Volan enerji depolama - Flywheel energy storage

NASA G2 çarkı

Volan enerji depolama (FES) bir rotoru hızlandırarak çalışır (volan ) çok yüksek bir hıza ve sistemdeki enerjiyi koruyarak dönme enerjisi. Sistemden enerji çekildiğinde, volanın dönme hızı ilkesi gereği düşürülür. enerjinin korunumu; sisteme enerji eklenmesi buna bağlı olarak volanın hızında bir artışa neden olur.

Çoğu FES sistemi, volanı hızlandırmak ve yavaşlatmak için elektrik kullanır, ancak doğrudan kullanan cihazlar mekanik enerji geliştiriliyor.^[1]

Gelişmiş FES sistemleri, yüksek mukavemetli karbon fiber kompozitlerden yapılmış rotorlara sahiptir. manyetik yataklar ve vakumlu bir muhafazada 20.000'den 50.000 rpm'ye kadar hızlarda dönme.^[2] Bu tür volanlar birkaç dakika içinde hızlanarak enerji kapasitelerine diğer bazı depolama türlerinden çok daha hızlı ulaşır.^[2]

Ana bileşenler

Tipik bir volanın ana bileşenleri

Tipik bir sistem, aşağıdakiler tarafından desteklenen bir volandan oluşur: rulman yatağı bağlı motor-jeneratör. Volan ve bazen motor jeneratörü bir vakum odası sürtünmeyi azaltmak ve enerji kaybını azaltmak için.

Birinci nesil volan enerji depolama sistemleri, büyük çelik mekanik yataklar üzerinde dönen volan. Daha yeni sistemler kullanır karbon fiber bileşik rotorlar daha yüksek olan gerilme direnci çelikten daha fazla enerji depolayabilir kitle.^[3]

Azaltmak sürtünme, manyetik yataklar bazen yerine kullanılır mekanik rulmanlar.

Süper iletken rulmanların gelecekteki olası kullanımı

Soğutma masrafı, manyetik yataklarda kullanım için düşük sıcaklıklı süper iletkenlerin erken devreden çıkarılmasına yol açtı. Ancak, yüksek sıcaklık süper iletken (HTSC) rulmanlar ekonomik olabilir ve muhtemelen zamanı uzatabilir enerji ekonomik olarak depolanabilir.^[4] Hibrit yatak sistemleri büyük olasılıkla ilk kullanım göreceklerdir. Yüksek sıcaklıklı süper iletken rulmanlar, tarihsel olarak daha büyük tasarımlar için gerekli kaldırma kuvvetlerini sağlamada sorunlar yaşamıştır, ancak kolayca bir stabilize edici kuvvet sağlayabilirler. Bu nedenle, hibrit yataklarda kalıcı mıknatıslar yükü destekler ve onu dengelemek için yüksek sıcaklık süper iletkenleri kullanılır. Süper iletkenlerin yükü dengelemek için iyi çalışabilmesinin nedeni, mükemmel olmalarıdır. diamagnets. Rotor merkezden kaymaya çalışırsa, akı sabitleme onu geri yükler. Bu, yatağın manyetik sertliği olarak bilinir. Dönme ekseni titreşimi, süper iletken mıknatısların doğal sorunları olan düşük sertlik ve sönümleme nedeniyle meydana gelebilir ve volan uygulamaları için tamamen süper iletken manyetik yatakların kullanılmasını engeller.

Akı sabitleme, dengeleme ve kaldırma kuvvetini sağlamak için önemli bir faktör olduğundan, HTSC, FES için diğer kullanımlara göre çok daha kolay yapılabilir. HTSC tozları, akı sabitlemesi güçlü olduğu sürece rastgele şekillere dönüştürülebilir. Süper iletkenlerin bir FES sistemi için tam kaldırma kuvvetini sağlayabilmesinden önce aşılması gereken devam eden bir zorluk, kaldırma kuvvetinin azalmasını ve çalışma sırasında rotorun neden olduğu kademeli düşüşünü bastırmanın bir yolunu bulmaktır. akı sünmesi süper iletken malzemenin.

Fiziksel özellikler

Genel

Elektrik depolamanın diğer yollarıyla karşılaştırıldığında, FES sistemleri uzun ömürlüdür (çok az bakımla veya hiç bakım gerektirmeden on yıllarca sürer;^[2] Volanlar için teklif edilen tam çevrim ömürleri 10'dan fazla⁵, 10 A kadar⁷, kullanım döngüleri),^[5] yüksek spesifik enerji (100–130 W · h / kg veya 360–500 kJ / kg),^[5][6] ve büyük maksimum güç çıkışı. enerji verimliliği (enerji başına düşen enerji oranı) gidiş-dönüş verimliliği olarak da bilinen volanların oranı% 90 kadar yüksek olabilir. Tipik kapasiteler 3 arasında değişirkWh 133 kWh'ye kadar.^[2] Bir sistemin hızlı şarjı 15 dakikadan daha kısa sürede gerçekleşir.^[7] Genellikle volanlar ile belirtilen yüksek özgül enerjiler, inşa edilen ticari sistemler çok daha düşük özgül enerjiye sahip olduğundan, biraz yanıltıcı olabilir, örneğin 11 W · h / kg veya 40 kJ / kg.^[8]

