フライホイール (運動) エネルギー貯蔵デバイスの配置と動作の仕組み

FESとはFlywheel Energy Storageの略で、フライホイールを使ったエネルギー貯蔵を意味します。これは、巨大なホイールが高速で回転するにつれて、機械エネルギーが運動の形で蓄積および保存されることを意味します。

このようにして蓄積された機械エネルギーは、後で電気に変換することができ、そのためにフライホイール システムは、モーター モードと発電機モードの両方で動作できる可逆電気機械と組み合わされます。

エネルギーを貯蔵する必要がある場合、電気機械はモーターとして機能し、外部ソースから電気エネルギーを消費しながら必要な角速度までフライホイールを回転させます。つまり、電気エネルギーを機械 (運動) エネルギーに変換します。蓄積されたエネルギーを負荷に転送する必要がある場合、電気機械は発電機モードになり、フライホイールが減速するにつれて機械エネルギーが放出されます。

フライホイールをベースとした最先端のエネルギー貯蔵システムは、かなり高い電力密度を備えており、従来のエネルギー貯蔵システムと競合することができます。

この点で、回転体が高強度のグラフェンリボンでできているスーパーフライホイールをベースにしたキネティックバッテリーの設置が特に有望であると考えられています。このような蓄電装置は、質量 1 キログラムあたり最大 1200 W * h (4.4 MJ!) のエネルギーを蓄えることができます。

スーパー フライホイールの分野における最近の発展により、開発者はモノリシック ドライブを使用するという考えを放棄し、危険性の低いベルト システムを採用することがすでに可能になっています。

実際のところ、モノリシックシステムは緊急破裂の場合に危険であり、蓄積できるエネルギーも少なくなる可能性があります。テープは破断しても大きな破片にはならず、部分的に破断するだけです。この場合、ベルトの別個の部品がハウジングの内面にこすれてフライホイールを止め、フライホイールのさらなる破壊を防ぎます。

巻きテープまたは干渉干渉ファイバーで作られたスーパー フライホイールの高い比エネルギー強度は、多くの要因によって実現されます。

まず、フライホイールは真空中で動作するため、空気に比べて摩擦が大幅に減少します。このため、ハウジング内の真空は、真空生成および維持システムによって常に維持される必要があります。

第二に、システムは回転体のバランスを自動的にとることができなければなりません。振動とジャイロ振動を軽減するために特別な技術的措置が講じられています。つまり、フライホイール システムは設計の観点から非常に要求が厳しいため、その開発は複雑なエンジニアリング プロセスとなります。

ベアリングとしてはより適しているようです 磁性（超電導を含む）サスペンション…しかし、エンジニアは、大量のエネルギーを必要とするため、サスペンションでの低温超電導体の使用を断念せざるを得ませんでした。セラミック本体を備えたハイブリッド転がり軸受は、中程度の回転速度に非常に優れています。高速フライホイールに関しては、サスペンションに高温超電導体を使用することが経済的に受け入れられ、非常に経済的であることがわかっています。

FES 蓄電システムの主な利点の 1 つは、比エネルギー強度が高いため、耐用年数が 25 年に達する比較的長いことです ちなみに、グラフェン ストリップをベースにしたフライホイール システムの効率は 95% に達します。さらに、充電速度にも注目してください。もちろん、これは電気設備のパラメータによって異なります。

たとえば、地下鉄のフライホイールにあるエネルギー回生装置は、列車の加減速中に動作し、15 秒で充電および放電します。フライホイール蓄電システムの高効率を達成するには、公称充電時間と放電時間は 1 時間を超えてはいけないと考えられています。

FES システムの適用範囲は非常に広いです。これらはさまざまな昇降装置で問題なく使用でき、積み降ろし時に最大 90% のエネルギーを節約します。これらのシステムは、電気輸送用バッテリーの急速充電、送電網、無停電電源装置、ハイブリッド車などの周波数と電力の安定化に効果的に使用できます。

このように、フライホイールストレージシステムには注目すべき機能があります。したがって、高密度の材料が使用されると、公称回転速度が低下するため、記憶装置の比消費電力が減少します。

低密度の材料を使用すると、速度の増加により消費電力が増加しますが、これにより真空、サポート、シールの要件が増加し、電気コンバータがより複雑になります。

スーパーフライホイールに最適な素材は、高張力スチールベルトやケブラー、カーボンファイバーなどの繊維素材です。上で述べたように、最も有望な材料は依然としてグラフェンテープです。これは、許容できる強度と密度のパラメーターだけでなく、主に破壊時の安全性が理由です。

破損の可能性は、高速フライホイール システムにとって大きな障害となります。層状に丸めて接着された複合材料はすぐに崩壊し、最初は小径のフィラメントに剥離し、瞬時に互いに絡み合って減速し、次に輝く粉末になります。船体に損傷を与えずに（事故の際に）破壊を制御することは、エンジニアの主な任務の 1 つです。

破壊エネルギーの放出は、フライホイールが破損した場合にエネルギーを吸収する、カプセル化された流体またはゲル状の内部ケーシングのライニングによって軽減できます。

爆発から身を守る方法の 1 つは、事故の際に弾丸の速さで飛んでくる破片を阻止するためにフライホイールを地下に設置することです。ただし、破片が地上から上方へ飛散し、船体だけでなく隣接する建物も破壊する場合があります。

最後に、プロセスの物理現象を見てみましょう。回転体の運動エネルギーは次の式で求められます。

ここで、I は回転体の慣性モーメントです。

角速度は次のように表すことができます。

たとえば、連続シリンダーの場合、慣性モーメントは次のようになります。

この場合、周波数 f による固体円柱の運動エネルギーは次のようになります。

ここで、f は周波数 (回転数/秒)、r は半径 (メートル)、m は質量 (キログラム) です。

理解するために大まかな例を見てみましょう。 3 kW のボイラーは 200 秒で水を沸騰させます。質量10kg、半径0.5mの連続円筒形フライホイールは、停止中に水を沸騰させるのに十分なエネルギーが得られるように、どのくらいの速度で回転しなければなりませんか?発電機/コンバーター (任意の速度で動作可能) の効率を 60% とします。

答え。やかんを沸騰させるのに必要なエネルギーの総量は、200 * 3000 = 600,000 J です。効率を考慮すると、600,000 / 0.6 = 1,000,000 J となります。上記の式を適用すると、1 秒あたり 201.3 回転という値が得られます。

以下も参照してください。電力産業向けの運動エネルギー貯蔵装置

エネルギーを貯蔵するもう一つの現代的な方法: 超電導磁気エネルギー貯蔵システム (SMES)