ફ્લાયવ્હીલ (કાઇનેટિક) ઊર્જા સંગ્રહ ઉપકરણો કેવી રીતે ગોઠવાય છે અને કાર્ય કરે છે

FES ફ્લાયવ્હીલ એનર્જી સ્ટોરેજ માટે ટૂંકો છે, જેનો અર્થ છે ફ્લાયવ્હીલનો ઉપયોગ કરીને એનર્જી સ્ટોરેજ. આનો અર્થ એ છે કે યાંત્રિક ઉર્જા ગતિશીલ સ્વરૂપમાં સંચિત અને સંગ્રહિત થાય છે કારણ કે એક વિશાળ ચક્ર ખૂબ જ ઝડપે ફરે છે.

આ રીતે સંચિત યાંત્રિક ઊર્જાને પછીથી વીજળીમાં રૂપાંતરિત કરી શકાય છે, જેના માટે ફ્લાયવ્હીલ સિસ્ટમને મોટર અને જનરેટર બંને મોડમાં કાર્ય કરવા સક્ષમ રિવર્સિબલ ઇલેક્ટ્રિક મશીન સાથે જોડવામાં આવે છે.

જ્યારે ઊર્જાનો સંગ્રહ કરવાની જરૂર પડે છે, ત્યારે ઇલેક્ટ્રિક મશીન મોટર તરીકે કામ કરે છે અને બાહ્ય સ્ત્રોતમાંથી વિદ્યુત ઊર્જાનો વપરાશ કરતી વખતે ફ્લાયવ્હીલને જરૂરી કોણીય વેગમાં ફેરવે છે, અસરમાં-વિદ્યુત ઊર્જાને યાંત્રિક (ગતિ) ઊર્જામાં રૂપાંતરિત કરે છે. જ્યારે સંગ્રહિત ઊર્જાને લોડમાં સ્થાનાંતરિત કરવાની જરૂર પડે છે, ત્યારે ઇલેક્ટ્રિક મશીન જનરેટર મોડમાં જાય છે અને ફ્લાયવ્હીલ મંદ થતાં યાંત્રિક ઊર્જા છૂટી જાય છે.

ફ્લાયવ્હીલ્સ પર આધારિત સૌથી અદ્યતન એનર્જી સ્ટોરેજ સિસ્ટમ્સ એકદમ ઊંચી પાવર ડેન્સિટી ધરાવે છે અને પરંપરાગત એનર્જી સ્ટોરેજ સિસ્ટમ્સ સાથે સ્પર્ધા કરી શકે છે.

સુપર ફ્લાય વ્હીલ્સ પર આધારિત કાઇનેટિક બેટરી ઇન્સ્ટોલેશન, જ્યાં ફરતી બોડી ઉચ્ચ-શક્તિવાળા ગ્રાફીન રિબનથી બનેલી હોય છે, તે આ સંદર્ભમાં ખાસ કરીને આશાસ્પદ માનવામાં આવે છે. આવા સ્ટોરેજ ઉપકરણો 1 કિલોગ્રામ માસ દીઠ 1200 W * h (4.4 MJ!) ઊર્જાનો સંગ્રહ કરી શકે છે.

સુપર ફ્લાય વ્હીલ્સના ક્ષેત્રમાં તાજેતરના વિકાસએ પહેલાથી જ વિકાસકર્તાઓને ઓછા જોખમી બેલ્ટ સિસ્ટમ્સની તરફેણમાં મોનોલિથિક ડ્રાઇવ્સનો ઉપયોગ કરવાનો વિચાર છોડી દેવાની મંજૂરી આપી છે.

હકીકત એ છે કે કટોકટી ભંગાણના કિસ્સામાં મોનોલિથિક સિસ્ટમ્સ ખતરનાક હતી અને ઓછી ઊર્જા એકઠી કરી શકે છે. જ્યારે તોડવું, ટેપ મોટા ટુકડાઓમાં છૂટાછવાયા નથી, પરંતુ માત્ર આંશિક રીતે તૂટી જાય છે; આ કિસ્સામાં, પટ્ટાના અલગ ભાગો હાઉસિંગની આંતરિક સપાટી પર ઘસીને ફ્લાયવ્હીલને રોકે છે અને તેના વધુ વિનાશને અટકાવે છે.

વિન્ડિંગ ટેપ અથવા દખલગીરી ફાઇબરમાંથી બનાવેલ સુપર ફ્લાય વ્હીલ્સની ઉચ્ચ ચોક્કસ ઉર્જા તીવ્રતા ઘણા ફાળો આપતા પરિબળોને કારણે પ્રાપ્ત થાય છે.

પ્રથમ, ફ્લાયવ્હીલ શૂન્યાવકાશમાં કાર્ય કરે છે, જે હવાની તુલનામાં ઘર્ષણને મોટા પ્રમાણમાં ઘટાડે છે. આ માટે, હાઉસિંગમાં શૂન્યાવકાશ સર્જન અને જાળવણી પ્રણાલી દ્વારા સતત જાળવવું આવશ્યક છે.