Enerji depolama şekli

Eylemsizlik momenti:	${ displaystyle J_ {m} = int _ {m} r ^ {2} , mathrm {d} m}$
Açısal hız:	${ displaystyle omega _ {m} = 2 pi cdot n_ {m}}$
Saklanmış dönme enerjisi:	${ displaystyle W _ { text {kin}} = { frac {1} {2}} J_ {m} omega ^ {2}}$

Buraya ${ displaystyle m}$ volanın kütlesinin ayrılmaz bir parçasıdır ve ${ displaystyle n_ {m}}$ ... dönme hızı (saniyedeki devir sayısı).

Spesifik enerji

Maksimal spesifik enerji Bir volan rotorunun özellikleri temelde iki faktöre bağlıdır: birincisi rotorun geometrisi ve ikincisi kullanılan malzemenin özellikleridir. Tek malzeme için, izotropik rotorlar bu ilişki şu şekilde ifade edilebilir:^[9]

${ displaystyle { frac {E} {m}} = K sol ({ frac { sigma} { rho}} sağ),}$

nerede

${ displaystyle E}$ rotorun kinetik enerjisidir [J],

${ displaystyle m}$ rotorun kütlesi [kg],

${ displaystyle K}$ rotorun geometrik şekil faktörüdür [boyutsuz],

${ displaystyle sigma}$ malzemenin gerilme dayanımıdır [Pa],

${ displaystyle rho}$ malzemenin yoğunluğu [kg / m³].

Geometri (şekil faktörü)

Şekil faktörü için mümkün olan en yüksek değer^[10] bir volan rotorunun ${ displaystyle K = 1}$, bu sadece teorik olarak elde edilebilir sabit stres diski geometri.^[11] Sabit kalınlıkta bir disk geometrisinin şekil faktörü şu şekildedir: ${ displaystyle K = 0.606}$sabit kalınlıkta bir çubuk için değer ise ${ displaystyle K = 0,333}$. İnce bir silindirin şekil faktörü vardır ${ displaystyle K = 0,5}$. Şaftlı çoğu volan için, şekil faktörü aşağıda veya yaklaşıktır. ${ textstyle K = 0,333}$. Şaftsız tasarım^[12] sabit kalınlıktaki diske benzer bir şekil faktörüne sahiptir (${ textstyle K = 0.6}$), enerji yoğunluğunu iki katına çıkarır.

Malzeme özellikleri

Enerji depolaması için, yüksek mukavemetli ve düşük yoğunluğa sahip malzemeler tercih edilir. Bu nedenle gelişmiş volanlarda sıklıkla kompozit malzemeler kullanılmaktadır. yoğunluk-yoğunluk oranı bir malzemenin% 50'si Wh / kg (veya Nm / kg) cinsinden ifade edilebilir; 400 Wh / kg'dan daha büyük değerler belirli kompozit malzemelerle elde edilebilir.

Rotor malzemeleri

Kompozit malzemelerden çeşitli modern volan rotorları yapılmıştır. Örnekler, Beacon Power Corporation'ın karbon fiber kompozit volanı içerir.^[13] ve PowerThru Phillips Service Industries'den volan.^[14] Alternatif olarak Calnetix, volan yapısında havacılık sınıfı yüksek performanslı çelik kullanır.^[15]

Bu rotorlar için malzeme özellikleri, geometri ve enerji yoğunluğu arasındaki ilişki, ağırlıklı ortalama yaklaşımı kullanılarak ifade edilebilir.^[16]

Çekme mukavemeti ve kırılma modları

Volan tasarımının birincil sınırlarından biri rotorun çekme dayanımıdır. Genel olarak konuşursak, disk ne kadar güçlüyse, o kadar hızlı döndürülebilir ve sistem o kadar fazla enerji depolayabilir.

Bir kompozit volanın dış bağlama kapağının gerilme mukavemeti aşıldığında, bağlama kapağı kırılacak ve dış tekerlek sıkışması tüm çevre boyunca kaybolduğunda tekerlek parçalanacak ve depolanan enerjinin tamamını bir kerede serbest bırakacaktır; tekerlek parçaları bir mermininki ile karşılaştırılabilir kinetik enerjiye erişebildiğinden, bu genellikle "volan patlaması" olarak adlandırılır. Katmanlar halinde sarılan ve yapıştırılan kompozit malzemeler, önce birbirini dolanan ve yavaşlatan küçük çaplı filamentlere ve ardından kırmızı-sıcak toza dönüşme eğilimindedir; Dökme metal bir volan, yüksek hızlı şarapnelin büyük parçalarını fırlatır.

