Электромеханические накопители энергии: ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ НАКОПИТЕЛЯХ ЭНЕРГИИ – Renewable Energy — Возобновляемая энергетика

Содержание

Renewable Energy — Возобновляемая энергетика

Категория: Накопители энергии,

22 марта 2011

21795

Долгое время механические накопители энергии на базе маховика не находили широкого применения. Этому способствовали не очень высокие показатели эффективности их работы. Но за последние десятилетия за счет внедрения новых технологий ситуация изменилась, и сейчас они находят все большее применение в различных областях, в том числе и в энергетике.

В настоящее время для аккумулирования энергии все еще широко используются различного типа электрохимические накопители, которым присущи свои недостатки, среди которых можно выделить недолговечность. Поэтому очень важно найти альтернативу таким накопителям, которые отвечали бы определенным требованиям – это долговечность, надежность, габариты.

Одним из них может стать механический накопитель на базе маховика, совмещенный с электрической машиной, работающей и как двигатель, и как генератор (электромеханический накопитель).

Электромеханический накопитель энергии VYCON

Такое устройство способно как запасать и хранить механическую энергию, но также и преобразовывать и отдавать ее в форме электрической энергии для дальнейшего использования. Запасается, как правило, кинетическая энергия вращательного движения маховика, который при заряде электромеханического накопителя раскручивается от источника механической энергии. При разряде запасенная механическая энергия преобразуется в электрическую с помощью электродвигателя, работающего в режиме генератора. Получается, что электромеханический накопитель состоит из трех конструктивно объединенных частей – маховика, электродвигателя и генератора.

Преимущество электромеханических накопителей заключаются в высокой экологичности и долговечности, простоте технического обслуживания, и самой высокой удельной мощности из всех типов аккумуляторов энергии.

Устройства механического накопителя совмещенного с электрической машиной, начали изучаться с конца 70-х годов ХХ века. За это время появились сверхпрочные и легкие материалы, повысились характеристики постоянных магнитов, магнитных подшипников, электроники. Это приводит к тому, что современные механические накопители обладают большой энергоемкостью и способностью быстро отдавать запас энергии. Использование этих технологий позволяет внедрять электромеханические накопители в различные устройства.

Согласно исследованиям, проведенных в Ливерморской лаборатории, современные электромеханические накопители энергии обладают существенным преимуществом над другими видами систем аккумулирования в эффективности восстановления энергии (кВтч на разряд по отношению кВтч на заряд). КПД в них превышает 95%, что значительно лучше, чем любая свинцово-кислотная батарея. Удельная величина запасенной энергии при этом может достигать 5-10 кВт, что в несколько десятков раз выше, чем у электрохимических батарей.

Сравнительные характеристики КПД некоторых типов накопителей.

Основные преимущества механических накопителей, использующих в своей конструкции маховик, можно выделить:

— высокая удельная мощность;
— высокая удельная плотность запасенной энергии;
— отсутствие влияния циклов заряда-разрядов на срок эксплуатации, длительный срок эксплуатации махового колеса;

— не требуется периодическое обслуживание;
— масштабируемость;
— низкое воздействие на окружающую среду.

В таблице приведены значения удельного энергосодержания некоторых современных накопителей энергии:

Накопитель энергии	Удельное энергосодержание, Вт•час/кг
Электрические конденсаторы	до 5
Кислотно-свинцовые аккумуляторы	40
Никелевые металл-гидридные аккумуляторы	80
Жидкий азот	100-200
Литые стальные маховики	До 15
Супермаховики из углепластиков, стальных лент	100-200

Как видно из таблицы, применяя современные технологии, среди которых прочные и легкие материалы, магнитные подшипники, можно добиться серьезных значений удельного энергосодержания у механический накопителей.

В настоящее время уже есть коммерческие применения механических накопителей энергии в космических технологиях, в автотранспорте, в источниках бесперебойного питания (UPS), транспорте, в системах повышения качества электрической сети, в системах автономного электроснабжения.

Для автотранспорта механические накопители разрабатываются оптимизации силовой установки и рекуперации энергии. Потребность в этом назрела уже давно, но была во многом ограничена. С одной стороны это было ограничено большими капиталовложениями, а с другой – недостаточным технологическим уровнем развития экологически чистых и достаточно емких накопителей и рекуператоров энергии.

KERS
Электромеханический накопитель, разработанный для применения в Формуле-1

Особый интерес вызывает применение электромеханических накопителей для систем автономного электроснабжения. Известно, что общей особенностью возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра и солнца, является их неустойчивость по величине и по времени. Так ветровой поток характеризуется неустойчивостью по направлению и скорости, что может привести, например, к краткосрочным колебаниям параметров электрического тока. То же самое наблюдается и в солнечной энергетике, которая связана с изменениями дня и ночи, а также влиянием погодных условий.

Поэтому имеет смысл накопить энергию в период ее выработки, и затем использовать для непрерывной ее подачи потребителю, когда выработка не осуществляется. Особенно это актуально для систем автономного электроснабжения, которые позволяют обеспечить потребителей электрическим током там, где это затруднено обычным способом через общую электрическую сеть.

Принцип действия такой схемы следующий. Избыточная электроэнергия подается на электродвигатель, который раскручивает маховик, в котором запасается энергия. После того, как потребитель восстановил способность утилизировать получаемую электроэнергию, генератор преобразовывает энергию вращения обратно в электроэнергию. Если учесть, что современные электродвигатели и генераторы обладают высоким КПД, а потери при использовании современных технологий и материалов в конструкции накопителя минимальны, можно сделать вывод, что использование электродинамического накопителя в связке производитель-потребитель в автономных энергосистемах является перспективным решением.

