Какво е съхранение на енергия на маховика?

Съхранението на енергия е процес на улавяне и съхраняване на енергия от различни източници, като слънчева, вятърна или ядрена енергия, и освобождаването й, когато е необходимо, като например по време на пиково търсене, прекъсване на захранването или извънредни ситуации. Съхранението на енергия може да подобри надеждността, ефективността и устойчивостта на електрическата мрежа, както и да намали емисиите на парникови газове и зависимостта от изкопаеми горива.

Има много видове системи за съхранение на енергия, като напр батерии, кондензатори, помпена хидроенергия, Сгъстен въздух, термичен, и кинетична. В този блог ще се съсредоточим върху една от най-обещаващите и иновативни форми за съхранение на кинетична енергия: съхранение на енергия на маховика (FES).

Въведение

!маховик с ниска скорост)

• Какво представлява съхранението на енергия на маховика (FES)?
  • FES е технология, която използва въртящо се устройство, наречено маховик, за съхраняване и освобождаване на енергия като ротационна кинетична енергия.
  • Основният принцип на FES е да ускори маховика до висока скорост с помощта на електрически мотор или генератор и след това да го забави, когато е необходима енергия, като използва същото устройство като генератор или двигател.
  • Количеството енергия, съхранявано в маховика, зависи от неговата маса, форма и скорост на въртене. Колкото по-бързо се върти маховикът, толкова повече енергия може да съхранява.
• Как работи FES?
  • Типичната FES система се състои от четири основни компонента:
    • Маховик, който е цилиндрично или дисковидно устройство, изработено от стомана, композит или други материали, монтирано на вал и затворено във вакуумна камера за намаляване на въздушното триене.
    • Мотор/генератор, който е електрическо устройство, което може или да върти маховика, използвайки електричество от мрежата, или да произвежда електричество от въртенето на маховика.
    • Силов електронен блок, който е устройство, което контролира скоростта, посоката и потока на мощността на двигателя/генератора, както и преобразува променливия ток (AC) от мрежата в постоянен ток (DC) за двигателя/генератора, и обратно.
    • Лагерна система, която е устройство, което поддържа вала на маховика и му позволява да се върти гладко и с минимално триене. Има два основни вида лагери: механични и магнитни. Механичните лагери използват физически контакт, като сачмени или ролкови лагери, за поддържане на вала. Магнитните лагери използват магнитни полета, като постоянни магнити или електромагнити, за левитиране на вала без контакт.
  • Работата на FES система може да бъде разделена на два режима: зареждане и разреждане:
    • В режим на зареждане блокът на силовата електроника преобразува променливотоковия ток от мрежата в постоянен ток и го изпраща към двигателя/генератора, който завърта маховика до висока скорост, съхранявайки енергията като кинетична енергия на въртене.
    • В режим на разреждане блокът на силовата електроника обръща процеса и преобразува постоянния ток от двигателя/генератора в променлив ток и го изпраща обратно към мрежата, докато маховикът се забавя, освобождавайки енергия като електрическа енергия.
• Какви са предимствата и недостатъците на FES?
  • FES има много предимства пред останалите системи за съхранение на енергия, като :
    • Висока ефективност: FES може да постигне до 90% ефективност в двете посоки, което означава, че само 10% от енергията се губи по време на циклите на зареждане и разреждане.
    • Дълъг живот: FES може да продължи повече от 20 години и да издържи хиляди цикли на зареждане-разреждане без значително влошаване.
    • Бърза реакция: FES може да зарежда и разрежда енергия за милисекунди, което го прави подходящ за приложения, които изискват висока мощност и бързо регулиране на честотата.
    • Ниска поддръжка: FES има малко движещи се части и не изисква охлаждане, отопление или химическо попълване, за разлика от батериите или кондензаторите.
    • Екологичност: FES не използва токсични или опасни материали, като олово, киселина или литий, и не отделя парникови газове или замърсители, за разлика от изкопаемите горива или ядрената енергия.
  • FES има и някои недостатъци и предизвикателства, като например:
    • Висока цена: FES все още е относително скъп в сравнение с други системи за съхранение на енергия, особено за широкомащабни приложения. Основните двигатели на разходите са материалите, производството и монтажът на маховика, двигателя/генератора, силовата електроника и лагерната система.
    • Ограничена енергийна плътност: FES може да съхранява само ограничено количество енергия на единица маса или обем в сравнение с батериите или кондензаторите. Това означава, че FES изисква повече пространство и тегло за същото количество съхранение на енергия.
    • Рискове за безопасността: FES включва високоскоростно въртене на тежки предмети, което може да представлява потенциална опасност в случай на повреда, като счупване на маховика, повреда на лагера или пожар. Следователно FES изисква правилен дизайн, защита и наблюдение, за да се осигури безопасна работа.

