Mehansko shranjevanje(MN) ali mehanski akumulator energije je naprava za shranjevanje in shranjevanje kinetične ali potencialne energije z njenim kasnejšim sproščanjem za delovanje. koristno delo.
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 dovaja MN iz zunanji vir, specifično tehnično izvedbo energenta pa določa tip MN. Ko se MN izprazni, se glavnina energije, ki jo hrani, prenese na porabnika. Del akumulirane energije se porabi za nadomestitev 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 zaloge potencialna energija zaradi elastične spremembe oblike ali prostornine delovne tekočine ali ko se giblje v nasprotni smeri gravitacije v gravitacijskem polju. Trdno, tekoče ali plinasto delovna tekočina Ti MN imajo 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 gibljejo 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. Odvzem 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 posebne zahteve so potrebni za zagotovitev 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 = Ne - 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 Logični izračun za tehnični kavčuk daje ^spd^350 J/kg, vendar zaradi histerezične narave odvisnosti F= F(X) V ciklu polnjenja in praznjenja posledične izgube in segrevanje povzročijo 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), potem IL = 25-106 J ne glede na kemična sestava plin 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 visoki tlaki, ki so primerni za učinkovito uporabo obravnavanih MP, zaradi trdnosti določajo znatno maso plinskih jeklenk, ob upoštevanju katere se lahko vrednost Wya naprave kot celote zmanjša za skoraj za 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 kemična energija 1 kg kerozina). Pri dvigovanju bremena tehtanje 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) samo 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. Odvisno od geometrijska oblika Za kovinske vztrajnike so 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 splošnem primeru lahko povzročijo cela linija nesprejemljivi učinki: Pojav zračnih udarnih valov in udarnih valov, močno povečanje aerodinamičnega upora in temperature.
|
A- masa na togi vrvici; b- elastični rob |
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 skupnega praktično uporabo obe vrsti akumuliranih mehanska energija. Na sl. 4.1, A prikazuje obremenitev mase M, vrtenje okoli središča O na absolutno togo vrvico dolžine /, odklonjeno od navpični položaj pod kotom prim. 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 roba s polmerom r. Ravnotežje robnega 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)
