Довгий час механічні накопичувачі енергії на базі маховика не знаходили широкого застосування. Цьому сприяли не дуже високі показники ефективності їх роботи. Але за останні десятиліття за рахунок впровадження нових технологій ситуація змінилася, і зараз вони знаходять все більше застосування в різних областях, в тому числі і в енергетиці.
В даний час для акумулювання енергії все ще широко використовуються різного типу електрохімічні накопичувачі, яким притаманні свої недоліки, серед яких можна виділити недовговічність. Тому дуже важливо знайти альтернативу таким накопичувачів, які відповідали б певним вимогам - це довговічність, надійність, габарити.
Одним з них може стати механічний накопичувач на базі маховика, поєднаний з електричною машиною, яка працює і як двигун, і як генератор (електромеханічний накопичувач).
Електромеханічний накопичувач енергії VYCON
Такий пристрій здатне як запасати і зберігати механічну енергію, але також і перетворювати і віддавати її в формі електричної енергії для подальшого використання. Запасається, як правило, кінетична енергія обертального руху маховика, який при заряді електромеханічного накопичувача розкручується від джерела механічної енергії. При розряді запасені механічна енергія перетворюється в електричну за допомогою електродвигуна, що працює в режимі генератора. Виходить, що електромеханічний накопичувач складається з трьох конструктивно об'єднаних частин - маховика, електродвигуна і генератора.
Перевага електромеханічних накопичувачів полягають у високій екологічності та довговічності, простоті технічного обслуговування, і самої високої питомої потужності з усіх типів акумуляторів енергії.
Пристрої механічного накопичувача поєднаного з електричною машиною, почали вивчатися з кінця 70-х років ХХ століття. За цей час з'явилися надміцні і легкі матеріали, підвищилися характеристики постійних магнітів, магнітних підшипників, електроніки. Це призводить до того, що сучасні механічні накопичувачі володіють великою енергоємністю і здатністю швидко віддавати запас енергії. Використання цих технологій дозволяє впроваджувати електромеханічні накопичувачі в різні пристрої.
Згідно з дослідженнями, проведених в Ліверморської лабораторії, сучасні електромеханічні накопичувачі енергії мають суттєву перевагу над іншими видами систем акумулювання в ефективності відновлення енергії (кВтг на розряд по відношенню кВтг на заряд). ККД в них перевищує 95%, що значно краще, ніж будь-яка свинцево-кислотна батарея. Питома величина збереженої енергії при цьому може досягати 5-10 кВт, що в кілька десятків разів вище, ніж у електрохімічних батарей.
Порівняльні характеристики ККД деяких типів накопичувачів.
Основні переваги механічних накопичувачів, які використовують в своїй конструкції маховик, можна виділити:
- - висока питома потужність;
- - висока питома щільність запасеної енергії;
- - відсутність впливу циклів заряду-розрядів на термін експлуатації, тривалий термін експлуатації махового колеса;
- - не вимагається періодичне обслуговування;
- - масштабованість;
- - низьке вплив на навколишнє середовище.
У таблиці наведені значення питомої енергосодержанія деяких сучасних накопичувачів енергії:
Як видно з таблиці, застосовуючи сучасні технології, серед яких міцні і легкі матеріали, магнітні підшипники, можна домогтися серйозних значень питомої енергосодержанія у механічний накопичувачів.
В даний час вже є комерційні застосування механічних накопичувачів енергії в космічних технологіях, в автотранспорті, в джерелах безперебійного живлення (UPS), транспорті, в системах підвищення якості електричної мережі, в системах автономного електропостачання.
Для автотранспорту механічні накопичувачі розробляються оптимізації силової установки і рекуперації енергії. Потреба в цьому назріла вже давно, але була багато в чому обмежена. З одного боку це було обмежено великими капіталовкладеннями, а з іншого - недостатнім технологічним рівнем розвитку екологічно чистих і досить ємних накопичувачів і рекуператорів енергії.
Електромеханічний накопичувач, розроблений для застосування в Формулі-1
Особливий інтерес викликає застосування електромеханічних накопичувачів для систем автономного електропостачання. Відомо, що загальною особливістю поновлюваних джерел енергії, таких як енергія вітру і сонця, є їх нестійкість за величиною і за часом. Так вітрової потік характеризується нестійкістю у напрямку і швидкості, що може привести, наприклад, до короткострокових коливань параметрів електричного струму. Те ж саме спостерігається і в сонячній енергетиці, яка пов'язана зі змінами дня і ночі, а також впливом погодних умов.
Тому має сенс накопичити енергію в період її вироблення, і потім використовувати для безперервної її подачі споживачеві, коли виробіток не здійснюється. Особливо це актуально для систем автономного електропостачання, які дозволяють забезпечити споживачів електричним струмом там, де це ускладнено звичайним способом через загальну електричну мережу.
Принцип дії такої схеми наступний. Надлишкова електроенергія подається на електродвигун, який розкручує маховик, в якому запасається енергія. Після того, як споживач відновив здатність утилізувати одержувану електроенергію, генератор перетворює енергію обертання назад в електроенергію. Якщо врахувати, що сучасні електродвигуни та генератори володіють високим ККД, а втрати при використанні сучасних технологій і матеріалів в конструкції накопичувача мінімальні, можна зробити висновок, що використання електродинамічного накопичувача в зв'язці виробник-споживач в автономних енергосистемах є перспективним рішенням.
На наступному малюнку наведена схема системи автономного електропостачання, розроблена компанією ENERCON (Німеччина), в якій в якості проміжних ланок встановлені дизель-генератор, акумуляторна батарея, а також механічний накопичувач енергії.
Схема системи автономного електропостачання від Enercon
Для поліпшення параметра електричного струму може служити система на базі контролера Distribution Static Synchronous Compensator (DSTATCOM), поєднаного з електромеханічним накопичувачем. Система дозволяє пом'якшити коливання напруги і потужності від різних енергогенеруючих систем, в тому числі і від вітроелектричних установок.
Як показано на малюнку, застосування такого пристрою в системі дозволяє поліпшити параметри електричного струму.
На наступному малюнку показаний промисловий механічний накопичувач POWERBRIDGE як 1100 кВт / 4,6 кВт компанії Piller, службовець проміжною ланкою при переході споживача великої потужності від електроживлення до дизель-генератору. Його маса дорівнює 6000 кг, швидкість обертання 1800-3600 об / хв.
Механічний накопичувач POWERBRIDGE
На наступному малюнку показаний механічний накопичувач 300 Вт, який може працювати на швидкостях до 40000об / хв. У його конструкції використовуються магнітні підшипники на надпровідниках, для чого потрібна система охолодження.
Механічний накопичувач на магнітних підшипника
Згідно з дослідженнями, проведених в Ліверморської лабораторії, сучасні електромеханічні накопичувачі енергії мають суттєву перевагу над іншими видами систем акумулювання в ефективності відновлення енергії (кВтг на розряд по відношенню кВтг на заряд). ККД в них перевищує 95%, що значно краще, ніж будь-яка свинцево-кислотна батарея. Питома величина збереженої енергії при цьому може досягати 5-10 кВт, що в кілька десятків разів вище, ніж у електрохімічних батарей.
Володіючи високою питомою потужністю, механічні накопичувачі здатні швидко передавати і запасати енергію, що сприяє їх подальшому впровадженню.