Видове маховици

!Високоскоростен маховик)

• Нискооборотни маховици
  • Материал и дизайн
    • Нискоскоростните маховици са маховици, които работят при скорости под 10,000 XNUMX оборота в минута (rpm).
    • Нискооборотните маховици обикновено са изработени от стомана или други метали, които имат висока якост и издръжливост.
    • Нискоскоростните маховици обикновено са цилиндрични или дисковидни, с голям диаметър и малка дебелина, за да се увеличи максимално инерционният момент и да се сведе до минимум напрежението.
  • Приложения и примери
    • Нискоскоростните маховици се използват главно за краткосрочно съхранение на енергия, като подобряване на качеството на захранването, непрекъсваемо захранване (UPS) и изравняване на натоварването.
    • Нискоскоростните маховици могат да осигурят мощност за няколко секунди до няколко минути, в зависимост от размера и скоростта на маховика.
    • Някои примери за приложения на маховик с ниска скорост са:
      • Маховик Beacon Power 20 kW, който е модулна и мащабируема система, която може да осигури регулиране на честотата и поддръжка на напрежението за мрежата.
      • Active Power CleanSource UPS, който е базиран на маховик UPS, който може да осигури резервно захранване за центрове за данни, болници и индустриални съоръжения.
      • Vycon REGEN, която е система с маховик, която може да улови и използва повторно спирачната енергия на кранове, влакове и асансьори.
• Високоскоростни маховици
  • Материал и дизайн
    • Високоскоростните маховици са маховици, които работят при скорости над 10,000 100,000 оборота в минута, до XNUMX XNUMX оборота в минута или повече.
    • Високоскоростните маховици обикновено се изработват от композитни материали, като въглеродни влакна или фибростъкло, които имат висока твърдост и ниска плътност.
    • Високоскоростните маховици обикновено са с пръстеновидна форма, с малък диаметър и голяма дебелина, за да се минимизира центробежната сила и да се увеличи максимално енергийната плътност.
  • Приложения и примери
    • Високоскоростните маховици се използват главно за дългосрочно съхранение на енергия, като интегриране на възобновяема енергия, пиково бръснене и стабилизиране на мрежата.
    • Високоскоростните маховици могат да осигурят мощност за няколко минути до няколко часа, в зависимост от размера и скоростта на маховика.
    • Някои примери за приложения на високоскоростен маховик са:
      • Маховик Amber Kinetics M32, който е 32 kWh маховик, който може да осигури четири часа разреждане при 8 kW, подходящ за слънчева и вятърна интеграция.
      • Маховик Temporal Power 2 MW, който е мащабен маховик, който може да осигури регулиране на честотата и спомагателни услуги за мрежата.
      • Маховикът Glenn на НАСА, който е 500 Wh маховик, който може да осигури мощност и контрол на отношението на космически кораби.

