W przeciągu ostatniej dekady pojawiło się wiele nowych rozwiązań dotyczących magazynowania energii. Alternatywą dla stosowanych powszechnie baterii akumulatorów są w chwili obecnej zarówno technologie „futurystyczne” jak np. superkondensatory, a także rozwiązania bardziej „historyczne” bazujące na idei – koła zamachowego (z ang. Flywheel). Nowoczesne elektromechaniczne zasobniki energii, to jednak konstrukcje dużo bardziej zaawansowane niż mogłoby się nam wydawać, w obliczu tak prostej zasady działania.

Co rozumiemy pod pojęciem „koło zamachowe”? Otóż jest to element charakteryzujący się dużym momentem bezwładności, który wirując wokół własnej osi jest w stanie zmagazynować nawet znaczne ilości energii kinetycznej.
Po raz pierwszy bezwładność obracającego się elementu w celu podtrzymania ruchu wykorzystano już w epoce neolitu, a później np. w konstrukcji kół garncarskich. Koła zamachowe w klasycznym tego słowa znaczeniu stosowano także w silnikach parowych, a obecnie jest to jeden z podstawowych elementów konstrukcji czterosuwowych silników spalinowych, w których pełni rolę magazynu energii wytworzonej podczas suwu pracy niezbędnej do wykonania suwów pomocniczych.

Wróćmy jednak do zastosowania idei koła zamachowego w systemach zasilania awaryjnego i gwarantowanego. Pierwszym przykładem zastosowania dużej bezwładności w celu zmagazynowania energii niezbędnej do szybkiego uruchomienia silnika spalinowego były konstrukcje tak zwanych zespołów prądotwórczych z krótkotrwałym i zerowym czasem przełączania.

Rozwiązanie to przedstawia poniższy schemat blokowy:

Zespół prądotwórczy z krótkotrwałym czasem przełączania


W normalnym stanie pracy zespołu prądotwórczego z krótkotrwałym czasem przełączania z sieci elektroenergetycznej prócz odbiorów końcowych (przełącznik A zamknięty) zasilany jest także silnik synchroniczny (5), który napędza prądnicę (4) i koło zamachowe (3) – sprzęgło elektromagnetyczne (2) jest rozłączone (prądnica synchroniczna pracuje na biegu jałowym). W momencie zaniku napięcia na szynach rozdzielnicy, następuje zamknięcie sprzęgła, a energia kinetyczna zgromadzona w kole zamachowym o dużej bezwładności powoduje szybki rozruch silnika spalinowego, który z kolei przejmuje napęd prądnicy synchronicznej. Na końcu zamknięty zostaje przełącznik oznaczony jako B (przy czym A zostaje otwarty) i odbiory zasilane są z zespołu prądotwórczego.
W przypadku rozwiązań z tak zwanym zerowym czasem przełączania, odbiory stale zasilane są za pośrednictwem prądnicy synchronicznej, w związku z czym w tej wersji silnik synchroniczny jest maszyną o większej mocy (gdyż nie pracuje już tylko na pokrycie strat mechanicznych prądnicy i koła zamachowego).

Omówione powyżej rozwiązania przyczyniły się do powstania tak zwanych UPS’ów dynamicznych, które również korzystają z idei kół zamachowych, jednak są to już bardziej skomplikowane zasobniki energii, a silnik i prądnica synchroniczna zamienione zostały na jedną maszynę elektryczną, pełniącą również rolę kompensatora synchronicznego (poprawa współczynnika mocy).

Podczas normalnej pracy, gdy parametry sieci zasilającej znajdują się w granicach tolerancji, maszyna elektryczna typu silnik/prądnica napędza elektromechaniczny zasobnik energii o specjalnej konstrukcji (wyposażony np. w dwa „rotory”, zewnętrzny, wiruje z prędkością 3000 obr./min., natomiast wewnętrzny z prędkością 1500 obr./min.). W przypadku zaniku napięcia zmagazynowana energia kinetyczna zamieniana jest na energię mechaniczną w celu napędzenia prądnicy do momentu przejęcia tej funkcji przez silnik spalinowy (a nie jak wcześniej przede wszystkim do przeprowadzenia procedury rozruchowej).

UPS dynamiczny (magazyn synchroniczny)


Rozwój elektroniki spowodował, że wspomniane elektromechaniczne zasobniki energii oparte na zasadzie działania koła zamachowego nie muszą już być instalowane jedynie na wspólnym wale (połączenie mechaniczne) z innymi urządzeniami np. zespołu prądotwórczego – mogą natomiast stanowić samodzielną asynchroniczną maszynę elektryczną (także, z wałem wirnika umieszczonym w pionie), połączoną z innymi urządzeniami elektrycznie za pomocą dwukierunkowych przetwornic częstotliwości, co umożliwia uzyskanie dłuższych czasów potrzymania zasilania i wyższą kontrolę częstotliwości podczas rozładowania zasobnika.

UPS dynamiczny (magazyn asynchroniczny)


Odseparowanie elektromechanicznego zasobnika energii stworzyło możliwość zastosowania tego typu urządzeń jako zamiennik klasycznej baterii akumulatorów podłączanej do magistrali prądu stałego powszechnie znanych zasilaczy UPS.

Obecnie na rynku można spotkać wiele konstrukcji tego typu urządzeń – od najprostszych charakteryzujących się prędkością wirowania równą 3600 obr./min. (stalowy wirnik pozycjonowany jest za pomocą łożysk kulkowych), poprzez zasobniki wirujące z prędkością 4500 i 7700 obr./min. (łożyska kulkowe wspierane są przez tak zwaną poduszkę magnetyczną), aż po rozwiązania wysokoobrotowe (36000 bądź 50000 obr./min., wirnik wykonany z kompozytów, pięcioosiowe aktywne łożyska magnetyczne).

Kolejny artykuł poświęcony będzie porównaniu eksploatacji klasycznej baterii akumulatorów i zasobnika elektromechanicznego.

Dla zainteresowanych:
– „Flywheel Energy Storage An alternative to batteries for uninterruptible power supply systems”, Federal Technology Alert, DOE/EE-0286, 09/2003
– B. Bolund, H. Bernhoff, M. Leijon „Flywheel energy and power storage systems”, Renewable & Sustainable Energy Reviews, 07/2005