Bagaimana roda gila (kinetik) perangkat penyimpanan energi diatur dan bekerja

FES adalah kependekan dari flywheel energy storage, artinya penyimpanan energi dengan menggunakan flywheel. Ini berarti bahwa energi mekanik terakumulasi dan disimpan dalam bentuk kinetik ketika sebuah roda masif berputar dengan kecepatan tinggi.

Energi mekanik yang terkumpul kemudian dapat diubah menjadi listrik, yang mana sistem roda gila digabungkan dengan mesin listrik reversibel yang mampu beroperasi dalam mode motor dan generator.

Ketika energi perlu disimpan, mesin listrik berfungsi sebagai motor dan memutar roda gila ke kecepatan sudut yang diperlukan sambil mengonsumsi energi listrik dari sumber eksternal, yang pada dasarnya mengubah energi listrik menjadi energi mekanik (kinetik). Ketika energi yang tersimpan perlu ditransfer ke beban, mesin listrik beralih ke mode generator dan energi mekanik dilepaskan saat roda gila melambat.

Sistem penyimpanan energi tercanggih berdasarkan roda gila memiliki kerapatan daya yang cukup tinggi dan dapat bersaing dengan sistem penyimpanan energi tradisional.

Instalasi baterai kinetik berdasarkan roda gila super, di mana badan yang berputar terbuat dari pita graphene berkekuatan tinggi, dianggap sangat menjanjikan dalam hal ini. Perangkat penyimpanan semacam itu dapat menyimpan energi hingga 1200 W * h (4,4 MJ!) per 1 KILOGRAM massa.

Perkembangan terkini di bidang roda gila super telah memungkinkan pengembang untuk meninggalkan gagasan menggunakan penggerak monolitik demi sistem sabuk yang tidak terlalu berbahaya.

Faktanya adalah bahwa sistem monolitik berbahaya jika terjadi kerusakan darurat dan dapat mengumpulkan lebih sedikit energi. Saat putus, selotip tidak pecah menjadi pecahan besar, tetapi hanya pecah sebagian; dalam hal ini, bagian sabuk yang terpisah menghentikan roda gila dengan bergesekan dengan permukaan bagian dalam rumahan dan mencegah kerusakan lebih lanjut.

Intensitas energi spesifik yang tinggi dari roda gila super yang terbuat dari pita belitan atau serat interferensi tercapai karena sejumlah faktor yang berkontribusi.

Pertama, roda gila beroperasi dalam ruang hampa, yang sangat mengurangi gesekan dibandingkan dengan udara. Untuk ini, ruang hampa udara di dalam rumahan harus terus dipertahankan dengan sistem pembuatan dan pemeliharaan ruang hampa.

Kedua, sistem harus mampu menyeimbangkan badan yang berputar secara otomatis. Tindakan teknis khusus diambil untuk mengurangi getaran dan getaran giroskopik. Singkatnya, sistem roda gila sangat menuntut dari segi desain, oleh karena itu pengembangannya merupakan proses rekayasa yang kompleks.

Mereka tampaknya lebih cocok sebagai bantalan suspensi magnetik (termasuk superkonduktor).… Namun, para insinyur harus meninggalkan superkonduktor suhu rendah dalam suspensi, karena membutuhkan banyak energi. Bantalan gelinding hibrida dengan badan keramik jauh lebih baik untuk kecepatan putaran sedang. Sedangkan untuk flywheel berkecepatan tinggi, ternyata dapat diterima secara ekonomis dan sangat ekonomis untuk menggunakan superkonduktor suhu tinggi dalam suspensi.

Salah satu keunggulan utama sistem penyimpanan FES, setelah intensitas energi spesifiknya yang tinggi, adalah umur layanannya yang relatif lama, bisa mencapai 25 tahun Omong-omong, efisiensi sistem roda gila berdasarkan strip graphene mencapai 95%. Selain itu, perlu diperhatikan kecepatan pengisian daya. Ini, tentu saja, tergantung pada parameter instalasi listrik.

