Накопичувачі енергії

Wyд = W / M = RyT / μ,

де μ=М/Мμ - молярна маса (кг/кмоль); Ry= 8,314 кДж/(кмоль К) - універсальна газова стала при Т=273 К; p=10⁵ Па; - кількість кіломоль в газі масою М.

З останнього рівняння видно, що найбільш ефективним є застосування в МН легких газів. Для самого легкого газу - водню (μ=2 кг/кмоль) при Т = 300 К питома енергія Wуд=1250 кДж/кг (або 1250 Дж / г). Тиск в явному вигляді не входить, так як Wуд визначається за ставленням надлишкового тиску газу до його щільності. При підвищенні тиску і Т=const зростає за лінійним законом (в ізотермічному процесі pV=const). Слід зауважити, що доцільні для ефективного застосування розглянутих МН високі тиску зумовлюють з міркувань міцності істотну масу газових балонів, з урахуванням якої значення Wуд установки в цілому може знижуватися майже на порядок порівняно з Wуд з Wyд=W/M=RyT/μ .

Розглянемо гравітаційні накопичувачі енергії.

Гравітаційна енергія тяжіння Землі (на рівні моря) оцінюється досить високим показником Wyд=61,6 МДж/кг, що характеризує роботу, необхідну для рівномірного переміщення тіла масою 1 кг з земної поверхні в космічний простір (для порівняння зазначимо, що це значення Wyд приблизно в 1,4 рази більше хімічної енергії 1 кг гасу). При підйомі вантажу масою М на висоту

h = х2-х1 запасена потенційна енергія

 
де М = const, g = 9,81 м/с². Згідно рівняння питома енергія Wyд = W/M = gh залежить тільки від висоти h. Запасена енергія вивільняється при падінні вантажу і здійсненні відповідної корисної роботи в результаті переходу потенційної енергії в кінетичну. Найбільшу питому кінетичну енергію в природі при падінні можуть розвивати метеорити, для яких Wyд = 60 МДж / кг (без урахування витрат енергії на тертя в атмосфері).

Безпосереднє використання гравістатичних сил, створюваних природними масами, практично неможливо. Однак, перекачуючи воду в підняті штучні водосховища або з підземних водосховищ на поверхню, можна накопичити достатньо велику кількість потенційної енергії для великомасштабних застосувань в електроенергетичних системах. Якщо різниця рівнів h = 200 м, то в розрахунку на масу води М = 10³кг запасена енергія по дорівнює W = 1962 кДж, питома енергія Wyд= W / M = 1.962 кДж / кг.

Розглянемо інерційні кінетичні МН.

Кінетичну енергію в принципі можна запасати при будь-якому  русі маси. Для рівномірного поступального руху тіла масою М із швидкістю v кінетична енергія W=Mv²/2. Питома енергія Wyд=W/M=v²/2 залежить (квадратично) тільки від лінійної швидкості тіла. Тіло, що рухається першою космічною швидкістю v1=8  км / с, має питому енергію Wyд=32 МДж/кг.

Для різноманітних енергетичних і транспортних застосувань раціональні  МН обертального руху - інерційні МН (маховики). Запасена кінетична енергія W=JΩ²/2 визначається квадратом кутовий швидкості Ω=2πn (n - частота обертання) і моментом інерції J маховика відносно осі обертання. Якщо дисковий маховик має радіус г і масу М=γV (V - об'єм, γ - щільність матеріалу), то J=Mr²/2=γVr²/2 і W=π²Mr²n²=π²γVr²n². Відповідна питома енергія (на одиницю М або V) становить Wyд=W/M=π²r²n², Дж/кг і            W0уд=W/V=π²γr²n², Дж/м³. Значення Ω і n при заданому розмірі r обмежуються лінійної окружної швидкістю v=Ωr=2πnr, пов'язаної з до-допустимі розривають напругою матеріалу σp. Відомо, що напруга σ в дисковому або циліндричному роторі МН залежить від v². В залежності від геометричної форми металевих маховиків для них характерні допустимі граничні швидкості на периферії приблизно від 200 до 500 м / с.

Накопичена енергія, зокрема для тонкого ободкового маховика,               W=Mv²/2 (М-маса обертається кільця). Питома енергія Wуд=W/M=v²/2 не залежить від розмірів кільця і ​​визначається співвідношенням параметрів σp/γ його матеріалу. Слід зазначити, що аналогічна закономірність для Wуд=σp/γ має місце також в індуктивних накопичувачах енергії , хоча вони істотно відрізняються від МН по фізичній природі. У загальному випадку при виготовленні накопичувальних елементів МН необхідно застосовувати матеріали з підвищеними значеннями σp/γ≥10⁵ Дж / кг. Найбільш відповідними матеріалами є високоміцні леговані сталі, титанові сплави, а також легкі алюмінієві сплави (типу «дюраль») і магнієві сплави (типу «електрон»). Застосовуючи металеві матеріали, можна отримати питому енергію МН до Wуд = 200±300 кДж / кг.

