Mis asi on mehaaniline aku? Ülevaade hooratta kineetilise energia salvestamisest

 (16)
Mis asi on mehaaniline aku? Ülevaade hooratta kineetilise energia salvestamisest
Ekraanitõmmis videostYouTube

Tänapäeval oleme energiasalvestitena harjunud ette kujutama eelkõige elektriakusid ja -patareisid. Seetõttu on ehk veidi veider mõelda, et akudesse salvestatakse ka liikumisenergiat. Siin on tegemist pöörleva hooratta kineetilise energiaga, inglise keeles Flywheel Energy Storage, lühendatult FES.

Praktikas kasutatavad FES-süsteemid erinevad oma konstruktsiooni, suuruse, võimsuse ja otstarbe poolest suuresti. Tipptasemel süsteemid sisaldavad nt süsinikkiust hõõrdevabadel magnetlaagritel vaakumis pöörlevat hooratast, mille pöörlemiskiirus ulatub 20 000–50 000 p/min.

FESi erisuseks on suur salvestuskiirus, kõigest mõned minutid, millega näiteks elektriakud konkureerida ei suuda. Mida suurem on hooratta pöörlemiskiirus, seda rohkem energiat ta sisaldab. Energia ärakasutamisel hooratta kiirus langeb. Enamasti kasutatakse kiirendamiseks elektrimootorit ja energia kättesaamiseks generaatorit, mis praktikas on võimalik liita ka üheks seadmeks. Samas käib arendustöö mehaanilise energia vahetuks kasutamiseks.

FESi esimeste mudelite puhul kasutati mehaanilistel laagritel pöörlevat suurt terasest hooratast, seejärel katsetati hõõrdumise vähendamiseks magnetlaagritega. Need on küll praktiliselt hõõrdevabad, kuid puuduseks olid kuumenema kippuvad mähised – neid pidi jahutama ning see oli üsna kulukas.

Seotud lood:

Üheks lahendusvariandiks on kõrge temperatuuriga ülijuhtide kasutamine. Kuna ülijuhtivate mähiste võimsus on suhteliselt piiratud, kasutatakse hübriidmagnetlaagreid, mille puhul hooratas toetub püsimagnetile ja ülijuhtmähised stabiliseerivad seda.

Mehaanilised laagrid kestavad 5–10 aastat ja nende vahetamine on suhteliselt lihtne ning mis samuti oluline – nad on hooldusvabad.

Hooratta materjal peab olema tugev, kuid samas väikese tihedusega. Seetõttu kasutatakse praktikas tihti komposiitmaterjale. Mida tugevam ketas, seda kiiremini saab ta pöörelda ja seda suurem on tema mahutavus.

FLYBIRDI välja töötatud mehaanilise KERS-süsteemi silmapaistvaimaks osaks on hiiglaslik hooratas. Foto: TM

Nagu kõik energiasalvestid, peidab hooratas endas ka ohte. Väiksemgi materjali eraldumine võib põhjustada vibratsiooni ja purunemise. Sel juhul paiskub suur hooratas tükkidena laiali ja kogu energia vabaneb hetkega. Komposiithoorattas püütakse energia vabanemist avarii korral hajutada: süsinikkiud ei katke üheaegselt ja sisu lendab laiali pulbrina. Ka on salvesti välissein arvestatud kinni pidama hoorattast eralduvat materjali. Suurte hoorataste puhul on üsna tavaline meede hooratta paigaldamine maa sisse.

Mehaanilistel laagritel pöörlevad hoorataste tüübid kannatavad suurema energiakao all – 20–50% kahe tunni jooksul. Peamiseks põhjuseks on suurenev hõõrdumine laagrites, mis on tingitud hooratta telje asendi muutumisest maakera pöörlemise tõttu (nn güroskoobiefekt). Teoreetiliselt on see välditav, kui hooratta telg oleks maakera teljega paralleelne. Magnetlaagrite puhul on kadu suurusjärgu võrra väiksem.

