سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی چرخشی: اصول و کاربردها

معرفی سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی چرخشی

امروزه سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی چرخشی به‌عنوان یک منبع کارآمد برای انواع کاربردهای چالش‌برانگیز، فراتر از باتری‌های شیمیایی، مورد توجه قرار گرفته‌اند.

چرخ‌دنده‌ها، از قدیمی‌ترین ماشین‌آلاتی هستند که بشر در طول تاریخ از آن‌ها بهره‌برده است. این سیستم‌ها برای ذخیره‌سازی انرژی از نیروی جنبشی و دوران استفاده می‌شوند. استفاده از آن‌ها به‌عنوان ابزاری کاربردی، به دوران نوسنگی برمی‌گردد، زمانی که برای ساخت ابزارهایی مانند دوک، چرخ سفالگری و سنگ‌های تیزکننده به کار می‌رفتند. در حال حاضر، سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی چرخشی به منابع اصلی تأمین انرژی در کاربردهای متنوع و دشوار تبدیل شده‌اند.

عملکرد سیستم ذخیره‌سازی انرژی چرخشی

یک سیستم ذخیره‌سازی چرخشی، انرژی را به‌صورت مکانیکی و در قالب انرژی جنبشی ذخیره می‌کند. این انرژی با چرخاندن یک جرم در سرعت‌های بالا ایجاد می‌شود. ورودی‌های الکتریکی، روتور چرخ‌دنده را به حرکت درآورده و آن را در حال دوران نگه می‌دارند تا زمانی که انرژی ذخیره‌شده مورد نیاز باشد. مقدار انرژی قابل دسترسی و مدت زمان آن به جرم و سرعت دوران چرخ‌دنده بستگی دارد.

در یک چرخ‌دنده در حال چرخش، انرژی جنبشی تابعی از سرعت چرخش و مومنتوم اینرسی است. مومنتوم اینرسی به جرم و قطر چرخ‌دنده مرتبط می‌شود. از این رو، انرژی جنبشی یک چرخ‌دنده با سرعت بالا، بهره‌وری از اصول فیزیکی را به نمایش می‌گذارد؛ به‌طوری که با افزایش سرعت دوران چرخ‌دنده، مقدار انرژی ذخیره‌شده به شکل نمایی افزایش می‌یابد.

انرژی جنبشی، انرژی حرکت است که به‌صورت مقدار کاری که یک جسم می‌تواند بر اساس حرکت خود انجام دهد، تعریف می‌شود و با فرمول زیر محاسبه می‌گردد: انرژی جنبشی = ۱/2mv²

اجزای یک چرخ‌دنده با سرعت بالا

اجزای اصلی یک چرخ‌دنده شامل موتور/ژنراتور دائم‌المغناطیسی با سرعت بالا، یاتاقان‌های مغناطیسی کاملاً فعال و ساختار مونتاژ روتور است.

1. موتور/ژنراتور دائم‌المغناطیسی با سرعت بالا: این موتور از مغناطیس‌های نادر پیشرفته‌ای بهره می‌برد که حرارت روتور را کاهش داده و کارایی و قابلیت اطمینان آن را افزایش می‌دهد. این طراحی به سیستم‌های چرخ‌دنده اجازه می‌دهد تا با سرعت بالا و بدون نگرانی از افزایش دما عمل کنند، که برای کاربردهای چالش‌برانگیز با نیازهای طول عمر بالا بسیار مناسب است. مجموعه روتور چرخ‌دنده در یک فضای وکیوم که توسط یک پمپ وکیوم خارجی فراهم شده، کار می‌کند. با حذف هوا از ناحیه چرخان موتور، اتلاف انرژی به حداقل می‌رسد و کارایی الکتریکی افزایش می‌یابد.
2. جرم فولادی: درونی‌ترین بخش چرخ‌دنده از جرم فولادی تشکیل شده است. فولاد به‌عنوان ماده‌ای شناخته‌شده و مورد تأیید، خطرات تکنولوژیکی ناشی از مواد دیگر مانند کامپوزیت‌ها را که می‌توانند تراکم انرژی بیشتری داشته باشند، کاهش می‌دهد. این امر خطراتی نظیر نوسانات دما و کشش که می‌تواند منجر به بارهای نامتعادل و کاهش کارایی شود، را به همراه ندارد.
3. عملکرد بدون تماس: سیستم یاتاقان مغناطیسی/شناور به موتور امکان می‌دهد که روتور را در سرعت‌های بسیار بالا بدون تماس فیزیکی با اجزای ثابت بچرخاند و بهینه‌سازی کارایی و عمر محصول را به همراه داشته باشد. یاتاقان‌های مغناطیسی تقریباً نیاز به تعمیر و نگهداری را از بین می‌برند؛ چرا که هیچ نقطه تماسی در داخل چرخ‌دنده وجود ندارد و نیازی به تعویض یا استفاده از روان‌کننده‌ها نیست.
4. ماژول تبدیل انرژی: یک ماژول کنترل‌کننده تبدیل انرژی داخلی، کارایی بالا و حداکثر قابلیت اطمینان را در طول عمر کاری چرخ‌دنده با ابزارهای خودتشخیصی ارائه می‌دهد که می‌توانند به‌طور پیشگیرانه از خرابی‌ها جلوگیری کنند. برای هر نوع کاربرد، محدودیت‌های سرعت چرخش چرخ‌دنده می‌توانند بر اساس درخواست‌ها و شرایط خاص تنظیم شوند.
5. صفحه نمایش لحظه‌ای: این نمایشگر به کاربران اطلاعات دقیقی درباره وضعیت چرخ‌دنده ارائه می‌دهد که شامل پارامترهای حیاتی مانند سرعت روتور، ظرفیت شارژ، تاریخچه رویداد تخلیه و تنظیمات ولتاژ قابل تنظیم است. همچنین، قابلیت‌های نظارت و کنترل بیشتر از طریق یک رابط سریالی، تماس‌های وضعیت هشدار، پیش‌شارژ نرم‌افزاری از بوس DC و خاموش‌کننده دکمه‌ای در دسترس می‌باشد.

