Накопители энергии

УПРУГОСТНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ НАКОПИТЕЛИ ЭНЕРГИИ

Пружинные накопители. Наиболее распространенный тип механизмов с МН, предназначенных для различных технических и бытовых устройств, содержит МН со спиральной пружиной. Пружинный МН обычно применяется в механиз­мах совместно с зубчатым редуктором и балансиром-регулятором, поддер­живающим постоянную частоту вращения вала редуктора в режиме разряда МН. Принципиальная схема простого пружинного МН показана на рис. 4-2, а. Выполненная из плоской стальной ленты пружина при изготовлении закаливается и затем подвергается заневоливанию (эта технологическая операция состоит в наворачивании пружины на вал и выдерживании в закручен­ном состоянии в течение 100 ч для стабилизации упругих свойств). В механизме другая стальная лента работает на изгиб, ближайшие к валу витки спирали Напряжены сильнее, чем периферийные, которые накапливают' относительно Мало потенциальной энергии. Для более равномерного распределения запаса Механической энергии и улучшения использования упругих свойств пружины Целесообразно придавать ей двоякоизогнутую S-образную форму (рис. 4.2, б).

Повышение удельной энергии пружинных МН достигается приданием их другой ленте желобчатого профиля. Такая лента испытывает при навивке

Рис. 4.2. Пружинные накопители: а—схема НЭ со спиральной пружиной (1—пружина, 2—корпус; 3—вал, 4—редуктор); 6—пружина S-образной формы; в—совмещенная компоновка пружинного НЭ и гидравли­ческого устройства (1—винтовая пружина, 2—корпус, 3—поршень, 4 — вентиль, 5—гид­ромашина)

Изгибную деформацию в продольном и поперечном направлениях. Пружины со спиралью S-образнон формы из желобчатой ленты обеспечивают постоян­ство вращающего момента на валу редуктора при разряде НЭ [4.2]. КПД пружинных МН в зарядно-разрядном цикле превышает 0,9. Удельная энергия этих МН сравнительно невелика: для единицы объема материала пружины (стали) Wyдо»1600 кДж/м3, для единицы массы ее материала fFya«0,21 кДж/кг. Применительно к МН в целом удельная энергия получается меньше, чем непосредственно для пружины. Пружинные МН энергетически эффективны при малых мощностях на валу. С увеличением мощности существенно возрастает относительная доля объема и массы редуктора и регулятора в устройстве МН.

На рис. 4.2, в показана принципиальная схема МН, содержащего винтовую цилиндрическую пружину и гидравлическое устройство. При подобной ком­поновке МН удельные показатели WyД0 и И7,.,, получаются несколько лучше, чем у собственно пружинных устройств. Гндромашина (рис. 4.2, в) работает в обратимых режимах: при заряде МН — как компрессор для закачивания масла и сжатия пружины, при разряде — как гидромотор, вращающийся за счет использования запасенной энергии. Удельную энергию винтовой пружины можно существенно увеличить, если снизить массу пружины, выполнив ее из тонкостенной трубки. В проволочной пружине средние слои

Материала

Работают на кручение и практически бесполезны для накопления упругой энергии. Однако технологически изготовить трубчатые пружины сложнее, чем проволочные [4.2].

Газобаллонные накопители. Наибольшие деформации с изменением объема под действием внешнего давления допускают газообразные вещества. При нцнпнальная схема устройства газобаллонного МН приведена на рис. 4.3, В режиме заряда газ закачивается в баллон компрессором.

Крупномасштабные

Установки запасают в сжатом газе большую энергию. Отличительная черта газобаллонных МН—возможность длительного хранения энергии. При заряДе

НЭ газ существенно нагревается, ио в режиме хранения остывает до температуры окружающей среды, теряя около 30—40% запасенной энергии [4.2]. Недостаток рассматриваемых МН состоит в относительно низком КПД: с учетом КПД компрессора ^,«0,25-^0,3 эффективный КПД заряда

В режиме разряда отбор энергии от газобаллонного МН производится, например, с помощью пневмотурбины. При разряде максимальное значение работы, совершаемой газом при расширении, достигается в изотермическом процессе с уменьшением давления от pi до р2. Соответствующая удельная работа составляет:

В расчете на 1 кг массы газа, Дж/кг, [4.2, 4.5]

W^RT^-^-l)-, Рг Р

В расчете на 1 м3 объема баллона, Дж/м3,

Wya <,=/>, (ta^-^-1), (4.5)

Рг Pi

Чричем R = Ry/i—газовая постоянная [см. (4.3)].