Güroskoobiefekt tekitab probleeme ka hoorattaga sõidukites, raskendades suuna muutmist ning sõitmist järskudel tõusudel ja langustel. Seegi on teoorias välditav, kui panna kaks hooratast samale teljele vastassuunas pöörlema, kuid täpselt samade kiiruste hoidmine on tehniliselt üsna keerukas.

Praktilisi kasutusalasid

1950ndatel aastatel sõitsid Šveitsis, Belgias ja tollases Belgia Kongos (tänane Kongo DV) linnaliinidel hoorattaga bussid, nn gürobussid (vt TM, 6/2009). Hoorattad asetsesid horisontaalselt bussi keskpõrandas, neid „laeti” peatustes, kus selleks kulus mõni minut. Sõiduulatus oli kuni 6 km.

Kuigi gürobusse selle algsel kujul enam ei kasutata, on ideed püütud edasi arendada. Peamine arengusuund on praegu siiski pigem elektri-, mitte mehaanilise energia salvestamine.

Loe veel

1990. aastatel konstrueeriti USAs Californias hübriidajam, kus rakendati 55 000 p/min töötavat hooratast koos väikese gaasiturbiinmootoriga. Ajam oli võimeline kasutama ära ka pidurdusenergiat. Tootmisse see asi ei jõudnud.

Elektriraudteel on hooratas kasutust leidnud väikestes manöövervedurites suure jõuimpulsi saavutamiseks kohalt liikumisel ja vahel ka suuremates vedurites, et läbida teelõike, kus puudub elektritoide.

Kasutades pidurdamisel säilitatud energiat, on paremad süsteemid võimelised kiirendama rongi kohalt kuni stabiilse sõidukiiruseni, andes nii olulise elektrisäästu. Selliste süsteemide arendamisega tegelevad näiteks London, New York ja Tokyo.

Hooratast kasutav UPS ehk katkematu elektritoite allikas on mahutavuselt võrreldav keemilise akumulaatoriga, kuid on võimeline korraga rohkem energiat välja andma kui aku. Miinuseks on selle suhteline suurus. Põhiliselt leiavad need rakendust koormuse tasandajatena suurte andmekeskuste toitesüsteemides.

Inglismaal Oxfordshires asuvas tuumauuringute laboris töötavad kaks 775tonnist hooratast, mis pöörlevad kiirusega 225 p/min, tagamaks keskuse seadmete suure hetkelise energiavajaduse. Ka Floridas Orlandos olevas lõbustuspargis kasutatakse hooratta energiat, sest elektrivõrk ei suudaks taluda maailma ühe vingeima Ameerika mägede raudtee põhjustatud koormuste kõikumisi.

Vormelisõpradele on tuttav KERS – Kinetic Energy Recovery System. 2009. aastal lubas FIA kasutada kineetilise energia salvestit F1 võidusõitudel. Seade töötab läbi variaatormehhanismi ning salvestab energiat auto pidurdamisel. Energia kasutatakse ära parema kiirenduse saavutamiseks. Ka Le Mans’i 24 tunni sõidu organisaatorid plaanivad oma võistlustel KERSi kasutamist.

USAs töötab 20 MW võimsusega mehaanilise energia salvestusjaam Beacon Power, tagamaks stabiilset elektritoidet tippkoormuse aegadel.

Aastasadu kasutatakse hoorattaid tööstuses: pressid ja stantsid saavutavad hetkeliselt vajamineva jõu hooratta abil.

Jätkuvalt tehakse tööd, et muuta hoorattasüsteemid väiksemaks, kergemaks, odavamaks ning et suurendada mahutavust. Teiste hulgas tegeleb asjaga ka USA kosmoseagentuur NASA. Arvatakse, et FES suudab asendada näiteks praegu elektrisõidukites kasutatavad akusid, omades suuremat mahtuvust, kiiremat laadimist, väiksemat kaalu ja pikemat eluiga.

Tehnikamaailm 5/2013
Mis on kõigi aegade julgeim otsus, mis on Eestis tehtud?


Tänud vastamast ja head loosiõnne!