Các thiết bị lưu trữ năng lượng bánh đà (động học) được sắp xếp và hoạt động như thế nào

FES là viết tắt của flywheel energy storage, có nghĩa là lưu trữ năng lượng bằng cách sử dụng bánh đà. Điều này có nghĩa là năng lượng cơ học được tích lũy và lưu trữ ở dạng động học khi một bánh xe lớn quay với tốc độ cao.

Do đó, năng lượng cơ học được tích lũy sau đó có thể được chuyển đổi thành điện năng, nhờ đó hệ thống bánh đà được kết hợp với một máy điện đảo chiều có khả năng hoạt động ở cả hai chế độ động cơ và máy phát điện.

Khi năng lượng cần được lưu trữ, máy điện hoạt động như một động cơ và quay bánh đà đến vận tốc góc cần thiết trong khi tiêu thụ năng lượng điện từ nguồn bên ngoài, thực tế là—chuyển đổi năng lượng điện—thành năng lượng cơ học (động năng). Khi năng lượng được lưu trữ cần được chuyển sang tải, máy điện sẽ chuyển sang chế độ máy phát điện và năng lượng cơ học được giải phóng khi bánh đà giảm tốc.

Các hệ thống lưu trữ năng lượng tiên tiến nhất dựa trên bánh đà có mật độ năng lượng khá cao và có thể cạnh tranh với các hệ thống lưu trữ năng lượng truyền thống.

Việc lắp đặt pin động học dựa trên siêu bánh đà, trong đó thân quay được làm bằng dải graphene có độ bền cao, được coi là đặc biệt hứa hẹn về mặt này. Các thiết bị lưu trữ như vậy có thể lưu trữ năng lượng lên tới 1200 W * h (4,4 MJ!) trên 1 KILOGRAM khối lượng.

Những phát triển gần đây trong lĩnh vực siêu bánh đà đã cho phép các nhà phát triển từ bỏ ý tưởng sử dụng các bộ truyền động nguyên khối để chuyển sang sử dụng các hệ thống dây đai ít nguy hiểm hơn.

Thực tế là các hệ thống nguyên khối rất nguy hiểm trong trường hợp vỡ khẩn cấp và có thể tích lũy ít năng lượng hơn. Khi đứt, băng không phân tán thành từng mảnh lớn mà chỉ đứt một phần; trong trường hợp này, các bộ phận riêng biệt của dây đai dừng bánh đà bằng cách cọ xát vào bề mặt bên trong của vỏ và ngăn chặn sự phá hủy thêm của nó.

Cường độ năng lượng riêng cao của siêu bánh đà làm từ băng cuộn hoặc sợi giao thoa giao thoa đạt được do một số yếu tố góp phần.

Thứ nhất, bánh đà hoạt động trong môi trường chân không nên ma sát giảm đi rất nhiều so với không khí. Đối với điều này, chân không trong vỏ phải được duy trì liên tục bằng hệ thống bảo trì và tạo chân không.

Thứ hai, hệ thống phải có khả năng tự động cân bằng thân quay. Các biện pháp kỹ thuật đặc biệt được thực hiện để giảm rung động và rung động hồi chuyển. Nói tóm lại, hệ thống bánh đà đòi hỏi rất cao từ quan điểm thiết kế, do đó sự phát triển của chúng là một quá trình kỹ thuật phức tạp.

Chúng dường như phù hợp hơn làm vòng bi huyền phù từ tính (bao gồm cả siêu dẫn)… Tuy nhiên, các kỹ sư đã phải từ bỏ các chất siêu dẫn nhiệt độ thấp ở dạng huyền phù vì chúng cần rất nhiều năng lượng. Vòng bi lai với thân gốm tốt hơn nhiều cho tốc độ quay trung bình. Đối với bánh đà tốc độ cao, việc sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao trong hệ thống treo đã được chứng minh là có thể chấp nhận được về mặt kinh tế và rất kinh tế.

Một trong những ưu điểm chính của hệ thống lưu trữ FES, sau cường độ năng lượng riêng cao, là tuổi thọ tương đối dài, có thể lên tới 25 năm.Nhân tiện, hiệu quả của hệ thống bánh đà dựa trên các dải graphene đạt 95%. Ngoài ra, đáng chú ý là tốc độ sạc. Tất nhiên, điều này phụ thuộc vào các thông số lắp đặt điện.