Bir döküm metal volan, başarısızlık limiti, tane sınırları of çok kristalli kalıplanmış metal. Özellikle alüminyum muzdariptir yorgunluk ve geliştirebilir mikro çatlaklar tekrarlanan düşük enerjili germeden. Açısal kuvvetler, bir metal volanın kısımlarının dışa doğru bükülmesine ve dış muhafaza kabı üzerinde sürüklenmeye başlamasına veya tamamen ayrılmasına ve iç kısımda rasgele sekmesine neden olabilir. Volanın geri kalanı artık ciddi şekilde dengesizdir ve bu da titreşim nedeniyle hızlı yatak arızasına ve volanın büyük bölümlerinde ani şok kırılmasına neden olabilir.

Geleneksel volan sistemleri, bir güvenlik önlemi olarak güçlü muhafaza kapları gerektirir ve bu da cihazın toplam kütlesini artırır. Arızadan kaynaklanan enerji, yıkım enerjisini kaynatacak ve emecek jelatinimsi veya kapsüllenmiş bir sıvı iç mahfaza astarı ile sönümlenebilir. Yine de, büyük ölçekli volanlı enerji depolama sistemlerinin birçok müşterisi, muhafaza tankından kaçabilecek herhangi bir materyali durdurmak için onları yere gömmeyi tercih ediyor.

Enerji depolama verimliliği

Mekanik rulmanlar kullanan volan enerji depolama sistemleri, iki saatte enerjilerinin% 20 ila% 50'sini kaybedebilir.^[17] Bu enerji kaybından sorumlu olan sürtünmenin çoğu, dünyanın dönüşüne bağlı olarak volanın yön değiştirmesinden kaynaklanır (bir etki ile gösterilene benzer bir etki) Foucault sarkaç ). Yönelimdeki bu değişikliğe, volanın açısal momentumunun uyguladığı jiroskopik kuvvetler tarafından direnilir, böylece mekanik yataklara bir kuvvet uygular. Bu kuvvet sürtünmeyi artırır. Bu, volanın dönme eksenini dünyanın dönme eksenine paralel olarak hizalayarak önlenebilir.^{[kaynak belirtilmeli ]}

Tersine, volanlar ile manyetik yataklar ve yüksek vakum% 97'yi koruyabilir mekanik verimlilik ve% 85 gidiş-dönüş verimliliği.^[18]

Taşıtlarda açısal momentumun etkileri

Araçlarda kullanıldığında, volanlar ayrıca jiroskoplar, onların açısal momentum tipik olarak, hareketli araca etki eden kuvvetlerle benzer bir büyüklük düzeyindedir. Bu özellik, engebeli zeminde dönerken veya sürerken aracın yol tutuş özelliklerine zarar verebilir; Eğimli bir setin yan tarafına sürmek, volan yana doğru eğilme kuvvetlerine karşı geldiği için tekerleklerin kısmen yerden kalkmasına neden olabilir. Öte yandan, bu özellik, keskin dönüşler sırasında dönmesini önlemek için arabayı dengede tutmak için kullanılabilir.^[19]

Bir volan, enerji depolamasından ziyade, tamamen bir aracın tutumu üzerindeki etkileri için kullanıldığında, buna reaksiyon çarkı veya a kontrol momenti jiroskopu.

Açısal devrilme direnci, volanın uygun şekilde uygulanan bir set içine monte edilmesiyle neredeyse tamamen ortadan kaldırılabilir. yalpa çemberleri, volanın aracı etkilemeden orijinal yönünü korumasına izin vererek (bkz. Özellikleri bir jiroskopun ). Bu, karmaşıklıktan kaçınmaz gimbal kilidi ve bu yüzden gimbal sayısı ile açısal özgürlük arasında bir uzlaşma gereklidir.

Volanın merkez aksı, tek bir yalpa çemberi gibi hareket eder ve dikey olarak hizalanmışsa, yatay bir düzlemde 360 ​​derecelik sapmaya izin verir. Bununla birlikte, örneğin yokuş yukarı sürüş için ikinci bir adım gimbal gerekir ve eğimli bir setin yanında sürüş üçüncü bir yuvarlanma yalpası gerektirir.

Tam hareketli yalpa çemberleri

Volanın kendisi düz bir halka şeklinde olabilse de, bir taşıtın içinde serbest hareket eden bir yalpa çemberi montajı, volanın içinde serbestçe dönmesi için küresel bir hacim gerektirir. Kendi başına bırakıldığında, bir araçtaki dönen bir çark, Dünya'nın dönüşünü takiben yavaşça devinir ve Dünya'nın kavisli küresel yüzeyinde uzun mesafeler kat eden araçlarda daha da ileri gider.

Tam hareketli bir gimbal, gücün volanın içine ve dışına nasıl iletileceğine dair ek problemlere sahiptir, çünkü volan potansiyel olarak günde bir kez tamamen dönebilir ve Dünya dönerken devinim yapabilir. Tam serbest rotasyon gerektirir Kayma halkaları Güç iletkenleri için her bir yalpa çemberi ekseni etrafında, tasarım karmaşıklığını daha da artırıyor.

