Flywheel’lerin Avantajları Ve Enerji Depolamadaki Yeri

Flywheel’leri enerji korunumu açısında çekici kılacak öncelikli olarak dört özellikleri vardır:

 Yüksek güç yoğunluğu;

 Uzun devir ömrü;

 Zamanla bozulmazlar;

 Kolayca tahmin edilebilir şarj durumu.

İlk iki özellik sistemlere yüksek ve oldukça sık enerji akışı avantajı sağlar. Bunun bir örneği, elektrik şebekelerinde sık sık meydana gelen dalgalanmaları yumuşatmak için bir tampon olarak kullanmaktır. Depo sistemlerin de doğru şarj durumu bilgisi burada kritiktir. Böyle bir sisteme bir örnek kesintisiz güç kaynaklarıdır (UPS). Bir pil sisteminde eskime süreçleri iç direnci artırabilirken, ölçülen voltajdan bir SoC tahmini yapmak çok sağlıklı değildir [53].

Günümüzde, çalışmak için elektrik enerjisine ihtiyaç duyan temel sistemler, çeşitli problemlere karşı korunmalıdır. Birçoğu elektrik enerjisi tedarik zinciri ve voltaj salınımlarında başarısızlar. Bu nedenle, bu arızaların üstesinden gelmek için, sistemler genellikle elektrik beslemesi çevrimdışı veya kararsız olduğunda bile elektrik enerjisi sağlayabilen cihazları kullanırlar ve sistemin genel bir kopmasından kaçınırlar.

Yedek güç kaynağı sistemleri genellikle ana güç kaynağı çevrimdışı veya kararsız olduğunda elektrik enerjisi sağlamak için elektrokimyasal piller kullanırlar. Ancak, bu tür pillerin bazı sınırlamaları vardır:

 Sınırlı sayıda şarj ve boşaltma çevrimi;

 Cihaz parçalarının uygunsuz şekilde atılması nedeniyle çevresel hasara neden olma olasılığı;

 Ana batarya kimyasal ürünlerinden biri genellikle asit olduğundan kasa kırığı neticesinde kullanıcıya veya zarar vermesi

Flywheel enerji depolama sistemleri veya basit Flywheel’ler olarak da bilinen elektromekanik piller, elektrik enerjisini dönen kinetik enerji olarak depolayabilen cihazlardır.

Flywheel çalışma prensibi aşağıdaki gibidir: bir rotor bir elektrik motoru veya bir elektrikli araç gibi ana sistemin hareketi ile aktive edilir. Rotor dönmesi nedeniyle Flywheel kinetik enerjiyi depolar ve daha sonra ana sistem elektrik enerjisine ihtiyaç duyduğunda, depolanan kinetik enerji elektrik enerjisine dönüştürülür ve motor şimdi bir jeneratör olarak çalışır.

Kinetik enerjinin elektrik enerjisine dönüşümü iki yolla yapılabilir. Bunlardan ilki, rotorda, bir Flywheel’in manyetik alanın bir varyasyonu oluşturduğu sürekli mıknatıslar kullanmasıdır, bu da kendi içinde, Flywheel’in rotasyonunu yavaşlatan motor bobinlerinde bir elektrik akımı üretir. İkinci yol daimi mıknatıs kullanmayan bir motor jeneratör tertibatı kullanmaktır. Bu konfigürasyonda, Flywheel rotorunun rotasyonu elektrik enerjisi üretmez, çünkü uygulanan manyetik alan yoktur. Kinetik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmek için kullanılan form ne olursa olsun, Flywheel’de depolanabilecek enerji miktarı, Flywheel’in atalet momentumuna ve açısal hızın kare değeriyle orantılıdır [54].

Bununla birlikte, Flywheel’lerin ana dezavantajı, yüksek kurulum maliyeti ile ilişkilidir, ancak maliyet aşağıdaki avantajlarla haklı çıkarılmıştır:

a) Uzun ömür, yaklaşık 20 yıl, elektrokimyasal piller 3 ila 5 yıl arasında iken, sınırlı sayıda şarj ve boşaltma çevrimi;

b) Sürtünmesiz manyetik yatakların uygulanması nedeniyle düşük bakım maliyeti;

c) Kirlilik veya ses yok, çünkü mekanik bileşenler bir vakum odasına konur;

d) Flywheel’ler herhangi kimyasal veya aşındırıcı madde kullanmadığından pillere göre yüksek kararlılık ve güvenirlilik sağlar;

e) -20 ºC ile 40 ºC arasında sıcaklık aralığına sahip ortamlarda çalışma;

f) Azaltılmış boyut, aynı yük kapasitesine sahip elektrokimyasal pillere kıyasla yaklaşık %10 veya %20'dir [55].

