Co rozumiemy pod pojęciem „koło zamachowe”? Otóż jest to element charakteryzujący się dużym momentem bezwładności, który wirując wokół własnej osi jest w stanie zmagazynować nawet znaczne ilości energii kinetycznej. Po raz pierwszy bezwładność obracającego się elementu w celu podtrzymania ruchu wykorzystano już w epoce neolitu, a później np. w konstrukcji kół garncarskich. Koła zamachowe w klasycznym tego słowa znaczeniu stosowano także w silnikach parowych, a obecnie jest to jeden z podstawowych elementów konstrukcji czterosuwowych silników spalinowych, w których pełni rolę magazynu energii wytworzonej podczas suwu pracy niezbędnej do wykonania suwów pomocniczych.
Wróćmy jednak do zastosowania idei koła zamachowego w systemach zasilania awaryjnego i gwarantowanego. Pierwszym przykładem zastosowania dużej bezwładności w celu zmagazynowania energii niezbędnej do szybkiego uruchomienia silnika spalinowego były konstrukcje tak zwanych zespołów prądotwórczych z krótkotrwałym i zerowym czasem przełączania.
Rozwiązanie to przedstawia poniższy schemat blokowy:
W normalnym stanie pracy zespołu prądotwórczego z krótkotrwałym czasem przełączania z sieci elektroenergetycznej prócz odbiorów końcowych (przełącznik A zamknięty) zasilany jest także silnik synchroniczny (5), który napędza prądnicę (4) i koło zamachowe (3) – sprzęgło elektromagnetyczne (2) jest rozłączone (prądnica synchroniczna pracuje na biegu jałowym). W momencie zaniku napięcia na szynach rozdzielnicy, następuje zamknięcie sprzęgła, a energia kinetyczna zgromadzona w kole zamachowym o dużej bezwładności powoduje szybki rozruch silnika spalinowego, który z kolei przejmuje napęd prądnicy synchronicznej. Na końcu zamknięty zostaje przełącznik oznaczony jako B (przy czym A zostaje otwarty) i odbiory zasilane są z zespołu prądotwórczego. W przypadku rozwiązań z tak zwanym zerowym czasem przełączania, odbiory stale zasilane są za pośrednictwem prądnicy synchronicznej, w związku z czym w tej wersji silnik synchroniczny jest maszyną o większej mocy (gdyż nie pracuje już tylko na pokrycie strat mechanicznych prądnicy i koła zamachowego).
Omówione powyżej rozwiązania przyczyniły się do powstania tak zwanych UPS’ów dynamicznych, które również korzystają z idei kół zamachowych, jednak są to już bardziej skomplikowane zasobniki energii, a silnik i prądnica synchroniczna zamienione zostały na jedną maszynę elektryczną, pełniącą również rolę kompensatora synchronicznego (poprawa współczynnika mocy).
Podczas normalnej pracy, gdy parametry sieci zasilającej znajdują się w granicach tolerancji, maszyna elektryczna typu silnik/prądnica napędza elektromechaniczny zasobnik energii o specjalnej konstrukcji (wyposażony np. w dwa „rotory”, zewnętrzny, wiruje z prędkością 3000 obr./min., natomiast wewnętrzny z prędkością 1500 obr./min.). W przypadku zaniku napięcia zmagazynowana energia kinetyczna zamieniana jest na energię mechaniczną w celu napędzenia prądnicy do momentu przejęcia tej funkcji przez silnik spalinowy (a nie jak wcześniej przede wszystkim do przeprowadzenia procedury rozruchowej).
Rozwój elektroniki spowodował, że wspomniane elektromechaniczne zasobniki energii oparte na zasadzie działania koła zamachowego nie muszą już być instalowane jedynie na wspólnym wale (połączenie mechaniczne) z innymi urządzeniami np. zespołu prądotwórczego – mogą natomiast stanowić samodzielną asynchroniczną maszynę elektryczną (także, z wałem wirnika umieszczonym w pionie), połączoną z innymi urządzeniami elektrycznie za pomocą dwukierunkowych przetwornic częstotliwości, co umożliwia uzyskanie dłuższych czasów potrzymania zasilania i wyższą kontrolę częstotliwości podczas rozładowania zasobnika.
Odseparowanie elektromechanicznego zasobnika energii stworzyło możliwość zastosowania tego typu urządzeń jako zamiennik klasycznej baterii akumulatorów podłączanej do magistrali prądu stałego powszechnie znanych zasilaczy UPS.
Obecnie na rynku można spotkać wiele konstrukcji tego typu urządzeń – od najprostszych charakteryzujących się prędkością wirowania równą 3600 obr./min. (stalowy wirnik pozycjonowany jest za pomocą łożysk kulkowych), poprzez zasobniki wirujące z prędkością 4500 i 7700 obr./min. (łożyska kulkowe wspierane są przez tak zwaną poduszkę magnetyczną), aż po rozwiązania wysokoobrotowe (36000 bądź 50000 obr./min., wirnik wykonany z kompozytów, pięcioosiowe aktywne łożyska magnetyczne).
Kolejny artykuł poświęcony będzie porównaniu eksploatacji klasycznej baterii akumulatorów i zasobnika elektromechanicznego.
Dla zainteresowanych:
- „Flywheel Energy Storage An alternative to batteries for uninterruptible power supply systems”, Federal Technology Alert, DOE/EE-0286, 09/2003
- B. Bolund, H. Bernhoff, M. Leijon „Flywheel energy and power storage systems”, Renewable & Sustainable Energy Reviews, 07/2005
I like it
Panie Wiktorze świetny cykl artykułów. Chyba tutaj jak na razie najlepszy od zawsze. Przeczytałem i czekam na następne odcinki. Pozdrawiam!
