Table of Contents
وقد أصبح تخزين الطاقة الكهربائية الميكانيكية في الآونة الأخيرة حجر الزاوية في النظم الحديثة للميكانيكيين، وربطها بشكل لا ينفصم بالمجالات الكهربائية والميكانيكية، مع سرعة ودقة وموثوقية تتطلبها التشغيل الآلي المتقدم، ومن الآلات الآلية المصنعة والمركبات الكهربائية إلى التحكم في المواقع الساتلية، والزوارق الطبية الدقيقة، والقدرة على تخزين الطاقة بصورة مؤقتة في شكل آلي - وهي طاقة حركية في إنتاجية عمودية أو طاقة مضافة.
فيزياء ومبادئ تخزين الكهرباء الميكانيكية
(أ) في صلبها، يحوّل تخزين الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية أو طاقة حركية، ويحتفظ بها حتى الحاجة، ويحدث التحويل عادة بواسطة ملجأ - مثل جهاز حركي أو وحيد - يُحمّل نبعاً، ويُعمّق عجلاً، أو يُزيل عنصراً مرناً، عندما تكون الطاقة لازمة، ويُعيد عنصر الميكانيكي إلى الغلاف الجوي أو يُحدث مباشرةًاًاً.
وعلى عكس البطاريات الكيميائية أو المكثفات، فإن عمليات التخزين الكهروميكانيكية تولد كثافة عالية جداً من الطاقة - وغالباً ما تكون في عشرات الـكيلوواط/كغ - ويمكن أن تطلق الطاقة في الثانية المليمونة، مما يجعلها لا غنى عنها للتطبيقات التي تتطلب سرعة التسارع، أو الاستيعاب الصدمة، أو التسرب في الطاقة القصيرة الأجل، غير أن الطبيعة الميكانيكية تُحدث تحديات:
المنجزات في المواد المركبة والهياكل النانوية
(أ) العوامل الأكثر تأثيراً في التحسن هي اعتماد مواد مركبة متقدمة، حيث إن ربيع الفولاذ التقليدي ومروجات طيور الألومنيوم تفسح المجال أمام البوليمرات المسببة للضغوط المحتوية على مركبات الكربون والمركبة ذات الصبغة السائلة (CFRP) والتي تزيد فيها سرعة التصريف بالزجاج (CFRib) إلى حد كبير.
وبالنسبة لتخزين الطاقة المرنة، فإن محاور تكوين الذاكرة، والسبائك العالية المنحى، تكتسب محركات، ويمكن أن تستعيد أجهزة التجميل مثل النيكل - تيتانيوم (نيتنول) إجهاداً يصل إلى 8 في المائة دون تشوه دائم، ويتجاوز كثيراً الصلب التقليدي في الربيع.() وقد أثبت الباحثون في جامعة مانشيستر [FLT: compact1]
تصنيع العناصر الخزنية
ويمكن أن تؤدي عوامل التصنيع الاصطناعي إلى إحداث ثورة في إنتاج عناصر التخزين الكهروميكانيكية. ويمكن أن تخزن ربيع البطيط المطبعة بصيغة أمثل طاقة مثل الينابيع الصلبة بنصف الوزن، ومن خلال سعة التحلل الضوئي، فإن تركيزات الإجهاد تُسلَّم وتمتد إلى الحياة الدهونية.
Flywheel Systems with Magnetic bearings and Vacuum Enclosures
وقد شهدت تكنولوجيا العجلات النهضة قدرة على الارتطام بعلامات مغناطيسية لا تُستَلَق بها وأجهزة كهربائية متقدمة، وكانت الموصلات المغناطيسية السريعة التي تستخدم مغناطيسات دائمة، مقترنةً بقطع مغناطيسية نشطة، وتعليق العمل بالدوار دون احتكاك أو ارتد، مما يمتد إلى أقل من 0.5 في المائة في الساعة، مما يجعل المصيد المزود بالبطاقات الطويلة الأجل أمراً قابلاً للجودة.
(ب) إن الضواحي المغلقة هي تكنولوجيا أساسية أخرى للرفقة: إذ إن خفض السحب الهوائي إلى ما يقرب من الصفر، ومدة الانتقال من دقائق إلى أيام، مما يعني الاحتفاظ بالطاقة المخزنة إلى لحظة الاصطدام، وتُقدّر الخوارزميات الخاضعة للرقابة غير المُحسنة مواقعها وسرعةها من الإشارات الخلفية التي تصدرها حركة إم إف إف إف إف تي، وتزيل الحساسيات التي من شأنها أن تقلل من الموثوقية.
نظم مراقبة الذكاء وإدارة الطاقة التكيفية
ومن شأن التقدم في مجال البرمجيات غير الكاملة دون استخبارات لتسخيرها، وتدمج أجهزة التخزين الكهربائية الحديثة أجهزة التحكم في الميكروفونات، وأجهزة التعليم الآلي، ونموذجاً للتعلم الآلي من أجل تحقيق الحد الأمثل من دورات الشحن/الشحن في الوقت الحقيقي.