На следующем рисунке приведена схема системы автономного электроснабжения, разработанная компанией ENERCON (Германия), в которой в качестве промежуточных звеньев установлены дизель-генератор, аккумуляторная батарея, а также механический накопитель энергии.

Схема системы автономного электроснабжения от Enercon

Для улучшения параметра электрического тока может служить система на базе контроллера Distribution Static Synchronous Compensator (DSTATCOM), совмещенного с электромеханическим накопителем. Система позволяет смягчить колебания напряжения и мощности от различных энергогенерирующих систем, в том числе и от ветроэлектрических установок.

DSTATCOM

Как показано на рисунке, применение такого устройства в системе позволяет улучшить параметры электрического тока.

На следующем рисунке показан промышленный механический накопитель POWERBRIDGE 1100 кВт/4,6 кВт компании Piller, служащий промежуточным звеном при переходе потребителя большой мощности от сетевого питания к дизель-генератору. Его масса равна 6000 кг, скорость вращения 1800-3600 об/мин.

Механический накопитель POWERBRIDGE

На следующем рисунке показан механический накопитель 300 Вт, который может работать на скоростях до 40000об/мин. В его конструкции используются магнитные подшипники на сверхпроводниках, для чего требуется система охлаждения.

Механический накопитель на магнитных подшипника

Обладая высокой удельной мощностью, механические накопители способны быстро передавать и запасать энергию, что способствует их дальнейшему внедрению.

Ссылки:
Lawrence Livermore National Laboratory

Дорош Игорь, RE

Добавить комментарий

Гравитационные накопители энергии / Habr

В Tehachapi (Калифорния) есть странная железная дорога: когда дует ветер, вагончик въезжает в гору, а когда стихает — скатывается вниз.

Технология ARES служит для аккумулирования энергии от источников периодического действия — солнечных и ветряных электростанций.

Когда выработка энергии высока (ветер дует, солнце светит), вагоны с помощью электродвигателей заезжают в гору — накапливают потенциальную энергию. Если выработка энергии падает, а потребление растет (вечер — ветер стих, солнце скрылось), вагоны скатываются, двигатели при этом работают в режиме генератора и отдают электроэнергию в сеть.

Обычно для этих целей используют воду (см. ГАЭС), но в условиях Калифорнии это не очень удобно из-за дефицита воды.

Пишут, что эффективность системы составляет 86%. И добавляют, что у системы
— более низкая стоимость жизненного цикла, чем батарей;
— более быстрая реакция, чем у ГАЭС; да и вода не требуется, что актуально для засушливых районов.

Описанная пилотная горка построена рядом с парком ветрогенераторов.
Экспериментальная тележка (5670 кг, колея 381 мм):

В планах у компании постройка по соседству в Неваде системы с объемом запасаемой энергии 12,5 мегаватт-часов.

Планируется, что это будет однопутная дорога длиной 8 км с уклоном 6,6%. Для нее потребуется 17 сцепок, каждая из которых включает 2 локомотива массой по 220 тонн и 2 вагона с бетонными блоками массой по 150 тонн.

Кинетический Накопитель Энергии |НПК ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Обзор существующих технологий накопления электроэнергии

В настоящее время проблема эффективного использования электрической энергии является актуальной задачей для всех сфер деятельности. Одним из путей повышения эффективности энергопользования может стать применение систем, аккумулирующих энергию генератора и выдающие ее в сеть по мере такой необходимости. Современные системы накопителей энергии способны решить различные задачи хранения и преобразования энергии, реализации оптимальных режимов работы оборудования, питания потребителей с нестандартными параметрами.

Среди ключевых функций накопителей можно выделить:

Способность выравнивания графиков нагрузки в сети;
Реализация системной надежности потребителей;
Обеспечение бесперебойного питания особо важных объектов, собственных нужд электростанций и подстанций;
Сглаживание колебаний мощности, стабилизации работы малоинерционных систем распределенной генерации.

Накопители электрической энергии в будущем станут важнейшим элементом интеллектуальных (активно-адаптивных) сетей нового поколения, без которых невозможен дальнейший качественный рост экономики.

Основные типы накопителей:

В настоящее время существует множество различных классификаций накопителей электрической энергии. Однако, с практической точки зрения, наиболее точной представляется классификация накопителей на электрохимические и физические. Первые – преобразуют электрическую энергию в химическую энергию веществ, вторые – в механическую энергию.

К электрохимическим накопителям энергии относятся:

аккумуляторные батареи;
накопители энергии на основе молекулярных конденсаторов.

К физическим накопителям электроэнергии относятся два вида комплексов:

гравитационные накопители энергии (ГАЭС);
кинетические накопители энергии (маховики).

Электрохимические накопители энергии

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Данная электрохимическая система является одной из самых распространенных среди аккумуляторов в виду своей дешевизны, отработанной технологии производства и большому опыту эксплуатации. В свинцово-кислотных аккумуляторных батареях ( далее СКА) электролитом является раствор серной кислоты, активным веществом положительных пластин – двуокись свинца РbО2, отрицательных пластин – губчатый свинец Рb.

Свинцово-кислотные аккумуляторы достаточно широко распространены, однако, наряду с достоинствами, обладают и существенными недостатками – малой энергоемкостью (на уровне 10–30 Вт·ч/кг), малым количеством циклов заряд/разряд и низкой допустимой глубиной разряда у большинства их разновидностей.

В настоящее время доступны аккумуляторы с улучшенными ресурсными характеристиками, достигающими 3000 циклов при глубине разряда 50 %. Однако и цена таких аккумуляторов выше, чем у стандартных систем.