Ja oczywiście popieram. Jak uda się zrezygnować z tradycyjnych akumulatorów i zastąpić to czymś co nie będzie się „rozpadało” przez kolejne dwa stulecia to bardzo dobre rozwiązanie.
trata tata
skoro to jest takie cudenko, to dlaczego jest to zjawisko niszowe?? i to bardzo niszowe??
mimo, że Wiktor otwarcie pisze, że to raczej znane od lat rozwiązanie? hmm?
niemniej popieram Znowuja – bardzo ciekawy cykl
Zgrywus, to pewnie tak jak z jakimikolwiek odnawialnymi źródłami energii, są ośrodki, którym nie zależy na wprowadzaniu nowych, tańszych, efektywniejszych rozwiązań.
I to pewnie w jakiejś mierze oczywiście odpowiedź na Twoje pytanie.
Panowie dziękuję za przychylne opinie:) Generalnie tak, jest to niszowe rozwiązanie, ale jest w tym pewna logika. Technologia produkcji akumulatorów jest opanowana całkiem dobrze to raz, więc jest spora konkurencja – szansa na niskie ceny. Rozwiązania z elektromechanicznymi zasobnikami skierowane są raczej dla obiektów o dużych potrzebach mocowych – tam akumulatorów byłoby dużo i wtedy ta „nowa” technologia ma więcej zalet (mniejsza powierzchnia, łatwość obsługi, cena/jakość, inwestycja/eksploatacja). A poza tym, ludzie przekonani są do pewnych standardów i jakoś nie wszysy potrafią „otworzyć” się na coś „innego” – różnie swoje stanowisko tłumacząc. Jednoznacznie wypada mi w tym momencie zaznaczyć, że akumulatory nie są złe, ale w przypadku niektórych aplikacji np. właśnie elektromechaniczne zasobniki energii wydają się być bardziej optymalnym rozwiązaniem. Nie wiem czy wiecie, taki „flywheel” w celu rekuperacji energii zastosowało Porsche w jednej ze swoich torowych 911′tek.
Wiktor bardzo cenna uwaga, ważne jest ażeby w całym procesie projektowania data center gadżet nie przysłonił celu.
) osiągnięcia sukcesu.
Podstawową wytyczną powinno być dostosowanie technologi do potrzeb, a nie dominacja formy nad treścią.
Tym bardziej bardzo dziękuję za ten cykl gdyż nie da się ukryć „promocji zasobników”, ale ostatni komentarz pokazuje klasę autora. De facto niewielu apologetów potrafi stwierdzić – nie dajmy się zwariować.
Jasne określenie celu, oraz metod jego osiągnięcia jest podstawą (jeszcze nie gwarancją
Celem jaki sobie obrałem przystępując do tego cyklu jest przedstawienie zagadnień dotyczących co prawda jedynie fragmentu infrastruktury obiektu typu Data Center nie mniej jednak fragmentu bardzo ważnego jakim jest zasilanie awaryjne i gwarantowane. Nie ukrywam, że jest to mi temat bardzo bliski, ale z chęcią dzielę się z Państwem tym co wiem. Tak jak nie ma 100% pewności działania urządzeń technicznych, tak samo nie ma jednego rozwiązania nadającego się do wszystkich aplikacji. Ale jeśli o czymś nie wiemy, to jak mamy dokonać najwłaściwszego wyboru? Jeśli uda mi się dzięki tym publikacjom zwrócić komuś uwagę na coś o czym nie wiedział albo wytłumaczyć coś czego nie rozumiał to w ten sposób osiągnę swój cel – satysfakcję. Nie jestem pewien, czy o tego typu rozwiązaniach należy myśleć w kategorii „gadżetu” – wiele różnych aplikacji na świecie potwierdziło – że jest to nic innego jak funkcjonalne urządzenie czy też element większej całości. Może w jednej z kolejnych odsłon cyklu zamieszczę filmiki, które można znaleźć w internecie – a które pokazują istniejące aplikacje w dużych obiektach Data Center. Natomiast jeśli chodzi o baterie akumulatorów – to tak jak zaznaczyłem we wcześniejszym komentarzu – to nie jest zły magazyn energii – ale wymagający, a niestety nie wszyscy o tym wiedzą – a już na pewno nie mówią. Dlatego pewne kwestie poruszyłem i jeszcze poruszę (w kolejnym artykule już ostatnim poświęconym zasobnikom – bynajmniej do czasu gdy będę wiedział więcej na temat innych technologii) po to byście Państwo o nich wiedzieli – a czy ta wiedza do czegoś się przyda to sami Państwo ocenią. Pozdrawiam.
Wiktor, jeszcze raz podkreślam, iż przygotowany przez Ciebie cykl artykułów jest niezwykle interesujący i inspirujący.
Używając sformułowania „gadżet” nie miałem w zamiarze deprecjonowania opisywanego przez Ciebie rozwiązania (widzę bardzo wyraźne możliwości jego zastosowania w wielu przedsięwzięciach, niekoniecznie obarczonych nazwą data center).
„Gadżet” to miała być metafora odnosząca się do użytego przez Ciebie sformułowania dotyczącego optymalizacji – i to miałem na myśli, więc dostosujmy rozwiązanie do potrzeb, a nie do naszej wyobraźni, przyjemności i pazerności.
Raz jeszcze dziękuję za cykl