Kako narediti napravo za shranjevanje energije. Visokoenergijski diski: Akumulator z vztrajnikom

Narava je človeku dala različne vire energije: sonce, veter, reke in druge. Slaba stran teh generatorjev brezplačne energije je pomanjkanje stabilnosti. Zato se v obdobjih presežka energije shranjuje v hranilnikih in porablja v obdobjih začasnega upada. Za naprave za shranjevanje energije so značilni naslednji parametri:

• količina shranjene energije;
• stopnja njegovega kopičenja in vračanja;
• specifična težnost;
• obdobja shranjevanja energije;
• zanesljivost;
• stroški izdelave in vzdrževanja ter drugo.

Obstaja veliko načinov za organiziranje naprav za shranjevanje. Ena najbolj priročnih je razvrstitev glede na vrsto energije, ki se uporablja v hranilniku, in način njenega zbiranja in sproščanja. Naprave za shranjevanje energije so razdeljene na naslednje glavne vrste:

• mehanski;
• termični;
• električni;
• kemična.

Shranjevanje potencialne energije

Bistvo teh naprav je preprosto. Pri dvigovanju bremena se kopiči potencialna energija, pri spuščanju pa opravi koristno delo. Oblikovne značilnosti so odvisne od vrste tovora. Lahko je trdna, tekoča ali zrnata snov. Praviloma so zasnove tovrstnih naprav izjemno preproste, zato visoka zanesljivost in dolga življenjska doba. Čas shranjevanja shranjene energije je odvisen od trajnosti materialov in lahko doseže več tisoč let. Na žalost imajo takšne naprave nizko specifično porabo energije.

Mehanske naprave za shranjevanje kinetične energije

Ti so shranjeni v gibanju katerega koli telesa. Običajno je to oscilatorno ali translacijsko gibanje.

V nihajnih sistemih je skoncentriran v povratnem gibanju telesa. Energija se dovaja in porablja v porcijah, sočasno z gibanjem telesa. Mehanizem je precej zapleten in muhast za nastavitev. Pogosto se uporablja v mehanskih urah. Količina shranjene energije je običajno majhna in primerna le za delovanje same naprave.

Naprave za shranjevanje, ki uporabljajo energijo žiroskopa

Zaloga kinetične energije je koncentrirana v vrtečem se vztrajniku. Specifična energija vztrajnika bistveno presega energijo podobne statične obremenitve. Možno je sprejeti ali oddati znatno moč v kratkem času. Čas shranjevanja energije je kratek, pri večini modelov omejen na nekaj ur. Sodobne tehnologije omogočajo podaljšanje časa shranjevanja energije na nekaj mesecev. Vztrajniki so zelo občutljivi na udarce. Energija naprave je neposredno odvisna od hitrosti njenega vrtenja. Zato se v procesu kopičenja in sproščanja energije spreminja hitrost vrtenja vztrajnika. In obremenitev praviloma zahteva konstantno nizko hitrost vrtenja.

Bolj obetavne naprave so supervztrajniki. Izdelani so iz jeklenega traku, sintetičnih vlaken ali žice. Struktura je lahko gosta ali ima prazen prostor. Če je prostega prostora, se zavoji traku premaknejo na obrobje vrtenja, vztrajnostni moment vztrajnika se spremeni in del energije se shrani v deformirano vzmet. V takih napravah je hitrost vrtenja bolj stabilna kot v trdnih strukturah, njihova energetska intenzivnost pa je veliko večja. Poleg tega so varnejši.

Sodobni supervztrajniki so izdelani iz kevlarskih vlaken. Vrtijo se v vakuumski komori na magnetnem vzmetenju. Sposobnost ohranjanja energije več mesecev.

Mehanske naprave za shranjevanje, ki uporabljajo elastične sile

Ta vrsta naprave je sposobna shraniti ogromno specifične energije. Od mehanskih pogonov ima največjo energijsko intenzivnost za naprave z merami več centimetrov. Veliki vztrajniki z zelo visokimi vrtilnimi hitrostmi imajo veliko večjo energijsko kapaciteto, vendar so zelo občutljivi na zunanje dejavnike in imajo krajši čas shranjevanja energije.