Никель-кадмиевые аккумуляторы

Никель-кадмиевые аккумуляторы также известны достаточно давно. Принцип действия основан на формировании гидроокиси кадмия на аноде и гидроокиси никеля – на катоде. Их энергоемкость почти в два раза выше, чем у СКА, они работоспособны при низких температурах, при этом допустимые токи заряда и разряда также существенно выше. Эти достоинства позволили никель-кадмиевым аккумуляторам найти широкое применение на транспорте, в авиации и стационарных системах, несмотря на то, что они более дороги.

Однако, никель-кадмиевым аккумуляторам присущ такой недостаток как эффект памяти – их энергоемкость резко падает при не полном разряде или заряде, для ее восстановления требуются специальные алгоритмы заряда. Также они наиболее критичны из всех типов электрохимических аккумуляторов к точному соблюдению требований по правильной эксплуатации.

Натрий-серные аккумуляторы

Энергоемкость данной системы может достигать 925 Вт·ч/кг, однако в реальности достигнуты гораздо меньшие цифры, 100–150 Вт·ч/кг. Есть ряд существенных нюансов – электролит в данной системе керамический, что обуславливает высокую рабочую температуру аккумулятора (290–360 °С).

Сегодня достигнутые на практике ресурсные характеристики натрий-серных аккумуляторов демонстрируют значения от 2000 до 4000 циклов при глубине разряда до 80-90 %. Наибольших успехов в разработке и производстве высокотемпературных аккумуляторов достигла японская компания NGK Insulators LTD.

Несмотря на неспособность хранить запасенную энергию в течение длительного времени (вся она будет израсходована на поддержание рабочей температуры электролитов), натрий-серные аккумуляторы оказались востребованы для регулирования графиков выдачи мощности и поддержания частоты переменного тока в крупных сетях Японии и США, как для возобновляемой, так и централизованной энергетики. Отсутствие дорогостоящих материалов привело к тому, что стоимость запасенной энергии для данной системы находится на уровне СКА.

Литий-ионные аккумуляторы.

Для данного типа аккумуляторов характерны высокая энергоемкость, глубокие циклы заряда разряда (70–80 %), отсутствие эффекта памяти. В то же время ресурс и стоимость таких аккумуляторов зависят от типа электрохимических систем, применяемых на катоде и аноде, а также от температуры и режимов эксплуатации.

Основной причиной незначительного распространения данного типа аккумуляторных батарей стала их взрывоопасность. Вероятность короткого замыкания и взрыва ограничивала применение литий-ионных аккумуляторов большого размера – например, в масштабах, необходимых для питания электротранспорта или применения в качестве сетевых накопителей энергии, где нужны тысячи киловатт-часов энергии.

Новое поколение данных аккумуляторных батарей, использующих ферро-фосфат лития (LiFePO4) в качестве катодного материала появилось лишь в 2003 году. . Ферро-фосфат лития оказался очень удачным материалом для использования в аккумуляторах. Он способен отдать практически весь накопленный литий, оставаясь устойчивым. При этом сохраняется главное свойство литий-ионных аккумуляторов – большая удельная емкость.

Суперконденсаторы.

Суперконденсатор представляет собой импульсное электрохимическое устройство, предназначенное для компенсации быстрых переходных процессов в различных электрических схемах. От аккумуляторов различных типов он отличается существенно меньшей энергоемкостью (единицы Вт·ч/кг) и повышенной удельной мощностью (2–10 кВт/кг). Процесс запасания энергии в суперконденсаторах осуществляется за счет разделения заряда на двух электродах с достаточно большой разностью потенциалов между ними.

Так как химических превращений веществ в процессе работы суперконденсатора не происходит (если не допускать превышения зарядных напряжений), ресурс системы достаточно велик и может превышать 100 000 циклов заряда разряда. Учитывая вышеупомянутые особенности суперконденсаторов, целесообразно их использование в гибридных схемах с аккумуляторами. В этом случае суперконденсатор реагирует на короткие пики генерации или потребления электроэнергии, увеличивая ресурс аккумулятора и снижая время отклика всей системы на внешние воздействия.

Стоит отметить, что все представленные электрохимические накопители энергии (кроме Суперконденсаторов) имеют общие существенные недостатки, в т.ч.:

Высокая удельная стоимость систем.
Необходимость соблюдения регламента зарядки/разрядки.
Специальные экологические требования к размещению и утилизации.
Необходимость регулярного обслуживания и проверки системы.
Ограниченный цикл заряда/разряда.
Невозможность реагировать на короткие всплески потребления (кроме суперконденсаторов).

Накопители энергии на основе молекулярных конденсаторов

Молекулярные накопители являются новым продуктом в сфере накопителей и в настоящее время проходят стадию создания и испытания опытных образцов.

Среди данного класса накопителей практическое применение в настоящее время нашёл лишь Сверпроводниковый Индуктивный Накопитель Энергии (СПИНЭ) небольшой энергоемкости (до 106 Дж.).

При этом промышленное внедрение СПИНЭ станет возможным лишь после разработки и создания СПИНЭ на базе высокотемпературных сверхпроводников.

СПИНЭ могут находить применение в электроэнергетике как одно из эффективных средств повышения режимной надежности и устойчивости электроэнергетических систем. При этом выделяются такие свойства индуктивных накопителей, как быстродействие, высокий КПД, возможность полной автоматизации ввода и вывода энергии, большая удельная энергоемкость, регулирование активной и реактивной мощности.

Ожидается, что к 2016-2020 гг. на базе СПИНЭ будут созданы недорогие системы хранения энергии достаточной энергоемкости, но пока технические решения по ним все еще в стадии разработки.