Сравнение с други системи за съхранение на енергия

!Сравнение на различни системи за съхранение на енергия)

• Батерии
  • Предимства и недостатъци
    • Батериите са устройства, които съхраняват и освобождават енергия като химическа енергия, използвайки електрохимични реакции между електроди и електролити.
    • Батериите имат много предимства, като например:
      • Висока енергийна плътност: Батериите могат да съхраняват голямо количество енергия на единица маса или обем в сравнение с маховици или кондензатори.
      • Нисък саморазряд: Батериите могат да запазят натрупаната енергия за дълго време, без значителни загуби, за разлика от маховиците или кондензаторите.
      • Мащабируемост: Батериите могат лесно да се свързват последователно или паралелно, за да се увеличи съответно напрежението или капацитета на системата за съхранение на енергия.
    • Батериите имат и някои недостатъци, като например:
      • Ниска ефективност: Батериите имат по-ниска ефективност на връщане от маховиците или кондензаторите поради вътрешното съпротивление и генерирането на топлина при електрохимичните реакции.
      • Кратък живот: Батериите имат ограничен жизнен цикъл и календарен живот, поради разграждането на електродите и електролитите с времето и употребата.
      • Висока поддръжка: Батериите изискват охлаждане, нагряване или химическо допълване, в зависимост от вида и състоянието на батерията, за да се осигури оптимална производителност и безопасност.
      • Проблеми с околната среда: Батериите използват токсични или опасни материали, като олово, киселина или литий, които могат да причинят замърсяване или рискове за здравето.

      Сравнение с други системи за съхранение на енергия

      !Сравнение на различни системи за съхранение на енергия)