Призначені для створення  маховиків з особливо великими питомими енергіями (супермаховикiв) тонковолокнистi матеріали теоретично можуть забезпечити такі рівні показника Wуд: скляні нитки-650 кДж / кг, кварцові нитки - 5000 кДж / кг, вуглецеві волокна (зі структурою алмазу) -15000 кДж / кг. Нитки (або виконані з них стрічки) і клеючі смоли утворюють композитну конструкцію, міцність якої нижча, ніж у вихідних волокон. З урахуванням елементів кріплення в реальних супермаховика практично досягаються значення Wуд менше зазначених, але все ж відносно більш високі, ніж в інших різновидах МН. Супермаховики допускають окружні швидкості до v = 1000 м / с. Технічна реалізація таких пристроїв вимагає забезпечення спеціальних умов. Наприклад, необхідна установка маховика в вакуумованому кожусі, так як вказані значення v відповідають надзвукових швидкостей в повітрі (число Маха Ма> 1), які в загальному випадку можуть викликати цілий ряд неприпустимих ефектів: поява стрибків ущільнення повітря і ударних хвиль, різке підвищення аеродинамічного опору і температури.

Багатошарові волокнисті супермаховики мають досить високою  надійністю і безпечніше в експлуатації, ніж суцільні маховики. При неприпустимих навантаженнях, обумовлених інерційними силами, руйнуються тільки найбільш напружені зовнішні шари волоконної композитної конструкції супермаховика, тоді як руйнування масивного маховика супроводжується розлітанням його розірваних частин.

Поєднання властивостей статичного і динамічного МН має місце в різних пристроях. Найпростішим з них є коливний маятник. Циклічний процес взаємного перетворення потенційної енергії в кінетичну може підтримуватися досить довго, якщо компенсувати втрати в маятниковому механізмі. 
 
 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

5 ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ Накопичувачі енергії

Електромеханічним накопичувачем (ЕМН) називається пристрій для запасання  та зберігання механічної енергії з  подальшим її перетворенням і  віддачею у формі електричної  енергії для подальшого використання.

Запасається, як правило, кінетична енергія обертального руху маховика, який при заряді ЕМН розкручується за допомогою механічного або електричного приводу: пружини; турбіни, що використовує енергію стислих газів, згоряння палива або порохового заряду і т. п.; електричної машини (ЕМ), що працює в режимі двигуна. У пристроях ЕМН може бути відсутнім маховик як самостійний елемент, з'єднаний за допомогою жорсткої або пружної зв'язки з ЕМ. В цьому випадку інерційним накопичувальним елементом ЕМН служить ротор ЕМ (поряд зі своїм функціональним призначенням у електромеханічному процесі машини). Ротор ЕМ в деяких варіантах НЕ може бути конструктивно поєднаний з додатковим маховиком. При розряді ЕМН механічна енергія перетворюється в електричну за допомогою ЕМ, що працює в режимі генератора. В якості генератора застосовується та ж ЕМ, яка служить електродвигуном для розгону маховика, або інша ЕМ, також встановлена ​​на валу ЕМН.

Таким чином, ЕМН являє  собою конструктивно об'єднані в  одній установці механічний інерційний накопичувач і ЕМ (генератор, двигун), причому при заряді та розряді ЕМ допускає роботу як оборотний перетворювач. Для ЕМН справедливо рівняння енергетичного балансу типу Рзtзη = Pрtр. Згідно рівняння ЕМН можна розглядати як підсилювач електричної потужності. При заряді накопичувача ЕМ (двигун) споживає відносно невелику усереднену потужність Рз від джерела живлення протягом часу tз. В режимі розряду ЕМ (генератор) віддає усереднену потужність Рр > Рз за час tр < tз.

В залежності від виду та призначення ЕМН до його складу входять  різні ЕМ. Відповідно до загальної класифікації ЕМ можна виділити ЕМН на основі машин змінного струму (синхронних або асинхронних) і машин постійного струму (МПТ), включаючи колекторні або вентильні різнойменно полюсні МПТ і уніполярні (однойменно полюсні) машини. 