Физические накопители электроэнергии

Среди физических накопителей электроэнергии, получивших практическое применение в энергетике можно выделить накопители, использующие естественную гравитацию – к ним относятся Гидроаккумулирующие станции (ГАЭС) и накопители, использующие кинетическую энергию вращения маховика – так называемые накопители кинетической энергии (НКЭ).

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).

ГАЭС являются одной из самых ранних технологий запасания больших объемов энергии. Основными факторами, определяющими возможность постройки ГАЭС, её максимальную емкость и стоимость, являются особенности рельефа местности, а также необходимость затопления значительных территорий.

Применение ГАЭС может оказаться эффективным в том случае, когда регулируется работа не одной электростанции на основе традиционных технологий или возобновляемых источников энергии, а более крупной энергосистемы, как например энергосеть крупного мегаполиса.

Строительство ГАЭС осуществляется в мире уже более 100 лет. Первая ГАЭС — Леттем (Швейцария), мощностью около 100 кВт, была введена в эксплуатацию в 1882 году. Сейчас общее количество ГАЭС в мире составляет более 460 станций, а их суммарная мощность превышает 300 млн. киловатт.

Гидроаккумулирующая электростанция является уникальным гидроэнергетическим сооружением, посредством которого удается аккумулировать (запасать) электрическую энергию, возвращая её в энергосистему по мере необходимости. В часы, когда в энергосистеме избыток электрической энергии, (преимущественно — ночью), гидроагрегаты ГАЭС работают в качестве насосов и, потребляя дешевую избыточную электроэнергию, перекачивают воду из нижнего бассейна в верхний аккумулирующий бассейн на высоту несколько десятков или сотен метров. В часы, когда в энергосистеме образуется дефицит генерирующей мощности, преимущественно — в утренние и вечерние часы, гидроагрегаты ГАЭС работают в качестве генераторов и превращают энергию потока воды — в электрическую. Она поступает в объединенную систему.

Учитывая высокую маневренность гидроэнергетического оборудования, число пусков обратимых гидроагрегатов ГАЭС, в отличие от обычных ГЭС, достигает нескольких сот (500-700) в месяц, а иногда составляет около 30 пусков в сутки.

На сегодняшний день в России таких станций всего 2: Загорская ГАЭС в Подмосковье и Ставропольская ГАЭС на трассе Большого Ставропольского канала (БСК).

Основным предназначением Загорской ГАЭС является автоматическое регулирование частоты и перетоков мощности, а также покрытие суточных пиковых нагрузок в Московской и Центральной энергосистемах.

Первая очередь Загорской ГАЭС мощностью 1200 МВт была построена в 1980—2003 годах, с 2007 года ведётся строительство второй очереди мощностью 840 МВт.

1-ая и 2-ая очередь Загорской ГАЭС способны лишь частично компенсировать дефицит маневренной регулирующей мощности в Центральном регионе России, которая сейчас составляет более 3,0 млн. кВт, в том числе в Москве и Московской области — около 2 млн. кВт.

Существенными недостатками ГАЭС являются:

Малая удельная энергоемкость,
низкий КПД,
высокие требования к месту установки,
необходимость существенного вмешательства в экологию района,
чрезвычайно высокая удельная стоимость строительства

(свыше 2 000 долл. за 1 кв. электрической мощности).

Накопители кинетической энергии (НКЭ)

Среди физических накопителей энергии на сегодняшний день наиболее перспективными являются агрегаты, работающие на принципе накопления кинетической энергии во вращающихся маховиках. Такие установки носят название накопителей кинетической энергии (НКЭ).

В качестве вращающегося и накапливающего энергию элемента могут быть использованы классические (монолитные) маховики или более современные и перспективные супермаховики. Супермаховик – это маховик высокой удельной энергоемкости, изготовленный методом навивки с натягом на упругий центр материалов с высокой одноосной прочностью – проволок, лент, волокон со связкой (склейкой). Эксплуатируется супермаховик не в воздушной среде, а в среде с пониженными сопротивлениями вращению, например вакууме.

В мире получило распространение применение модулей НКЭ, состоящих из нескольких агрегатов, для резервирования питания ответственных потребителей электроэнергии (таких как медицинские центры, банковские хранилища, атомные объекты и т.д.), а также для чистотного регулирования и сглаживания графика нагрузок в сети.

Накопители кинетической энергии имеют ряд преимуществ перед вышеуказанными системами электрохимических и физических накопителей. Их отличает:

высокая удельная объемная энергоемкость;
высокая, недостижимая другими накопителями, удельная мощность;
разрыво- и взрывобезопасность. Экологическая безопасность;
не требуется специальных защитных сооружений для установки;
возможность работы в широком температурном диапазоне -40 — +80;
простота эксплуатации и обслуживания;
срок эксплуатации свыше 20 лет.

Сравнительная характеристика представленных накопителей энергии представлена ниже:

Параметры \ накопители	НКЭ на основе супермаховика	Супер Конденсаторы (ионисторы)	Аккумуляторы с жидким электролитом	Натрий-серные (горячие) аккумулятор
Удельная мощность (без сопутствующих устройств), Вт/кг	>10000	>1000	80-200	150
Удельная массовая энергоемкость(без сопутствующих устройств), Вт-ч/кг. Удельная объемная энергоемкость(без сопутствующих устройств), Вт-ч/куб. дм.	15-300 60-550	10-30 15-45	20-100 30-150	200 300
Срок службы, лет	> 20	< 15	До 10 000 циклов	До 4 000 Циклов
Удельная стоимость стр-ва,( долл. США за 1 кВтч)	800 — 1200	1450	3500	2500
Удельная стоимость обслуживания, ( долл. США за 1 кВт в год)	80	85	800	600

Как показывает сравнительная таблица, Накопители кинетической энергии (НКЭ) являются наиболее «гибкими» системами, отличающимися высокими эксплуатационными характеристиками, при этом обладающие самым низким удельным показателем стоимости строительства и обслуживания.