Sınırlı hareketli yalpa çemberleri

Alan kullanımını azaltmak için, yalpa çemberi sistemi sınırlı hareketli bir tasarıma sahip olabilir, belirli sayıda düzlem dışı açısal dönüş derecesinde ani hızlı hareketleri bastırmak için amortisörler kullanabilir ve ardından volanı yavaş yavaş aracınkini benimsemeye zorlayabilir. mevcut yönelim. Bu, halka şeklindeki bir volanın etrafındaki gimbal hareket alanını tam bir küreden kısa kalınlaştırılmış bir silindire indirir, örneğin ± 30 derece adım ve volanın etrafındaki tüm yönlerde ± 30 derece dönüşü kapsar.

Açısal momentumun dengelenmesi

Soruna alternatif bir çözüm, zıt yönlerde eşzamanlı olarak dönen iki birleştirilmiş volanın olmasıdır. Toplam açısal momentumu sıfır olacak ve jiroskopik etkisi olmayacaktı. Bu çözümle ilgili bir problem, her bir volanın momentumu arasındaki fark sıfırdan başka bir şey olduğunda, iki volanın muhafazasının tork göstermesidir. Açısal hızı sıfırda tutmak için her iki tekerlek de aynı hızda tutulmalıdır. Açıkçası, iki volan devasa bir tork aksı bükmeye çalışırken merkezi noktada an. Bununla birlikte, aks yeterince güçlü olsaydı, hiçbir jiroskopik kuvvetin sızdırmaz kap üzerinde net bir etkisi olmazdı, bu nedenle hiçbir tork fark edilmezdi.

Kuvvetleri daha da dengelemek ve gerilimi yaymak için, tek bir büyük volan, her iki taraftaki iki yarı boyutlu volan ile dengelenebilir veya volanların boyutu, zıt yönlerde dönen bir dizi alternatif katman olacak şekilde küçültülebilir. Ancak bu, yuva ve yatak karmaşıklığını artırır.

Başvurular

Ulaşım

Otomotiv

1950'lerde, olarak bilinen volanla çalışan otobüsler gyrobuslar, kullanıldı Yverdon (İsviçre ) ve Ghent (Belçika ) ve daha küçük, daha hafif, daha ucuz ve daha büyük kapasiteye sahip volan sistemleri yapmak için araştırmalar devam etmektedir. Volan sistemlerinin, elektrikli araçlar gibi mobil uygulamalar için geleneksel kimyasal pillerin yerini alabileceği umulmaktadır. Önerilen volan sistemleri, düşük kapasite, uzun şarj süreleri, ağır ağırlık ve kısa kullanım ömürleri gibi mevcut batarya güç sistemlerinin birçok dezavantajını ortadan kaldıracaktır. Volanlar deneysel olarak kullanılmış olabilir Chrysler Patriot, bu tartışmalı olsa da.^[20]

Volanlar da kullanım için önerilmiştir sürekli değişken şanzımanlar. Punch Powertrain şu anda böyle bir cihaz üzerinde çalışıyor.^[21]

1990'larda Rosen Motors Geliştirdi gaz türbini güçlendirilmiş seri hibrit Küçük gaz türbini motorunun sağlayamadığı hızlanma patlamaları sağlamak için 55.000 dev / dak volan kullanan otomotiv güç aktarım sistemi. Volan ayrıca enerji depoladı rejeneratif frenleme. Volan, bir titanyum göbek karbon fiber silindir ve oldu gimbal -Araç kullanımı üzerindeki olumsuz jiroskopik etkileri en aza indirmek için monte edilmiştir. Prototip araç 1997'de başarıyla yol testine tabi tutuldu ancak hiçbir zaman seri üretilmedi.^[22]

2013 yılında, Volvo S60 sedanının arka aksına takılan bir volan sistemini duyurdu. Frenleme hareketi volanı 60.000 dev / dak'ya kadar döndürür ve öne monte motoru durdurur. Volan enerjisi, araca kısmen veya tamamen güç sağlamak için özel bir şanzıman aracılığıyla uygulanır. 20 santimetre (7,9 inç), 6 kilogram (13 lb) karbon fiber volan, sürtünmeyi ortadan kaldırmak için vakumda döner. Dört silindirli bir motorla ortaklık kurduğunda, karşılaştırılabilir performans gösteren turbo altı silindirli bir motora kıyasla yakıt tüketiminde yüzde 25'e varan bir azalma sağlar, 80 beygir gücü (60 kW) güçlendirme sağlar ve saatte 100 kilometreye (62 mil / saate) ulaşmasını sağlar. ) 5.5 saniyede. Şirket, teknolojiyi ürün hattına dahil etmek için özel planlar açıklamadı.^[23]