Если принять в рассматриваемой установке, например, /^ = 10® Па, Р2=Ю5Па, то по (4.5) 1¥уя0к6 ■ 108 Дж/м3 = 600 кДж/л. В действительности вз-за сравнительной кратковременности процесс разряда МН близок к ади­абатическому расширению, при котором значение 1¥уло< в частности для ^вУхатомных газов, получается приблизительно в 2 раза меньше, чем для Вз°термического процесса. Кроме того, высокие давления р^ обусловливают °Пережающее повышение массы стальных баллонов. Поэтому в установках Чанного типа целесообразны pi <:300 • 105 Па с учетом потерь прн дрос - Селир0ванин газа до давления впуска его в расширительную пневмомашину (тУрбину). Обычно КПД такой турбины г]т<0,3. Рациональная верхняя граница ^Щностн газовых устройств Рх 102 кВт. Подобные МН применяются,

245

Например, в рудничных воздуховозах, перемещающих по рельсам составы массой до 100 т. При общей емкости баллонов 2 мэ и давлении 22,5 МПа длина пробега после однократной заправки составляет 5—6 км.

Один из путей повышения эффективности использования рассматриваемых НЭ состоит в увеличении КПД данных установок посредством применения газобаллонных накопителей, совмещенных с гидравлическим устройством (рис 4.3, б). В режиме заряда обратимая гидромашина 5 работает как насос (от внешнего привода) и нагнетает в баллон 2 масло 4, с помощью которого сжимается газ 1, отделенный от масла свободным поршнем или мембраной 3. Последняя предпочтительна в установках с относительно малыми перепадами давления, так как упрощается конструкция уплотнений. При разряде потен­циальная энергия сжатого газа преобразуется в кинетическую энергию роторной гидромашиной, работающей как двигатель. Резервуар б служит для сбора масла. Возрастание КПД в устройстве обусловливают следующие факторы: меньшая степень расширения газа, чем в газовых МН; снижение тепловыделе­ния при расширении газа; высокий КПД собственно масляной объемной гидросистемы, в том числе гидромашины [4.2].

Гидрогазовые системы имеют преимущественное применение на практике (в мощных промышленных прессах, стартерных устройствах транспортных средств, рекуператорах энергии торможения и др. установках).

В целях уменьшения массы баллонов для сжатого газа их рекомендуется изготавливать из высокопрочных легких композиционных материалов на основе различных волокон (например, графитовых, стеклянных, полимерных) с эпоксид­ным связующим. Рациональна сферическая форма баллона, обладающая наименьшей площадью поверхности при заданном объеме (изопериметрическое свойство). Срок службы НЭ повышается при использовании нейтральных газов, из которых наименьшую стоимость имеет, азот (реже применяют гелий или аргон).

Перспективный способ повышения КПД газовых МН — их совместное использование с накопителями тепловой энергии (НТЭ). Тепловые аккуму­ляторы запасают энергию[1] в нагреваемом выше точки плавления рабочем теле (соединении металла), размещенном в термостатированном резервуаре. Накопленная за счет теплоемкости и фазового перехода энергия [4.6]

W=cM(T2—Ti) + Wnjl,

Где с, М—удельная теплоемкость и масса вещества; Т1, Т2 — начальная и конечная температура при заряде НТЭ; Wml— теплота плавления. При разряде НТЭ охлаждение рабочего тела сопровождается его обратным фазовым переходом в твердое состояние с выделением тепла, которое подводится к газобаллонному МН.

Как известно, при расширении в режиме разряда баллона газ сильно охлаждается и теряет значительную часть запасенной энергни. Поступают^ 0т НТЭ тепло компенсирует уменьшение запаса энергии н обусловливает возрастание КПД установки. Приведем удельные значения И/уд0=И//К, выделя­емой при охлаждении перспективных для практического применения расплав - денных веществ, работающих в диапазоне температур Т= 7204-1800 К. Соедине­ниям Li (фтористому литию LiF и гидриду лития LiH) соответствуют показатели ^^0 = 4,23 • 103 кДж/л и fVya0 = 11,36 ■ 103 кДж/л; для оксида алюми­ния значение = 7,13 ■ 103 кДж/л (для сравнения укажем теплоту сгорания керосина в кислороде fVyaO^7-l03 кДж/л) [4.5].

Существуют проекты крупномасштабного применения газовых МН в эле­ктроэнергетических системах для снятия пиков потребления. Главная часть установки — подземная полость (резервуар) для запасания сжатого атмосфер­ного воздуха с помощью агрегата обратимой пневмомашины с синхронной электрической машиной, работающей в режиме двигателя (при заряде) или генератора (при разряде НЭ) [1.1, 4.2].