Mehanske naprave za shranjevanje, ki uporabljajo energijo vzmeti

Sposoben zagotavljati največjo mehansko moč katerega koli razreda za shranjevanje energije. Omejuje ga le moč vzmeti. Energija v stisnjeni vzmeti se lahko hrani več desetletij. Vendar pa se zaradi nenehne deformacije v kovini kopiči utrujenost in zmogljivost vzmeti se zmanjša. Hkrati lahko visokokakovostne jeklene vzmeti, odvisno od delovnih pogojev, delujejo več sto let brez opazne izgube zmogljivosti.

Funkcije vzmeti lahko opravljajo kateri koli elastični elementi. na primer, so več desetkrat boljši od jeklenih izdelkov v smislu shranjene energije na enoto mase. Toda življenjska doba gume je zaradi kemičnega staranja le nekaj let.

Mehanske naprave za shranjevanje, ki uporabljajo energijo stisnjenih plinov

V tej vrsti naprave se energija shranjuje s kompresijo plina. Če je energije presežek, se plin pod tlakom črpa v jeklenko s kompresorjem. Po potrebi se stisnjen plin uporablja za vrtenje turbine ali električnega generatorja. Pri nizki moči je namesto turbine priporočljivo uporabiti batni motor. Plin v posodi pod pritiskom več sto atmosfer ima visoko specifično energijsko gostoto več let, ob prisotnosti visokokakovostnih armatur pa desetletja.

Shranjevanje toplotne energije

Večina ozemlja naše države se nahaja v severnih regijah, zato je pomemben del energije prisiljen porabiti za ogrevanje. Pri tem je potrebno redno reševati problem shranjevanja toplote v hranilniku in po potrebi odvzema od tam.

V večini primerov ni mogoče doseči visoke gostote shranjene toplotne energije in daljše dobe njenega shranjevanja. Obstoječe učinkovite naprave zaradi številnih lastnosti in visokih cen niso primerne za široko uporabo.

Akumulacija zaradi toplotne kapacitete

To je ena najstarejših metod. Temelji na principu shranjevanja toplotne energije pri segrevanju snovi in ​​sproščanju toplote pri ohlajanju. Zasnova takšnih pogonov je izjemno preprosta. Lahko je kos katere koli trdne snovi ali zaprta posoda s hladilno tekočino. Hranilniki toplotne energije imajo zelo dolgoročno storitev, skoraj neomejeno število ciklov akumulacije in sproščanja energije. Toda čas shranjevanja ne presega nekaj dni.

Shranjevanje električne energije

Električna energija je njena najprimernejša oblika v sodobnem svetu. Zato so električne naprave za shranjevanje postale razširjene in največji razvoj. Žal je specifična zmogljivost poceni naprav majhna, naprave z veliko specifično zmogljivostjo pa so predrage in kratkotrajne. Naprave za shranjevanje električne energije so kondenzatorji, ionistorji in baterije.

Kondenzatorji

To je najbolj razširjena vrsta shranjevanja energije. Kondenzatorji lahko delujejo pri temperaturah od -50 do +150 stopinj. Število ciklov kopičenja in sproščanja energije je več deset milijard na sekundo. Z vzporedno povezavo več kondenzatorjev lahko preprosto dobite zahtevano kapacitivnost. Poleg tega obstajajo spremenljivi kondenzatorji. Spreminjanje kapacitivnosti takšnih kondenzatorjev se lahko izvede mehansko oz električno ali izpostavljenosti temperaturi. Najpogosteje lahko spremenljive kondenzatorje najdemo v nihajnih vezjih.

Kondenzatorji so razdeljeni v dva razreda - polarni in nepolarni. Življenjska doba polarnih (elektrolitskih) je krajša od nepolarnih, bolj so odvisni od zunanjih pogojev, a imajo hkrati večjo specifično zmogljivost.

