วิธีการจัดเรียงและการทำงานของอุปกรณ์เก็บพลังงานมู่เล่ (จลน์)

FES ย่อมาจากการจัดเก็บพลังงานล้อช่วยแรง ซึ่งหมายถึงการเก็บพลังงานโดยใช้ล้อช่วยแรง ซึ่งหมายความว่าพลังงานกลจะถูกสะสมและเก็บไว้ในรูปแบบจลน์เมื่อวงล้อขนาดใหญ่หมุนด้วยความเร็วสูง

พลังงานกลที่สะสมจึงสามารถเปลี่ยนเป็นไฟฟ้าได้ในภายหลัง ซึ่งระบบมู่เล่จะรวมเข้ากับเครื่องจักรไฟฟ้าแบบพลิกกลับได้ซึ่งสามารถทำงานได้ทั้งในโหมดมอเตอร์และเจนเนอเรเตอร์

เมื่อต้องการเก็บพลังงานไว้ เครื่องจักรไฟฟ้าจะทำหน้าที่เป็นมอเตอร์และหมุนมู่เล่ให้ได้ความเร็วเชิงมุมที่ต้องการ ในขณะที่ใช้พลังงานไฟฟ้าจากแหล่งภายนอก ซึ่งมีผลคือเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล (จลน์) เมื่อจำเป็นต้องถ่ายโอนพลังงานที่เก็บไว้ไปยังโหลด เครื่องไฟฟ้าจะเข้าสู่โหมดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและพลังงานกลจะถูกปล่อยออกมาเมื่อล้อช่วยแรงลดความเร็วลง

ระบบจัดเก็บพลังงานที่ทันสมัยที่สุดโดยใช้มู่เล่มีความหนาแน่นของพลังงานค่อนข้างสูงและสามารถแข่งขันกับระบบจัดเก็บพลังงานแบบดั้งเดิมได้

การติดตั้งแบตเตอรี่แบบ Kinetic ที่ใช้ซุปเปอร์ฟลายวีล ซึ่งตัวถังที่หมุนได้นั้นทำจากริบบิ้นกราฟีนที่มีความแข็งแรงสูง ถือว่ามีแนวโน้มที่ดีเป็นพิเศษในเรื่องนี้ อุปกรณ์เก็บข้อมูลดังกล่าวสามารถเก็บพลังงานได้สูงสุด 1200 W * h (4.4 MJ!) ต่อมวล 1 กิโลกรัม

การพัฒนาล่าสุดในด้านของซุปเปอร์มู่เล่ได้อนุญาตให้นักพัฒนาละทิ้งแนวคิดของการใช้ไดรฟ์เสาหินเพื่อสนับสนุนระบบสายพานที่อันตรายน้อยกว่า

ความจริงก็คือระบบเสาหินนั้นอันตรายในกรณีที่เกิดการแตกฉุกเฉินและสามารถสะสมพลังงานได้น้อยลง เมื่อแตกเทปจะไม่กระจายเป็นเศษเล็กเศษน้อย แต่จะแตกเพียงบางส่วนเท่านั้น ในกรณีนี้ ส่วนที่แยกออกจากกันของสายพานจะหยุดมู่เล่โดยการถูกับพื้นผิวด้านในของตัวเรือนและป้องกันไม่ให้ถูกทำลายต่อไป

ความเข้มของพลังงานจำเพาะสูงของซุปเปอร์ฟลายวีลที่ทำจากเทปม้วนหรือใยแก้วนำแสงรบกวนเกิดขึ้นได้จากปัจจัยหลายประการ

ประการแรก มู่เล่ทำงานในสุญญากาศ ซึ่งช่วยลดแรงเสียดทานได้อย่างมากเมื่อเทียบกับอากาศ สำหรับสิ่งนี้ สุญญากาศในตัวเครื่องต้องได้รับการดูแลอย่างต่อเนื่องโดยระบบสร้างและบำรุงรักษาสุญญากาศ