બીજું, સિસ્ટમ ફરતી બોડીને આપમેળે સંતુલિત કરવામાં સક્ષમ હોવી જોઈએ. સ્પંદનો અને ગાયરોસ્કોપિક સ્પંદનોને ઘટાડવા માટે ખાસ તકનીકી પગલાં લેવામાં આવે છે. ટૂંકમાં, ફ્લાયવ્હીલ સિસ્ટમ્સ ડિઝાઇનના દૃષ્ટિકોણથી ખૂબ જ માંગ કરે છે, તેથી તેમનો વિકાસ એ એક જટિલ એન્જિનિયરિંગ પ્રક્રિયા છે.

તેઓ બેરિંગ્સ તરીકે વધુ યોગ્ય લાગે છે ચુંબકીય (સુપરકન્ડક્ટીંગ સહિત) સસ્પેન્શન… જોકે, એન્જિનિયરોએ સસ્પેન્શનમાં ઓછા-તાપમાનના સુપરકન્ડક્ટર્સને છોડી દેવા પડ્યા હતા, કારણ કે તેમને ઘણી ઊર્જાની જરૂર પડે છે. સિરામિક બોડી સાથે હાઇબ્રિડ રોલિંગ બેરિંગ્સ મધ્યમ રોટેશનલ સ્પીડ માટે વધુ સારી છે. હાઇ સ્પીડ ફ્લાય વ્હીલ્સ માટે, સસ્પેન્શનમાં ઉચ્ચ તાપમાનના સુપરકન્ડક્ટરનો ઉપયોગ કરવો આર્થિક રીતે સ્વીકાર્ય અને ખૂબ જ આર્થિક હોવાનું જણાયું છે.

FES સ્ટોરેજ સિસ્ટમ્સના મુખ્ય ફાયદાઓમાંની એક, તેમની ઉચ્ચ ચોક્કસ ઉર્જા તીવ્રતા પછી, તેમની પ્રમાણમાં લાંબી સેવા જીવન છે, જે 25 વર્ષ સુધી પહોંચી શકે છે. માર્ગ દ્વારા, ગ્રાફીન સ્ટ્રીપ્સ પર આધારિત ફ્લાયવ્હીલ સિસ્ટમ્સની કાર્યક્ષમતા 95% સુધી પહોંચે છે. વધુમાં, તે ચાર્જિંગ ઝડપ નોંધવું વર્થ છે. આ, અલબત્ત, ઇલેક્ટ્રિકલ ઇન્સ્ટોલેશનના પરિમાણો પર આધાર રાખે છે.

ઉદાહરણ તરીકે, સબવે ફ્લાયવ્હીલ પર ઊર્જા પુનઃપ્રાપ્ત કરનાર જે ટ્રેનના પ્રવેગક અને મંદી ચાર્જ દરમિયાન કાર્ય કરે છે અને 15 સેકન્ડમાં ડિસ્ચાર્જ થાય છે. એવું માનવામાં આવે છે કે ફ્લાયવ્હીલ સ્ટોરેજ સિસ્ટમમાંથી ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા પ્રાપ્ત કરવા માટે, નજીવા ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જનો સમય એક કલાકથી વધુ ન હોવો જોઈએ.

એફઇએસ સિસ્ટમ્સની લાગુ પડતી વિશાળ છે. તેઓ વિવિધ લિફ્ટિંગ ઉપકરણો પર સફળતાપૂર્વક ઉપયોગ કરી શકાય છે, લોડિંગ અને અનલોડિંગ દરમિયાન 90% સુધીની ઊર્જા બચત પ્રદાન કરે છે. આ સિસ્ટમોનો અસરકારક રીતે ઇલેક્ટ્રિક ટ્રાન્સપોર્ટ બેટરીના ઝડપી ચાર્જિંગ માટે, ઇલેક્ટ્રિકલ ગ્રીડમાં ફ્રીક્વન્સી અને પાવરને સ્થિર કરવા, અવિરત પાવર સ્ત્રોતોમાં, હાઇબ્રિડ વાહનો વગેરેમાં અસરકારક રીતે ઉપયોગ કરી શકાય છે.

આ બધા સાથે, ફ્લાયવ્હીલ સ્ટોરેજ સિસ્ટમ્સમાં નોંધપાત્ર સુવિધાઓ છે.તેથી, જો ઉચ્ચ ઘનતા સામગ્રીનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, તો નજીવી પરિભ્રમણ ગતિમાં ઘટાડો થવાને કારણે સંગ્રહ ઉપકરણનો ચોક્કસ પાવર વપરાશ ઘટે છે.

જો ઓછી ઘનતાવાળી સામગ્રીનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, તો ગતિમાં વધારો થવાને કારણે વીજ વપરાશ વધે છે, પરંતુ આ વેક્યૂમ, તેમજ સપોર્ટ અને સીલ માટેની આવશ્યકતાઓમાં વધારો કરે છે, અને ઇલેક્ટ્રિકલ કન્વર્ટર વધુ જટિલ બને છે.

