Kinetyczny magazyn energii

Co się dzieje

Wirnik na pionowym wale obraca się w komorze próżniowej na łożyskach magnetycznych; znajdujący się pod nim silnik-generator jest połączony przez przekształtnik z szyną. Szyna zasila obciążenie 30 kW z impulsami 200 kW, a przyłącze sieciowe daje najwyżej 50 kW. Czego nie może dać sieć, to daje wirnik: zwalnia, a jego energia J·ω²/2 trafia do szyny ze sprawnością 96 %; między impulsami sieć znów go rozpędza. Przekształtnik pracuje w zakresie od 300 do 1000 rad/s, jego moment jest ograniczony do 400 N·m, a moc do 250 kW, więc przy małej prędkości może oddać tylko η·T·ω.

Stalowa tarcza o momencie bezwładności 20 kg·m² przy 1000 rad/s gromadzi 2,78 kWh, z czego 91 % powyżej 300 rad/s. Impuls trwający 20 s obniża jej prędkość do 802 rad/s: wirnik oddaje do szyny 3,60 MJ, a niepokryte pozostaje tylko 4,5 kJ zapotrzebowania, zanim moment maszyny nadąży za zadanym. Lekka tarcza o momencie bezwładności 10 kg·m² wyczerpuje się w trakcie impulsu trwającego 40 s: schodzi do 300 rad/s i niepokryte pozostaje 2,84 MJ. W próżni godzina czuwania kosztuje 1,02 MJ – od 1000 do 948 rad/s; w powietrzu straty wentylacyjne obniżają prędkość wirnika do 348 rad/s. Ładowana i rozładowywana mocą 100 kW stalowa tarcza oddaje 91,7 % energii.

Model: jeden sztywny wirnik, J·dω/dt = T − b·ω − c·ω², z oporem łożysk i stratami wentylacyjnymi; moment maszyny nadąża za zadaniem przekształtnika z opóźnieniem 20 ms, a sprawność działa po stronie elektrycznej; RK4 z krokiem 1/120 s. Bez naprężeń w wirniku i bez innych strat w łożyskach niż ten opór.

Co wypróbować

Obserwuj następny impuls: sieć daje swoje 50 kW, a koło zamachowe resztę. Wybierz lekką tarczę i wydłużaj impuls, aż lampki zmienią kolor na czerwony; potem wpuść powietrze do komory i zwiększ skalę czasu.