      • Батерии
        • Предимства и недостатъци
          • Батериите са устройства, които съхраняват и освобождават енергия като химическа енергия, използвайки електрохимични реакции между електроди и електролити.
          • Батериите имат много предимства, като например:
            • Висока енергийна плътност: Батериите могат да съхраняват голямо количество енергия на единица маса или обем в сравнение с маховици или кондензатори.
            • Нисък саморазряд: Батериите могат да запазят натрупаната енергия за дълго време, без значителни загуби, за разлика от маховиците или кондензаторите.
            • Мащабируемост: Батериите могат лесно да се свързват последователно или паралелно, за да се увеличи съответно напрежението или капацитета на системата за съхранение на енергия.
          • Батериите имат и някои недостатъци, като например:
            • Ниска ефективност: Батериите имат по-ниска ефективност на връщане от маховиците или кондензаторите поради вътрешното съпротивление и генерирането на топлина при електрохимичните реакции.
            • Кратък живот: Батериите имат ограничен жизнен цикъл и календарен живот, поради разграждането на електродите и електролитите с времето и употребата.
            • Висока поддръжка: Батериите изискват охлаждане, нагряване или химическо допълване, в зависимост от вида и състоянието на батерията, за да се осигури оптимална производителност и безопасност.
            • Проблеми с околната среда: Батериите използват токсични или опасни материали, като олово, киселина или литий, които могат да причинят замърсяване или рискове за здравето
        • Използване на случаи и сценарии
          • Батериите са подходящи за приложения, които изискват висока и ниска мощност, като енергиен арбитраж, пиково бръснене и резервно захранване.
          • Батериите могат да осигуряват енергия за часове или дни, в зависимост от размера и вида на батерията.
          • Някои примери за приложения на батерии са:
            • Tesla Powerwall, която е литиево-йонна батерия, която може да съхранява излишната слънчева енергия за жилищна употреба или мрежови услуги.
            • Hornsdale Power Reserve, който е 100 MW/129 MWh литиево-йонна батерия, която може да осигури регулиране на честотата и стабилност на мрежата за Южна Австралия.
            • Vanadium Redox Flow Battery, която е течна батерия, която може да съхранява големи количества енергия за дълго време, подходяща за възобновяема интеграция и микромрежи.
      • Кондензатори
        • Предимства и недостатъци
          • Кондензаторите са устройства, които съхраняват и освобождават енергия като електрически заряд, като използват две проводими пластини, разделени от диелектричен материал.
          • Кондензаторите имат много предимства, като например:
            • Висока ефективност: Кондензаторите имат по-висока ефективност на връщане и обратно от батериите или маховиците, поради ниското съпротивление и генериране на топлина при преноса на електрически заряд.
            • Дълъг живот: Кондензаторите имат неограничен жизнен цикъл и календарен живот, тъй като не се разграждат с времето и употребата.
            • Бърза реакция: Кондензаторите могат да зареждат и разреждат енергия за микросекунди, което ги прави подходящи за приложения, които изискват висока мощност и бързо регулиране на напрежението.
          • Кондензаторите също имат някои недостатъци, като например:
            • Ниска енергийна плътност: Кондензаторите могат да съхраняват само малко количество енергия на единица маса или обем в сравнение с батериите или маховите колела.
            • Силен саморазряд: Кондензаторите могат бързо да загубят съхранената си енергия поради изтичане на електрически заряд през диелектричния материал или външната верига.
            • Цена: Кондензаторите все още са относително скъпи в сравнение с други системи за съхранение на енергия, особено за широкомащабни приложения. Основните двигатели на разходите са материалите, производството и монтажът на кондензаторните пластини и диелектричния материал.
        • Използване на случаи и сценарии
          • Кондензаторите са подходящи за приложения, които изискват ниска енергия и висока мощност, като подобряване на качеството на захранването, поддържане на преходно натоварване и ускоряване на електрически превозни средства.
          • Кондензаторите могат да осигурят захранване за милисекунди до секунди, в зависимост от размера и вида на кондензатора.
          • Някои примери за приложения на кондензатори са:
            • Maxwell Ultracapacitor, който е електростатичен кондензатор, който може да осигури захранване за хибридни автобуси, влакове и камиони, както и вятърни турбини и кранове.
            • Skeleton Technologies SkelCap, който е базиран на графен суперкондензатор, който може да осигури захранване за автомобилни, космически и индустриални приложения, както и мрежови услуги.
            • EEStor EESU, който е кондензатор на керамична основа, за който се твърди, че има по-висока енергийна плътност от литиево-йонните батерии, подходящ за електрически превозни средства и съхранение в мрежата.
      • Други системи за съхранение на кинетична енергия
        • Предимства и недостатъци
          • Други системи за съхранение на кинетична енергия са системи, които съхраняват и освобождават енергия като механична енергия, използвайки различни форми на движение, като линейно, ротационно или вибрационно.
          • Други системи за съхранение на кинетична енергия имат някои предимства, като например:
            • Висока ефективност: Други системи за съхранение на кинетична енергия могат да постигнат висока ефективност на връщане, подобно на маховика, в зависимост от типа и дизайна на системата.
            • Дълъг живот: Други системи за съхранение на кинетична енергия могат да имат дълъг цикъл на живот и календарен живот, подобно на маховика, в зависимост от типа и дизайна на системата.
            • Ниска поддръжка: Други системи за съхранение на кинетична енергия могат да имат ниски изисквания за поддръжка, подобно на маховиците, в зависимост от типа и дизайна на системата.
          • Други системи за съхранение на кинетична енергия също имат някои недостатъци, като например:
            • Ниска енергийна плътност: Други системи за съхранение на кинетична енергия могат да имат ниска енергийна плътност, подобно на маховика, в зависимост от типа и дизайна на системата.
            • Рискове за безопасността: Други системи за съхранение на кинетична енергия могат да представляват риск за безопасността, подобно на маховиците, в зависимост от типа и дизайна на системата.
            • Технически предизвикателства: Други системи за съхранение на кинетична енергия могат да бъдат изправени пред технически предизвикателства, като избор на материал, намаляване на триенето и контрол на вибрациите, в зависимост от типа и дизайна на системата.
        • Използване на случаи и сценарии
          • Други системи за съхранение на кинетична енергия са подходящи за приложения, които изискват средна енергия и средна мощност, като интегриране на възобновяема енергия, стабилизиране на мрежата и изравняване на натоварването.
          • Други системи за съхранение на кинетична енергия могат да осигурят енергия за секунди до минути, в зависимост от размера и типа на системата.
          • Някои примери за други системи за съхранение на кинетична енергия са:
            • Gravity Power Module, който е система, която използва голямо бутало и пълен с вода вал за съхраняване и освобождаване на енергия като гравитационна потенциална енергия.
            • Advanced Rail Energy Storage, което е система, която използва електрически локомотиви и железопътни линии за съхраняване и освобождаване на енергия като гравитационна потенциална енергия.
            • Маховикът на Velkess, който е система, която използва гъвкав ротор и магнитен лагер за съхраняване и освобождаване на енергия като ротационна кинетична енергия.