સુપર ફ્લાય વ્હીલ્સ માટે શ્રેષ્ઠ સામગ્રી ઉચ્ચ-શક્તિવાળા સ્ટીલ બેલ્ટ અને કેવલર અને કાર્બન ફાઇબર જેવી તંતુમય સામગ્રી છે. સૌથી વધુ આશાસ્પદ સામગ્રી, જેમ ઉપર નોંધ્યું છે, તે માત્ર તાકાત અને ઘનતાના સ્વીકાર્ય પરિમાણોને કારણે જ નહીં, પરંતુ મુખ્યત્વે તોડવાની સલામતીને કારણે ગ્રેફિન ટેપ રહે છે.

તૂટવાની સંભાવના એ હાઇ-સ્પીડ ફ્લાયવ્હીલ સિસ્ટમ માટે મુખ્ય અવરોધ છે. કોમ્પોઝિટ મટિરિયલ કે જે સ્તરોમાં વળેલું અને ગુંદરવાળું હોય છે તે ઝડપથી વિખેરી નાખે છે, પ્રથમ નાના-વ્યાસના ફિલામેન્ટમાં વિભાજિત થાય છે જે તરત જ એકબીજાને ફસાવે છે અને મંદ કરે છે, અને પછી ગ્લોઇંગ પાવડરમાં ફેરવાય છે. હલને નુકસાન વિના નિયંત્રિત ભંગાણ (અકસ્માતની ઘટનામાં) એ એન્જિનિયરોના મુખ્ય કાર્યોમાંનું એક છે.

ભંગાણ ઊર્જાના પ્રકાશનને એન્કેપ્સ્યુલેટેડ પ્રવાહી અથવા જેલ જેવા આંતરિક કેસીંગ લાઇનિંગ દ્વારા ઘટાડી શકાય છે જે ફ્લાયવ્હીલ તૂટી જાય તો ઊર્જાને શોષી લેશે.

બ્લાસ્ટ સામે રક્ષણ મેળવવાનો એક રસ્તો એ છે કે અકસ્માતની ઘટનામાં બુલેટની ઝડપે ઉડતા કોઈપણ કાટમાળને રોકવા માટે ફ્લાયવ્હીલને ભૂગર્ભમાં મૂકવું. જો કે, એવા કિસ્સાઓ છે કે જ્યારે ટુકડાઓની ફ્લાઇટ જમીનથી ઉપરની તરફ થાય છે, માત્ર હલ જ નહીં, પણ નજીકની ઇમારતોનો પણ નાશ થાય છે.

છેલ્લે, ચાલો પ્રક્રિયાના ભૌતિકશાસ્ત્રને જોઈએ.ફરતા શરીરની ગતિ ઊર્જા સૂત્ર દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે:

જ્યાં હું ફરતા શરીરની જડતાની ક્ષણ છું

કોણીય વેગ નીચે પ્રમાણે રજૂ કરી શકાય છે:

ઉદાહરણ તરીકે, સતત સિલિન્ડર માટે, જડતાની ક્ષણ છે:

અને પછી આવર્તન f દ્વારા ઘન સિલિન્ડર માટે ગતિ ઊર્જા સમાન છે:

જ્યાં f એ આવર્તન છે (સેકન્ડ દીઠ ક્રાંતિમાં), r એ મીટરમાં ત્રિજ્યા છે, m એ કિલોગ્રામમાં સમૂહ છે.

સમજવા માટે એક રફ ઉદાહરણ લઈએ. 3 kWનું બોઈલર 200 સેકન્ડમાં પાણી ઉકાળે છે. 10 કિગ્રા અને ત્રિજ્યા 0.5 મીટરના સતત નળાકાર ફ્લાયવ્હીલને કઈ ઝડપે ફેરવવું જોઈએ જેથી તેને રોકવાની પ્રક્રિયા દરમિયાન પાણીને ઉકાળવા માટે પૂરતી ઊર્જા મળી રહે? અમારા જનરેટર-કન્વર્ટરની કાર્યક્ષમતા (કોઈપણ ઝડપે ચલાવવા માટે સક્ષમ) 60% રહેવા દો.

જવાબ આપો. કીટલીને ઉકાળવા માટે જરૂરી ઊર્જાનો કુલ જથ્થો 200 * 3000 = 600,000 J છે. કાર્યક્ષમતાને ધ્યાનમાં લેતા, 600,000 / 0.6 = 1,000,000 J. ઉપરોક્ત સૂત્ર લાગુ કરવાથી, અમને પ્રતિ સેકન્ડ 201.3 ક્રાંતિનું મૂલ્ય મળે છે.

આ પણ જુઓ:પાવર ઉદ્યોગ માટે ગતિ ઊર્જા સંગ્રહ ઉપકરણો

ઊર્જા સંગ્રહ કરવાની બીજી આધુનિક રીત: સુપરકન્ડક્ટીંગ મેગ્નેટિક એનર્જી સ્ટોરેજ સિસ્ટમ્સ (SMES)