چکیده:
در دهه اخیر، تکنولوژی هایی های جدیدی در زمینه ی ذخیره سازی انرژی به بازار آمده اند .این تکنولوژی ها انتقال سریع انرژی را فراهم می نمایند. این پیشرفت نسبت به باطری های الکتروشیمیایی قدیمی به قدری عجیب و جالب توجه بود که می توان آن را با پیدایش الکترومغناطیس های فوق سرد و یا موتورهای استارت سریع (که با کمک انرژی پنوماتیک یا هیدرولیک ساخته شدند) مقایسه کرد .
اخیرا صنعت شاهد پیدایش مجدد یکی از قدیمی ترین تکنولوژی های ذخیره سازی انرژی یعنی فلایویل بوده است . چرخ طیار های جدید دارای اشکال متنوعی هستند. از چرخ طیار های کامپوزیتی که برای سرعت های دورانی بسیار بالا مناسب هستند گرفته تا چرخ های فولادی قدیمی که به موتور های دورانی کوپل می گردند . در این مقاله، ما انواع مختلفی از چرخ طیارها که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند را بررسی می کنیم. علاوه بر آن به برسی باطری های فعال مکانیکی نیز می پردازیم. واحدی که یکی از جالب ترین گونه های چرخ طیارهای نوین و قدیمی می باشد. این سیستم در حالیکه فضایی در حدود 11 فوت مربع را اشغال می کند قادر است توانی برابر 500 کیلو وات را منتقل نماید.
در این مقاله علاوه بر مقایسه چرخ طیار های قدیمی و جدید به معرفی یکی از محصولات شرکت CleanSource نیز پرداخته می شود.
معرفی:
چرخ طیارها نسبت به تکنولوژی های قدیمی ذخیره انرژی دارای برتری های خاصی می باشند .یکی از این برتری ها به ساختار ساده ذخیره انرژی در آنها بر می گردد. یعنی ذخیره انرژی به صورت انرژی جنبشی در یک جرم در حال دوران.
سالها از این ایده برای نرم و یکنواخت کردن حرکت موتورها استفاده می شد. در بیست سال اخیر به تدریج یک منبع جدید انرژی در اختیار طراحان و مخترعان قرار گرفت و طراحان از این منبع جدید در وسایل نقلیه الکتریکی و تجهیزات کنترل ماهواره استفاده کردند. این منبع دارای ویژگی های زیر بود:
ایمنی بالا ، حجم کم، سازگاری با محیط زیست ، پایین بودن هزینه تعمیر و نگه داری و داشتن عمر مفید بالا و قابل پیشبینی.
اخیرا برای کنترل و ثابت نگه داشتن سرعت وقتی که منبع اصلی انرژی به طور متناوب قطع و وصل می شود از چرخ طیار استفاده می گردد. .به دلیل نارضایتی مصرف کننده گان از باطری های الکتروشیمیایی و از طرف دیگر به علت پایین بودن هزینه تولید و عمر مفید بالای چرخ طیار اکنون در بسیاری از سیستم ها از این وسیله استفاده می شود.
پس از پیشرفت های پی در پی در زمینه ی الکترونیک قدرت اولین بار از چرخ طیار به عنوان محافظ رادار استفاده شد و امروزه یک ابزار قدرت مند و کم هزینه ،در حجم بالا به بازار تجهیزات انتقال قدرت ارائه می شود.
چرخ طیار های قدیمی:
پیش از این، تنها کاربرد چرخ طیار ، در مجموعه موتور-ژنراتور بود. که در آن چرخ های فولادی به سیستم کوپل می شدند تا در زمان قطع و وصل شدن متناوب نیرو، دوران پایدارو طولانی تری را فراهم کنند. این امر توسط افزایش اینرسی دورانی و افزایش انرژی جنبشی ذخیره شده انجام می گرفت.
شکل1: ترکیب سنتی چرخ طیار با مجموعه موتور- ژنراتور
افزایش موثر زمان دوران برای چنین سیستم هایی به ندرت از حد یک ثانیه در بار نامی فراتر می رفت. این مشکل به این علت ایجاد می شد که تنها 5 درصد انرژی ذخیره شده از چرخ طیار به موتور انتقال می یافت. انتقال بیشتر انرژی موجب کاهش سرعت دورانی و نتیجتا کاهش فرکانس الکتریکی می شد که امری نامطلوب بود.
با وجود اینکه این سیستم ها مانع ضعیف شدن و یا قطع طولانی مدت جریان برق می شدند، ولی تواناییِ تامین برق کافی برای یک فرایندre-closure کامل یا تامین انرژی لازم برای استارت یک ژنراتور را نداشتند.
