चक्का (काइनेटिक) ऊर्जा भंडारण उपकरण कैसे व्यवस्थित और काम करते हैं

चक्का ऊर्जा भंडारण के लिए FES छोटा है, जिसका अर्थ है चक्का का उपयोग करके ऊर्जा भंडारण। इसका मतलब यह है कि यांत्रिक ऊर्जा गतिज रूप में संचित और संग्रहीत होती है क्योंकि एक विशाल पहिया उच्च गति से घूमता है।

इस प्रकार संचित यांत्रिक ऊर्जा को बाद में बिजली में परिवर्तित किया जा सकता है, जिसके लिए चक्का प्रणाली को एक प्रतिवर्ती विद्युत मशीन के साथ जोड़ा जाता है जो मोटर और जनरेटर मोड दोनों में काम करने में सक्षम है।

जब ऊर्जा को संग्रहीत करने की आवश्यकता होती है, तो विद्युत मशीन एक मोटर के रूप में कार्य करती है और बाहरी स्रोत से विद्युत ऊर्जा का उपभोग करते हुए फ्लाईव्हील को आवश्यक कोणीय वेग से घुमाती है, प्रभाव में विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक (काइनेटिक) ऊर्जा में परिवर्तित करती है। जब संग्रहीत ऊर्जा को लोड में स्थानांतरित करने की आवश्यकता होती है, तो विद्युत मशीन जनरेटर मोड में चली जाती है और यांत्रिक ऊर्जा को चक्का धीमा होने के कारण छोड़ा जाता है।

चक्का पर आधारित सबसे उन्नत ऊर्जा भंडारण प्रणालियों में काफी उच्च शक्ति घनत्व होता है और यह पारंपरिक ऊर्जा भंडारण प्रणालियों के साथ प्रतिस्पर्धा कर सकता है।

सुपर फ्लाईव्हील्स पर आधारित काइनेटिक बैटरी इंस्टॉलेशन, जहां घूमने वाला शरीर उच्च शक्ति वाले ग्राफीन रिबन से बना होता है, इस संबंध में विशेष रूप से आशाजनक माना जाता है। इस तरह के भंडारण उपकरण प्रति किलोग्राम द्रव्यमान में 1200 W * h (4.4 MJ!) ऊर्जा का भंडारण कर सकते हैं।

सुपर फ्लाईव्हील्स के क्षेत्र में हाल के विकास ने पहले ही डेवलपर्स को कम खतरनाक बेल्ट सिस्टम के पक्ष में अखंड ड्राइव का उपयोग करने के विचार को त्यागने की अनुमति दी है।

तथ्य यह है कि आपातकालीन टूटने के मामले में मोनोलिथिक सिस्टम खतरनाक थे और कम ऊर्जा जमा कर सकते थे। तोड़ते समय, टेप बड़े टुकड़ों में बिखरता नहीं है, लेकिन केवल आंशिक रूप से टूट जाता है; इस मामले में, बेल्ट के अलग-अलग हिस्से आवास की आंतरिक सतह के खिलाफ रगड़ कर चक्का बंद कर देते हैं और इसके आगे के विनाश को रोकते हैं।

घुमावदार टेप या हस्तक्षेप हस्तक्षेप फाइबर से बने सुपर फ्लाईव्हील्स की उच्च विशिष्ट ऊर्जा तीव्रता कई योगदान कारकों के कारण प्राप्त की जाती है।

सबसे पहले, चक्का एक निर्वात में काम करता है, जो हवा की तुलना में घर्षण को बहुत कम करता है। इसके लिए, वैक्यूम निर्माण और रखरखाव प्रणाली द्वारा आवास में वैक्यूम को लगातार बनाए रखा जाना चाहिए।

दूसरा, सिस्टम को घूर्णन निकाय को स्वचालित रूप से संतुलित करने में सक्षम होना चाहिए। कंपन और जाइरोस्कोपिक कंपन को कम करने के लिए विशेष तकनीकी उपाय किए जाते हैं। संक्षेप में, डिजाइन के दृष्टिकोण से फ्लाईव्हील सिस्टम की बहुत मांग है, इसलिए उनका विकास एक जटिल इंजीनियरिंग प्रक्रिया है।

वे बियरिंग्स के रूप में अधिक उपयुक्त प्रतीत होते हैं चुंबकीय (सुपरकंडक्टिंग सहित) निलंबन... हालांकि, इंजीनियरों को कम तापमान वाले सुपरकंडक्टर्स को निलंबन में छोड़ना पड़ा, क्योंकि उन्हें बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। मध्यम घूर्णी गति के लिए सिरेमिक निकायों के साथ हाइब्रिड रोलिंग बीयरिंग बहुत बेहतर हैं। जहां तक ​​उच्च गति वाले चक्का का सवाल है, यह आर्थिक रूप से स्वीकार्य और निलंबन में उच्च तापमान सुपरकंडक्टर्स का उपयोग करने के लिए बहुत ही किफायती पाया गया है।

एफईएस भंडारण प्रणालियों के मुख्य लाभों में से एक, उनकी उच्च विशिष्ट ऊर्जा तीव्रता के बाद, उनकी अपेक्षाकृत लंबी सेवा जीवन है, जो 25 साल तक पहुंच सकती है।वैसे, ग्राफीन स्ट्रिप्स पर आधारित चक्का प्रणालियों की दक्षता 95% तक पहुंच जाती है। इसके अलावा, यह चार्जिंग गति को ध्यान देने योग्य है। यह, निश्चित रूप से, विद्युत स्थापना के मापदंडों पर निर्भर करता है।