Ví dụ, một bộ thu hồi năng lượng trên bánh đà của tàu điện ngầm hoạt động trong quá trình tăng tốc và giảm tốc của tàu sẽ sạc và phóng điện trong 15 giây. Người ta tin rằng để đạt được hiệu quả cao từ hệ thống lưu trữ bánh đà, thời gian sạc và xả danh định không được vượt quá một giờ.

Khả năng ứng dụng của hệ thống FES khá rộng. Chúng có thể được sử dụng thành công trên các thiết bị nâng khác nhau, giúp tiết kiệm năng lượng lên đến 90% trong quá trình tải và dỡ hàng. Các hệ thống này có thể được sử dụng hiệu quả để sạc nhanh các ắc quy vận tải điện, để ổn định tần số và công suất trong lưới điện, trong các nguồn điện liên tục, trong các phương tiện lai, v.v.

Với tất cả điều này, hệ thống lưu trữ bánh đà có các tính năng đáng chú ý.Vì vậy, nếu vật liệu mật độ cao được sử dụng, thì mức tiêu thụ năng lượng cụ thể của thiết bị lưu trữ sẽ giảm do tốc độ quay danh nghĩa giảm.

Nếu vật liệu có mật độ thấp được sử dụng, thì mức tiêu thụ điện năng sẽ tăng do tốc độ tăng, nhưng điều này làm tăng yêu cầu về chân không, cũng như các giá đỡ và vòng đệm, đồng thời bộ chuyển đổi điện trở nên phức tạp hơn.

Vật liệu tốt nhất cho siêu bánh đà là đai thép cường độ cao và vật liệu dạng sợi như Kevlar và sợi carbon. Vật liệu hứa hẹn nhất, như đã lưu ý ở trên, vẫn là băng graphene không chỉ vì các thông số về độ bền và mật độ có thể chấp nhận được, mà chủ yếu là vì tính an toàn của nó khi đứt.

Khả năng bị vỡ là một trở ngại lớn đối với các hệ thống bánh đà tốc độ cao. Các vật liệu tổng hợp được cuộn và dán thành lớp sẽ nhanh chóng phân hủy, đầu tiên phân tách thành các sợi có đường kính nhỏ vướng víu và giảm tốc lẫn nhau ngay lập tức, sau đó thành bột phát sáng. Vỡ có kiểm soát (trong trường hợp xảy ra tai nạn) mà không làm hỏng thân tàu là một trong những nhiệm vụ chính của các kỹ sư.

Việc giải phóng năng lượng do vỡ có thể được giảm thiểu bằng một lớp lót bên trong dạng gel hoặc chất lỏng được bọc kín sẽ hấp thụ năng lượng nếu bánh đà bị gãy.

Một cách để bảo vệ khỏi vụ nổ là đặt bánh đà dưới lòng đất để ngăn chặn bất kỳ mảnh vỡ nào có thể bay với tốc độ viên đạn trong trường hợp xảy ra tai nạn. Tuy nhiên, có những trường hợp các mảnh vỡ bay lên từ mặt đất, không chỉ phá hủy thân tàu mà còn cả các tòa nhà lân cận.

Cuối cùng, hãy xem xét vật lý của quá trình.Động năng của vật quay được xác định theo công thức:

trong đó tôi là mômen quán tính của vật quay

vận tốc góc có thể được biểu diễn như sau:

Ví dụ, đối với một hình trụ liên tục, mômen quán tính là:

và sau đó động năng cho một hình trụ rắn thông qua tần số f bằng:

trong đó f là tần số (tính bằng số vòng trên giây), r là bán kính tính bằng mét, m là khối lượng tính bằng kilôgam.

Hãy lấy một ví dụ sơ bộ để hiểu. Một nồi hơi 3 kW đun sôi nước trong 200 giây. Một bánh đà hình trụ liên tục có khối lượng 10kg, bán kính 0,5m phải quay với tốc độ bao nhiêu để trong quá trình dừng nó có đủ năng lượng làm sôi nước? Đặt hiệu suất của bộ chuyển đổi máy phát điện của chúng tôi (có khả năng hoạt động ở bất kỳ tốc độ nào) là 60%.

Trả lời. Tổng năng lượng cần thiết để đun sôi ấm là 200 * 3000 = 600.000 J. Tính đến hiệu suất, 600.000 / 0,6 = 1.000.000 J. Áp dụng công thức trên, chúng ta nhận được giá trị 201,3 vòng quay mỗi giây.

Xem thêm:Thiết bị lưu trữ động năng cho ngành điện

Một cách hiện đại khác để lưu trữ năng lượng: Hệ thống lưu trữ năng lượng từ tính siêu dẫn (SMES)