फ्लायव्हील (कायनेटिक) ऊर्जा साठवण यंत्रे कशी व्यवस्थित केली जातात आणि कार्य करतात

FES फ्लायव्हील एनर्जी स्टोरेजसाठी लहान आहे, याचा अर्थ फ्लायव्हील वापरून ऊर्जा स्टोरेज. याचा अर्थ असा की यांत्रिक ऊर्जा संचित आणि गतिज स्वरूपात साठवली जाते कारण एक प्रचंड चाक उच्च वेगाने फिरते.

अशा प्रकारे जमा होणारी यांत्रिक उर्जा नंतर विजेमध्ये रूपांतरित केली जाऊ शकते, ज्यासाठी फ्लायव्हील प्रणाली मोटर आणि जनरेटर दोन्ही मोडमध्ये कार्य करण्यास सक्षम असलेल्या उलट इलेक्ट्रिक मशीनसह एकत्रित केली जाते.

जेव्हा ऊर्जा साठवण्याची गरज असते, तेव्हा विद्युत यंत्र मोटर म्हणून काम करते आणि बाह्य स्त्रोताकडून विद्युत उर्जेचा वापर करताना फ्लायव्हीलला आवश्यक कोनीय वेगात फिरवते, परिणामतः-विद्युत ऊर्जेचे यांत्रिक (गतिज) उर्जेमध्ये रूपांतर करते. जेव्हा संचयित ऊर्जा लोडमध्ये हस्तांतरित करणे आवश्यक असते, तेव्हा इलेक्ट्रिक मशीन जनरेटर मोडमध्ये जाते आणि फ्लायव्हील मंदावल्यामुळे यांत्रिक ऊर्जा सोडली जाते.

फ्लायव्हील्सवर आधारित सर्वात प्रगत ऊर्जा संचयन प्रणालींमध्ये उर्जा घनता बर्‍यापैकी आहे आणि ती पारंपारिक ऊर्जा साठवण प्रणालीशी स्पर्धा करू शकतात.

सुपर फ्लायव्हील्सवर आधारित कायनेटिक बॅटरी इंस्टॉलेशन्स, जिथे फिरणारी बॉडी उच्च-शक्तीच्या ग्राफीन रिबनने बनलेली असते, या संदर्भात विशेषतः आशादायक मानली जाते. अशी स्टोरेज उपकरणे प्रति 1 किलोग्रॅम वस्तुमान 1200 W * h (4.4 MJ!) ऊर्जा साठवू शकतात.

सुपर फ्लायव्हील्सच्या क्षेत्रातील अलीकडील घडामोडींनी आधीच विकसकांना कमी धोकादायक बेल्ट सिस्टमच्या बाजूने मोनोलिथिक ड्राइव्ह वापरण्याची कल्पना सोडण्याची परवानगी दिली आहे.

वस्तुस्थिती अशी आहे की आणीबाणीच्या फाटण्याच्या बाबतीत मोनोलिथिक प्रणाली धोकादायक होत्या आणि कमी ऊर्जा जमा करू शकतात. तोडताना, टेप मोठ्या तुकड्यांमध्ये विखुरत नाही, परंतु केवळ अंशतः तुटतो; या प्रकरणात, बेल्टचे वेगळे भाग घराच्या आतील पृष्ठभागावर घासून फ्लायव्हील थांबवतात आणि त्याचा पुढील नाश टाळतात.

वाइंडिंग टेप किंवा इंटरफेरन्स इंटरफेरन्स फायबरपासून बनवलेल्या सुपर फ्लायव्हील्सची उच्च विशिष्ट ऊर्जा तीव्रता अनेक योगदान घटकांमुळे प्राप्त होते.

प्रथम, फ्लायव्हील व्हॅक्यूममध्ये चालते, ज्यामुळे हवेच्या तुलनेत घर्षण मोठ्या प्रमाणात कमी होते. यासाठी, व्हॅक्यूम निर्मिती आणि देखभाल प्रणालीद्वारे घरांमधील व्हॅक्यूम सतत राखला गेला पाहिजे.