Temmuz 2014'te GKN Edinilen Williams Hibrit Güç (WHP) bölümü ve 500 tedarik etmeyi planlıyor karbon fiber Gyrodrive önümüzdeki iki yıl içinde şehir içi otobüs işletmecilerine elektrikli volan sistemleri^[24] Eski geliştirici adından da anlaşılacağı gibi, bunlar başlangıçta Formül bir motor yarışı uygulamalar. Eylül 2014'te, Oxford Otobüs Şirketi 14'ü tanıttığını duyurdu Gyrodrive hibrit tarafından otobüsler Alexander Dennis Brookes Bus operasyonunda.^[25][26]

Raylı araçlar

Volan sistemleri deneysel olarak küçük elektrikli lokomotifler manevra için veya geçiş, Örneğin. Sentinel-Oerlikon Gyro Lokomotif. Daha büyük elektrikli lokomotifler, ör. İngiliz Raylı Sınıf 70, bazen içindeki boşlukları taşımak için volan güçlendiricilerle donatılmışlardır. üçüncü ray. Gelişmiş volanlar, örneğin 133 kWh'lik paket Austin'deki Texas Üniversitesi, kalkıştan seyir hızına kadar bir trene binebilir.^[2]

Parry People Mover bir vagon bir volan ile çalıştırılır. Pazar günleri 12 ay boyunca Stourbridge İlçe Şube Hattı içinde West Midlands, İngiltere 2006 ve 2007 yıllarında ve tren operatörü tarafından tam hizmet olarak tanıtılması amaçlandı Londra Midland Aralık 2008'de iki ünite sipariş edildiğinde. Ocak 2010'da her iki birim de faaliyettedir.^[27]

Demiryolu elektrifikasyonu

FES, hat voltajını düzenlemeye yardımcı olmak için elektrikli demiryollarının hat tarafında kullanılabilir, böylece değiştirilmemiş elektrikli trenlerin hızlanmasını ve hatta geri kazanılan enerji miktarını iyileştirir. rejeneratif frenleme, böylece enerji faturalarını düşürür.^[28] Denemeler Londra, New York, Lyon ve Tokyo'da yapıldı,^[29] ve New York MTA 's Long Island Demiryolu Yolu şu anda LIRR'ler ile ilgili bir pilot projeye 5,2 milyon dolar yatırım yapıyor West Hempstead Şubesi hat.^[30]Bu denemeler ve sistemler, kalıcı bir mıknatıs oluşturan neodim-demir-bor tozu ile paketlenmiş karbon-cam kompozit bir silindirden oluşan rotorlarda kinetik enerjiyi depolar. Bunlar 37800 dev / dak'ya kadar dönerler ve her 100 kW birim 11 MJ yeniden kullanılabilir enerji depolayabilir.^[29]

Kesintisiz güç kaynakları

2001 yılı itibarıyla üretimde olan volan güç depolama sistemleri^{[Güncelleme]} pillerle karşılaştırılabilir depolama kapasitelerine ve daha hızlı deşarj oranlarına sahiptir. Esas olarak büyük akü sistemleri için yük dengeleme sağlamak için kullanılırlar. kesintisiz güç kaynağı Batarya sistemlerine kıyasla önemli miktarda alan tasarrufu sağladıkları için veri merkezleri için.^[31]

Genel olarak volan bakımı, geleneksel akülü UPS sistemlerinin yaklaşık yarısı kadar maliyetle çalışır. Tek bakım, temel bir yıllık koruyucu bakım rutini ve yatakların yaklaşık dört saat süren beş ila on yılda bir değiştirilmesidir.^[7] Daha yeni volan sistemleri, bakım gerektirmeden eğirme kütlesini tamamen kaldırır manyetik yataklar böylece mekanik yatak bakımı ve arızaları ortadan kalkar.^[7]

Tam kurulu bir volanlı UPS'nin (güç koşullandırma dahil) maliyeti (2009'da) yaklaşık 330 $ 'dır. kilovat (15 saniye tam yük kapasitesi için).^[32]

Test laboratuvarları

Volan güç sistemleri için uzun süredir devam eden niş bir pazar, Devre kesiciler ve benzer cihazlar test edilir: küçük bir ev tipi devre kesici bile bir akımı kesmek için derecelendirilebilir 10000 veya daha fazla amper ve daha büyük birimler olabilir kesintiye uğrayan derecelendirmeler nın-nin 100000 veya 1000000 amper. Bu tür cihazları kasıtlı olarak simüle edilmiş kısa devreleri kesme yeteneklerini göstermeye zorlayarak üretilen muazzam geçici yükler, bu testler doğrudan bina gücünden yapılırsa yerel şebeke üzerinde kabul edilemez etkilere sahip olacaktır. Tipik olarak böyle bir laboratuar, birkaç dakika içinde hızlanacak şekilde döndürülebilen birkaç büyük motor-jeneratör setine sahip olacaktır; daha sonra bir devre kesici test edilmeden önce motorun bağlantısı kesilir.

