การออกแบบการทดลองปัจจัยรูปทรงฟลายวีลของระบบจัดเก็บสะสมพลังงานฟลายวีล
Experimental Design for Shape Factor of Flywheel Rotor with a Flywheel Energy Storage System
Abstract
งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อออกแบบการทดลองรูปทรงฟลายวีลของระบบกักเก็บพลังงานฟลายวีล ระหว่างฟลายวีลขอบหนากับฟลายวีลดิสก์ทรงกรวย โดยเปรียบเทียบจากปัจจัยรูปทรง : K เพื่อเลือกรูปแบบการใช้งานที่ดีที่สุด การออกแบบฟลายวีลจะใช้วัสดุเกรด SS400 และเพลารองรับฟลายวีลใช้วัสดุเกรด S45C จากนั้นนำรูปแบบของฟลายวีลมาจำลองด้วยโปรแกรม Solidwork Simulation และนำไปทดลองด้วยเงื่อนไขในสภาวะแบบไม่มีโหลด ผลการจำลองแสดงให้เห็นว่าค่าความเค้นสูงสุดของฟลายวีลและเพลารองรับฟลายวีลมีค่าต่ำกว่าความต้านทานแรงดึง งานวิจัยได้เปรียบเทียบข้อมูลจากคุณสมบัติทางกลของวัสดุทั้งสองชนิด ค่าความเครียดจะไม่มีผลต่อการเปลี่ยนรูปในขณะทำงาน ระยะการบิดงอสูงสุดอยู่ที่บริเวณขอบด้านบนของฟลายวีลทรงกรวยและฟลายวีลขอบหนาจะมีค่าอยู่ในช่วง 1.020-1.134 มิลลิเมตร และ 0.763-0.848 มิลลิเมตร ตามลำดับ ค่าความปลอดภัยสำหรับฟลายวีลดิสก์ทรงกรวยมีค่าเท่ากับ 1.23 และฟลายวีลขอบหนามีค่าเท่ากับ 1.608 จากผลการทดลองเพื่อพิจารณาปัจจัยด้านเวลาการหมุนของฟลายวีล พบว่า ฟลายวีลดิสก์ทรงกรวยจะมีเวลาในการหมุนอยู่ที่ 180 วินาที และฟลายวีลขอบหนามีเวลาในการหมุนอยู่ที่ 120 วินาที ปัจจัยด้านความเร็ว พบว่าความเร็วในการหมุนที่ช่วงเวลาเดียวกันฟลายวีลดิสก์ทรงกรวยจะมีค่าความเร็วที่สูงกว่า ฟลายวีลขอบหนา ผลการศึกษาพบว่าฟลายวีลดิสก์ทรงกรวยจะมีความเหมาะสมมากที่สุดในการนำไปใช้งาน เนื่องจากมีการกักเก็บพลังงานในระยะยาวได้ดีกว่า ในการวิจัยครั้งต่อไปผู้วิจัยคาดการณ์สำหรับการทดลองที่จะทำให้การหมุนของฟลายวีลดิสก์ทรงกรวยสามารถกักเก็บพลังงานได้นานขึ้นและมีประสิทธิภาพทำงานได้อย่างต่อเนื่อง
This experimental research design aims at the study and design of flywheel shape factors on a flywheel energy storage system between thick rim flywheels and conical disc flywheels, and to compare their K-shape for choosing the best application. To design flywheels, the metal used was SS400 and S45C was selected for a flywheel support shaft. Then, flywheel pattern design and motion was investigated using solidworks modeling. Simulations were implemented under no-load conditions. As results, the von Mises stress of both the flywheels and flywheel support shaft have lower values than the tensile strength. A comparison of mechanical properties of both materials revealed that the stress value will not affect the deformation while working. The highest URES values were at the top edge, and the maximum values of the conical disc flywheel and tick rim flywheel were in the ranges of 1.020–1.134 mm and 0.763–0.848 mm respectively. The safety values of the conical disc flywheel and thick rim flywheel were 1.23 and 1.608 respectively. Taking the time of flywheel energy storage into account, the conical disc flywheel had a time value of 180 s and a thick rim flywheel with a time value of 120 s. Considering the speed factor, the conical disc flywheel has a higher rotational speed than that of the thick rim flywheel at every test time. Conical disc flywheels are ideal for applications because of their long-term energy storage. The researcher assumes for the next experiment that conical disc flywheel rotation can store energy longer with effective continuous performance.