Kot naprave za shranjevanje energije kondenzatorji niso zelo uspešne naprave. Imajo majhno kapaciteto in nizko specifično gostoto shranjene energije, čas njenega shranjevanja pa se izračuna v sekundah, minutah, redkeje urah. Kondenzatorji se uporabljajo predvsem v elektroniki in močnostni elektrotehniki.

Izračun kondenzatorja praviloma ne povzroča težav. Vse potrebne informacije o različnih vrstah kondenzatorjev so predstavljene v tehničnih referenčnih knjigah.

Ionistorji

Te naprave zasedajo vmesno mesto med polarnimi kondenzatorji in baterijami. Včasih jih imenujemo "superkondenzatorji". V skladu s tem imajo ogromno stopenj polnjenja in praznjenja, zmogljivost je večja kot pri kondenzatorjih, vendar nekoliko manjša kot pri majhnih baterijah. Čas shranjevanja energije je do nekaj tednov. Ionistorji so zelo občutljivi na temperaturo.

Napajalne baterije

Elektrokemične baterije se uporabljajo, če morate shraniti veliko energije. Za ta namen so najprimernejše naprave s svinčeno kislino. Izumili so jih pred približno 150 leti. In od takrat zasnovi baterije ni bilo dodano nič bistveno novega. Pojavilo se je veliko specializiranih modelov, kakovost komponent se je znatno povečala, zanesljivost baterije pa se je povečala. Omeniti velja, da se zasnova baterij, ki so jih ustvarili različni proizvajalci za različne namene, razlikuje le v manjših podrobnostih.

Elektrokemične baterije delimo na vlečne in zagonske. Vlečne se uporabljajo v električnih vozilih, brezprekinitvenih napajalnikih in električnih orodjih. Za takšne baterije je značilno dolgo, enakomerno praznjenje in velika globina praznjenja. Zagonske baterije lahko proizvedejo visok tok v kratkem času, vendar je globoka izpraznitev zanje nesprejemljiva.

Elektrokemične baterije imajo omejeno število ciklov polnjenja in praznjenja, v povprečju od 250 do 2000. Tudi brez uporabe po nekaj letih odpovejo. Elektrokemične baterije so občutljive na temperaturo, zahtevajo dolgotrajno polnjenje in strogo upoštevanje pravil delovanja.

Napravo je treba občasno napolniti. Akumulator, nameščen na vozilu, se polni v gibanju iz generatorja. IN zimski čas To ni dovolj, hladen akumulator slabo sprejema polnjenje, zagon motorja traja dlje. Zato je treba baterijo dodatno polniti v toplem prostoru s posebnim polnilcem. Ena od pomembnih pomanjkljivosti naprav s svinčeno kislino je njihova velika teža.

Baterije za naprave z nizko porabo energije

Če potrebujete lahke mobilne naprave, izberite naslednje vrste baterije: nikelj-kadmijeve, litij-ionske, kovinsko-hibridne, polimer-ionske. Imajo večjo specifično zmogljivost, vendar je cena precej višja. Uporabljajo se v mobilnih telefonih, prenosnih računalnikih, fotoaparatih, video kamerah in drugih majhnih napravah. Različne vrste baterij se razlikujejo po svojih parametrih: število ciklov polnjenja, rok uporabnosti, zmogljivost, velikost itd.

Visokozmogljive litij-ionske baterije se uporabljajo v električnih vozilih in hibridnih avtomobilih. Imajo majhno težo, visoko specifično zmogljivost in visoko zanesljivost. Hkrati so litij-ionske baterije zelo požarno nevarne. Do požara lahko pride zaradi kratkega stika, mehanske deformacije ali uničenja ohišja, kršitve pogojev polnjenja ali izpraznitve baterije. Požar je zaradi visoke aktivnosti litija precej težko pogasiti.