با اعمال چند تغییر در طرح می توان زمان انتقال قدرت را در سیستم نشان داده شده در شکل یک افزایش داد. تحت تمامی بارها ، کاهش فرکانس و ولتاژ و همچنسن کاهش سرعت دورانی ژنراتور نامطلوب می باشد. با اضافه کردن یک یکسو کننده بعد از ژنراتور ، سیستم این قابلیت را پیدا می کند تا 75 درصد انرژی چرخ طیار را منتقل کند. پس از آن جریان DC باید فیلتر شده و مجددا به جریان AC با فرکانسی برابر با 60 هرتز تبدیل شود. افزودن یک محرک چند سرعته به سیستم این امکان را به ما میدهد تا بتوانیم از سرعت های دورانی پایین ، اینرسی زیادی را به دست بیاوریم و در نتیجه به موتور کوچک تری برای تامین این منبع انرژی نیاز باشد.
شکل 2: سیستمی با یک محرک چند سرعته به همراه تجهیزات الکترونیکی مانند یکسو کننده و مبدل
همانطور که در شکل 2 مشخص است، افزایش موثر در مدت زمان حرکت که توسط سیستم بهبود یافته چرخ طیار ایجاد می شود، حفاظت بهتری را نسبت به نوع قدیمی فراهم می آورد. اما این افزایش در مدت زمان حرکت لزوما هزینه بر هم خواهد بود. در ضمن به تجهیزات و فضای بیشتری نیز نیاز دارد.
نمونه های قدیمی چرخ طیار نیز نسبت به تنواع مدرن خود دارای مزایایی می باشند. در این چرخ طیار ها از فولاد استفاده می شد. ماده ای که به سهولت قابل دسترسی است و به راحتی می توان شرایط مکانیکی آن را پیشبینی کرد. فولاد این امکان را برای طراحان فراهم می آورد تا علاوه بر ملاحظات مالی، شرایط ایمنی را نیز به خوبی تحت کنترل داشته باشند.
به دلیل اینکه چرخ طیار های فولادی نسبت به انواع کامپوزیتی دارای وزن بیشتر و همچنین مقاومت بالاتری هستند، باید در سرعت های دورانی نسبتا پایینی کار کنند. این ویژگی باعث می شود که برای چرخ طیار های فولادی بتوان از یاتاقان های مدل قدیمی استفاده کرد.
اما یکی از معایب چرخ طیار های فولادی این است که آنها نسبت به چرخ های کامپوزیتی جدید ، انرژی و قدرت پایین تری دارند. چرخ طیار های قدیمی معمولای در هوا کار می کنند. که این مسئله باعث می شود تا استهلاک بالایی داشته باشند و همچنین هنگام فعالیت صدای بیشتری تولید کنند. علاوه براین ، یک سیستم چرخ طیار خارجی نیاز به چندین مجموعه یاتاقان دارد. که این مسئله خود باعث می شود که قابلیت اعتماد کل مجموعه پایین آمده و هزینه تولید آن بالا برود.
مزایا و معایب چرخ طیار های قدیمی:
مزایا
- جنس فولادی- ایمن – قابل پیشبینی
- سرعت های دورانی پایین که باعث ساده شدن طراحی می شود.
- مواد اولیه ارزان قیمت باعث کاهش هزینه تمام شده می گردد
معایب
- نیاز به چندین مجموعه یاتاقان
- استهلاک آیرودینامیکی و صدای بیشتر
چرخ طیار های سرعت بالا:
در راستای تلاش برای رسیدن به انرژی و قدرت بالاتر و بهره گیری از مواد کامپوزیتی جدید و تکنولوژی های الکترونیک قدرت، طراحان موفق به تولید چرخ طیار های فشرده شدند. که دارای قابلیت کار در سرعت های خطی بسیار بالا می باشند. از این چرخ طیار های نوین در وسایل الکتریکی و هیبرید الکتریکی و همچنین در تجهیزات کنترل سرعت ماهواره ها استفاده می شود. مطلبی که در کاربرد های فوق حائز اهمیت است این است که بیشترین مقدار ممکن انرژی ذخیره و منتقل گردد همچنین کمترین وزن و فضای ممکنه اشغال شود.
از آنجا که انرژی ذخیره شده در داخل چرخ طیار با مربع سرعت دورانی آن رابطه مستقیم دارد، برای افزایش انرژی ذخیره شده در چرخ طیار باید سرعت دورانی آن را افزایش داد. البته واضح است که تمامی طرح ها دارای محدودیت هایی در سرعت می باشند. منشاء این مشکل، به وجود آمدن تنش در چرخ بر اثر نیرو ها و اینرسی های دورانی می باشد.