Keywords
[1] Ministry of Energy in Thailand, 2020. [Online]. Available: https://weben.dede.go.th/webmax/
[2] S. Koohi-Fayegh and M. A. Rosen, “A review of energy storage types applications and recent developments,” Journal of Energy Storage, vol. 27, pp. 1–23, 2020.
[3] T. Kousksou, P. Bruel, A. Jamil, T. E. Rhafiki, and Y. Zeraouli, “Energy storage: Applications and challenges,” Solar Energy Mater & Solar Cells, vol. 120, pp. 59–80, 2014.
[4] X. Luo, J. Wang, M. Dooner, and J. Clarke, “Overview of current development in electrical energy storage technologies and the application potential in power system operation,” Applied Energy, vol. 137, pp. 511–536, 2015.
[5] A. A. Khodadoost, H. Karami, G. B. Gharehpetian, and M. S. A. Hejazib, “Review of flywheel energy storage systems structures and applications in power systems and microgrids,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 69, pp. 9–18, 2017.
[6] D. Christopher, and R. Beach, “Flywheel technology development program for aerospace applications,” IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, vol. 13, no. 6, pp. 9–14, 1998.
[7] G. Cimuca, C. Saudemont, B. Robyns, and M. M. Radulescu, “Control and performance evaluation of a flywheel energy-storage system associated to a variable-speed wind generator,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 53, no. 4, pp. 1074–1085, 2006.
[8] H. Zhao, Q. Wu, S. Hu, H. Xu, and C. N. Rasmussen, “Review of energy storage system for wind power integration support,” Applied Energy, vol. 137, pp. 545–553, 2015.
[9] B. Bolund, H. Bernhoff, and M. Leijon, “Flywheel energy and power storage systems, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 11, no. 2, pp. 235–258, 2007.
[10] Y. Li, P. Ji, and J. Yang, “Development of energy storage industry in China : A technical and economic point of review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 49, pp. 805–812, 2015.
[11] N. S. Pearre and L. G. Swan, “Technoeconomic feasibility of grid storage : mapping electrical services and energy storage technologies,” Applied Energy, vol. 137, pp. 501–510, 2015,
[12] L. Jiang, W. Zhang, G. J. Ma, and C. W. Wu, “Shape optimization of energy storage flywheel rotor,” Structural and Multidisciplinary Optimization, vol. 55, no. 2, pp. 739–750, 2017.
[13] P. C. Riccardella and W. H. Bamford, “Reactor coolant pump flywheel over speed evaluation,” Journal of Pressure Vessel Technology, vol. 96, no. 4, pp. 279–285, 1974.
[14] M. Mahmoud, M. Ramadan, A. G. Olabi, K. Pullen, and S. Naher, “A review of mechanical energy storage systems combined with wind and solar applications,” Energy Conversion and Management, vol. 210, pp. 1–14, 2020.
[15] H. Liu and J. Jiang, “Flywheel energy storage an upswing technology for energy sustainability,” Energy and Buildings, vol. 39, no. 5, pp. 599–604, 2007.
[16] A. Dhand and K. Pullen, “Review of flywheel based internal combustion engine hybrid vehicles,” International Journal of Automotive Technology, vol. 14, pp. 797–804, 2013.
[17] V. Kale and M. Secanell, “A comparative study between optimal metal and composite rotors for flywheel energy storage systems,” Energy Reports, vol. 4, pp. 576–585, 2018.
[18] D. Gerada, A. Mebarki, N. L. Brown, C. Gerada, A. Cavagnino, and A. Boglietti, “High-Speed Electrical Machines: Technologies, Trends, and Developments,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 61, no. 6, pp. 2946–2959, 2014.
