또한 충전 속도에 주목할 가치가 있습니다. 물론 이것은 전기 설비의 매개변수에 따라 다릅니다.

예를 들어, 열차 가속 및 감속 중에 작동하는 지하철 플라이휠의 에너지 회수 장치는 15초 안에 충전 및 방전됩니다. 플라이휠 저장 시스템에서 고효율을 달성하기 위해서는 공칭 충전 및 방전 시간이 1시간을 초과하지 않아야 합니다.

FES 시스템의 적용 가능성은 상당히 넓습니다. 다양한 리프팅 장치에 성공적으로 사용할 수 있어 적재 및 하역 중에 최대 90%의 에너지를 절약할 수 있습니다. 이러한 시스템은 전기 운송 배터리의 급속 충전, 전기 그리드, 무정전 전원, 하이브리드 차량 등의 주파수 및 전력 안정화에 효과적으로 사용될 수 있습니다.

이 모든 것을 갖춘 플라이휠 스토리지 시스템에는 놀라운 기능이 있습니다.따라서 고밀도 재료를 사용하면 공칭 회전 속도 감소로 인해 저장 장치의 특정 전력 소비가 감소합니다.

저밀도 재료를 사용하면 속도 증가로 인해 전력 소비가 증가하지만 진공, 지지대 및 씰에 대한 요구 사항이 증가하고 전기 변환기가 더 복잡해집니다.

슈퍼 플라이휠에 가장 적합한 재료는 고강도 스틸 벨트와 Kevlar 및 탄소 섬유와 같은 섬유질 재료입니다. 위에서 언급한 바와 같이 가장 유망한 재료는 허용 가능한 강도 및 밀도 매개변수 때문만이 아니라 주로 파손 시 안전성 때문에 그래핀 테이프로 남아 있습니다.

파손 가능성은 고속 플라이휠 시스템의 주요 장애물입니다. 여러 층으로 말아서 접착한 복합 재료는 빠르게 분해되며, 먼저 작은 직경의 필라멘트로 박리되어 순간적으로 서로 얽히고 감속된 다음 빛나는 분말로 변합니다. 선체 손상 없이 제어된 파열(사고 발생 시)은 엔지니어의 주요 작업 중 하나입니다.

파열 에너지의 방출은 플라이휠이 파손될 경우 에너지를 흡수하는 캡슐화된 유체 또는 겔과 같은 내부 케이싱 라이닝으로 완화될 수 있습니다.

폭발로부터 보호하는 한 가지 방법은 플라이휠을 지하에 두어 사고 발생 시 총알 속도로 날아가는 잔해를 막는 것입니다. 그러나 파편의 비행이 지상에서 위쪽으로 발생하여 선체뿐만 아니라 인접한 건물도 파괴되는 경우가 있습니다.

마지막으로 프로세스의 물리학을 살펴보겠습니다.회전체의 운동 에너지는 다음 공식에 의해 결정됩니다.

여기서 I는 회전체의 관성 모멘트

각속도는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

예를 들어, 연속 실린더의 경우 관성 모멘트는 다음과 같습니다.

주파수 f를 통한 고체 실린더의 운동 에너지는 다음과 같습니다.

여기서 f는 주파수(초당 회전 수), r은 반경(미터), m은 질량(킬로그램)입니다.

이해를 돕기 위해 대략적인 예를 들어보겠습니다. 3kW 보일러는 200초 안에 물을 끓입니다. 질량이 10kg이고 반지름이 0.5m인 연속적인 원통형 플라이휠이 멈추는 과정에서 물을 끓일 수 있는 충분한 에너지가 있으려면 어떤 속도로 회전해야 합니까? 발전기-변환기(모든 속도에서 작동 가능)의 효율을 60%로 설정합니다.

답변. 주전자를 끓이는 데 필요한 에너지의 총량은 200 * 3000 = 600,000J입니다. 효율을 고려하면 600,000 / 0.6 = 1,000,000J입니다. 위 공식을 적용하면 초당 201.3회전의 값을 얻습니다.

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에너지를 저장하는 또 다른 현대적인 방법: SMES(초전도 자기 에너지 저장 시스템)