Baterije so osnova številnih naprav. Na primer, naprava za shranjevanje energije za telefon je kompaktna naprava v trpežnem, vodoodpornem ohišju. Omogoča polnjenje ali napajanje vašega mobilnega telefona. Zmogljivi mobilni hranilniki energije lahko napolnijo vse digitalne naprave, tudi prenosnike. Takšne naprave so običajno opremljene z visoko zmogljivimi litij-ionskimi baterijami. Tudi domače naprave za shranjevanje energije potrebujejo baterije. Vendar je veliko več kompleksne naprave. Poleg baterije vključujejo polnilec, krmilni sistem in inverter. Naprave lahko delujejo tako iz fiksnega omrežja kot iz drugih virov. Povprečna izhodna moč je 5 kW.

Naprave za shranjevanje kemične energije

Obstajajo vrste naprav za shranjevanje "goriva" in "brez goriva". Zahtevajo posebne tehnologije in pogosto zajetno visokotehnološko opremo. Uporabljeni procesi omogočajo pridobivanje energije v različnih oblikah. Termokemijske reakcije lahko potekajo pri nizkih in visokih temperaturah. Komponente za visokotemperaturne reakcije uvedemo le, ko je potrebno pridobiti energijo. Pred tem so shranjeni ločeno, na različnih mestih. Komponente za nizkotemperaturne reakcije se običajno nahajajo v eni posodi.

Akumulacija energije s proizvodnjo goriva

Ta metoda vključuje dve popolnoma neodvisni stopnji: akumulacijo energije (»polnjenje«) in njeno porabo (»praznjenje«). Tradicionalna goriva imajo praviloma visoko specifično energijsko zmogljivost, možnost dolgoročnega skladiščenja in enostavnost uporabe. A življenje ne miruje. Uvedba novih tehnologij postavlja povečane zahteve glede goriva. Problem se rešuje z izboljšanjem obstoječih in ustvarjanjem novih, visokoenergijskih vrst goriva.

Široko uvedbo novih modelov ovirajo nezadostna razvitost tehnoloških procesov, visoka požarna in eksplozijska nevarnost pri delovanju, potreba po visoko usposobljenem osebju in visoki stroški tehnologije.

Shranjevanje kemične energije brez goriva

V tej vrsti naprave za shranjevanje se energija shranjuje s pretvorbo ene kemične snovi v drugo. Na primer, ko se segreje, preide v neugasnjeno stanje. Med "praznjenjem" se shranjena energija sprosti v obliki toplote in plina. Prav to se zgodi pri gašenju apna z vodo. Za začetek reakcije je običajno dovolj, da se komponente združijo. V bistvu je to vrsta termokemične reakcije, le da se pojavi pri temperaturah sto in tisoč stopinj. Zato je uporabljena oprema veliko bolj zapletena in dražja.

Mehansko shranjevanje(MH) ali mehanski akumulator energije je naprava za shranjevanje in shranjevanje kinetične ali potencialne energije z njenim kasnejšim sproščanjem za opravljanje koristnega dela.

Kot pri vseh vrstah naprav za shranjevanje energije (ES) so značilni načini delovanja MN napolniti(kopičenje) in praznjenje(sproščanje energije). Shranjevanje energija služi kot vmesni način MN. V načinu polnjenja se mehanska energija v MN dovaja iz zunanjega vira, specifično tehnično izvedbo energenta pa določa tip MN. Ko se MN izprazni, se glavnina energije, ki jo shranjuje, prenese na porabnika. Del akumulirane energije se porabi za nadomestilo izgub, ki nastanejo v načinu praznjenja, v večini vrst MN pa tudi v načinih shranjevanja.

Ker je lahko v številnih skladiščnih napravah čas polnjenja veliko daljši od časa praznjenja (r3), je možen znaten presežek povprečne zmogljivosti praznjenja R P nad povprečno močjo P3 polnjenje MN. Tako je dovoljeno akumulirati energijo v MN z uporabo virov relativno nizke moči.

Glavne vrste MN so razdeljene na statične, dinamične in kombinirane naprave.

