Volan Enerji Depolama Sistemi Teknolojilerinin İncelenmesi

Özet

Çalışma, yenilenebilir enerjinin yarattığı şebeke karmaşıklığında volanların güç kalitesi ve kararlılığına nasıl katkı sağladığını soruyor. Derleme olarak volan rotorları, motor tipleri (asenkron, kalıcı mıknatıslı), mekanik, manyetik ve süperiletken yataklar, güç elektroniği dönüştürücüleri ve uygulama alanlarını inceliyor; makine öğrenmesi, dijital ikiz ve veri tabanlı yöntemlerin benzetim, arıza tahmini ve ömür değerlendirmede kullanımına da değiniyor.

Karşılaştırma tablosu: volan verimi %85-95 (kimyasal bataryalarda %70-80); özgül güç 180-1800 W/kg (bataryalarda 100-700 W/kg); deşarj süresi 15 s-15 dk; servis ömrü 20 yıldan fazla (bataryalarda 3-15 yıl); bakım periyodu 10 yıldan fazla (bataryalarda 6 aydan az). Çalışma sıcaklığı aralığı -40 ile +50 °C, çevresel gereksinimler düşük ve kirlilik yok olarak veriliyor. AC gerilim titreme olaylarının yaklaşık %97'si 3 saniyenin altında sürdüğü ve yedek jeneratörler 10 saniyenin altında devreye girdiği için yazarlar kısa süreli yüksek güçlü volanın UPS köprüleme görevinde bataryanın yerini tamamen alabileceğini savunuyor.

Ticari örnekler arasında Active Power'ın 250-2000 kW CleanSource UPS volan serisi ve SatCon'un 315-2200 kVA döner UPS'i var; Piller, Dresden'deki bir yarı iletken tesisine 5 s ride-through garantisi için 7 kWh/5 MW volan kurmuş. Alıntılanan UPS volanları 7700 rpm (Active Power), 36.000 rpm (VYCON, manyetik yatak) ve 53.000 rpm (Powerthru) hızlarında çalışıyor.

Sınırlar: hareketli parçalar, özellikle yüksek hızlı kompozit rotorlarda bataryalara göre daha fazla arıza modu belirsizliği getiriyor ve karbon fiber maliyeti benimsemeyi yavaşlatıyor; büyük sabit kullanım için yüksek mukavemetli çelik rotorlar tercih ediliyor. Derleme olduğu için yeni ölçüm yok ve karşılaştırma değerleri farklı kaynaklardan derlenmiş.

Öne çıkan noktalar

1. Karşılaştırma tablosu: volan verimi %85-95 (kimyasal bataryalarda %70-80); özgül güç 180-1800 W/kg (100-700 W/kg); deşarj süresi 15 s-15 dk; servis ömrü >20 yıl (3-15 yıl); bakım periyodu >10 yıl (<6 ay).
2. Volan çalışma sıcaklığı aralığı -40 ile +50 °C; çevresel gereksinimi düşük, kirlilik yok.
3. Ticari örnekler: Active Power 250-2000 kW CleanSource UPS volan serisi, SatCon 315-2200 kVA döner UPS.
4. AC gerilim titreme olaylarının yaklaşık %97'si 3 saniyenin altında sürüyor ve yedek jeneratörler 10 saniyenin altında devreye giriyor; yazarlar bu yüzden kısa süreli yüksek güçlü volanın UPS köprülemede bataryanın yerini tamamen alabileceğini savunuyor.
5. Piller, Dresden'deki bir yarı iletken tesisinde 5 s ride-through garantisi için 7 kWh/5 MW volan kurdu; UPS volanları 7700 rpm (Active Power), 36.000 rpm (VYCON, manyetik yataklar) ve 53.000 rpm (Powerthru) hızlarında çalışıyor.
6. Hareketli parçalar, özellikle yüksek hızlı kompozit rotorlarda bataryalardan daha fazla arıza modu belirsizliği getiriyor; karbon fiber maliyeti benimsemeyi yavaşlatıyor ve büyük sabit kullanımda yüksek mukavemetli çelik rotorlar tercih ediliyor.

Tasarımda kullanımı

• Jeneratör devreye girene kadar köprüleme gerektiren UPS tasarımında volanı batarya alternatifi olarak değerlendirin; 15 s-15 dk deşarj aralığı ve 10 saniyenin altındaki jeneratör start süresi bu görev için yeterli mi diye kontrol edin.
• Volan ile VRLA veya Li-ion bataryayı verim, servis ömrü ve bakım periyodu (20 yıldan fazla ve 10 yıldan fazla ile 3-15 yıl ve 6 aydan az) bakımından toplam sahip olma maliyeti karşılaştırmasında ayrı sütunlar olarak sunun.
• Yüksek hızlı rotorlarda hareketli parça arıza modlarını ve muhafaza (containment) gereksinimini risk analizine ve yerleşim kararına ekleyin.

Kimler okumalı

UPS köprüleme teknolojisi olarak volan ile batarya arasında seçim yapan elektrik tasarımcıları ve enerji depolama uzmanları.

Belgenin bölümleri

1. 1. Giriş
2. 2. Kurulu kapasite
3. 3. Volan enerji depolama sistemlerinin çalışma ilkeleri ve bileşenleri (2.1 Yapı, 2.3 Volan rotorları, 2.4 Volan motorları: asenkron ve kalıcı mıknatıslı, kontrol; 2.5 Volan yatakları: mekanik, manyetik; yatak araştırmaları; 2.6 Güç elektroniği)
4. 4. Volan enerji depolama sistemi uygulamaları (3.1 Güç kalitesi, 3.2 Yüksek kaliteli kesintisiz güç kaynağı, 3.3 Darbe güç kaynağı, 3.4 Enerji geri kazanımı, depolama ve kullanımı, 3.5 Ticari FESS sistemleri ve avantajları)
5. 5. Başarılar, zorluklar, gelecek eğilimler ve vaka çalışması (4.1 Başarılar ve zorluklar, 4.2 Gelecek eğilimler: malzeme ve bileşen optimizasyonu, kontrol sistemleri, kayıp, arıza modları ve muhafaza, güvenlik ve uzun ömür, hibrit sistemler, yapay zekâ tabanlı FESS; 4.3 Vaka çalışması)
6. 6. Sonuçlar

İlgili standartlar

• IEC 62040-3
• IEC 88528-11

Belgeyi okuyun

Yayın bilgileri

Yazarlar

Kai Xu; Youguang Guo; Gang Lei; Jianguo Zhu

Yayıncı

Energies (MDPI AG)

Yıl

2023

Cilt

16

Sayı

18

Sayfalar

6462

Belge dili

İngilizce

Kaynak türü

Bilimsel yayın

Erişim

Açık lisans — indirilebilir

DOI

10.3390/en16186462

Lisans

CC BY 4.0 — atıf vererek paylaşabilirsiniz

Lisans kanıtı

www.mdpi.com

Künye