      Бъдещи перспективи и предизвикателства

      • Технологични иновации и разработки
        • FES е бързо развиваща се технология, която има потенциала да подобри своята производителност, цена и надеждност чрез различни технологични иновации и разработки, като например:
          • Нови материали и дизайни: FES може да се възползва от разработването на нови материали и дизайни, които могат да увеличат здравината, твърдостта и издръжливостта на маховика, както и да намалят теглото, размера и цената на системата.
          • Усъвършенствана силова електроника и системи за управление: FES може да се възползва от разработването на усъвършенствана силова електроника и системи за управление, които могат да оптимизират скоростта, посоката и потока на мощността на двигателя/генератора, както и да подобрят ефективността, стабилността и безопасността на система.
          • Хибридни и интегрирани системи: FES може да се възползва от разработването на хибридни и интегрирани системи, които могат да комбинират FES с други системи за съхранение на енергия, като батерии или кондензатори, за постигане на по-висока енергийна плътност, по-нисък саморазряд и по-добра производителност.
      • Пазарни тенденции и възможности
        • FES е разрастващ се пазар, който има възможност да разшири своите приложения, клиенти и региони чрез различни пазарни тенденции и възможности, като например:
          • Нарастващо търсене на съхранение на енергия: FES може да отговори на нарастващото търсене на съхранение на енергия, водено от растежа на възобновяемата енергия, електрическите превозни средства и интелигентните мрежи, както и необходимостта от качество на енергията, надеждност и сигурност.
          • Благоприятни политики и разпоредби: FES може да се възползва от благоприятните политики и разпоредби, които подкрепят развитието и внедряването на съхранение на енергия, като субсидии, стимули, стандарти и мандати, на местно, национално и международно ниво.
          • Конкурентни предимства и диференциация: FES може да използва своите конкурентни предимства и диференциация, като висока ефективност, дълъг живот, бърза реакция, ниска поддръжка и екологичност, за да привлече и задържи клиенти, както и да създаде и улови стойност.
      • Екологични и социални въздействия
        • FES е устойчива технология, която има потенциала да създава положителни екологични и социални въздействия, като например:
          • Намаляване на емисиите на парникови газове и зависимостта от изкопаеми горива: FES може да намали емисиите на парникови газове и зависимостта от изкопаеми горива, като позволи интегрирането на възобновяема енергия, подобряване на ефективността на електрическата мрежа и осигуряване на чиста и надеждна енергия за различни приложения.
          • Подобряване на достъпа до енергия и достъпността: FES може да подобри достъпа до енергия и достъпността, като предоставя разпределени и децентрализирани решения за съхранение на енергия, особено за отдалечени и селски райони, както и за развиващи се и нововъзникващи страни.
          • Създаване на работни места и икономически растеж: FES може да създаде работни места и икономически растеж чрез стимулиране на иновациите и развитието на индустрията за съхранение на енергия, както и чрез подпомагане на внедряването и работата на системите за съхранение на енергия.

      Заключение

      • Обобщение на основните точки
        • В този блог обсъдихме какво представлява съхранението на енергия с маховик, как работи, какви са неговите предимства и недостатъци, как се сравнява с други системи за съхранение на енергия и какви са бъдещите му перспективи и предизвикателства.
        • Научихме, че съхранението на енергия с маховик е обещаваща и иновативна технология, която може да съхранява и освобождава енергия като ротационна кинетична енергия, използвайки въртящо се устройство, наречено маховик.