يعد تخزين الطاقة مهم بمقدار توليدها، لذلك عمدَ العلماء عبر التاريخ على تطوير تقنيات مختلفة لتخزين الطاقة. سنتعرف في مقالنا اليوم على تخزين الطاقة باستخدام دولاب العطالة «Flywheel Energy Storage – FES» الذي يعتمد على الطاقة الميكانيكية.
تاريخ تخزين الطاقة بدولاب العطالة «FES»
اُستخدمَ مبدأ تخزين الطاقة باستخدام دولاب العطالة «Flywheel Energy Storage – FES» والذي يُعرف أيضاً بـ«الحذّافة» منذ مئات السنين في العديد من التطبيقات الميكانيكية، وبدأ استخدامه في السيارات الكهربائية عام 1970، واستمر تطور مبدأ عمله عبر السنين حتى أصبح أحد طرق التخزين المنافسة. وكان هذا التطور بسبب عوامل كثيرة مثل:
- تطور «مركبات الفايبر – Fibre Composite».
- ظهور «المساند المغناطيسية – Magnetic Bearings».
- التطور الهائل في الكترونيات القدرة.
مفهوم نظام تخزين الطاقة باستخدام دولاب العطالة «FES»
تعد الحذّافات أو «دولاب العطالة – Flywheel» أحد طرق تخزين الطاقة التي تتبع لمبدأ حفظ الطاقة، (الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم ولكن تتحول من شكل إلى أخر دون زيادة أو نقصان) حيث يتم تخزين الطاقة في هذا النظام عن طريق تحويلها من طاقة كهربائية إلى طاقة ميكانيكية والاحتفاظ بها بهذا الشكل.
وتتكون الحذّافات بشكل أساسي من:
Image credit: Electric-energy-storage-courses-and-exercises
- نظام قيادة كهربائي يتحكم باتجاه حركة الطاقة (توليد أو تخزين).
- آلة كهربائية تعمل كمولد وكمحرك (عند تدويرها تولّد الكهرباء وعند تغذيتها بالكهرباء تعمل كمحرك).
- دولاب الموازنة.
- حمّالة.
- مساند خاصة (غالباً مغناطيسية).
مبدأ عمل نظام تخزين الطاقة باستخدام «دولاب العطالة – FES»
يتألف أي نظام لتخزين الطاقة من المراحل التالية: الشحن والتخزين والتفريغ.
مرحلة الشحن:
عند وجود فائض في الكهرباء، يتم استخدام الطاقة الكهربائية المولدة من مصادر الطاقة المتجددة في تشغيل الألة الكهربائية بصفتها كمحرك ومع وجود ربط ميكانيكي بين محور دوران المحرك ودولاب العطالة.
يقوم المُحرك بتدوير دولاب العطالة بسرعة عالياً جداً ويحافظ على دورانه بهذه السرعة.
مرحلة التخزين:
يتم تخزين الطاقة ميكانيكياً على شكل عزم «Momentum» حيث يحتفظ دولاب العطالة بدورانه باستخدام مساند عالية الكفاءة ويساعد الأمر وجود الدولاب مجال مفرغ جزئيا من الهواء أو في مجال مملوء بغازات خاملة لتقليل ضياعات الاحتكاك.
مرحلة التفريغ:
عند الحاجة للكهرباء، يتم استخدام سرعة دولاب العطالة وحركته الدورانية لتدوير محور الدوران للألة الكهربائية مما يجعلها تولّد الكهرباء ويتم استخدام هذه الكهرباء لتغذية الأحمال.
المواد المستخدمة ﻓﻲ أنظمة تخزين «Flywheel»
تقسم المواد التي يتم تصنيع الدولاب منها إلى صنفين:
- الصنف الأول:
يمكن أن يصنع «Flywheel» من خلائط متقدمة مثل «ألياف الكربون – Carbon Fiber» و «الجرافيت – Graphite» وتمتلك هذه المواد متانة شدّ عالية بالنسبة لوزنها، والذي يعطي دولاب العطالة القدرة على امتلاك طاقة نوعية عالية.
- الصنف الثاني:
يستخدم الصنف الثاني «الفولاذ – Steel» كمادة أساسية، ويستخدم هذا الصنف في دوائر العطالة التقليدية التي تكون ذات أقطار كبيرة وتدور ببطء وفيها كثافة الطاقة والاستطاعة منخفضة.