Statično MN shranjuje potencialno energijo z elastično spremembo oblike ali prostornine delovne tekočine ali ko se giblje v nasprotni smeri gravitacije v gravitacijskem polju. Trdna, tekoča ali plinasta delovna tekočina teh MN ima statično stanje v načinu shranjevanja energije, polnjenje in praznjenje NE pa spremlja gibanje delovne tekočine.

Dinamično MN kopičijo kinetično energijo predvsem v vrtečih se masah trdnih teles. Običajno lahko dinamični MN vključuje tudi pomnilniške naprave za pospeševalnike napolnjenosti elementarni delci, v katerem je shranjena kinetična energija elektronov ali protonov, ki se ciklično premikajo po zaprtih trajektorijah.

Kombinirano MN hkrati hranijo kinetično in potencialno energijo. Primer kombiniranega MN je supervztrajnik iz visoko trdnega vlaknastega materiala z relativno nizkim modulom elastičnosti. Ko se dani MN vrti, se v njem poleg kinetične energije shrani tudi potencialna energija elastične deformacije. Z odvzemom akumulirane energije iz takega MN se doseže uporaba obeh njegovih vrst.

Glede na raven specifične akumulirane energije na enoto mase ali prostornine pomnilnika so dinamični inercialni MN bistveno boljši od nekaterih drugih vrst NE (na primer induktivni in kapacitivni pomnilniki). Zato so MN zelo praktičnega pomena za različne aplikacije na različnih področjih tehnologije in znanstvenih raziskav.

Nekatere vrste MP so zdaj našle obsežno uporabo v elektroenergetiki, na primer vodnik - Ro-skladiščne naprave elektrarn. Cikel polnjenja in praznjenja njihovega delovanja doseže več deset ur.

Za inercialne MN so značilni kratkotrajni načini praznjenja. Odstranitev energije iz MN spremlja zmanjšanje kotne hitrosti vztrajnika na sprejemljivo raven. V nekaterih primerih lahko pride do zaviranja, dokler se vztrajnik popolnoma ne ustavi. Možne so "udarne" razelektritve, za katere je značilen enkraten ali cikličen odvzem shranjene energije, zaradi velikega kinetičnega momenta in kratkega časa praznjenja MN pa je zmanjšanje kotne hitrosti njegovega rotorja relativno majhno, čeprav napajalnik lahko doseže precej visoke vrednosti. V tem načinu MN so posebne zahteve glede zagotavljanja trdnosti gredi. Pod vplivom navora se v gredi pojavijo nevarne strižne napetosti. Kinetična energija rotorja se pretvori v potencialno energijo elastičnih torzijskih deformacij gredi. Za premagovanje teh težav so v nekaterih izvedbah MN na voljo elastične ali torne sklopke.

Statični MN ohranijo shranjeno energijo, ko mirujejo. Nosilci potencialne energije v njih so elastično deformirane trdne snovi ali stisnjeni plini pod nadtlakom, pa tudi mase, dvignjene na višino glede na zemeljsko površino. Tipični primeri statičnih MN so: raztegnjene ali stisnjene vzmeti, guma; baterije in pnevmatski akumulatorji za plinske jeklenke; udarne naprave različnih pilotov, na primer za zabijanje pilotov, ki uporabljajo masno energijo v dvignjenem stanju; rezervoarji črpalnih elektrarn, rezervoarji črpalnih naprav. Predstavimo osnovna energetska razmerja in značilne parametre nekaterih tipičnih naprav.

Razmislite o MN z elastična elementi.

Verjamemo trdno stanje sistem je linearen, potem ima elastični skladiščni element konstantno togost (ali elastičnost) n= Konst. Sila, ki deluje nanj F=Nx sorazmerno z linearno deformacijo X. Osnovno delo, opravljeno pri polnjenju MN dW=Fdx. Skupna shranjena energija

W = J Fdx= J Nxdx = NAH2/2-FaAh/2, oo

Kje Ah je nastala deformacija, omejena na npr. Sprejemljivo Napetost ar material; Fn = NAH - uporabljena sila.