چرخ های کامپوزیتی دارای وزن کمتری می باشند. بنابراین در یک سرعت دورانی خاص تنش های کمتری در آنها ایجاد می شود. علاوه براین مواد کامپوزیتی جدید اغلب مقاوم تر از مواد مهندسی قدیمی می باشند. در مقایسه با چرخ طیار های قدیمی این وزن کمتر و مقاومت بالاتر ِچرخ طیار های کامپوزیتی، قابلیت دوران در سرعت های بسیار بالا را نیز فراهم میکند.
برای یک هندسه خاص ،چگالی انرژی یک چرخ طیار(انرژی ِواحد جرم)، با نسبت مقاومت ماده به چگالی وزنی آن رابطه مستقیم دارد . این نسبت مقاومت مخصوص نامیده می شود. جدول زیر این ویژگی را برای مواد کامپوزیتی جدید ، نشان می دهد.:
مقاومت مخصوص (اینچ مکعب)
ماده سازنده
3509000
گرافیت / اپوکسی
2740000
بور / اپوکسی
1043000
تیتانیوم و آلیاژ های آن
982000
فولاد ضد زنگ شکل داده شده
931000
فولاد مقاوم شکل داده شده
892000
آلیاژ های سری 7000 آلومینیوم
جدول 2: مقاومت مخصوص برای چند نمونه از مواد سازنده فلایویل
پیشرفت های اخیر در تکنولوژی مواد کامپوزیتی ، باعث دستیابی به موادی با مقاومت مخصوص بسیار بالا شده است . که حتی با بهترین فلزات مهندسی قابل مقایسه نمی باشند. نتیجه تحقیقات مداوم در این زمینه منجر به تولید چرخ طیار هایی با سرعت دورانی بیش از صد هزار دور در دقیقه و سرعت خطی بیش از 1000 متر در ثانیه شد.
پیشرفت های باورنکردنی حاصل شده توسط مواد کامپوزیتی جدید لزوما هزینه بر هم بوده است. برای سرعت های دورانی بسیار بالا که در ذخیره سازی انرژی های جنبشی خاص به کار برده می شوند ، دیگر نمی توان از یاتاقان های مکانیکی سابق استفاده کرد. به جای آن اغلب سیستم های جدید از یاتاقان های مغناطیسی استفاده می کنند. در این نو آوری جدید برای تعلیق موتور از نیروی مغناطیسی استفاده می شود که مشکل اصطکاک را به طور کامل حل کرده است. اما متاسفانه به دلیل وجود استهلاک بالای آیرودینامیکی در سرعت های فوق ، این چرخ طیار ها باید در خلاء کار کنند. این مسئله مشکل جدیدی را ایجاد می کند . گرمای تولید شده توسط الکترو مغناطیس های موتور و یاتاقان را در خلاء نمی توان به راحتی دفع کرد. علاوه براین ، یاتاقان های مغناطیسی فعال ذاتا ناپایدار می باشند و برای کنترل تعلیق نیاز به کامپیوتر های پیچیده دارند.
ژنراتور این سیستم ها معمولا یک طرح فیلد دورانی می باشد که دارای یک فیلد مغناطیسی نیز می باشد . مغناطیس های دائمی این فیلد مغناطیسی ، بطور نسبی به زمین اتصال داده شده اند ( ارث شده اند).
از آنجاییکه قدرت این مغناطیس ها بسیار کمتر از انواع مربوط به چرخ طیار های کامپوزیتی می باشد آنها باید با سرعت بسیار کمتری بچرخند. به عبارت دیگر آنها باید به توپی چرخ بسیار نزدیک باشند. که این مسئله باعث کم شدن چگالی انرژی ژنراتور می شود. یک گزینه این است که آنها را در شعاع های بیرونی چرخ سوار کنیم. این عوامل نهایتا طراح را وادار به انتخاب یکی از این دو راه حل می کند :
یا سرعت دیگری برای ماشین درنظر بگیرد .یا محدوده طراحی را به مرزهای تنش مجاز نزدیک تر کند که بدین ترتیب از ایمنی سیستم کاسته می شود.
مانند چرخ طیار های قدیمی که به مجموعه موتور – ژنراتور کوپل می شدند، این سیستم ها هم دارای تجهیزات الکترونیکی مثل یکسو کننده ، فیلتر و مبدل می باشند تا بتوانند درصد بالایی از انرژی ذخیره شده را منتقل کنند.