التوائم الرقمية لأغراض الصيانة الافتراضية
:: أصبح التوأم الرقمي جزءا لا يتجزأ من إدارة التخزين الكهروميكانيكي، ويمكن أن يُستخدم نموذج افتراضي لنظام التخزين، يغذيه درجة الحرارة في الوقت الحقيقي، والإجهاد، وبيانات الاهتزاز، في التنبؤ ببقايا الحياة الوظيفية، والاحتفاظ بالجدول الزمني قبل بدء عمليات الشقوق الدهونية، وهو ما يُعتبر قيمة خاصة في الفضاء الجوي حيث لا يمكن استخدام وحدة لأجهزة التخدير الضوئي المركبة.
تطبيقات في النظم الآلية والآلية
In[roidics, the need for high-bandwidth power delivery has driven adoption of series elastic actuators (SEAs) and changing stiffness mechanisms. SEAs place a spring in series with a motor and gear train, enabling force control, shock tolerance, and energy recycling. Recent designs use non-linear springbeer under higher loads, mimicking human tendons.
وقد اعتمدت البطاريات الآلية بشكل متقطع تخزيناً كهربائياً للتبريد التجددي والتعليق النشط، بينما تعمل البطاريات على استعادة الطاقة السائبة، وتلتقط أجهزة تحويل الطاقة الكهربائية ذات القدرة العالية أكثر كفاءة، وتستخدم نظام " فورمولا " لاستعادة الطاقة الكهرومغناطيسية " (Giliconconmo) جهازاً للتشغيل الآلي لاسترداد 400 كيلو متر أثناء التقلبات ونقل الطاقة الكهربائية
التطبيقات الفضائية الجوية والصغيرة الحجم
وفي الفضاء، يُعتبر التخزين الكهروميكانيكي مسألة بقاء، إذ إن التحكم في المواقف الساتلية يعتمد على عجلات الرد والتحكم في فترات التدفق الحراري (CMGs) - التي تُستخدم أساساً في تشغيل نظام للزجاجات الشمسية - الدوارة - الاصطناعية - 15 مركباً - تقلل من كمية الإطلاق - وهو عامل حرج في التلكوب - ستة عجلات تفاعلية مع الموصلات السامة والمتخصصة
وفي نطاق الميكروفون، تعتمد أجهزة القياس المتعددة ومنتجات الطاقة على المنافذ الدقيقة والهياكل المترددة، حيث يُمكن المحصولون من إنتاج الطاقة الكهربائية في مصانع توليد الطاقة الصغيرة باستخدام مطاعم ذاتية، ويمكن أن يوسع فصل الربيع غير الخطي نطاق الترددات، كما يتبين من الباحثين في فورتشنغس تزن في الربيع [FLT:Is-Is).
التحديات والمعمارات الهجينة
ورغم التقدم المحرز، فإن التخزين الكهروميكانيكي يواجه موثوقية أساسية وحواجز حرارية، فالأدوات ذات السرعة العالية تتطلب التبريد المكثف واحتواء الأمان - وهو إخفاق مفجع في إنتاج الطاقة المخزنة في وقت قريب، وتوليد كميات كبيرة من الموانع الواقية من الانبوبية، وترمي المواد المركبة المتقدمة إلى الفشل في الحد الأدنى (العمل على التفتيت) ولكن اختبارات الإجهاد لا تزال تُوزع.
الهندسة المعمارية
:: إن التكرار الواعد في الحدود هو التهوية مع البطاريات أو المكثفات الخارقة، ولا توجد تكنولوجيا واحدة تلبي جميع المطالب: فالبطاريات توفر طاقة عالية ولكنها محدودة؛ وتوفر المركبات الخارقة طاقة عالية ولكنها منخفضة؛ وتخفض القدرة على إحداث الاحتراق في الطاقة وحياة الدورة ولكنها تقلل من القدرة على الاحتفاظ بالطاقة في الأجل الطويل.
الاتجاهات المستقبلية: المواد النووية - العسكرية والتطلعات الأحيائية
وفي المستقبل، فإن تقارب التكنولوجيا النانوية، والتصنيع المضاف، والتطلعات البيولوجية، يبشر بجيل جديد من التخزين الكهروميكانيكي. وقد أظهرت البحوث التي أجريت في مركز الدراسات المتقدمة في مجال السمات المدمجة، وجود تركيزات متداخلة من حيث التركيب الحرفي، وتصل إلى النصف من وزن نفس تخزين الطاقة؛ كما أن كثافة التخزين المرتجلة تسهل التركيزات.
وتكتسب الآليات ذات الفتحة الحيوية من خلال الفتحة، وتخزن ساقها في قطعة من نصف اللونار، وتطلقها بكفاءة غير متطابقة مع المحركات التي يصنعها الإنسان، وتعيد المحركات تكرارها بزمن من الزوايا اللامائية، وتشغلها بترددات حرارية عالية، وتعيد تشغيلها في شكل حرائق آلية متطورة، وتعيد تشغيلها بنسبة 90 في المائة من الطاقة المخربية في إطار جهاز كهرباء مصغر.