Lendkerekes energiatárolás szupravezetős csapággyal

Kohári Zalán, PhD: Lendkerekes energiatárolás szupravezetős csapággyal 100 éves a szupravezetés, MTA MTO, 2011. nov. 10.

Lendkerekes energiatárolás Lendkerekes energiatárolás szupravezetős csapággyalszupravezetős csapággyal

Dr. Kohári Zalán, adjunktusBudapest Műszaki és Gazdaságtudományi EgyetemVillamos Energetika Tanszék Supertech Laboratórium

Száz éves a szupravezetés

Az MTA Műszaki Tudományok Osztályának tudományos ülése

Röviden a technológiáról:Röviden a technológiáról: mozgó (forgó) alkatrészben tárolja az energiátmozgó (forgó) alkatrészben tárolja az energiát

Lendkerekes energiatárolásLendkerekes energiatárolás

2

2

1kinETárolt energia:

Előnyök:Előnyök: Nagy teljesítmény sűrűségNagy teljesítmény sűrűséggel rendelkezikgel rendelkezik Hosszú élettartam (>150 000 ciklus, >20 év)Hosszú élettartam (>150 000 ciklus, >20 év) Nincs kapacitás csökkenés Nincs kapacitás csökkenés az élettartam soránaz élettartam során Az élettartama független a kisütések időtartamátólAz élettartama független a kisütések időtartamától A töltöttsége könnyen és pontosan megállapíthatóA töltöttsége könnyen és pontosan megállapítható Időjárástól független, környezeti hatásokra érzéketlenIdőjárástól független, környezeti hatásokra érzéketlen Alacsony környezeti terhelésAlacsony környezeti terhelést jelentt jelent

Hátrányok:Hátrányok: Jelentős önkisülésJelentős önkisülés Rendszerszinten alacsony energiasűrűségRendszerszinten alacsony energiasűrűség BonyolultBonyolult

A korszerű, szupravezetős csapágyazású lendkerekes energiatárolók nagyon komplex műszaki eszközök. Tervezésük sok mérnöki terület együttes és mélyreható ismeretét igényli.

Főbb területek:Főbb területek: szilárdságtan (lendkerék tervezése) rotor dinamika (dinamikus mozgások és veszteségek) vákuumtechnika (légsúrlódás csökkentésére) alacsony hőmérsékletű technika (-180 ˚C alatti hőmérsékletek

előállítása és fenntartása) szupravezetők fizikája (lebegtetőerők, csillapítás meghatározása) villamos gépek tervezése (energia‑átalakító) villamos hajtások tervezése (hálózati kapcsolat, motor és generátor

üzem) áramlástan (légsúrlódási veszteségek folytonos közegben és

szabad molekulafolyamban)


Alkalmazási területek:Alkalmazási területek: Rövid idejű energiatárolás

Dinamikus UPS (Jellemzően 10-60 s) Primer szabályozás (legalább 15 perc) Menetrend tartás (szél- és naperőművek)

Energiamenedzsment (órák, fejlesztés alatt) Meddőteljesítmény kompenzáció (minimális tárolt energia

szükséges) Terhelés kiegyenlítés (maximális teljesítmény helyett elegendő

átlagteljesítményt lekötni) Visszatáplált fékenergia tárolása vasúti vontatásban Egyes tudósok a gyűrű alakú részecskegyorsítókat is

lendkeréknek tekintikNagy ciklusszám igény esetén (pl. primer szabályozás, űreszközök

energiaellátása) nincs jobban megfelelő energiatárolási mód!


Alkalmazási területek:Alkalmazási területek: Hibrid rendszerek

A lendkerék a nagyobb frekvenciás változásokat egyenlíti ki (>10 mHz)

A másodlagos energiatároló a tárolt energia nagy mennyiségéről gondoskodik (pl. akkumulátor, szivattyús tározó)

Az energiarendszerben az erőművek gradiense növelhető lendkerekes rendszerrel történő kiegészítéssel (Beacon Power Smart FW rendszer <4s alatt 100 % teljesítményre fut fel)

Elsősorban az energiarendszerben alkalmazhatók előnyösen, de

Hibrid járművekben is reális alternatívaként tartják számon CVT-vel ultrakapacitások vagy akkumulátorok helyett főüzemi energiatárolóként (NEDC, ACDC alapján)*


*Reed T. Doucette, Malcolm D. McCulloch: A comparison of high-speed flywheels, batteries, and ultracapacitors on the bases of cost and fuel economy as the energy storage system in a fuel cell based hybrid electric vehicle, Journal of Power Sources 196 (2011) 1163–1170