उदाहरण के लिए, एक सबवे फ़्लाइव्हील पर एक एनर्जी रिक्यूपरेटर जो ट्रेन के त्वरण और मंदी के दौरान संचालित होता है और 15 सेकंड में चार्ज और डिस्चार्ज हो जाता है। यह माना जाता है कि चक्का भंडारण प्रणाली से उच्च दक्षता प्राप्त करने के लिए नाममात्र चार्ज और डिस्चार्ज का समय एक घंटे से अधिक नहीं होना चाहिए।

एफईएस सिस्टम की प्रयोज्यता काफी विस्तृत है। लोडिंग और अनलोडिंग के दौरान 90% तक ऊर्जा की बचत प्रदान करते हुए, उन्हें विभिन्न उठाने वाले उपकरणों पर सफलतापूर्वक उपयोग किया जा सकता है। इन प्रणालियों का प्रभावी ढंग से विद्युत परिवहन बैटरियों को तेजी से चार्ज करने के लिए उपयोग किया जा सकता है, विद्युत ग्रिडों में आवृत्ति और शक्ति को स्थिर करने के लिए, अबाधित विद्युत स्रोतों में, हाइब्रिड वाहनों आदि में।

इन सबके साथ, फ्लाईव्हील स्टोरेज सिस्टम में उल्लेखनीय विशेषताएं हैं।इसलिए, यदि उच्च घनत्व वाली सामग्री का उपयोग किया जाता है, तो नाममात्र रोटेशन की गति में कमी के कारण भंडारण उपकरण की विशिष्ट बिजली की खपत कम हो जाती है।

यदि कम घनत्व वाली सामग्री का उपयोग किया जाता है, तो गति में वृद्धि के कारण बिजली की खपत बढ़ जाती है, लेकिन इससे वैक्यूम के साथ-साथ समर्थन और मुहरों के लिए आवश्यकताओं में वृद्धि होती है, और विद्युत कनवर्टर अधिक जटिल हो जाता है।

सुपर फ्लाईव्हील्स के लिए सबसे अच्छी सामग्री उच्च शक्ति वाले स्टील बेल्ट और केवलर और कार्बन फाइबर जैसी रेशेदार सामग्री हैं। सबसे आशाजनक सामग्री, जैसा कि ऊपर बताया गया है, न केवल ताकत और घनत्व के स्वीकार्य मानकों के कारण, बल्कि मुख्य रूप से तोड़ने में इसकी सुरक्षा के कारण ग्रैफेन टेप बनी हुई है।

हाई-स्पीड फ्लाईव्हील सिस्टम के लिए ब्रेकेज की संभावना एक बड़ी बाधा है। मिश्रित सामग्री जो परतों में लुढ़की और चिपकी हुई है, जल्दी से बिखर जाती है, पहले छोटे-व्यास के तंतुओं में विखंडन करती है जो तुरंत एक दूसरे को उलझाते और गिराते हैं, और फिर एक चमकदार पाउडर में। पतवार को नुकसान पहुंचाए बिना नियंत्रित टूटना (दुर्घटना की स्थिति में) इंजीनियरों के मुख्य कार्यों में से एक है।

फटने वाली ऊर्जा की रिहाई को एक एन्कैप्सुलेटेड तरल पदार्थ या जेल जैसी आंतरिक आवरण परत से कम किया जा सकता है जो फ्लाईव्हील के टूटने पर ऊर्जा को अवशोषित करेगा।

विस्फोट से बचाव का एक तरीका यह है कि दुर्घटना की स्थिति में बुलेट की गति से उड़ने वाले किसी भी मलबे को रोकने के लिए चक्का को भूमिगत कर दिया जाए। हालांकि, ऐसे मामले होते हैं जब टुकड़ों की उड़ान जमीन से ऊपर की ओर होती है, जिससे न केवल पतवार, बल्कि आस-पास की इमारतें भी नष्ट हो जाती हैं।

अंत में, आइए प्रक्रिया के भौतिकी को देखें।एक घूर्णन पिंड की गतिज ऊर्जा सूत्र द्वारा निर्धारित की जाती है:

जहाँ मैं एक घूर्णन पिंड की जड़ता का क्षण है

कोणीय वेग को निम्नानुसार दर्शाया जा सकता है:

उदाहरण के लिए, एक सतत सिलेंडर के लिए, जड़ता का क्षण है:

और फिर f आवृत्ति के माध्यम से एक ठोस सिलेंडर के लिए गतिज ऊर्जा के बराबर है:

जहाँ f आवृत्ति है (प्रति सेकंड क्रांतियों में), r मीटर में त्रिज्या है, m किलोग्राम में द्रव्यमान है।

समझने के लिए एक मोटा उदाहरण लेते हैं। एक 3 kW बॉयलर 200 सेकंड में पानी उबालता है। 10 किग्रा द्रव्यमान और 0.5 मीटर त्रिज्या का एक निरंतर बेलनाकार चक्का किस गति से घूमना चाहिए ताकि इसे रोकने की प्रक्रिया के दौरान पानी को उबालने के लिए पर्याप्त ऊर्जा हो? बता दें कि हमारे जनरेटर-कनवर्टर (किसी भी गति से काम करने में सक्षम) की दक्षता 60% है।

उत्तर। केतली को उबालने के लिए आवश्यक ऊर्जा की कुल मात्रा 200 * 3000 = 600,000 J है। दक्षता को ध्यान में रखते हुए, 600,000 / 0.6 = 1,000,000 J। उपरोक्त सूत्र को लागू करते हुए, हमें प्रति सेकंड 201.3 क्रांतियों का मान मिलता है।

यह सभी देखें:बिजली उद्योग के लिए काइनेटिक ऊर्जा भंडारण उपकरण

ऊर्जा स्टोर करने का एक और आधुनिक तरीका: सुपरकंडक्टिंग मैग्नेटिक एनर्जी स्टोरेज सिस्टम (एसएमईएस)