کاربردهای اصلی سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی چرخشی

بسیاری از کاربردها از سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی چرخشی بهره‌برداری می‌کنند که از جمله آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

مرکز داده

طبیعت انرژی‌بر مرکز داده، آن‌ها را به گزینه‌های مناسبی برای راهکارهای انرژی مؤثر و پایدار تبدیل کرده است. قابلیت اطمینان، کارایی، مسائل خنک‌کننده، محدودیت‌های فضایی و موضوعات زیست‌محیطی، از عوامل کلیدی برای پیاده‌سازی سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی چرخشی محسوب می‌شوند. چرخ‌دنده‌ها هنگامی که با واحدهای UPS سه‌فاز مرکز داده ترکیب شوند، توان پشتیبان فوری و مقرون به‌صرفه‌ای را ارائه می‌دهند.

در زمان اختلال در تأمین برق، چرخ‌دنده‌ها انرژی پشتیبان را به‌طور فوری تأمین می‌کنند. زمانی که از چرخ‌دنده‌ها به‌جای باتری‌ها در سیستم‌های UPS استفاده می‌شود، آن‌ها محافظتی مطمئن در برابر افت ولتاژ و قطع‌های کوتاه و آسیب‌رسان فراهم می‌آورند. در زمان اختلالات و قطعی‌های برق، چرخ‌دنده انرژی لازم برای حفظ بار را تأمین کرده و زمان کافی برای روشن شدن ژنراتور اضطراری و پذیرش بار را ایجاد می‌کند. در این زمان، چرخ‌دنده دوباره به سرعت به حالت کامل شارژ برمی‌گردد تا آماده رویداد بعدی شود. یکی از عوامل اصلی ناتوانی UPS در تأمین بار، خرابی باتری است. عمر باتری تحت تأثیر تعداد چرخه‌ها، دما و نگهداری قرار دارد. با ترکیب چرخ‌دنده‌ها به همراه باتری‌ها، می‌توان زمان کار باتری را افزایش داد و تعداد تخلیه‌های سالیانه باتری را کاهش داد که در نهایت موجب افزایش دوام باتری می‌شود.

تشخیص‌های پزشکی

انواع مختلف تجهیزات تصویربرداری پزشکی، نظیر دستگاه‌های سی‌تی و ام‌آرآی، می‌توانند از سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی چرخشی بهره‌برداری کنند. افت ولتاژ، افزایش‌ها و قطع‌های ناگهانی برق می‌تواند تأثیرات جدی بر روی تجهیزات ام‌آرآی به‌جا بگذارد. گاهی اوقات، تأمین برق برای عملیات ام‌آرآی و سی‌تی در بیمارستان‌ها به‌طور مداوم وجود ندارد و نوسانات ولتاژی می‌تواند به سیستم‌های خنک‌کنندگی آسیب برساند و سبب قطع ناگهانی دستگاه ام‌آرآی گردد.

چرخ‌دنده‌های انرژی و سیستم‌های UPS سه‌فاز

چرخ‌دنده‌ها (Flywheels) که با سیستم‌های UPS سه‌فاز هماهنگ شده‌اند، قدرتی پاک و قابل‌اعتماد را به اتاق‌های تصویربرداری ارائه می‌دهند. در مواقعی که برق دچار قطع می‌شود یا زمانی که برق ورودی از خدمات عمومی کیفیت مناسبی ندارد، UPS می‌تواند با استفاده از چرخ‌دنده‌ها، قدرتی نرم و با کیفیت بالا تولید کند. به علاوه، در شرایطی که بالاترین درجه اعتمادپذیری توان انرژی ضروری است، فضای فیزیکی نیز معمولاً یک نگرانی به شمار می‌آید. خوشبختانه، چرخ‌دنده‌ها با اشغال فضای کمی و بدون نیاز به سیستم خنک‌کننده اختصاصی، این امکان را برای استفاده در اتاق رادیولوژی فراهم می‌آورند. در مقابل، یک UPS با مجموعه‌ای از باتری‌ها معمولاً نیاز به فضای بزرگ‌تری برای تهویه و خنک‌سازی دارد.