Misalnya, pemulihan energi pada roda gila kereta bawah tanah yang beroperasi selama akselerasi dan deselerasi kereta mengisi dan melepaskan dalam 15 detik. Dipercaya bahwa untuk mencapai efisiensi tinggi dari sistem penyimpanan flywheel, waktu pengisian dan pengosongan nominal tidak boleh melebihi satu jam.

Penerapan sistem FES cukup luas. Mereka dapat berhasil digunakan pada berbagai perangkat pengangkat, memberikan penghematan energi hingga 90% selama bongkar muat. Sistem ini dapat digunakan secara efektif untuk pengisian cepat baterai transportasi listrik, untuk menstabilkan frekuensi dan daya di jaringan listrik, di sumber daya tak terputus, di kendaraan hibrida, dll.

Dengan semua ini, sistem penyimpanan flywheel memiliki fitur yang luar biasa.Jadi, jika material dengan kerapatan tinggi digunakan, konsumsi daya spesifik perangkat penyimpanan berkurang karena penurunan kecepatan putaran nominal.

Jika bahan dengan kerapatan rendah digunakan, konsumsi daya meningkat karena peningkatan kecepatan, tetapi ini meningkatkan persyaratan untuk ruang hampa, serta untuk penyangga dan segel, dan konverter listrik menjadi lebih kompleks.

Bahan terbaik untuk roda gila super adalah sabuk baja berkekuatan tinggi dan bahan berserat seperti Kevlar dan serat karbon. Bahan yang paling menjanjikan, seperti disebutkan di atas, tetap menjadi pita graphene tidak hanya karena parameter kekuatan dan kerapatan yang dapat diterima, tetapi terutama karena keamanannya dalam pemecahan.

Potensi kerusakan merupakan kendala utama untuk sistem flywheel kecepatan tinggi. Bahan komposit yang digulung dan direkatkan berlapis-lapis dengan cepat hancur, mula-mula mengelupas menjadi filamen berdiameter kecil yang langsung menjerat dan memperlambat satu sama lain, dan kemudian menjadi bubuk bercahaya. Pecahnya yang terkendali (jika terjadi kecelakaan) tanpa merusak lambung adalah salah satu tugas utama para insinyur.

Pelepasan energi pecah dapat dikurangi dengan cairan enkapsulasi atau lapisan selubung dalam seperti gel yang akan menyerap energi jika roda gila pecah.

Salah satu cara untuk melindungi dari ledakan adalah dengan meletakkan flywheel di bawah tanah untuk menghentikan puing-puing yang terbang dengan kecepatan peluru jika terjadi kecelakaan. Namun, ada kasus ketika fragmen terbang ke atas dari tanah, dengan kehancuran tidak hanya lambung, tetapi juga bangunan yang berdekatan.

Akhirnya, mari kita lihat proses fisika.Energi kinetik benda yang berputar ditentukan oleh rumus:

dimana I adalah momen inersia benda yang berputar

kecepatan sudut dapat direpresentasikan sebagai berikut:

Misalnya, untuk silinder kontinu, momen inersia adalah:

dan kemudian energi kinetik untuk silinder padat melalui frekuensi f sama dengan:

di mana f adalah frekuensi (dalam putaran per detik), r adalah jari-jari dalam meter, m adalah massa dalam kilogram.

Mari kita ambil contoh kasar untuk dipahami. Sebuah boiler 3 kW mendidihkan air dalam 200 detik. Pada kecepatan berapa roda gila bermassa 10 kg dan jari-jari 0,5 m harus berputar sehingga selama proses berhenti ada cukup energi untuk mendidihkan air? Biarkan efisiensi generator-converter kami (mampu beroperasi pada kecepatan berapa pun) menjadi 60%.

Menjawab. Jumlah total energi yang dibutuhkan untuk merebus ketel adalah 200 * 3000 = 600.000 J. Mempertimbangkan efisiensi, 600.000 / 0,6 = 1.000.000 J. Menerapkan rumus di atas, kita mendapatkan nilai 201,3 putaran per detik .

Lihat juga:Perangkat penyimpanan energi kinetik untuk industri tenaga

Cara modern lain untuk menyimpan energi: Sistem Penyimpanan Energi Magnetik Superkonduktor (SMES)