Schwungradspeicher

Was passiert

Ein Rotor auf einer senkrechten Welle dreht sich in einem Vakuumbehälter auf Magnetlagern; ein Motor-Generator darunter ist über einen Umrichter mit einer Sammelschiene verbunden. Die Sammelschiene speist eine Last von 30 kW mit Pulsen von 200 kW, und der Netzanschluss liefert höchstens 50 kW. Was das Netz nicht liefern kann, liefert der Rotor: Er wird langsamer, und seine Energie J·ω²/2 gelangt mit 96 % Wirkungsgrad auf die Sammelschiene; zwischen den Pulsen beschleunigt ihn das Netz wieder. Der Umrichter arbeitet zwischen 300 und 1000 rad/s, sein Drehmoment ist auf 400 N·m und seine Leistung auf 250 kW begrenzt, sodass er bei kleiner Winkelgeschwindigkeit nur η·T·ω abgeben kann.

Eine Stahlscheibe mit 20 kg·m² speichert bei 1000 rad/s 2,78 kWh, davon 91 % oberhalb von 300 rad/s. Ein Puls von 20 s bremst sie auf 802 rad/s ab: Der Rotor gibt 3,60 MJ an die Sammelschiene ab, und nur 4,5 kJ des Lastbedarfs bleiben ungedeckt, solange das Drehmoment der Maschine noch nachzieht. Der leichten Scheibe mit 10 kg·m² geht bei einem Puls von 40 s die Energie aus: Sie erreicht 300 rad/s, und 2,84 MJ bleiben ungedeckt. Im Vakuum kostet eine Stunde Bereitschaft 1,02 MJ, von 1000 auf 948 rad/s; an Luft bremst die Luftreibung den Rotor in dieser Stunde bis auf 348 rad/s ab. Mit 100 kW geladen und entladen, gibt die Stahlscheibe 91,7 % der Energie zurück.

Modell: ein einziger starrer Rotor, J·dω/dt = T − b·ω − c·ω², mit Lagerreibung und Luftreibung; das Drehmoment der Maschine folgt dem Sollwert des Umrichters mit einer Verzögerung von 20 ms, und der Wirkungsgrad wirkt auf der elektrischen Seite; RK4 mit der Schrittweite 1/120 s. Keine mechanischen Spannungen im Rotor, keine Lagerverluste außer der Lagerreibung.

Zum Ausprobieren

Beobachten Sie den nächsten Puls: Das Netz liefert seine 50 kW, das Schwungrad den Rest. Wählen Sie die leichte Scheibe und verlängern Sie den Puls, bis Lampen rot werden; lassen Sie dann Luft in den Behälter und erhöhen Sie den Zeitfaktor.