میکروگریدهای تجدیدپذیر

میکروگریدها که در مکان‌های دورافتاده نظیر جزایر به کار گرفته می‌شوند، در صورت استفاده از ژنراتورهای دیزلی با هزینه‌های سوختی بالایی مواجه می‌شوند. برای کاهش وابستگی به این ژنراتورها، معمولاً از سیستم‌های پانل خورشیدی فتوولتائیک بهره‌برداری می‌شود. این سیستم‌ها می‌توانند اقدام به صرفه‌جویی در هزینه‌ها کنند و قدرتی پاک‌تر و کم‌صدا در مناطق دورافتاده‌ای چون تفریحگاه‌ها که نیاز به منابع انرژی حدود ۲۰۰ تا ۳۰۰ کیلووات دارند، فراهم آورند. با وجود مزایای فراوان انرژی خورشیدی، میکروگریدهای خورشیدی با چالش‌هایی نظیر افزایش ناگهانی تقاضا و کاهش قدرت ناشی از پوشش ابر مواجه می‌شوند. با افزودن چرخ‌دنده‌ها به این نوع از نصب‌ها، می‌توان از میکروگرید کل یا فقط سیستم خورشیدی پشتیبانی کرد و از بروز مشکلات کیفیت توان ناشی از نوسانات جلوگیری کرد. بی‌ثباتی ذاتی در قدرت یک نصب خورشیدی بدون حفاظت ممکن است به تجهیزات متصل آسیب برساند، از جمله الکترونیک حساس مانند کامپیوترها و لوازم مختلف. با این حال، به لطف عملکرد چرخ‌دنده‌ها به عنوان تنظیم‌کننده‌های قدرت، نوسانات انرژی جذب می‌شوند و اپراتورها متوجه خواهند شد که تجهیزات متصل کمتر در معرض خرابی زودهنگام قرار می‌گیرند.

رویکردی سبزتر به انرژی

با افزایش پیچیدگی در نیازهای انرژی در حوزه‌های مختلف، مسئولین در تلاشند تا منابع انرژی قابل‌اعتماد، پاک و مقرون‌به‌صرفه را در سازمان‌های خود فراهم کنند. آن‌ها همواره به دنبال راه‌حل‌هایی هستند که بتواند کارایی را افزایش دهد و در عین حال قابلیت اعتماد انرژی را بالا ببرد. در بسیاری از موارد، ادغام فناوری چرخ‌دنده‌ها در طراحی یا بازسازی سیستم برق جدید می‌تواند به عنوان پایه‌ای عالی برای دستیابی به اهدافی مانند حداکثر کردن قابلیت اعتماد و کاهش هزینه‌های عملیاتی عمل کند. با این مزیت که یک منبع انرژی دوستدار محیط زیست ارائه می‌شود، چرخ‌دنده‌ها با عمر مفید ۲۰ ساله استاندارد، راه‌حلی پاک و مقرون‌به‌صرفه برای هر کاربردی هستند که به قدرت “همیشه روشن” نیاز دارد.

نویسنده: جان جیت (John Jeter) مدیر فروش شرکت VYCON, Inc. در سریتوس کالیفرنیا است. جان آموزش‌های الکترونیکی خود را در نیروی دریایی ایالات متحده دریافت کرده و دارای مدرک لیسانس در رشته کسب و کار از دانشگاه ایالت سن دیگو است. او بیش از ۴۰ سال تجربه در زمینه راه‌حل‌های کیفیت توان با فعالیت‌های داخلی و بین‌المللی دارد.

منبع: https://eepower.com/industry-articles/flywheel-energy-storage-system-basics/

منتشر شده توسط PQBlog

مهندس برق

مشاهده پست‌های بیشتر

پرسش‌های متداول

سیستم ذخیره‌سازی انرژی چرخشی چگونه کار می‌کند؟

این سیستم از انرژی جنبشی برای ذخیره‌سازی و تأمین انرژی استفاده می‌کند.

چرا از سیستم‌های چرخشی در مراکز داده استفاده می‌شود؟

زیرا این سیستم‌ها انرژی پشتیبان فوری و مؤثری را فراهم می‌کنند.

مزایای استفاده از سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی چرخشی چیست؟

این سیستم‌ها کارایی بالا، زمان عمر طولانی و نیاز کم به نگهداری دارند.

منبع: powerquality.blog