Ocenimo specifično energijo Wya = Wj M, na enoto mase M= yV=ySh volumen vzmeti ali palice V in prerez S, material, katerega gostota je y in je natezna v mejah Hookovega zakona a= xfE, in X*=xfh- relativna deformacija, E- modul elastičnosti (Youngov), G^Gp. Z vstopom da= Edx„ lahko zapišemo DW=Fhdx*=Fhdo/E in dWya= dW/ySh=Fda/ySE, od kje pri C=F/S najdemo

Wya=](aljE)da = a2J(2jE).O

Za jeklovzmeti bomo sprejeli n = 8 108 N/m"E= 2 ,1-1011 N/m2,y = 7800 kg/m3, torejWya ^200 J/kg. Ana Logičen izračun za tehnični kavčuk daje ^spd^350 J/kg, vendar zaradi histerezične narave odvisnosti F= F(X) V ciklu "polnjenje-praznjenje" nastale izgube in segrevanje vodijo do TO postopno staranje (uničenje) gume, nestabilnost in poslabšanje njenih elastičnih lastnosti.

Skladiščenje plina sistem je v mehansko neravnovesnem stanju glede na okolje: ko sta temperaturi sistema in okolja enaki (T=T0C) sistemski tlak p>p0,c, zato lahko sistem deluje. Zaloga elastične energije, stisnjene v valju s prostornino V plin je

W=P( vdp=v(p2-pi).. (4.1)

Glede na (4.1) je na enoto mase M katerega koli stisnjenega plina specifična energija

Wya=W/M=V(p2-Pl)IM=Uporabi. (4.2)

Na podlagi (4.2) pri K=1m3 vrednost W- WysMštevilčno enaka padcu tlaka Ar=p1-p1. Na primer, če A/? = 250 105 Pa (začetni tlak p! = 105 Pa), nato IL = 25-106 J, ne glede na kemično sestavo plina. Največja vrednost Wya, ko se stisnjen plin razširi na tlak nič pri dani temperaturi v skladu z enačbo Mendeleev-Clapeyron PV- MvRyT znaša

Wya=WlM=RyTI", (4.3)

kjer je q = M/Mts - molska masa(kg/kmol); Ry& ~8,314 kJ/(kmol K) - univerzalna plinska konstanta pri Tx273 K; /? «105Pa; Mm je število kilomolov v plinu z maso M.

Iz (4.3) je razvidno, da je najbolj učinkovita uporaba lahkih plinov v MP. Za najlažji plin - vodik (c = 2 kg/kmol) pri G = 300 K je specifična energija ~1250 kJ/kg (ali 1250 J/g). Tlak ni izrecno vključen v (4.3), saj je Wya določen z (4.2) z razmerjem med presežnim tlakom plina in njegovo gostoto. Slednji z naraščanjem tlaka in Г= const narašča po linearnem zakonu (pri izotermnem procesu PV= Const). Opozoriti je treba, da je primerno za učinkovito uporabo obravnavanih MN visok pritisk Zaradi trdnosti določajo pomembno maso plinskih jeklenk, ob upoštevanju katere se lahko vrednost Wya naprave kot celote zmanjša za skoraj red velikosti v primerjavi s fVya iz (4.2), (4.3). Trdnost jeklenk je mogoče oceniti z uporabo konstrukcijskih razmerij § 4.5.7.

Razmislimo gravitacijski naprave za shranjevanje energije.

Gravistatična energija Zemljine privlačnosti (na ravni ora) je ocenjena na dokaj visok indikator "spd = 61,6 MJ / kg, ki označuje delo, potrebno za enakomerno premikanje telesa z maso Mx = Kg od zemeljske površine v zunanjo prostora (za primerjavo poudarimo, da je ta vrednost PVya približno krat večja od kemične energije 1 kg kerozina). M do višine h= x2 -xl shranjeno potencialno energijo

W=jgMdx=gMh , (4.4)

Kjer je M = const, g = 9,8l m/s2. Glede na (4.4) specifična energija Wya=WjM=gh odvisno samo od višine h. Shranjena energija se sprosti, ko obremenitev pade in se opravi ustrezno koristno delo kot posledica prehoda potencialne energije v kinetično. Največjo specifično kinetično energijo v naravi med padanjem lahko razvijejo meteoriti, za katere Wya^60 MJ/kg (brez upoštevanja stroškov energije za trenje v atmosferi).