بدأ استخدام الدائر الكهرومغناطيسي في دواليب العطالة الحديثة والذي يحقق كثافة استطاعة تخزين عالية قريبة من الصنف الأول مع تكلفة أقل.
المساند المغناطيسية – Magnetic Bearing
تستخدم المساند المغناطيسية في دوائر العطالة لتجنب الاحتكاك الذي يحدث في حالة استخدام المساند الميكانيكية، حيث يكون الاحتكاك عالي والعمر قصير نسبياً خاصة في السرعات العالية.
يمكن استخدام المغانط الدائمة أو المغانط الكهربائية المصنعة من مركبات الكوبلت الخام. كما تعد المساند المصنوعة من الموصلات عالية الناقلية لدرجات الحرارة العالية من أفضل أنوع المساند حيث يمكنها أن تعمل بشكل تلقائي دون الحاجة لتزويدها بالطاقة الكهربائية.
سمات وإيجابيات وسلبيات التخزين بدولاب العطالة «Flywheel»
السمات
- يتميز بقدرته على تخزين كمية كبيرة من الطاقة ضمن حيز صغير نسبياً مقارنتاً بأنظمة التخزين الأخرى.
- دولاب الموازنة خفيف الوزن ويمتلك سعة طاقة عالية.
- يمتلك نظام التخزين بدولاب العطالة كمية محدودة من دورات الشحن/التفريغ ولكنها تفوق عدد دورات الشحن والتفريغ للبطاريات.
الإيجابيات
- ضياعات الدوران منخفضة جداً بفضل السلوك المغناطيسي الذي يمنع الاتصال بين الأجزاء الثابتة والدوارة، وبالتالي تقليل الاحتكاك.
- تنخفض المقاومة الديناميكية الهوائية للجزء الدوار بشكل ملحوظ نظراً لأن النظام يعمل في الفراغ.
- كفاءتها عالية ويمكن أن تتجاوز الـ 80٪.
- يمتلك القدرة على الشحن والتفريغ بسرعة.
- مقاوم للتغيرات في درجات الحرارة إلى حد كبير.
- يحتاج إلى مساحة صغيرة نسبياً.
- يحتاج إلى صيانة بشكل أقل من البطاريات.
- يمتلك فترة حياة طويلة.
- يتميز نظام التخزين بدولاب العطالة، بقدرته على التفريغ العميق لحدٍ عميق دون أن يَقصر عمر النظام أو مشاكل أو ضرر على عكس ما يحدث في أنظمة التخزين بالبطاريات مثلاً.
- تتناسب الطاقة المخزنة طردياً مع عزم دوران «ﺩﻭﻻﺏ ﺍﻟﻌﻁﺎﻟﺔ- Flywheel» ومربع العزم الزاوي، لذا فأن الزيادات في سرعة الدوران تحقق فوائد كبيرة على كثافة طاقة التخزين.
السلبيات
- تكلفته عالية نسبياً.
أمثلة على أنظمة التخزين بدولاب العطالة «FES»
- محطة Hazle Spindle لتخزين الطاقة باستخدام الحذافات (دولاب العطالة) – flywheel بقدرة 20 ميجاواط –في Hazle Township – بنسلفينيا، تم تشغيلها في عام 2013.
Image credit: beaconpower
- محطة Stephentown Spindle لتخزين الطاقة باستخدام الحذافات (دولاب العطالة) – flywheel بقدرة 20 ميجاواط –في نيويورك، تم تشغيلها في عام 2011.
Image credit: beaconpower
- محطة Tyngsboro لتخزين الطاقة باستخدام الحذافات (دولاب العطالة) – flywheel بقدرة 0.5 ميجاواط –في ماساتشوستس, تم تشغيلها في عام 2008.
Image credit: beaconpower
يمكنكم الاطلاع على أنظمة أخرى لتخزين الطاقة هنا
تابعونا على لينكيد إنLinked-in لمعرفة كل جديد في مجال الطاقة المتجددة…
نتمنى لكم يوما مشمساً!
المصدر: beaconpower/ تخزين الطاقة الكهربائية
