Новая конструкция маховика может позволить отказаться от силового преобразователя для подключения к сети

Исследовательская группа создала прототип маховика с фиксированной скоростью вращения, в котором используется тросовый механизм для перемещения грузов внутрь и наружу во время разрядки и зарядки. Система на короткое время подавала энергию в электросеть, но постоянные потери не позволили полностью разрядить электрическую энергию.

По часовой стрелке слева направо: экспериментальная установка, маховик в открытом состоянии и маховик в закрытом состоянии

Исследовательская группа из Токийского научного университета в Японии разработала и протестировала прототип системы хранения энергии на основе маховика с фиксированной скоростью вращения (FESS). Маховики накапливают энергию в виде вращательного движения и подходят для кратковременных применений, требующих быстрой зарядки и разрядки, например для регулирования частоты в сети. В обычных системах для изменения скорости вращения маховика и обмена электроэнергией с сетью используется силовой электронный преобразователь. В предлагаемой системе вместо изменения скорости вращения маховика перемещаются грузы внутри него, что потенциально позволяет отказаться от преобразователя и снизить затраты.

«Главная инновация заключается в разработке и экспериментальной оценке механизма маховика, который позволяет заряжать и разряжать аккумулятор за счет активного изменения момента инерции при сохранении примерно постоянной скорости вращения», — рассказал автор исследования Рёга Сугата. «Насколько нам известно, экспериментальные исследования таких механизмов, особенно тех, которые намеренно снижают момент инерции для извлечения накопленной энергии вращения, ограничены».

Исследователь добавил, что его команда разработала эту конструкцию, чтобы устранить потери в ранее созданных механизмах на основе лебедки и шарико-винтовой передачи. «В будущем мы планируем добавить в синхронные конденсаторы возможность управляемого накопления активной мощности. Наша долгосрочная цель — выяснить, может ли синхронный конденсатор сочетать в себе обычную реактивную мощность и инерционную поддержку с быстрым и управляемым обменом активной мощностью, который обеспечивает маховик с переменной инерцией», — добавил он.

Чтобы проверить эту концепцию, исследователи создали прототип с использованием модифицированного центробежного тормоза в качестве маховика и двух грузов весом 0,856 кг, прикрепленных к поворотным рычагам. Они добавили тросы, шкивы, катушки, шестерни, электромагнитную муфту и тормоз для управления положением грузов. Вал соединял маховик с трехфазной асинхронной машиной мощностью 0,75 кВт, которая выполняла функции двигателя и генератора.

Команда протестировала зарядку и разрядку при синхронной скорости вращения 400, 450 и 500 об/мин с использованием рекуперативного источника питания с регулируемой частотой, при этом напряжение и частота оставались неизменными на протяжении всех испытаний. Для зарядки они отпускали муфту, позволяя центробежной силе выталкивать грузы наружу. Для разрядки они активировали тормоз, чтобы привести в движение механизм намотки и втянуть грузы внутрь.

Они измерили напряжение, силу тока, крутящий момент на валу, скорость вращения, а также напряжение на муфте и тормозе и рассчитали электрическую и механическую мощность и энергию. Затем они сравнили результаты с теоретическими значениями, вычтя постоянную потребляемую мощность, чтобы выделить энергию, связанную с перемещением грузов. При анализе не учитывалась энергия, потребляемая муфтой, тормозом и схемой управления.

«Самым неожиданным открытием стало то, что эффективность зарядки и разрядки менялась по-разному в зависимости от увеличения скорости вращения», — сказал Сугата. «В диапазоне от 400 до 500 оборотов в минуту эффективность зарядки немного снижалась, а эффективность разрядки повышалась». Например, после вычитания постоянной механической мощности эффективность механической зарядки снизилась примерно с 51 % до 49 %, в то время как эффективность механической разрядки повысилась примерно с 40 % до 53 %».

По словам ученого, команда объяснила эту разницу тем, что у этих двух процессов разные характеристики потерь. Во время зарядки потери на трение увеличиваются с ростом центробежной силы, что снижает эффективность более высоких скоростей. Во время разрядки основные потери увеличиваются медленнее, чем доступная накопленная энергия, что снижает их относительное влияние. По словам исследователей, для повышения эффективности необходимо изучить конкретные механизмы потерь при выполнении обеих операций.

Согласно полученным результатам, при 500 оборотах в минуту теоретическая емкость накопителя составила 36,61 Дж. После вычета постоянной мощности потребления прототип потреблял 84,1 Дж во время зарядки и отдавал 16,4 Дж, что соответствует электрическому КПД 43,3 % и 45,1 % соответственно.

«Мы продемонстрировали подачу электроэнергии в сеть без силового электронного интерфейса для преобразования частоты, хотя постоянные потери все же не позволили полностью разрядить накопитель», — добавил Сугата. «В ходе дальнейших исследований мы планируем усовершенствовать механическую конструкцию, чтобы уменьшить трение и потери, связанные с работой сцепления и тормозов. Мы также планируем заменить асинхронную машину на синхронную и оценить влияние этого решения на электрические потери, а также на эффективность зарядки и разрядки».

акб challenger купить https://invertory.ru/category/akkumuljatory-challenger/