Fizik laboratuvarları

Tokamak füzyon deneyleri kısa aralıklar için çok yüksek akımlara ihtiyaç duyar (esas olarak büyük elektromıknatıslara birkaç saniye güç sağlamak için).

• JET ( Ortak Avrupa Torusu ) 225 rpm'ye kadar dönen iki adet 775 tonluk volana (1981'de kurulmuş) sahiptir.^[33] Her bir volan 3,75 GJ depolar ve 400MW'a kadar teslimat yapabilir.^[34]
• Helisel Simetrik Deney -de Wisconsin-Madison Üniversitesi yeniden tasarlanmış elektrikli tren motorları kullanılarak 10.000 rpm'ye döndürülen 18 adet bir tonluk volana sahiptir.
• ASDEX 3 adet volan jeneratörüne sahiptir.
• DIII-D (tokamak) -de Genel Atomik
• Princeton Büyük Torus (PLT) Princeton Plazma Fiziği Laboratuvarı

Ayrıca tokamak olmayan: Nemrut senkrotron -de Rutherford Appleton Laboratuvarı 30 tonluk iki çark vardı.

Uçak fırlatma sistemleri

Gerald R. Ford-sınıf uçak gemisi geminin güç kaynağından enerji biriktirmek için volanları kullanacak, elektromanyetik uçak fırlatma sistemi. Gemi güvertesi güç sistemi, uçağı fırlatmak için gerekli olan yüksek güç geçişlerini kendi başına sağlayamaz. Dört rotorun her biri 6400 rpm'de 121 MJ (34 kWh) depolayacaktır. 45 saniyede 122 MJ (34 kWh) depolayabilir ve 2-3 saniyede serbest bırakabilirler.^[35] Volan enerji yoğunlukları 28 kJ / kg (8 W · h / kg); Statorlar ve kasalar dahil bu, tork çerçevesi hariç 18.1 kJ / kg'a (5 W · h / kg) düşmektedir.^[35]

Uzay aracı enerji depolaması için NASA G2 çarkı

Bu, tarafından finanse edilen bir tasarımdı NASA Glenn Araştırma Merkezi ve laboratuvar ortamında bileşen testi için tasarlanmıştır. Manyetik yataklara monte edilmiş, 60.000 rpm'de dönecek şekilde tasarlanmış bir titanyum göbeğe sahip bir karbon fiber jant kullandı. Ağırlık 250 pound ile sınırlıydı. Depolama 525 W-saat (1.89 MJ) idi ve 1 kW'ta şarj edilebilir veya boşaltılabilir.^[36] Sayfanın üst kısmındaki fotoğrafta gösterilen çalışma modeli 2 Eylül 2004'te 41.000 rpm'de çalışıyordu.^[37]

Eğlence sürmek

Montezooma'nın İntikamı hız treni -de Knott's Berry Farm dünyanın ilk volanla fırlatılan lunapark treni oldu ve hala Amerika Birleşik Devletleri'nde faaliyet gösteren türünün son sürüşüydü. Yolculuk, treni 4,5 saniyede saatte 55 mil (89 km / s) hızlandırmak için 7,6 tonluk bir volan kullanıyor.

İnanılmaz Hulk roller coaster -de Universal'ın Macera Adaları tipik yerçekimi düşüşünün aksine hızla hızlanan yokuş yukarı fırlatma özelliğine sahiptir. Bu, güçlü çekiş motorları arabayı piste fırlatan. Tam hız trenini yokuş yukarı tam hızda hızlandırmak için gereken kısa ve çok yüksek akıma ulaşmak için, park, büyük volanlı birkaç motor jeneratör seti kullanıyor. Depolanan bu enerji birimleri olmadan, parkın yeni bir trafo merkezine veya riske yatırım yapması gerekecekti. esmerleşme yolculuk her başladığında yerel enerji şebekesi.

Darbe gücü

Volan Enerji Depolama Sistemleri (FESS), şebekeye bağlı enerji yönetiminden kesintisiz güç kaynaklarına kadar çeşitli uygulamalarda bulunur. Teknolojinin ilerlemesiyle, FESS uygulamasında hızlı bir yenileme söz konusudur. Örnekler arasında, sistemin birkaç saniye ve hatta milisaniye gibi kısa bir süre için çok yüksek bir güce ihtiyaç duyduğu yüksek güçlü silahlar, uçak güç aktarma organları ve gemi güvertesi güç sistemleri yer alır. Kompanzasyonlu darbeli alternatör (kompulsator), en popüler seçeneklerden biridir. Genellikle FESS için tasarlanmış yüksek enerji yoğunluğu ve güç yoğunluğu nedeniyle füzyon reaktörleri, yüksek güçlü darbeli lazerler ve aşırı hızlı elektromanyetik fırlatıcılar için darbeli güç kaynakları.^[38] Compulsators (düşük endüktanslı alternatörler) kapasitörler gibi davranırlar, ray tabancaları ve lazerler için darbeli güç sağlamak için döndürülebilirler. Ayrı bir volan ve jeneratöre sahip olmak yerine, alternatörün yalnızca büyük rotoru enerji depolar. Ayrıca bakınız Homopolar jeneratör.^[39]

