Методы хранения маховика
Маховик - это масса, вращающаяся вокруг оси, которая может накапливать энергию механически в виде кинетической энергии.
Для ускорения маховика и его вращения требуется энергия. Обычно это достигается с помощью электродвигателя при использовании в электрической системе. Как только он вращается, это фактически механическая батарея, обладающая определенным количеством энергии, которое может накапливаться в зависимости от скорости вращения и момента инерции. Чем быстрее маховик вращается, тем больше энергии он накапливает.
Эта накопленная энергия может быть восстановлена путем замедления маховика с помощью замедления крутящего момента и возврата кинетической энергии к электродвигателю, который используется в качестве генератора.
Помимо вращающегося маховика, другими основными компонентами системы хранения маховика являются подшипники ротора и силовой интерфейс.
Маховик может быть как на низкой скорости, с рабочей частотой вращения до 6000 об/мин, так и на высокой с рабочей частотой вращения до 50 000 об/мин.
Маховики с низкой частотой вращения обычно изготавливаются из стальных роторов и обычных подшипников. Обычно достигается энергия около 5 Вт/кг.
В высокоскоростных маховиках используются передовые композитные материалы для ротора с подшипниковыми узлами с очень низким коэффициентом трения.
Эти легкие и высокопрочные композитные роторы могут достигать удельной энергии 100 Вт/кг. Кроме того, такие маховики набирают скорость за считанные минуты, а не за часы, необходимые для зарядки аккумулятора.
Контейнер для высокоскоростных маховиков удаляется или заполняется гелием для снижения аэродинамических потерь и напряжения ротора.
Интерфейс питания включает в себя двигатель/генератор, преобразователь силовой электроники переменной скорости и контроллер мощности.
Двигатель/генератор, как правило, представляет собой высокоскоростную машину с постоянным магнитом, интегрированную с ротором и работающую в качестве интегрированного синхронного генератора.
В зависимости от требований применения преобразователь обычно представляет собой двунаправленный модуль с широтно-импульсной модуляцией, который может быть одно- или двухступенчатым (переменный ток в постоянный ток) или двухступенчатым (переменный в постоянный ток в переменный). Наконец, для управления переменными энергосистемы требуется регулятор мощности.
Технологии хранения новых конденсаторов
Поверхностные конденсаторы представляют собой конденсаторы с очень высокой активностью поверхности, в которых в качестве диэлектрика используется тонкий молекулярный слой электролита для разделения заряда.
Внешний вид новых конденсаторов напоминает обычный конденсатор, за исключением того, что он обладает очень высокой емкостью в маленьком корпусе.
Новые конденсаторы основаны на разделении заряда на электрическом интерфейсе, который измеряется во фракциях нанометра, по сравнению с микрометрами для большинства полимерных пленочных конденсаторов. Накопление энергии осуществляется посредством статического заряда, а не электрохимического процесса, присущего батарее.
В зависимости от технологии материалов, используемых для изготовления электродов, новые конденсаторы можно разделить на двухслойные электрохимические (ECDL) и двухслойные (псевдоконденсаторы).
Кроме того, к новой категории новых конденсаторов относятся комбинированные конденсаторы (таксономия конденсаторов).
ECDL в настоящее время являются наименее дорогостоящими в производстве и наиболее распространенным типом конденсаторов.
Конденсаторы ECDL имеют двухслойную конструкцию, состоящую из углеродных электродов, погруженных в жидкий электролит (который также содержит сепаратор). В качестве электродного материала обычно используется пористый активный уголь.
Современные технологические достижения позволили также использовать углеродные аэрогели и углеродные нанометровые трубки в качестве электродного материала. Электролит либо органический, либо водный.
Органические электролиты обычно используют ацетонитрил и допускают номинальное напряжение до 3В.
В водных электролитах используются либо кислоты, либо щелочи (H2SO4, KOH), но номинальное напряжение ограничено до 1 В. Во время зарядки находящиеся в электролите ионы перемещаются к электродам противоположной полярности из-за электрического поля между заряженными электродами, создаваемого приложенным напряжением.
Таким образом, получаются два отдельных заряженных слоя. Хотя, как и батарея, двухслойный конденсатор зависит от электростатического действия. Поскольку никакого химического воздействия не происходит, эффект легко обратим вспять с минимальной степенью разряда или перегрузки, а типичный срок службы составляет сотни тысяч циклов.
Зарегистрированный срок службы составляет более 500 000 циклов при 100% глубине сброса. Ограничительным фактором по сроку службы могут быть годы эксплуатации, заявленный срок службы которых достигает 12 лет.
Другой ограничивающий фактор - высокая скорость саморазряда конденсаторов. Этот показатель значительно выше, чем у батарей, достигающих уровня 14% от номинальной энергии в месяц.
Помимо высокой устойчивости к глубоким разрядам, отсутствие химических реакций означает, что новые конденсаторы могут быть легко заряжены и разряжены за считанные секунды, что значительно быстрее, чем аккумуляторы. Кроме того, во время разгрузки не допускается выделение тепловой энергии или вредных веществ. Энергетическая эффективность очень высока, колеблется от 85% до 98%.
По сравнению с обычными конденсаторами, новые конденсаторы имеют значительно большую площадь поверхности электродов в сочетании с гораздо более тонким электрическим слоем между электродами и электролитом.
Толщина слоя составляет всего несколько молекулярных диаметров. Эти два атрибута означают, что по сравнению с обычными конденсаторами новые конденсаторы обладают большей емкостью и, следовательно, более высокой плотностью энергии.
Сообщалось о конденсации 5000 F с новыми конденсаторами и плотностью энергии до 5 Wh/kg по сравнению с 0,5 Wh/kg обычных конденсаторов. Способность конденсаторов выдерживать ток также очень высока, так как прямо пропорциональна площади поверхности электродов.
Таким образом, плотность мощности новые конденсаторов чрезвычайно высока и достигает таких значений, как 10 000 Вт/кг, что на несколько порядков больше, чем плотность мощности, получаемой от батарей. Однако, из-за низкой плотности энергии, этот высокий уровень мощности будет доступен только в течение очень короткого времени.
В тех случаях, когда новые конденсаторы используются для обеспечения электроэнергией в течение длительного периода времени, это стоит значительного дополнительного веса и объема системы из-за их низкой плотности энергии.
Стоимость, которая, по оценкам, составляет около 20 000 долл. США/кВтч, значительно выше по сравнению с такими хорошо зарекомендовавшими себя технологиями хранения, как свинцово-кислотные батареи. Поэтому резкое снижение затрат должно быть достигнуто, особенно в углеродных, электролитных и сепараторных областях.
В настоящее время высокая аккумулирующая способность новых конденсаторов в сочетании с быстрыми циклами разрядки делают их идеальными для использования во временных накопителях энергии для сбора и хранения энергии от рекуперативного торможения и для обеспечения заряда компрессора в ответ на неожиданные потребности в энергии.
Одновременно новые конденсаторы могут обеспечить эффективное кратковременное пиковое увеличение мощности и краткосрочное резервное копирование пиковой мощности для ИБП. Комбинируя конденсатор с батарейной системой ИБП, срок службы батарей может быть увеличен за счет разделения нагрузки между батареей и конденсатором.
Батареи обеспечивают питание только при длительных перерывах в работе, снижая пиковую нагрузку на батарею и позволяя использовать меньшие по размеру батареи.