[19] A. Cansiz, I. Yildizer, E. A. Oral, and Y. Kaya, “An effective noncontact torque mechanism and design considerations for an evershed-type superconducting magnetic bearing system,” IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 24, no. 1, pp. 22–29, 2013.
[20] S. Choudhury, “Flywheel energy storage systems : A critical review on technologies, applications, and future prospects,” International Transactions on Electrical Energy Systems, vol. 31, no. 9, pp. 1–26, 2021.
[21] S. Bankston and C. Mo, “Geometry Modification of Flywheels and its Effect on Energy Storage,” Energy Research Journal, vol. 6, no. 2, pp. 54–63, 2015.
[22] G. Genta, Kinetic Energy Storage: Theory and Practice of Advanced Flywheel Systems, 1st ed. Butterworths, London, 1985, pp. 362.
[23] M. A. Arslan, “Flywheel geometry design for improved energy storage using finite element analysis,” Material and Design, vol. 29, no. 2, pp. 514–518, 2008.
[24] A. G. Olabi, T. Wilberforce, M. A. Abdelkareem, and M. Ramadan, “Critical review of flywheel energy storage system,” Energies, vol. 14, no. 8, pp. 1–23, 2021.
[25] R. Hebner, J. Beno, and A. Walls, “Flywheel batteries come around again,” IEEE Spectrum, vol. 39, no. 4, pp. 46–51, 2002.
[26] G. G. Sotelo, R. D. Andrade, and A. C. Ferreira, “Magnetic bearing sets for a flywheel system,” IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 17, no. 2, pp. 2150–2153, 2007.
[27] F. N. Werfel, U. Floegel-Delor, R. Rothfeld, T. Riedel, B. Goebel, D. Wippich, and P. Schirrmeister, “Superconductor bearings, flywheels and transportation,” Superconductor Science and Technology, vol. 25, no. 1, pp. 1–17, 2012.
[28] M. Ren, Y. Shen, Z. Li, and K. Nonami, “Modeling and control of a flywheel energy storage system using active magnetic bearing for vehicle,” in International Conference on Information Engineering and Computer Science, 2009, pp. 1–5.
[29] G. S. Mousavi, F. Faraji, A. Majazi, and K. Al-Haddad, “A comprehensive review of flywheel energy storage system technology,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 67, pp. 477–490, 2017.
[30] B. Warberger, R. Kaelin, T. Nussbaumer, and J. W. Kolar, “50-N_m/2500-W bearing less motor for High-Purity Pharmaceutical Mixing,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 59, no. 5, pp. 2236–2247, 2012.
[31] L. Chen and W. Hofmann, “Speed regulation technique of one bearing less 8/6 switched reluctance motor with simpler single winding structure,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 59, no. 6, pp. 2592–2600, 2012.
[32] Luoyang Huigong Bearing Technology Co., Ltd. (2014). Double-direction thrust ball bearings. [Online]. Available: https://www.lyhgbearing. com/thrust-ball-bearings/angular-contactthrust- ball-bearings.html
[33] Qualitybearings. (2010). Bearing Load Type. [Online]. Available: https://qualitybearings. wordpress.com/2010/08/31/bearing-load-type
[34] Y. Hana, Z. Ren, and Y. Tong, “General design method of flywheel rotor for energy storage system,” Energy Procedia, vol. 16, pp. 359–364, 2012.
[35] B. Yue, G. Qingjia, L. Haiwen, W. Yihui, and X. Ming, “Design of composite flywheel rotor,” Frontiers of Mechanical Engineering in China, vol. 3, no. 3, pp. 288–292, 2008.
[36] A. C. Ugural and S. K. Fenster, Advanced Mechanics of Materials and Applied Elasticity. 1st ed. Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, 2011, pp. 680.
[37] H. P. Phan and B. H. Ngu, “Undertaking experiments in social sciences: Sequential, multiple time series designs for consideration,” Educational Psychology Review, vol. 29, no. 4, 2016.
DOI: 10.14416/j.kmutnb.2023.02.002
ISSN: 2985-2145
Email this article 
Hide
Show all