Motor sporları

Formula 1'de kullanılmak üzere tasarlanmış bir Flybrid Systems Kinetik Enerji Geri Kazanım Sistemi

Bir Sürekli Değişken Şanzıman (CVT), frenleme sırasında aktarma sisteminden enerji geri kazanılır ve bir volanda depolanır. Depolanan bu enerji daha sonra CVT oranını değiştirerek hızlanma sırasında kullanılır.^[40] Motor sporları uygulamalarında bu enerji, karbondioksit emisyonlarını azaltmaktan ziyade hızlanmayı iyileştirmek için kullanılır - ancak aynı teknoloji, iyileştirmek için yol arabalarına da uygulanabilir. yakıt verimliliği.^[41]

Automobile Club de l'Ouest, yıllıkın arkasındaki organizatör 24 Saat Le Mans olay ve Le Mans Serisi, şu anda "için belirli kurallar üzerinde çalışıyor LMP1 kinetik enerji geri kazanım sistemi ile donatılacak. "^[42]

Williams F1 Racing takımının bir yan kuruluşu olan Williams Hybrid Power,^[43] Porsche ve Audi'ye Porsche'nin 911 GT3 R Hybrid için volan tabanlı hibrit sistemi sağladı^[44] ve Audi'nin R18 e-Tron Quattro'su.^[45] Audi'nin 2012 24 Saat Le Mans'taki zaferi, hibrit (dizel-elektrikli) araç için bir ilktir.^[46]

Şebeke enerji depolama

Volanlar bazen kısa süreli olarak kullanılır Iplik rezervi anlık ızgara için frekans düzenlemesi ve arz ve tüketim arasındaki ani değişiklikleri dengelemek. Doğal gaz türbinleri gibi geleneksel enerji kaynakları yerine volan kullanmanın avantajları arasında karbon emisyonunun olmaması, daha hızlı yanıt süreleri ve yoğun olmayan saatlerde elektrik satın alma yeteneği bulunmaktadır.^[47] Çalışma aynı uygulamadaki pillere çok benzer, farklılıkları öncelikle ekonomiktir.

İşaret Gücü 5 MWh (15 dakikada 20 MW) açtı^[18] içinde volan enerji depolama tesisi Stephentown, New York 2011 yılında^[48] 200 volan kullanarak^[49] ve benzer bir 20 MW sistemi Hazle Township, Pensilvanya 2014 yılında.^[50]

A 2 MW (15 dakika için)^[51] Minto'da volan depolama tesisi, Ontario, Kanada 2014 yılında açıldı.^[52] Volan sistemi (geliştiren NRStor ) manyetik yataklarda 10 adet dönen çelik volan kullanır.^[52]

Amber Kinetics, Inc. ile anlaşması var Pasifik Gaz ve Elektrik Fresno, CA'da bulunan ve dört saatlik deşarj süreli 20 MW / 80 MWh volan enerji depolama tesisi için (PG&E).^[53]

Rüzgar türbinleri

Volanlar, yoğun olmayan dönemlerde veya yüksek rüzgar hızlarında rüzgar türbinleri tarafından üretilen enerjiyi depolamak için kullanılabilir.

İşaret Gücü Smart Energy 25 (Gen 4) volan enerji depolama sistemini, Tehachapi, Kaliforniya. Sistem, Kaliforniya Enerji Komisyonu için yürütülen bir rüzgar enerjisi / volan tanıtım projesinin bir parçasıdır.^[54]

Oyuncaklar

Sürtünme motorları birçoğuna güç verirdi oyuncak arabalar kamyonlar, trenler, aksiyon oyuncakları ve benzeri basit volanlı motorlardır.

Eylem preslerini aç / kapat

Endüstride, eylem preslerini değiştir hala popüler. Olağan düzenleme, çok güçlü bir krank mili ve presi tahrik eden ağır hizmet bağlantı çubuğu. Büyük ve ağır volanlar elektrik motorları tarafından tahrik edilir, ancak volanlar krank milini yalnızca kavramalar etkinleştirildiğinde döndürür.

Elektrikli pillerle karşılaştırma

Volanlar, sıcaklık değişimlerinden o kadar olumsuz etkilenmez, çok daha geniş bir sıcaklık aralığında çalışabilir ve kimyasalın birçok yaygın arızasına maruz kalmaz. Şarj edilebilir pil.^[55] Ayrıca çevreye daha az zarar verme potansiyeline sahiptirler ve büyük ölçüde hareketsiz veya iyi huylu malzemeler. Volan çarklarının bir başka avantajı da, dönüş hızının basit bir ölçümü ile depolanan tam enerji miktarını bilmenin mümkün olmasıdır.