Перші ЕМН для використання в електрофізичних установках запропоновані  академіками П. Л. Капіцею та М. П. Костенко. В залежності від призначення ЕМН, різновидів споживачів їх енергії і пристроїв електроприводу до складу ЕМН входить одна або кілька ЕМ постійного або змінного струму. Наприклад, в промислових установках поширені ЕМН з асинхронними приводними двигунами і трьох- або однофазними синхронними генераторами з демпферними обмотками. При розряді ЕМН для їх генераторів змінного або постійного струму характерний короткочасний відбір електричної потужності в навантаження. В залежності від значень tр можуть мати місце дві основні різновиди розрядного режиму: відносно тривале (від 0,5-1 до 10 с) динамічне гальмування ротора електромагнітними силами в активній зоні ЕМ і короткочасний (від 10^-3 до10^-2 с) піковий режим ударного розряду, також супроводжується гальмуванням ротора. В обох випадках, з урахуванням втрат тертя агрегату, а також електричних і магнітних втрат в генераторі, перетворюється в електроенергію частина запасеної ротором кінетичної енергії, яка складає ∆Wк= 0,5 J(Ω1² - Ω2²). При цьому кутова швидкість ротора генератора зменшується на ∆Ω = Ω1 - Ω2. Допустимі початкове Ω1 і кінцеве Ω2 значення швидкості визначають при проектуванні ЕМН, виходячи із системи технічних обмежень і заданих умов роботи НЕ. Гранична тривалість режиму динамічного гальмування ЕМН визначається допустимим рівнем зменшення Ω і управляється за допомогою комутатора в розрядному ланцюзі.

При ударному розряді великого ЕМН внаслідок великого кінетичного моменту Mкін=JΩl зниження швидкості ∆Ω незначно, однак через короткочасність розряду віддаваєма електрична потужність досить висока. При гальмуванні ротора генератора і наявності на валу ЕМН окремого маховика останній практично не знижує власну кутову швидкість в ударному режимі розряду. Кінетична енергія маховика частково переходить в потенційну енергію пружної крутильної деформації вала. Щоб уникнути руйнування валу виникаючими дотичними напруженнями передбачають для ЕМН в необхідних випадках з'єднання валів маховика і ротора генератора за допомогою пружної муфти. Зокрема, якщо ЕМН працює в циклічному режимі ударного навантаження, то накопичена в маховику кінетична енергія та енергія пружності муфти і вала перешкоджають значному гальмуванню ротора ЕМН. Протягом паузи пружна енергія перетвориться в кінетичну енергію розгону ротора. 
 Тривалість ударного режиму розряду ЕМН з генераторами змінного струму обмежена часом близько одного періоду T=1/f=2π/pΩ, причому р - число пар полюсів генератора. Для ЕМН з генераторами постійного струму, у тому числі вентильними, колекторними та уніполярними, тривалість ударного режиму визначається часом замкнутого стану комутатора в розрядному ланцюгу, що задається системою управління. Цей час істотно менший, чим в режимі динамічного гальмування. Швидкодія комутатора має бути високою: час його спрацьовування tc < Т.

При заряді ЕМН допомогою  відносно повільного розгону ротора з tз > tр і споживанням Р3<Рр заповнюється спад кінетичної енергії, обумовлений ​​ударним розрядом ЕМН або динамічним гальмуванням його ротора, для якого в граничному випадку можлива повна зупинка.

Загальна структурна схема  електроенергетичної установки  з ЕМН представлена на рис. 5.1. У режимі заряду електрична машина ЕМ працює як двигун, отримуючи електроенергію ЕЕ від джерела живлення ІП постійного або змінного струму, і розкручує маховик М. Після досягнення ротором агрегату заданої швидкості Ω=Ω1 ЕМН може працювати в режимі зберігання енергії.   
       
 Рисунок 5.1. Структурна схема електроенергетичної установки з ЕМН

По сигналу системи  управління СУ спрацьовує перемикач режимів ПР і ЕМН переводиться в розрядний режим, в якому ЕМ працює як генератор і живить споживач електроенергії ПЕЕ. Наявність оборотного комутатора К характерно для ЕМН з ЕМ постійного струму. В машинах класичної конструкції К виконаний як електромеханічний щітково-колекторний вузол ЕМ, а в безконтактних вентильних блок К являє собою керований напівпровідниковий перетворювач. Останній діє як інвертор при роботі ЕМ в режимі двигуна і як випрямляч при генераторному режимі роботи ЕМ. Якщо ЕМ використовується в якості двигуна або генератора змінного струму, то блок К може бути відсутнім (цьому випадку відповідає штрихова лінія зв'язку на схемі рис. 5.1). Для такого варіанту характерний блок стабілізації частоти БСЧ, який виключається в установках постійного струму і деяких установках змінного струму. 
 Конкретні установки з ЕМН можуть містити деякі додаткові елементи, наприклад пускові пристрої електродвигунів, блоки для стабілізації і регулювання частоти й напруги генераторів та ін. У цілому вибір структури ЕМН і типу ЕМ визначається технічними вимогами, що пред'являються до установки відносно номінальних параметрів, швидкодії , показників якості електроенергії, особливостей зарядно-розрядних режимів, массогабаритних обмежень, ресурсу, апаратурною надійності і т. д. 
 Перевага уніполярних машин (УМ) - відсутність обмоток на якорі, мале його внутрішній опір і низька індуктивність, можливість істотного підвищення рівня струму якоря та граничної потужності (у порівнянні з аналогічними параметрами різнойменно полюсних МПТ), висока окружна швидкість, що допускається за умовами міцності якоря. 