दुसरे, सिस्टम फिरत्या शरीरात स्वयंचलितपणे समतोल राखण्यास सक्षम असणे आवश्यक आहे. कंपन आणि गायरोस्कोपिक कंपन कमी करण्यासाठी विशेष तांत्रिक उपाय केले जातात. थोडक्यात, फ्लायव्हील सिस्टम डिझाइनच्या दृष्टिकोनातून खूप मागणी करतात, म्हणून त्यांचा विकास ही एक जटिल अभियांत्रिकी प्रक्रिया आहे.

ते बियरिंग्ज म्हणून अधिक योग्य वाटतात चुंबकीय (सुपरकंडक्टिंगसह) निलंबन… तथापि, अभियंत्यांना निलंबनात कमी-तापमानाचे सुपरकंडक्टर सोडावे लागले, कारण त्यांना भरपूर ऊर्जा लागते. सिरेमिक बॉडीसह हायब्रीड रोलिंग बीयरिंग्स मध्यम रोटेशनल स्पीडसाठी अधिक चांगले आहेत. हाय स्पीड फ्लायव्हील्ससाठी, सस्पेंशनमध्ये उच्च तापमान सुपरकंडक्टर वापरणे आर्थिकदृष्ट्या स्वीकार्य आणि अतिशय किफायतशीर असल्याचे आढळले आहे.

एफईएस स्टोरेज सिस्टमचा एक मुख्य फायदा, त्यांच्या उच्च विशिष्ट ऊर्जा तीव्रतेनंतर, त्यांचे तुलनेने दीर्घ सेवा जीवन आहे, जे 25 वर्षांपर्यंत पोहोचू शकते. तसे, ग्राफीन पट्ट्यांवर आधारित फ्लायव्हील सिस्टमची कार्यक्षमता 95% पर्यंत पोहोचते. याव्यतिरिक्त, चार्जिंग गती लक्षात घेण्यासारखे आहे. हे, अर्थातच, इलेक्ट्रिकल इंस्टॉलेशनच्या पॅरामीटर्सवर अवलंबून असते.

उदाहरणार्थ, सबवे फ्लायव्हीलवरील उर्जा रिक्युपरेटर जो ट्रेनच्या प्रवेग आणि मंदावण्याच्या दरम्यान चालतो आणि 15 सेकंदात डिस्चार्ज होतो. असे मानले जाते की फ्लायव्हील स्टोरेज सिस्टममधून उच्च कार्यक्षमता प्राप्त करण्यासाठी, नाममात्र चार्ज आणि डिस्चार्ज वेळ एका तासापेक्षा जास्त नसावा.

एफईएस प्रणालीची लागू क्षमता खूप विस्तृत आहे. ते लोडिंग आणि अनलोडिंग दरम्यान 90% पर्यंत ऊर्जा बचत प्रदान करून विविध उचल उपकरणांवर यशस्वीरित्या वापरले जाऊ शकतात. इलेक्ट्रिकल ट्रान्सपोर्ट बॅटरीच्या जलद चार्जिंगसाठी, इलेक्ट्रिकल ग्रिडमध्ये वारंवारता आणि शक्ती स्थिर करण्यासाठी, अखंडित उर्जा स्त्रोतांमध्ये, हायब्रीड वाहनांमध्ये इत्यादींसाठी या प्रणाली प्रभावीपणे वापरल्या जाऊ शकतात.

या सर्वांसह, फ्लायव्हील स्टोरेज सिस्टममध्ये उल्लेखनीय वैशिष्ट्ये आहेत.म्हणून, जर उच्च घनतेची सामग्री वापरली गेली असेल तर, नाममात्र रोटेशन गती कमी झाल्यामुळे स्टोरेज डिव्हाइसचा विशिष्ट उर्जा वापर कमी होतो.

जर कमी-घनतेची सामग्री वापरली गेली असेल, तर वेग वाढल्यामुळे वीज वापर वाढतो, परंतु यामुळे व्हॅक्यूम, तसेच समर्थन आणि सीलसाठी आवश्यकता वाढते आणि इलेक्ट्रिकल कन्व्हर्टर अधिक जटिल होते.