Kereskedelmi forgalomban kapható legnagyobb, sorozat-Kereskedelmi forgalomban kapható legnagyobb, sorozat-gyártott rendszer (mágneses+hagyományos csapágy):gyártott rendszer (mágneses+hagyományos csapágy):


Beacon Power Corporation

Beacon Smart 25 FW :Beacon Smart 25 FW : 25 kWh/100 kW25 kWh/100 kW 15 perc névleges kisütési idő15 perc névleges kisütési idő Élettartam >125 000 ciklus, 20 évÉlettartam >125 000 ciklus, 20 év Szénszál és üvegszálkeverékből készített forgórészSzénszál és üvegszálkeverékből készített forgórész 75-90 % energia hatásfok75-90 % energia hatásfok 16 000/perc névleges fordulatszám16 000/perc névleges fordulatszám 1010-3-3 mbar vákuum mbar vákuum 4 tonna forgó tömeg4 tonna forgó tömeg 20 MW frekvenciaszabályozó üzem (Stephentown, 20 MW frekvenciaszabályozó üzem (Stephentown,

NY, USA) 2011 júliusNY, USA) 2011 július


Beacon Power Corporation

20 MW frekvenciaszabályozó üzem (Stephentown, NY, USA) 2011 július20 MW frekvenciaszabályozó üzem (Stephentown, NY, USA) 2011 július

Röviden a technológiáról:Röviden a technológiáról: Mágneses erőhatások hozzák létre a lebegtetőerőt A fluxus „állandóság” miatt jön létre stabil lebegés (ideális

vezető fluxusa állandó)

Előnyök:Előnyök: Rendkívül alacsony veszteségek (0,1 %/óra, 10-6 ekvivalens

súrlódási együttható)

Hátrányok:Hátrányok: Rendkívül alacsony üzemi hőmérséklet (<=77K) Kis csillapítás (rezgésekre hajlamos) Kis erősűrűség (10-15 N/cm2) Kiforratlan technológia

Szupravezetős csapágyazásSzupravezetős csapágyazás

Axiális fluxusú:


Radiális fluxusú:


Szupravezetők rézbe ágyazva (állórész)

Kontrapoláris állandómágnes gyűrűk

ferromágneses szendvicsben

(forgórész)

Radiális fluxusú:


Szupravezetők rézbe ágyazva (állórész)

Kontrapoláris állandómágnes gyűrűk

ferromágneses szendvicsben

(forgórész)

Lendkerekes energiatárolásLendkerekes energiatárolásLegjelentősebb fejlesztési eredmények szupravezetős Legjelentősebb fejlesztési eredmények szupravezetős csapággyal:csapággyal:

Dynastore 2 MW/10 kWh (18 s) Kapcsolt reluktancia motor/generátor 12 000/perc névleges fordulatszám 554 kg forgórész tömeg, 1,28 m külső átmérő 55-65 K közötti üzemi szupravezető hőmérséklet

Dynastore:



Boeing 5 kWh/3 kW (6000 s) Állandómágneses motor/generátor 22 550/perc névleges fordulatszám 132 kg forgórész tömeg 360 W hűtőgép felvett teljesítmény 18 W hűtőteljesítmény (77 K)

Lendkerekes energiatárolásLendkerekes energiatárolásBoeing:

Lendkerekes energiatárolásLendkerekes energiatárolásBoeing 3kW/5kWh SFES teljesítmény adatok:

M Strasik, J R Hull, et al.: An overview of Boeing flywheel energy storage systems with high-temperature superconducting bearings,

Supercond. Sci. Technol. 23 (2010) 034021 (5pp)


ATZ/Magnet Motor 5 kWh/250 kW (72 s) Állandómágneses motor/generátor 70 K üzemi szupravezető hőmérséklet 1,8 kW hűtőgép teljesítmény felvétel 40 W hűtőteljesítmény 70 K-en (GM) 600 kg forgórész 2000 kg forgórész fejlesztés alatt

Lendkerekes energiatárolásLendkerekes energiatárolásATZ/MM:

Szupravezetős csapágyak mérése és szimulációja:Szupravezetős csapágyak mérése és szimulációja: Veszteségek meghatározása kifutási mérések alapjánVeszteségek meghatározása kifutási mérések alapján Dinamikus szimuláció a viselkedés ellenőrzéséreDinamikus szimuláció a viselkedés ellenőrzésére Analitikus és végeselemes modellek alapján méretezés és Analitikus és végeselemes modellek alapján méretezés és

ellenőrző számításokellenőrző számítások

Kutatási eredmények a BME VET-enKutatási eredmények a BME VET-en

Hengerszimmetrikus szupravezetős csapágy fluxusképe:

Veszteségforrások:Veszteségforrások: hiszterézis veszteség hiszterézis veszteség ~~ωω örvényáramú veszteség örvényáramú veszteség ~~ωω22

a mágneses szimmetriatengely keringésétől függetlena mágneses szimmetriatengely keringésétől független inhomogenitásokinhomogenitások

a mágneses szimmetriatengely keringésétől függőa mágneses szimmetriatengely keringésétől függő az állórész és forgórész mágneses szimmetriatengelyeinek távolságával az állórész és forgórész mágneses szimmetriatengelyeinek távolságával

(h) arányosan növekednek, azaz a szupravezetőre és a benne lévő (h) arányosan növekednek, azaz a szupravezetőre és a benne lévő fluxusszálakra ható erővel arányosakfluxusszálakra ható erővel arányosak

Légsúrlódási veszteségekLégsúrlódási veszteségek Lamináris, turbulens (folytonos közeg)Lamináris, turbulens (folytonos közeg) Szabad molekulafolyam (nagyvákuum)Szabad molekulafolyam (nagyvákuum)

Veszteségek számításaVeszteségek számítása

Kifutás levegőben

Kifutási mérések vákuumban és Kifutási mérések vákuumban és levegőnlevegőn

Kifutási mérés eredménye levegőn:

Egyszerű elrendezésekre (h<<D) a 3 változós modell Egyszerű elrendezésekre (h<<D) a 3 változós modell (Laval modell) alapján a dinamika leírható:(Laval modell) alapján a dinamika leírható:

Dinamikus jelenségek vizsgálataDinamikus jelenségek vizsgálata

Kis elmozdulások esetén a stabilizáló erő lineárisan nő

A mágneses szimmetriatengely mozgása a kritikus fordulatszám felett és alatt, 0,1 mm excentricitás esetén

Levegőn végzett kifutási mérés és szimulációja

Szupravezetős csapágy dinamikus Szupravezetős csapágy dinamikus szimulációjaszimulációja

Levegőn végzett kifutási mérés és dinamikus szimulációja

Szupravezetős csapágy dinamikus Szupravezetős csapágy dinamikus szimulációjaszimulációja

Vákuumban végzett kifutási mérés és szimulációja

Lendkerekes energiatároló mérése Lendkerekes energiatároló mérése vákuumbanvákuumban

Teljesen tanszéki fejlesztésű kompakt Teljesen tanszéki fejlesztésű kompakt energiatárolóenergiatároló

• 50 kJ/3,5 kW (14 s)

• Állandómágneses motor/generátor

• Vasmentes állórész

• Axiális fluxusú csapágy

• 12 kg forgó tömeg

• 15 000/perc névleges fordulatszám

• A VILLAMOS GÉP MAGA A LENDKERÉK!

Kéttárcsás, állandómágneses forgórészKéttárcsás, állandómágneses forgórész Vasmentes, koncentrikus, nem átlapolt tekercsekkel készített állórészVasmentes, koncentrikus, nem átlapolt tekercsekkel készített állórész

Teljesen tanszéki fejlesztésű kompakt Teljesen tanszéki fejlesztésű kompakt energiatárolóenergiatároló

Vákuumban végzett kifutási mérés és szimulációja

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

0 300 600 900 1200 1500 1800

idő [s]

nyo

más

[m

bar

]

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

0 300 600 900 1200 1500 1800

idő [s]

ford

ula

tszá

m [

1/m

in]

-0.035

-0.033

-0.031

-0.029

-0.027

-0.025

-0.023

-0.021

-0.019

-0.017

-0.015

135 140 145 150 155 160 165 170

szögsebesség [rad/s]

szö

gg

yo

rsu

lás

[ra

d/s

2]

dw(t)/dt mért dw(t)/dt modell

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

135 140 145 150 155 160 165 170

szögsebesség [rad/s]

vesz

tesé

g [

W]

légsúrlódás örvényáram hiszterézis összesen

Lendkerekes energiatároló mérése Lendkerekes energiatároló mérése vákuumbanvákuumban

Fordulatszám [1/min] 1 500 1 500 15 000 15 000

Nyomás [mbar] 0.1 0.001 0.1 0.001

Légsúrlódási veszteség [W] 0.06 0.001 6.045 0.060

Örvényáramú veszteség [W] 0.12 0.12 12.02 12.02

Hiszterézis veszteség [W] 0.046 0.046 0.462 0.462

Összes veszteség [W] 0.23 0.17 18.53 12.54

0,066 % 0,049 % 0,529 % 0,358 %

350 W 350 W 3500 W 3500 W

Mérési eredményekMérési eredmények

Köszönöm megtisztelő Köszönöm megtisztelő figyelmüket!figyelmüket!

Documents

Lendkerekes energiatárolás szupravezetős csapággyal