Yalnızca sınırlı bir süre çalışan çoğu pilin aksine (örneğin, lityum iyon polimer piller ), bir volanın potansiyel olarak sınırsız bir çalışma ömrü vardır. Bir parçası olarak üretilen volanlar James Watt buharlı motorlar iki yüz yıldan fazla bir süredir sürekli çalışmaktadır.^[56] Esas olarak değirmencilik ve çömlekçilikte kullanılan eski volanların çalışma örnekleri Afrika, Asya ve Avrupa'da birçok yerde bulunabilir.^[57][58]

Modern volanların çoğu, hizmet ömürleri boyunca minimum bakım gerektiren tipik olarak kapalı cihazlardır. Yukarıda tasvir edilen NASA modeli gibi vakumlu muhafazalardaki manyetik yataklı volanlar, herhangi bir yatak bakımına ihtiyaç duymaz ve bu nedenle hem toplam kullanım ömrü hem de enerji depolama kapasitesi açısından pillerden üstündür.^{[kaynak belirtilmeli ]} Mekanik rulmanlı volan sistemleri, aşınma nedeniyle sınırlı ömre sahip olacaktır.

Pillerin fiziksel düzeni, çok çeşitli konfigürasyonlara uyacak şekilde tasarlanabilirken, minimumda bir volanın sabit bir kare yüzey alanı ve hacmi kaplaması gerekir.^{[neden? ]} Boyutların bir enerji depolama teknolojisinin uygulanması için bir kısıtlama olduğu durumlarda (örneğin, bir tüneldeki bir trenin şasisi altında), bir volan uygun bir çözüm olmayabilir.^{[kaynak belirtilmeli ]}

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

• Beacon Power, DOE'den İki 20 MW Enerji Depolama Tesisinin% 50'sine Kadar Fon Sağlamak İçin Uygulanıyor, 1 Eylül 2009 [1]^{[kalıcı ölü bağlantı ]}
• Sheahen, T., P. (1994). Yüksek Sıcaklıkta Süperiletkenliğe Giriş. New York: Plenum Basın. pp.76 –78, 425–431. ISBN  978-0-306-44793-8.
• El-Wakil, M., M. (1984). Santral Teknolojisi. McGraw-Hill. pp.685 –689.
• Koshizuka, N .; Ishikawa, F .; Nasu, H .; Murakami, M .; et al. (2003). "Volan enerji depolama sistemleri için süper iletken rulman teknolojilerinin gelişimi". Physica C. 386 (386): 444–450. Bibcode:2003PhyC..386..444K. doi:10.1016 / S0921-4534 (02) 02206-2.
• Wolsky, A., M. (2002). "HTS'yi içeren volanlar ve KOBİ'lerin durumu ve beklentileri". Physica C. 372 (372–376): 1495–1499. Bibcode:2002PhyC..372.1495W. doi:10.1016 / S0921-4534 (02) 01057-2.
• Sung, T. H .; Han, S. C .; Han, Y. H .; Lee, J. S .; et al. (2002). "Yüksek Tc süper iletken yatakları kullanan volan enerji depolama sistemlerinin tasarımları ve analizleri". Kriyojenik. 42 (6–7): 357–362. Bibcode:2002Cryo ... 42..357S. doi:10.1016 / S0011-2275 (02) 00057-7.
• Akhil, Abbas; Swaminathan, Shiva; Sen, Rajat K. (Şubat 2007). "Elektrik Hizmet Uygulamaları için Enerji Depolama Sistemlerinin Maliyet Analizi" (PDF). Sandia Ulusal laboratuvarları. Arşivlenen orijinal (PDF) 2007-06-21 tarihinde.
• Larbalestier, David; Blaugher, Richard D .; Schwall, Robert E .; Sokolowski, Robert S .; et al. (Eylül 1997). "Volanlar". Japonya ve Almanya'da Süperiletkenliğin Güç Uygulamaları. Dünya Teknoloji Değerlendirme Merkezi.
• "Eski Bir Fikre Yeni Bir Bakış: Elektromekanik Pil" (PDF). Bilim ve Teknoloji İncelemesi: 12–19. Nisan 1996. Arşivlenen orijinal (PDF) 2008-04-05 tarihinde. Alındı 2006-07-21.
• Janse van Rensburg, P.J. (Aralık 2011). "Kompozit volan rotorlarında enerji depolama". Stellenbosch Üniversitesi, Güney Afrika. hdl:10019.1/17864. Alıntı dergisi gerektirir | günlük = (Yardım)
• Devitt, Drew (Mart 2010). "Volan enerji depolaması için bir durum oluşturma". Yenilenebilir Enerji Dünyası Dergisi Kuzey Amerika.

Dış bağlantılar

• Boeing Volan Enerji Depolama Teknolojisi
• Federal Teknoloji Uyarısı, Volan Enerji Depolama
• Magnetal Whitepaper for its Green Energy Storage System – GESS
• Magnetal analysis on gyro forces induced by flywheel energy storage