ประการที่สอง ระบบจะต้องสามารถปรับสมดุลของร่างกายที่หมุนได้โดยอัตโนมัติ มีการใช้มาตรการทางเทคนิคพิเศษเพื่อลดการสั่นสะเทือนและการสั่นสะเทือนของไจโรสโคปิก กล่าวโดยสรุป ระบบมู่เล่นั้นมีความต้องการอย่างมากจากมุมมองของการออกแบบ ดังนั้นการพัฒนาจึงเป็นกระบวนการทางวิศวกรรมที่ซับซ้อน

ดูเหมือนว่าจะเหมาะเป็นตลับลูกปืนมากกว่า สารแขวนลอยแม่เหล็ก (รวมถึงตัวนำยิ่งยวด)… อย่างไรก็ตาม วิศวกรต้องละทิ้งตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำในระบบกันสะเทือน เนื่องจากต้องใช้พลังงานจำนวนมาก ตลับลูกปืนเม็ดกลมแบบไฮบริดที่มีเนื้อเซรามิกนั้นดีกว่ามากสำหรับความเร็วรอบปานกลาง สำหรับมู่เล่ความเร็วสูงพบว่าเป็นที่ยอมรับในทางเศรษฐกิจและประหยัดมากในการใช้ตัวนำยิ่งยวดที่มีอุณหภูมิสูงในระบบกันสะเทือน

ข้อได้เปรียบหลักประการหนึ่งของระบบจัดเก็บข้อมูล FES หลังจากความเข้มของพลังงานจำเพาะสูงคืออายุการใช้งานที่ค่อนข้างยาวนานซึ่งอาจถึง 25 ปี อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของระบบมู่เล่ที่ใช้แถบกราฟีนสูงถึง 95% นอกจากนี้ยังควรสังเกตความเร็วในการชาร์จ แน่นอนว่าขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ของการติดตั้งระบบไฟฟ้า

ตัวอย่างเช่น เครื่องกู้คืนพลังงานบนมู่เล่รถไฟใต้ดินที่ทำงานระหว่างการเร่งความเร็วและการลดความเร็วของรถไฟ จะชาร์จและคายประจุใน 15 วินาที เชื่อกันว่าเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงจากระบบจัดเก็บมู่เล่ เวลาในการชาร์จและคายประจุเล็กน้อยไม่ควรเกินหนึ่งชั่วโมง

การประยุกต์ใช้ระบบ FES นั้นค่อนข้างกว้าง สามารถใช้กับอุปกรณ์ยกต่างๆ ได้สำเร็จ ช่วยประหยัดพลังงานได้ถึง 90% ระหว่างการขนถ่าย ระบบเหล่านี้สามารถใช้อย่างมีประสิทธิภาพสำหรับการชาร์จแบตเตอรี่ขนส่งไฟฟ้าอย่างรวดเร็ว เพื่อรักษาความถี่และพลังงานให้คงที่ในโครงข่ายไฟฟ้า ในแหล่งพลังงานสำรอง ในรถยนต์ไฮบริด เป็นต้น

ด้วยเหตุนี้ระบบจัดเก็บมู่เล่จึงมีคุณสมบัติที่โดดเด่นดังนั้น หากใช้วัสดุที่มีความหนาแน่นสูง การใช้พลังงานเฉพาะของอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลจะลดลงเนื่องจากความเร็วในการหมุนที่ระบุลดลง

หากใช้วัสดุที่มีความหนาแน่นต่ำ การใช้พลังงานจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากความเร็วที่เพิ่มขึ้น แต่สิ่งนี้จะเพิ่มความต้องการสำหรับสุญญากาศ เช่นเดียวกับตัวรองรับและซีล และตัวแปลงไฟฟ้าจะซับซ้อนมากขึ้น

