Lendkerék energiatárolás - mechanikai energia tárolása , amelyben az energia egy forgó lendkerék vagy annak ígéretes kialakítása - szuperlendítő mozgási energiája formájában halmozódik fel és tárolódik , és mechanikai forgási energia formájában szabadul fel . Így az energiafajta átalakítása nélkül is megmarad, ami az energiatároló eszközöknél alapvető követelmény [1] .
Gyakran a lendkerekes energiatároló eszközt olyan eszközökkel kombinálják, amelyek átalakítják az energia típusát - hidraulikus, pneumatikus, elektromos gépek, amelyek energiatároló rendszert alkotnak . A legelterjedtebb az elektromos megfordítható gépekkel ( motor - generátor ) működő energiatároló rendszerek alkalmazása. A lendkerekes energiatároló feltöltéséhez az elektromos gép motor üzemmódban működik, külső forrásból elektromos energiát fogyaszt és gyorsítja a lendkereket (szuper lendkerék), kisütéskor pedig már generátor üzemmódban működik, elektromos energiát szabadítva fel. , miközben lassítja a lendkerék (szuper lendkerék) [2] .
A szuper lendkeréken alapuló lendkerekes energiatároló eszköz az egyik legmagasabb teljesítmény/tömeg arányú a meglévő energiatároló eszközök közül. Ha pedig modern, nagy szilárdságú anyagokat használunk, például grafénszalagokat („papírokat”) [3] , ez az összes meghajtó közül a legmagasabb fajlagos energiaindex.
A modern lendkerekes energiatároló eszközök általában fejlett szuperlendereken alapulnak. Egyre ritkábbak a lendkerekes energiatároló eszközök "klasszikus" monolit lendkerekei - túl kevés fajlagos energiát halmoznak fel , és rendkívül veszélyesek vészhelyzeti megsemmisülés (szakadás) esetén.
A szuperlendkerék egy nagy fajlagos energiaintenzitású lendkerék, amelyet nagy egytengelyű szilárdságú anyagok - huzalok, szalagok, szálak - kötőanyaggal (ragasztás) elasztikus középpontjára történő interferencia illesztéssel készítenek. A szuperlengőkereket nem levegőben, hanem csökkentett forgásállóságú környezetben, például vákuumban működtetik. A szuperlengőkerekeknek három fő típusa van - szalag és szál, sokkal ritkábban - huzal. Vékony, nagy szilárdságú tárcsákból készült kompozit "lamelláris" szuperlendereket is fejlesztenek.
A hűtésre fordított jelentős energiafelhasználás az alacsony hőmérsékletű szupravezetők elhagyásához vezetett a lendkerekes energiatároló rendszerek mágneses csapágyaiban való használathoz . A közepes sebességű szuperlendőkhöz a legalkalmasabbak a kerámiatestű hibrid gördülőcsapágyak .
A nagy sebességű forradalmi testeknél, például a grafénszalagból készült szuperlendőknél azonban a magas hőmérsékletű szupravezető csapágyak alkalmazása gazdaságilag indokolt lehet, és esetleg növelheti az energiamegtakarítást.
A lendkerekek és a lendkerekes tárolóeszközök szuperlendkerekeinek fizikai tulajdonságai közel állnak egymáshoz és itt találhatók - Lendkerék - Fizika
Más energiatárolási módokhoz képest a lendkerekes energiatároló rendszerek élettartama hosszú, jellemzően több mint 20-25 év.
Az alkalmazott forgástestek magas fajlagos energiája, figyelembe véve a biztonsági tényezőket - 2,5 W*h/kg-tól monolit lendkerekeknél 1200 W*h/kg-ig fejlett grafén szuperlendőknél és nagy maximális kimeneti teljesítmény. A készülék hatásfoka elérheti a 95%-ot. A lendkerekes energiatároló eszközök töltési/kisütési sebessége a hozzájuk csatlakoztatott gépek teljesítményétől függ. Az elektromos vasúti közlekedés (például földalatti) energia-visszanyerése céljából a töltési/kisütési idő a villamos vonat fékezéséhez/gyorsításához kapcsolódik, és átlagosan körülbelül 15 másodperc.
A lendkerekes energiatároló eszközök fajlagos energiaintenzitását (lásd energiaintenzitás ) általában két mutató adja meg - tömeg J / kg vagy W * h / kg és térfogati J / m 3 és W * h / m 3 .
Az anyag fő tulajdonsága a nagy szilárdság . Ebben az esetben, ha az anyag nagy sűrűségű, akkor a fajlagos tömeg energiaintenzitása csökken, de a lendkerék (szuperlengő) forgási frekvenciája jelentősen csökken. Az anyag alacsony sűrűsége esetén ez az energiaintenzitás növekszik, de a forgási sebesség jelentős növekedésének rovására, ami a lendkerék energiatároló és a kapcsolódó gépek - energiaátalakítók - támasztékainak és tömítéseinek jelentős bonyolítását igényli. Ez vonatkozik mind a lendkerék (szuperlengőkerék) forgáscsapágyaira és a teljesítményleadó rendszerekre, mind a lendkerék (superlengőkerék) forgókamrájában lévő vákuumszintre.
A monolit lendkerekekhez általában hőkezeléssel ellátott közepes széntartalmú acélokat használnak (edzés kellően mély megeresztéssel a ridegség megelőzése érdekében), mint például a 40X, 40XH és hasonlók. De az ilyen acélok korlátozott edzhetősége miatt a nagy lendkerekek gyártása technológiailag nehéz. Voltak kísérletek olyan martenzites acélok alkalmazására is, amelyek ellenállnak a nagy igénybevételeknek. Az ilyen anyagok azonban rendkívül drágák és gazdaságilag nem életképesek.