सुपर फ्लायव्हील्ससाठी सर्वोत्तम सामग्री म्हणजे उच्च-शक्तीचे स्टीलचे पट्टे आणि केव्हलर आणि कार्बन फायबरसारखे तंतुमय पदार्थ. वर नमूद केल्याप्रमाणे, सर्वात आश्वासक सामग्री, केवळ सामर्थ्य आणि घनतेच्या स्वीकार्य पॅरामीटर्समुळेच नाही तर मुख्यत्वे ब्रेकिंगच्या सुरक्षिततेमुळे ग्राफीन टेप राहते.

हाय-स्पीड फ्लायव्हील सिस्टमसाठी ब्रेकेजची संभाव्यता हा एक मोठा अडथळा आहे. थरांमध्ये गुंडाळलेल्या आणि चिकटलेल्या संमिश्र पदार्थांचे त्वरीत विघटन होते, प्रथम लहान-व्यासाच्या फिलामेंटमध्ये विघटन होते जे झटपट एकमेकांना अडकवतात आणि कमी करतात आणि नंतर चमकणारी पावडर बनतात. हुलला नुकसान न होता नियंत्रित फाटणे (अपघात झाल्यास) हे अभियंत्यांच्या मुख्य कार्यांपैकी एक आहे.

फाटलेल्या उर्जेचे प्रकाशन एन्कॅप्स्युलेटेड द्रव किंवा जेल सारख्या आतील आवरणाच्या अस्तराने कमी केले जाऊ शकते जे फ्लायव्हील तुटल्यास ऊर्जा शोषून घेईल.

स्फोटापासून संरक्षण करण्याचा एक मार्ग म्हणजे अपघात झाल्यास बुलेटच्या वेगाने उडणारा कोणताही मोडतोड थांबवण्यासाठी फ्लायव्हील भूमिगत करणे. तथापि, अशी प्रकरणे आहेत जेव्हा तुकड्यांचे उड्डाण जमिनीपासून वरच्या दिशेने होते, ज्यामध्ये केवळ हुलच नाही तर जवळच्या इमारती देखील नष्ट होतात.

शेवटी, प्रक्रियेचे भौतिकशास्त्र पाहू.फिरत्या शरीराची गतीज उर्जा सूत्राद्वारे निर्धारित केली जाते:

जिथे मी फिरणाऱ्या शरीराच्या जडत्वाचा क्षण आहे

कोनीय वेग खालीलप्रमाणे दर्शविला जाऊ शकतो:

उदाहरणार्थ, सतत सिलेंडरसाठी, जडत्वाचा क्षण आहे:

आणि मग फ्रिक्वेंसी f द्वारे घन सिलेंडरसाठी गतीज ऊर्जा समान आहे:

जेथे f ही वारंवारता आहे (प्रति सेकंद क्रांतीमध्ये), r ही मीटरमधील त्रिज्या आहे, m हे किलोग्रॅममध्ये वस्तुमान आहे.

समजून घेण्यासाठी एक ढोबळ उदाहरण घेऊ. 3 किलोवॅटचा बॉयलर 200 सेकंदात पाणी उकळतो. 10 किलो वजनाचे आणि 0.5 मीटर त्रिज्येचे सतत दंडगोलाकार फ्लायव्हील किती वेगाने फिरले पाहिजे जेणेकरून ते थांबवण्याच्या प्रक्रियेदरम्यान पाणी उकळण्यासाठी पुरेशी ऊर्जा असेल? आमच्या जनरेटर-कन्व्हर्टरची कार्यक्षमता (कोणत्याही वेगाने कार्य करण्यास सक्षम) 60% असू द्या.

उत्तर द्या. किटली उकळण्यासाठी एकूण ऊर्जा लागते 200 * 3000 = 600,000 J. कार्यक्षमता लक्षात घेता, 600,000 / 0.6 = 1,000,000 J. वरील सूत्र लागू केल्यास, आम्हाला प्रति सेकंद 201.3 क्रांतीचे मूल्य मिळते.

हे देखील पहा:ऊर्जा उद्योगासाठी गतिज ऊर्जा संचयन साधने

ऊर्जा साठवण्याचा आणखी एक आधुनिक मार्ग: सुपरकंडक्टिंग मॅग्नेटिक एनर्जी स्टोरेज सिस्टम (SMES)