В большинстве случаев, накопители кинетической энергии (НКЭ), могут стать экономичным и выгодным решением, замещающим использование электрохимических систем накопления.

Восстановление АКБ с гарантией на срок службы

Механические батареи

Чем больше мобильных устройств появляется в мире, чем дешевле становятся электромобили ? тем выше потребность в портативных накопителях энергии. И пока одни инженеры совершенствуют электрохимические батареи, другие считают, что будущее ? за накопителями совершенно иного типа. Механическими.

Быстро вращающийся на оси диск ? маховик ? сохраняет энергию в своем движении. Это, наверное, одно из древнейших устройств, известных человечеству. Во всяком случае, каменный диск гончары использовали уже много тысяч лет назад: при достаточной тяжести он смягчал неравномерность вращения, которое придавали ему ногой. Похожее устройство используется и в современных автомобилях, сглаживая рывки от движения поршней двигателя.

^{Маховик фабричной стационарной паровой машины}

Однако даже современные технологии далеко не исчерпывают всех возможностей маховика. Теория предсказывает, что при достаточно быстром вращении он может накапливать очень внушительное количество кинетической энергии, которую легко не только наращивать, но и использовать, превратив маховик в электромеханический аккумулятор.

По расчетам, емкость такой батареи будет исключительно высокой. Классический кислотно-свинцовый аккумулятор способен накапливать до 30-40 Вт*ч на килограмм собственного веса, а электромеханический ? до 100-130 Вт*ч/кг. При этом маховик способен и набирать, и отдавать эту энергию на любой скорости, в том числе ? очень быстро ? не разрушаясь и не повреждаясь. Вдобавок, они почти нечувствительны к экстремальным температурам, а срок их жизни может составлять не годы, а десятки лет.

^{Маховик со старой фабрики}

Так что вряд ли удивительно, что если широкой публике электромеханические накопители еще не знакомы, и военные, и крупные компании весьма серьезно присматриваются к их возможностям и перспективам. В электросетях они способны сглаживать скачки напряжения, позволят эффективно хранить большие резервы энергии. В технологию вкладывается и NASA: пара противоположно вращающихся маховиков позволит создать уникальное устройство, которое способно не только накапливать, хранить и отдавать энергию, но и будет работать в качестве гироскопа.

Впрочем, самые большие перспективы от использования маховиков ждут в области автомобильного транспорта. Здесь вращающиеся накопители смотрятся совершенно естественно ? и более того, подобные средства передвижения создавались уже десятки лет назад. В Швейцарии и Бельгии в 1950-х годах курсировали автобусы Gyrobus, в которых использовался 3-тонный стальной маховик, связанный с бесшумным электромотором. На заряжающей станции маховик разгонялся до 3000 об./мин, а в поездке работал как ротор генератора электроэнергии для двигателя. «Зарядка» занимала от 30 сек до 3 мин, и до следующей станции Gyrobus мог проехать более 10 км на скорости до 60 км/ч.

^{Gyrobus G3 — единственный в мире сохранившийся гиробус}

К сожалению, эксперимент был признан неудачным: закрепленный на стандартном автобусном шасси мощный маховик быстро разрушал его. Изрядная часть энергии терялась при вибрациях и трении, заставляя водителей заезжать на станции для подзарядки слишком часто. Словом, Gyrobus оказался совершенно неоправдан экономически.

^{Моторное отделение гиробуса. Справа виден трtхфазный двигатель, ниже него — картер маховика}

С тех пор практически все инженерно-технические проблемы, от которых страдал Gyrobus, решены. Например, сегодня имеются подходы, позволяющие в разы снизить вес маховика. Принцип простой: чем больше масса тела ? тем больше энергии в его вращении можно накопить. Но эта емкость растет с массой линейно, зато со скоростью вращения ? пропорционально ее квадрату (в соответствии с известной формулой расчета кинетической энергии). Современные материалы ? прочнее и легче стали ? позволяют разогнать его до нужных скоростей. Маховик из углеволокна может накопить в 20 раз больше энергии, чем стальной той же массы.

Современные маховики вращаются в воздухе, а то и в вакуумной камере, подвешенные системой электромагнитов, что позволяет почти полностью избавиться от потерь энергии на трение. В некоторых лабораторных установках экспериментальные системы после раскручивания сохраняли энергию, вращаясь месяцами и даже годами. Немудрено, что уже в 1990-е стали появляться новые прототипы электромобилей «на механической тяге».

^{Маховик на тракторе Landini VL30}

^{©Sp?th Chr}

Система, предложенная тогда разработчиками US Flywheel Systems, использовала углепластиковый, левитирующий в магнитном поле маховик, вращающийся в вакууме на скорости до 100 тыс. об./мин ? все это весило меньше 50 кг и стабильно выдавало на двигатель 20 л.с. 16 таких батарей инженеры вмонтировали в автомобиль обычных размеров, обеспечив его 800 л.с. и пробегом до 500 км без подзарядки. К сожалению, развернуть проект во что-либо массовое, авторам не удалось.

В самом деле, проекты автомобилей на электромеханической тяге сталкиваются со множеством сложностей и сегодня. Например, до сих пор крайне трудно добиться стабильности вращения подвешенного в вакууме маховика при тряске и в движении. Магнитные «подвески» должны моментально реагировать на каждое сотрясение, торможение или разгон, удерживая маховик в нужном положении.