A szuperlendőkhöz mind a nagyszilárdságú acélokat szalagok ( KEST ) és huzalok formájában ( Amber Kinetics kísérletek ), mind a nagy szilárdságú rostos anyagokat (Kevlár, üvegszál, szénszál stb.) használják majd. A szuperlendők gyártásának ígéretes anyaga a grafénszalag. A grafén szalag előnye a szénszálhoz képest, hogy biztonságosan megtörheti a forradalom testét, hasonlóan a nagy szilárdságú acélszalagból készült szuper lendkerekekhez.
A lendkerekek (szuperlendők) kialakításának egyik fő korlátja a forgástest anyagának szakítószilárdsága. Általában minél erősebb a lendkerék (szuperlengőkerék), annál gyorsabban forog, és annál több energiát tud tárolni a rendszer.
A monolit lendkerekek nagy darabokra (általában három darabra) szakadnak, mindegyik hatalmas mozgási energiával, nagy pusztítást okozva. Az anyag szakítószilárdságának túllépése miatti tönkremenetel mellett a lendkerék megrepedhet rejtett hibákból, hajszálakból, héjakból stb.
Amikor egy kompozit szuperlendkerék szakítószilárdságát túllépik, a forgástest összeomlik, és egyszerre felszabadítja az összes tárolt energiát; ezt általában "lendkerék-robbanásnak" nevezik, mivel a kerék töredékei elérhetik a golyóéhoz hasonló mozgási energiát. A rétegesen feltekercselt és ragasztott kompozit anyagok gyorsan szétesnek, először kis átmérőjű szálakká, amelyek összefonódnak és lassítják egymást, majd forró porrá.
A szíjas szuperlendők szakadása szigorúan ellenőrzött módon történik, a test belső felületéhez súrlódó szalag külső vékony tekercseinek letörésével és a szuperlendítő fő tömegének forgásának lelassításával. Ilyenkor még a vékony test és a teljes energiatároló rendszer sem sérül.
A hagyományos lendkerekes rendszerek (superlenderek, a szalagosok kivételével) erős védőburkolatot vagy erős gyűrű alakú betéteket igényelnek, amelyek jelentősen megnövelik az eszköz teljes tömegét. A repedésből származó energia felszabadulása mérsékelhető zselésített vagy kapszulázott folyékony belső hajótest béléssel, amely elnyeli a törés energiáját.
A lendkerekes nagyméretű energiatároló rendszerek sok vásárlója azonban úgy dönt, hogy beágyazza azokat a földbe, hogy megakadályozza, hogy a leszakadt lendkerék (szuperlengőkerék) töredékei behatoljanak a hajótestbe. De ez nem mindig segít. Ismeretesek olyan esetek, amikor a földbe temetett testből származó töredékek felső kijárata a betonburkolat és a közeli épületek megsemmisülésével járt.
Az energiatárolás hatásfoka lendkerekes (szuper lendkerék) rendszerekben a gördülőcsapágyak helyes megválasztása , a vákuumszint és a kellően rövid (lehetőleg egy óra alatti) töltési-kisütési ciklusok mellett meglehetősen magas, akár 95%-ot is elérhet .
Nem indokoltak azok a kísérletek, amelyek a Föld forgása okozta giroszkópos terhelésekből eredő jelentős veszteségeket tulajdonítják – ezek a giroszkópos terhelések elhanyagolhatóak. Például egy szuper lendkerék, amelynek forgási frekvenciája (ω 1 ) - 1500 s -1 , tehetetlenségi nyomatéka (I) - 8 kg * m 2 a Föld forgási frekvenciáján (ω 2 ) - körülbelül 7,3 * 10 -5 s −1 giroszkópos momentumprecesszió a forgástengelyek legkedvezőtlenebb helyzetében egyenlő M= I* ω 1* ω 2 = 8*1500*7,3*10 −5 = 0,8 N*m. Ez elhanyagolható mértékű nyomaték, ami semmilyen módon nem befolyásolhatja sem a forgási ellenállást, sem a csapágyak tartósságát.
A járművek fordulásaiból adódó giroszkópos terhelések sokkal nagyobb hatást gyakorolnak majd, ha lendkerekes energiatárolókat szerelnek fel rájuk, de ezeket hatékonyan csökkentik a rugalmas-csillapító felfüggesztési rendszerek is .
A nagy hatásfokú lendkerekes (szuperlengőkerekes) energiatároló rendszerek a nagy ciklikus mozgású vasúti járművek fékezési energiájának visszanyerésére használhatók , például metrószerelvényeken és elektromos vonatokon. Az energiamegtakarítás ezekben az esetekben elérheti az 50%-ot vagy még többet is.
Ezenkívül ezek a rendszerek sikeresen használhatók darukon , felvonókon és egyéb emelőeszközökön. Ugyanakkor a lendkerekes (szuper lendkerék) energiatároló rendszerrel felszerelt emelőberendezések energiafogyasztásának növekedése elérheti a 90% -ot vagy még többet is (például olyan konténerhajó kirakodásakor, amelynek rakománya a kirakodási zóna felett található).
Ezek a rendszerek sikerrel alkalmazhatók elektromos járművek akkumulátorainak gyors töltésére , frekvencia- és teljesítménystabilizálásra elektromos hálózatokban [4] , szünetmentes tápegységekben, járművek hibrid telepítésében stb.