4.5.1. Deşarj derinliği

Flywheel’lerin devir ömrü doğrudan deşarj derinliğiyle ilgili değildir; ancak bu pillerde için geçerlidir. Bu Flywheel’lerde enerji korunumu tanımlanırken önemlidir.

Piller yüksek oranda ve yüksek sıcaklıkta deşarj olduğunda pil ömrü azalır. Bozulma enerji ve güç kapasitelerini etkiler dolayısıyla iç dirençte artışa da yol açar. Şekil 4.4‘te görüldüğü üzere 10⁶ devir gerektiren bir uygulama için, bir pil paketi ancak % 3’lük bir deşarj-derinliğinde çalıştırılabilir. Bu da 33 kat daha büyük bir pilin alınması gerektiğini gösterir.

Aynı faktörde özgül enerji de azalır. Belirli özgül enerji bir Flywheel sisteminden daha az olabilir [38,53].

Şekil 4.4. Basit bir uygulamada deşarj-derinliğinin bir pilin devir ömrüne etkisi

Kullanılabilir ömrü % 70 kapasitede kabul edilmiştir. Deşarj derinliklerinin istatistikleri, enerji depolaması için son uygulamalar düşünüldüğünde çok önemlidir. Aşağıdaki iki durumu varsayın.

Gerekli çevrim enerjisi üzerinde yüksek varyasyonlar

Bu durum normal bir araba sahibi için geçerlidir. Avrupa'da bir araba için ortalama yolculuk mesafesi sadece 15 km'dir, ancak insanlar 500 km veya daha fazla sürme kapasitesine sahip araçlar talep etmektedir. Günde ortalama yolculuk sayısı da 3’den azdır. Elektrikli otomobil üreticisi Tesla Motors, arabalarını yalnızca enerji depolama alanı olarak Li-ion piller kullanarak 434 km'lik bir mesafeye sahip araçlar olarak pazarlamaktadır. Deşarj derinliğine bağlı olarak maksimum çevrim ömrü 2000 döngü civarındadır (altı yıl boyunca her gün maksimum aralıklarla sürüş). Ancak, insanların ortalama kullanımı daha az olduğu için, tipik deşarj derinliği sadece % 3.5’tir. Bu da demek oluyor ki, pil ortalama 1000000 çevrimine ya da arabanın kendisinin ömründen daha fazlasına dayanır (deşarj derinliği aşınması bakış açısıyla). 1000000 çevrim / günde ortalama 3 çevrim. 365 gün = 936 yıl

Özet olarak, elektrikli otomobil alıcıları yalnızca maksimum menzil için yüksek kapasiteli bir pil satın almıyor, deşarj deriliğini sınırlandırılmış uzun ömürlü araç satın alıyorlar [56,57].

Gerekli çevrim enerjisi üzerine düşük varyasyonlar

İkinci durum gereken çevrim enerjisi üzerinde küçük değişikliklerle tanımlanır. Birçok uygulama bu alana uygundur: Ana enerji taşıyıcısındaki güç yoğunluğunun düşük olduğu tahrik hatlarındaki güç tamponları;

 Düşük güçlü, yüksek enerjili piller (Li-air gibi);

 Yakıt hücreleri (yavaş tepkime süreleri, düşük güç yoğunluğu);

 Daha yüksek verim, daha yüksek tork ve sabit güç çıkışı gibi birincil enerji kaynağından istikrarlı güç akışının avantajlı olduğu tahrik hatlarındaki güç tamponları;

 Kısa mesafeli araç feribotları (yaklaşık on dakikadan az, günde 50 defa);

 Her defasında yaklaşık aynı ağırlıkları kaldıran vinçler;

 Her evin önünde hızlanan ve yavaşlayan ve sıkça çöp sıkıştıran çöp kamyonları;

 Fren yapan trenlerin enerjisini toplayan tren istasyonu enerji depoları

Çizelge 4.3’te, bir şehir içi otobüsün güç aktarımı için güç tamponu uygulamasının farklı teknolojilerle karşılaştırması vardır. 500 Watt saat, 50 km / s hızla hareket eden bir şehir otobüsünün kinetik enerjisine karşılık gelir. EDLC, elektrikli çift katmanlı kondansatördür [38,58].

İmalatçı GKN Maxwell Boostcap A123 Systems

Anma gücü 120 kW 120 kW 120 kW