Другую проблему представляет гироскопический эффект, из-за которого вращающийся ротор сопротивляется изменению ориентации своей оси. Иначе говоря, тяжелый маховик будет довольно успешно мешать автомобилю повернуть даже в положенном месте. Отдельные опасения вызывает безопасность. Автомобиль, подобный тому, что предлагала US Flywheel Systems, несет «на борту» кинетической энергии не меньше мчащегося танка, и при разрушении вся она будет моментально высвобождена. Кстати, уже в процессе разработки электромеханических батарей, несмотря на то, что они так и не дошли до массового пользователя, это стало причиной не одной смерти.

Стоит сказать, что инженеры смотрят в будущее таких систем с оптимизмом. Ни одна из перечисленных проблем не выглядит нерешаемой. Магнитные «подвески» быстро совершенствуются, с гироскопическим эффектом есть способы бороться (например, сочетая пары маховиков с противоположными направлениями вращения), над вопросами безопасности тоже можно поработать. Одним словом, чтобы маховики вошли в нашу жизнь и сделали ее еще немного лучше, нужно то же, что и для любой другой технологии: заинтересованность, финансирование, человеческая изобретательность и какое-то время.

К сожалению, не со всеми этими пунктами у маховиков в порядке. Автомобильные гиганты так и не решились финансировать подобные проекты в полном объеме, и их разработчики ? такие как US Flywheel Systems ? либо свернули деятельность, либо переключились на системы для выполнения задач космонавтики и электроэнергетики. Это переключение, впрочем, наверняка позволит набрать опыта и создать решения, на которые «клюнут» и автогиганты. В конце концов, в современном мире, требующем отхода от углеводородов в качестве основного источника энергии, выбор у них не так велик.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Скопировать ссылку
Электромеханический накопитель энергии в сети переменного тока