วัสดุที่ดีที่สุดสำหรับซูเปอร์ฟลายวีลคือสายพานเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงและวัสดุเส้นใย เช่น เคฟลาร์และคาร์บอนไฟเบอร์ วัสดุที่มีแนวโน้มมากที่สุดตามที่ระบุไว้ข้างต้นยังคงเป็นเทปกราฟีน ไม่เพียงเพราะค่าพารามิเตอร์ความแข็งแรงและความหนาแน่นที่ยอมรับได้ แต่ส่วนใหญ่เป็นเพราะความปลอดภัยในการแตกหัก

โอกาสที่จะแตกหักเป็นอุปสรรคสำคัญสำหรับระบบมู่เล่ความเร็วสูง วัสดุคอมโพสิตที่ม้วนและติดกาวเป็นชั้นๆ จะสลายตัวอย่างรวดเร็ว ขั้นแรกจะแยกเป็นเส้นใยขนาดเล็กที่เกี่ยวพันและชะลอความเร็วซึ่งกันและกัน จากนั้นจึงกลายเป็นผงเรืองแสง การควบคุมการแตก (ในกรณีที่เกิดอุบัติเหตุ) โดยไม่ทำให้ตัวถังเสียหายเป็นหนึ่งในภารกิจหลักของวิศวกร

การปลดปล่อยพลังงานการแตกสามารถบรรเทาได้ด้วยของเหลวที่ห่อหุ้มหรือเยื่อบุด้านในที่มีลักษณะคล้ายเจลซึ่งจะดูดซับพลังงานหากมู่เล่แตก

วิธีหนึ่งที่จะป้องกันการระเบิดคือการวางมู่เล่ไว้ใต้ดินเพื่อหยุดเศษขยะที่จะปลิวด้วยความเร็วกระสุนในกรณีที่เกิดอุบัติเหตุ อย่างไรก็ตาม มีบางกรณีที่เศษชิ้นส่วนลอยขึ้นจากพื้น ไม่เพียงทำลายตัวถังเท่านั้น แต่ยังรวมถึงอาคารที่อยู่ติดกันด้วย

สุดท้าย มาดูฟิสิกส์ของกระบวนการกันพลังงานจลน์ของวัตถุที่หมุนถูกกำหนดโดยสูตร:

โดยที่ I คือโมเมนต์ความเฉื่อยของวัตถุที่หมุน

ความเร็วเชิงมุมสามารถแสดงได้ดังนี้:

ตัวอย่างเช่น สำหรับกระบอกสูบต่อเนื่อง โมเมนต์ความเฉื่อยคือ:

แล้วพลังงานจลน์สำหรับทรงกระบอกทึบผ่านความถี่ f เท่ากับ:

โดยที่ f คือความถี่ (เป็นรอบต่อวินาที), r คือรัศมีเป็นเมตร, m คือมวลเป็นกิโลกรัม

ขอยกตัวอย่างคร่าวๆให้เข้าใจ หม้อต้มขนาด 3 กิโลวัตต์ทำให้น้ำเดือดในเวลา 200 วินาที มู่เล่ทรงกระบอกต่อเนื่องมวล 10 กก. และรัศมี 0.5 ม. จะต้องหมุนด้วยความเร็วเท่าใดเพื่อให้มีพลังงานเพียงพอในการต้มน้ำในระหว่างกระบวนการหยุด ให้ประสิทธิภาพของตัวแปลงเครื่องกำเนิดไฟฟ้าของเรา (สามารถทำงานได้ที่ความเร็วใดก็ได้) เป็น 60%

คำตอบ. ปริมาณพลังงานทั้งหมดที่ต้องใช้ในการต้มกาต้มน้ำคือ 200 * 3000 = 600,000 J โดยคำนึงถึงประสิทธิภาพ 600,000 / 0.6 = 1,000,000 J การใช้สูตรข้างต้น เราได้ค่า 201.3 รอบต่อวินาที .

ดูสิ่งนี้ด้วย:อุปกรณ์จัดเก็บพลังงานจลน์สำหรับอุตสาหกรรมไฟฟ้า

วิธีเก็บพลังงานที่ทันสมัยอีกวิธีหนึ่ง: ระบบกักเก็บพลังงานแม่เหล็กยิ่งยวด (SMES)