Недоліки УМ - відносно низька напруга якоря, принципова неможливість безконтактного виконання. Недолік ЕМ змінного струму полягає в порівняно великій внутрішньому індуктивному опорі взаємної індукції обмоток збудження і якоря, що обумовлює істотне падіння напруги при живленні активно-індуктивних навантажень в ударних режимах генераторів і режимах динамічного гальмування. Крім того, за відсутності напівпровідникових перетворювачів ускладнюється регулювання синхронних ЕМ з постійними магнітами і асинхронних ЕМ. Для самозбудження автономних асинхронних генераторів потрібно застосування конденсаторів значної ємності, що збільшують габарити і масу установки ЕМН.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНі Накопичувачі енергії

Електродинамічні накопичувачі (ЕДН) в загальному випадку містять  накопичувач кінетичної енергії  і електромеханічний генератор  і поєднують в собі переваги механічних накопичувачів енергії, пов'язані  з високою щільністю запасаючої енергії при малих втратах на її утримання, і електромеханічних генераторів, що відрізняються високим ККД процесу перетворення механічної енергії в електричну. Конструктивно ці два вузли поєднують в одне ціле, і тоді рухома частина ЕДН є накопичувачем кінетичної енергії і ротором електромеханічного генератора. Виникнувші на базі ударних генераторів синхронного типу ЕДН отримали розвиток завдяки здатності генерувати періодичний односпрямований струм без додаткового перетворення електроенергії. 
 ЕДН об'єднують в собі різні типи однофазних і багатофазних генераторів, дія яких заснована на циклічному стисканні (компресії) магнітного потоку рухомими відносно один одного замкнутими контурами зі струмом. У них перетворення механічної енергії ротора електромагнітну енергію стисненого поля відбувається одночасно з виділенням частини енергії в навантаженні. 
                                     
 Рисунок 6.1. Принципові схеми ЕДН з обертальним (а) і лінійним (б)      рухом ротора: 1-статор; 2-роторв

Розрізняють ЕДН лінійного  і обертального руху (рис. 6.1), хоча немає  принципових обмежень на форму траєкторії руху ротора. В типовому випадку ЕДН містить дві однофазні обмотки, розташовані на статорі 1 і роторі 2 відповідно. Магнітний потік збудження створюється обмоткою статора або ротора, або обома обмотками одночасно. Кожна з обмоток має потокозчеплення Ψ1,2= w1,2 Φ1,2, де w1,2 - ефективне число витків в обмотці статора і ротора; Φ1,2 - магнітний потік, зчеплений з обмоткою статора і ротора. У процесі взаємного переміщення обмоток в загальному випадку змінюються величина і напрям потоків Φ1,2. Відповідно до закону Ленца це призводить до виникнення або зміни вже протікающих в обмотках струмів і1,2 за умови замикання обмоток на навантаження або накоротко. Струми прагнуть зберегти потокозчеплення обмоток незмінними. Протікання струму за навантаженням пов'язано з виділенням в ній енергії. 
У загальному випадку потокозчеплення обмоток залежить від струмів в обмотках і взаємного положення статора і ротора: Ψ1,2 = f (і1,2; φ), де φ -геометричний кут між магнітними осями обмоток статора і ротора. У кожному конкретному випадку вид рівнянь електричної рівноваги, складених за законами Кірхгофа, і їх кількість визначаються типом і схемою підключення навантаження до обмоток ЕДН, а також схемою включення обмоток між собою. 
 Фізичні процеси в ЕДН схожі з процесами в синхронному генераторі (СГ) при його раптовому короткому замиканні. Магнітний потік взаємної індукції захоплюється короткозамкнений обмоткою якоря СГ в тому положенні, при якому сталося коротке замикання, і утримується обмоткою якоря протягом декількох періодів, так як зазвичай власна постійна часу короткозамкненою обмотки якоря більше часу повороту індуктора на електричний кут 360 °.