ОП ИСАЙИ Е
ИЗОБРЕТЕН ИЯ
Союз Советским
С6циалистическим
Республик
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-вувЂ” (122) Заявлено 24.10.77 (21) 2535870/24-07 с присоединением заявки №вЂ” (23) ПриоритетвЂ”
Опубликовано 05.03.80. Бюллетень № 9 (51) М. Клз.
Н02 JЗ/00
Н02 Х 15/00
Государственный комитет
СССР ио делам изобретений и открытий (53) УДК 621.313.
33:621.316. .728 (088.8) Дата опубликования описания 15.03.80 (72) . Автор изобретения
В. И. Плесков
I (71) Заявитель Горьковский политехнический институт им. А. А. Жданова (54) ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЛ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ
В СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Изобретение относится к устройствам для аккумулирования энергии в автономных электростанциях переменного тока и может найти применение на дизель-электрических и тепловых электростанциях средней мощности, на экскаваторах, кранах, автомобилях, маневровых судах и тепловозах с электродвижением для снятия пиковых нагрузок и полезного использования энергии, теряемой в сопротивлениях роторной цепи при пуске, торможении, регулирования скорости асинхройных приводов повторно-кратковременного режима работы.
Известен электромеханический аккумулятор энергий в составе маховика и синхронной машины (CM) со статическим преобразователем частоты в цепи статора, обеспечивающим согласование переменной частоты CM и стабильной частоты сети. СМ pat ботает двигателем при зарядке маховика и переводится в генераторный режим при отдаче энергии накопителя в питающую сеть (1j.
Недостатком этого накопителя является сложность реверсивного преобразователя частоты и повышенные потери энергии, так как через преобразователь частоты проходит вся энергия накопителя.
Известен электромеханический накопитель энергии в составе синхронной машины и двухскоростной электромагнитной муфты (2).
Недостатком системы является отсутствие плавного регулирования частоты и применение электромагнитной муфты сложной конструкции.
Ближайшим по своей технической сущности является электромеханический аккумулятор энергии в составе маховика и асинхронной машины с короткозамкнутым ротором (3j где аккумулятор получает энергию во время стоянок машины из сети при рабо1 те асинхронной машины двигателем, а в режиме генератора отдает энергию тяговым двигателям.
Недостатком известной установки является невозможность использования ее для обмена энергии между генератором накопи20 теля и сетью. Короткозамкнутая машина в двигательном режиме может разогнать маховик только до подсинхронной скорости, а этого недостаточно для генераторного режи720620
j ма асинхронной машины при возврате энер= гии накопителя в сеть переменного тока постоянной частоты. Кроме того, при вращении короткозамкнутой машины со скоростью выше синхронной невозможно полезное исполь «»»»» зойание энергии скольжения, что отрицатель:— — —но сказывается на КПД установки.
Целью изобретения является передача » энергии в сеть переменного тока и повышение КПД.
Эта цель достиГнута в электромеханическом накопителе энергии в сети переменного тока, содержащем асинхронную машину с маховиком на ее валу.
Новым в устройстве является то, что асин «»хронная-машина выполнена с фазным ротором, а накопитель снабжен роторной и сетевой группами вентилей с блоками импульсно-фазового управления и блоками управления, переключающим блоком, блоком сравнения; реверсором, тахогенератором, датчиком активного тока нагрузки сети и источником задающего напряжения, причем ре- aepcop включен между асинхронной машиной и сетью, управляющий вход реверсора подключен к импульсному выходу переключающего блока, вход которого соединен с выходом блока сравнения, один вход которого подключен к тахогенератору, который ус»тайовлен на валу асинхронной машины, а второй вЂ” к источнику задающего напряжения, переключающие выходы переключающего блока соединены с одними входами блоков управления, другие входы каждого из которых соединены с выходом датчика активного тока нагрузки сети, а выходы блоков управления соединены со входами соответствующих блоков импульсно-фазового управления групп вентилей.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена схема электроустанОьки с электромеханическим накопителем энергии. Схема содержит дизель 1, генератор 2, асинхронную машину 3 с маховиком 4 на валу, роторную группу вентилей 5 и сетевую группу вентилей 6. Асинхронная машина 3 подключена к сети через реверсор 7.
Тахогенератор 8 установлен на валу асинхронной машины. Один вход блока сравнения 9 подключен к тахогенератору, второйвЂ” к источнику задающего напряжения. Выход блока 9 соединен со входом переключающего блока 10, переключающие выходы которого соединены со входами блоков управления 11 и 12, выходы которых подключены соответственно ко входам блоков импульснофазового управления 13 и 14. Ко вторым входам блоков управления подключен выход датчика активного тока нагрузки 15, который установлен в цепи статора генератора
2, 16 вЂ” датчик напряжения генератора 2, 17 вЂ” блок возбуждения этого генератора, 18 вЂ” нагрузка сети переменного тока.
Устройство работает следующим образом.
Накопитель получает активную мощность от автономной электростанции в составе дизеля 1 и синхронного генератора 2 и в процессе рекуперативного торможения электроприводов механизмов, входящих в состав нагрузки 18. Источником реактивной мощности является синхронный генератор 2. Стабилизация напряжения сети при резких колебаниях нагрузки осуществляется форси4 ровкой возбуждения синхронного генератора
2 по сигналу датчика напряжения 16, действующего на систему возбуждения синхрон-, ного генератора 17.
Накопитель отдает энергию при возрастании нагрузки 18 до величины превышающей мощность дизель-генератора.
Двигательный режим при сд & ee S )1 характеризуется вращением против поля асинхронной машины 3.
26 и ного тока. зф зз
4s
so
Разгон накопителя от нуля до (1,2вЂ”
1,4) сор (вц вЂ” синхронная скорость) происходит в режиме двойного питания асинхронной машины 3. Сетевая группа вентилей 6 работает выпрямителем, а роторная группа вентилей 5 инвертором. Активная мощность
Рз s поступает из сети через вентильный преобразователь, часть ее в количестве Ps X
X (s вЂ” 1) расходуется на разгон маховика, а вторая часть Рз возвращается через статор асинхронной машины 3 в сеть переменЗадающее напряжение Vs (источник задающего напряжения на чертеже не показан) и напряжение обратной связи по скорости сравниваются в блоке сравнения 9 и их разность поступает на вход переключающего блока 10 представляющего собой триггер с двумя устойчивыми состояниями. При
V s (VT переключающий блок 10 включает реверсор 7 в направлении вращения асинхронной машины 3 против поля статора. Одновременно от блока 10 поступает сигнал на управляющий блок 11, который через блок импульсно-фазового управления (БИФУ) 13 устанавливает угол управления для перевода роторной группы вентилей 5 в инверторный режим. Сигнал от блока 10 поступает также на блок управления 12, который посредством БИФУ 14 обеспечивает открывание вентилей сетевой группы в режиме выпрямления. Сигнал от датчика активного тока 15 при разгоне накопителя против поля статора исключается.
Двигательный режим при ai )coo, s (О характеризуется вращением асинхронной машины 3 по полю.
При частоте вращения накопителя превышающей синхронную скорость о 0 асинхронной машины 3 реверсор 7, по сигналу тахогенератора 8 (Чт )V s), переключается.
Направление вращения машины 3 сохраня720620
5 ется, но она переводится в двигательный режим при двойном питании и работе по полю.
Сетевая группа вентилей 6 продолжает работать выпрямителем, а роторная 5 инвертором. Активная мощность поступает к накопителю из сети через статор и ротор асинхронной машины 3.
Генераторный режим асинхронной машины 3 при О»ао, s (О.
При возрастании нагрузки синхронного генератора 2 сверх установленного значения асинхронная машина 3 переводится в гене- se раторный режим. Для этого управляющий блок 11 по сигналу датчика активного тока
15 переводит посредством БИФУ 13 роторную группу вентилей 5 в выпрямительный режим, а по тому же сигналу датчика 15 управляющий блок 12 и БИФУ 14 переводят сетевую группу 6 в инверторный режим.
Кинетическая энергия накопителя передается через статор и ротор асинхронной машины 3 в питающую сеть в соответствии с зависимостью э ю
Р3 (1 вЂ” (-s) ) = Рз (1+ s).
Использование устройства обеспечивает по сравнению с известными следующие преимущества:
1. Использование асинхронной машины с фазным ротором позволяет вращать маховик накопителя с частотой вращения в 1,5вЂ”
2,5 раза превышающей синхронную скорость, что позволяет аккумулировать энергию при оптимальных габаритах накопителя, т. к. кинетическая энергия вращающихся масс З4 пропорциональна квадрату скорости, 2. Позволяет осуществить плавный переход агрегата из двигательного режима в генераторный и обратно при неизменной частоте питающей сети.
3. Возможность параллельной работы асинхронной машины накопителя в генераторном режиме и синхронного генератора без специальных устройств синхронизации при скорости асинхронного генератора меняющейся в широких пределах. о
4. Позволяет выбирать приводной двигатель автономного генератора по средней мощности и использовать его на оптимальном режиме.
Формула изобретения
Электромеханический накопитель энергии в сети переменного тока, содержащий асинхронную машину с маховиком на ее валу, отличающийся тем, что, с целью передачи энергии в сеть переменного тока и повышения КПД, асинхронная машина выполнена с фазным ротором, а накопитель снабжен роторной и сетевой группами вентилей с блоками импульсно-фазового управления и блоками управления, переключающим блоком, блоком сравнения, реверсором, тахогенератором, датчиком активного тока нагрузки сети и источником задающего напряжения, причем реверсор включен между асинхронной машиной и сетью, управляющий вход реверсора подключен к импульсному выходу переключающего блока, вход которого соединен с выходом блока сравнения, один вход которого подключен к тахогенератору, который установлен на валу асинхронной машины, а второй с источником задающего напряжения, переключающие выходы переключающего блока соединены с одними входами блоков управления, другие входы каждого из которых соединены с выходом датчика активного тока нагрузки сети, а выходы блоков управления соединены со входами соответствующих блоков импульсно-фазового управления групп вентилей.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Акцептованная заявка Японии № 49-30404, кл. 55 С 222, 1974.
2. Акцептованная заявка Франции № 2198684, кл. Н 02 Р, 1975.
3, Гейлер Л. Б. Основы электропривода, Минск, «Высшая школа». 1972, с. 238.
720620
Составитель К. Фотина
Редактор Е. Кравцова Техред К. Шуфрич Корректор М. Демчик
Заказ 10239 44 Тираж 783 Подписное
ЦН И И ПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, )К вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5 филиал П ПП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Маховичный накопитель | Журнал Популярная Механика
Сегодня ученые со всего мира безуспешно пытаются создать недорогой, легкий, компактный и невероятно емкий аккумулятор. А между тем такой накопитель энергии уже существует.
Мир электроники и электричества наступает! Милые поклонникам механики устройства все чаще уступают место машинам с электромоторами и электронными схемами. Однако мир будущего станет более механическим! Так считает профессор Нурбей Гулиа. За последние десятилетия механические накопители энергии заметно прибавили в энергоемкости, и именно их, по мнению ученого, будут использовать во многих устройствах вместо привычных электрохимических аккумуляторов.
Пружина, резина, конденсатор…
Во всем мире вряд ли найдется человек, который посвятил себя разработке маховичных накопителей энергии в большей мере, чем Нурбей Гулиа. Ведь делом своей жизни изобретатель начал заниматься в 15 лет. Тогда советский школьник Нурбей решил изобрести «энергетическую капсулу» — так он назвал накопитель энергии, который должен был стать столь же энергоемким, как бак с бензином, но при этом копить в себе абсолютно безвредную для человека энергию. Первым делом любознательный школьник опробовал аккумуляторы различных типов. Одним из самых безнадежных вариантов оказался пружинный накопитель. Чтобы обычный легковой автомобиль проехал с таким аккумулятором 100 км пути, последний должен был весить 50 т.
От маховиков к супермаховикам В качестве накопителей энергии маховики применяют уже несколько столетий, однако качественный скачок в области их энергоемкости произошел только в 1960-е году, когда были созданы первые супермаховики. 1. Супермаховик в работе Супермаховик выглядит, как обычный, но внешняя его часть свита из прочной стальной ленты. Витки ленты обычно склеены между собой. 2. Супермаховик после разрыва Если разрыв обычного маховика разрушителен, то в случае супермаховика лента прижимается к корпусу и автоматически затормаживает накопитель — все совершенно безопасно.
Резиновый аккумулятор показался куда перспективней: накопитель с зарядом на 100 км мог весить «всего» 900 кг. Заинтересовавшись, Нурбей даже разработал резиноаккумулятор инновационной конструкции для привода детской коляски. Один из прохожих, очарованный самоходной коляской, посоветовал разработчику подать заявку в Комитет по изобретениям и даже помог ее составить. Так Гулиа получил первое авторское свидетельство на изобретение.
Вскоре резину сменил сжатый воздух. И опять Нурбей разработал инновационное устройство — относительно компактный гидрогазовый аккумулятор. Однако, как выяснилось в ходе работы над ним, при использовании сжатого газа энергетический «потолок» был невысок. Но изобретатель не сдался: вскоре им был построен пневмокар с подогревом воздуха горелками. Эта машина получила высокую оценку у его друзей, но по своим возможностям была еще далека от того, чтобы конкурировать с автомобилем.