Neposredna uporaba gravitacijskih sil, ki jih ustvarjajo naravne mase, je praktično nemogoča. S črpanjem vode v dvignjene umetne rezervoarje ali iz podzemnih rezervoarjev na površje pa je mogoče shraniti dovolj velike količine potencialne energije za obsežne aplikacije v elektroenergetskih sistemih. Če je razlika v nivoju h= 200 m, potem je glede na maso vode M = 103 kg shranjena energija po (4.4) enaka I> "= 1962 kJ, specifična energija Wya= WjM= 1,962 kJ/kg.

Razmislimo inercialna kinetična MN.

Načeloma se lahko kinetična energija shrani med katerim koli gibanjem mase. Za enakomerno translacijsko gibanje telesa mase M s hitrostjo v kinetična energija W=Mv2 / 2. Specifična energija Wya=W/M=v2 j2 odvisna (kvadratno) le od linearne hitrosti telesa. Telo, ki se giblje s prvo ubežno hitrostjo km/s, ima specifično

Energija Wyax32 MJ/kg.

Za različne energetske in transportne aplikacije so MN rotacijskega gibanja - inercialni MN (vztrajniki) - racionalni. Shranjena kinetična energija W=J& / ~ je določena s kvadratom kotne hitrosti Q= 2nn (p- hitrost vrtenja) in vztrajnostni moment J vztrajnik glede na vrtilno os. Če ima disk vztrajnik polmer G in masa M =yV (V- glasnost, pri- gostota materiala), t°

J^Mr2/2 = yVr2j2 in W=n2Mr2n2 = n2yVr2n2. Ustrezna specifična energija (na enoto M oz V) znaša F.V./M=n*r2n2 , J/kg in lV0ja=W/V=n2leto2n2 , J/m3. Vrednosti Q in n pri dano velikost g so omejene z linearno obodno hitrostjo v=Q.r= 2 mr, povezana z dopustno pretržno napetostjo materiala ar. Znano je, da je napetost a v kolutnem ali cilindričnem rotorju MN odvisna od v2. Za kovinske vztrajnike so glede na geometrijsko obliko značilne največje dovoljene obodne hitrosti približno 200 do 500 m/s.

Akumulirana energija, zlasti za vztrajnik tankega platišča, W=Mv /2 (M- masa vrtljivega obroča). Specifična energija Wya=W/M=v2 /2 ni odvisen od dimenzij obroča in je določen z razmerjem parametrov Or/y njegovega materiala (glej § 4.5.1, kjer je prikazano, da v2 = opj U). Opozoriti je treba, da se podoben vzorec za Wya~avjу pojavlja tudi v induktivnih napravah za shranjevanje energije (glej 2. poglavje), čeprav se bistveno razlikujejo od MN v smislu fizična narava. Na splošno je treba pri izdelavi hranilnih elementov MN uporabiti materiale s povečanimi vrednostmi Gp/y> 105 J/kg. večina primerni materiali so visoko trdna legirana jekla, titanove zlitine, pa tudi lahke aluminijeve zlitine (duraluminijev tip) in magnezijeve zlitine (elektronski tip). Z uporabo kovinskih materialov je možno pridobiti specifično energijo MN do Wm = 200-300 kJ/kg.

Namenjeni izdelavi vztrajnikov s posebno visokimi specifičnimi energijami (supervztrajniki) materiali iz finih vlaken lahko teoretično zagotavljajo naslednje ravni Wya: steklene niti - 650 kJ/kg, kvarčne niti - 5000 kJ/kg, ogljikova vlakna (z diamantom). struktura) - 15000 kJ/kg . Niti (ali iz njih izdelani trakovi) in lepilne smole tvorijo kompozitno strukturo, katere trdnost je nižja od trdnosti originalnih vlaken. Ob upoštevanju pritrdilnih elementov v resničnih super-vztrajnikih so praktično dosežene vrednosti Zhd, ki so manjše od navedenih, vendar še vedno relativno višje kot pri drugih sortah MN. Super vztrajniki omogočajo obodne hitrosti do v"1000 m/s. Tehnična izvedba takih naprav zahteva posebne pogoje. Na primer, vztrajnik je treba namestiti v vakuumsko ohišje, saj so navedene vrednosti v ustrezajo nadzvočnim hitrostim v zraku (Machovo število Ma>1), ki v na splošno lahko povzroči številne nesprejemljive učinke: pojav zračnih udarnih valov in udarnih valov, močno povečanje aerodinamičnega upora in temperature.

Supervztrajniki iz večplastnih vlaken imajo precej visoko zanesljivost in so varnejši za uporabo kot trdni vztrajniki. Pod nesprejemljivimi obremenitvami, ki jih povzročajo vztrajnostne sile, se uničijo le najbolj obremenjene zunanje plasti vlaknasto kompozitne strukture supervztrajnika, medtem ko uničenje masivnega vztrajnika spremlja razpršitev njegovih potrganih delov.

Kombinacija lastnosti statičnega in dinamičnega MN se pojavlja v različnih napravah. Najenostavnejši med njimi je nihajno nihalo. Ciklični proces medsebojnega pretvorbe potencialne energije v kinetično energijo se lahko vzdržuje precej dolgo, če se kompenzirajo izgube v mehanizmu nihala.

Oglejmo si ilustrativne primere MN, ki med polnjenjem hranijo kinetično in potencialno energijo. Prikazujejo temeljne možnosti skupne praktične uporabe obeh vrst akumulirane mehanske energije. Na sl. 4.1, A prikazuje obremenitev mase M, vrtenje okoli središča O na absolutno togo vrvico dolžine /, odklonjeno od navpičnega položaja za kot cf. Linearna hitrost v ustreza rotacijskemu gibanju M vzdolž kroga polmera G. Potencialna energija bremena Wn=gMh zaradi dviga na nadmorsko višino h kot posledica odstopanja. Kinetična energija bremena je 1FK = 0,5 Mv2 . Na breme deluje sila F = F„ + Fr. Njena inercialna komponenta je enaka FK = Mv lr> vrednosti gravitacijske komponente F T= gM. Ker je F„/Fr = r2/rg = tan(D, do te mere Wn/WK= 2h/rtg^>. Če se upošteva^! da je A = /(l - coscp) in r = /sincp, potem je /r/r = (1 - coscp)/sincp. torej W„l lFK = 2coscp/(l +cos(p) in v primeru ср->0 dobimo Wn/WK->1. Posledično lahko pri majhnih kotih ср shranjeno energijo fV=JVK+Wn porazdelimo na enake dele ( W Vrednost Wn lahko povečate, če obremenitev pritrdite na elastično obešanje (palica ali vrvica).

Še en primer skupnega kopičenja W„ in W.K. služi kot vrtljivi vztrajnik s tankim robom (slika 4.1, b), ki ima elastičnost (togost) n. Napetost v platišču ^p = NAI je sorazmerna z elastičnim raztezkom A/ = 2l(g - r0), ki ga povzročajo vztrajnostne sile. AFr= AMv2 /G, razdeljen Nymi po obodu platišča s polmerom r Ravnotežje obročnega elementa z maso 2ДМ=2(Л//2л;)Д(р) je določeno z razmerjem 2A/v = 2A/7(()sinAcp^Ai. ^Acp, od tega 0,5 Mv2 = 2K2 (r-r0 )N. Zato je kinetična energija roba lVK= 2n2 (r-r0 )N. Ker je shranjena potencialna energija)