Маховики на транспорте можно использовать как в качестве аккумуляторов энергии, так и в виде гироскопов. На фотографии изображен маховичный концепт-кар Ford Gyron (1961), а впервые гиро-кар был построен в 1914 году русским инженером Петром Шиловским.
Особенно тщательно будущий профессор отнесся к проработке варианта «электрической капсулы». Нурбей оценил возможности конденсаторов, электромагнитов и, разумеется, собрал всю возможную информацию об электрохимических аккумуляторах. Был даже построен электромобиль. В качестве аккумулятора для него конструктор использовал батарею МАЗа. Однако возможности тогдашних электрохимических аккумуляторов Гулиа не впечатлили, не было и оснований ожидать, что в области энергоемкости произойдет прорыв. Поэтому из всех накопителей энергии наиболее перспективными Нурбею Владимировичу показались механические аккумуляторы в виде маховиков, несмотря на то что в то время они ощутимо проигрывали электрохимическим накопителям. Тогдашние маховики, даже сделанные из самой лучшей стали, в пределе могли накопить только 30−50 кДж на 1 кг массы. Если раскручивать их быстрее, они разрывались, приводя в негодность все вокруг. Даже свинцово-кислотные аккумуляторы с энергоемкостью 64 кДж/кг смотрелись на их фоне крайне выигрышно, а щелочные аккумуляторы с плотностью энергии 110 кДж/кг были вне конкуренции. Кроме того, уже тогда существовали страшно дорогие серебряно-цинковые аккумуляторы: по удельной емкости (540 кДж/кг) они примерно соответствовали самым емким на сегодня литий-ионным аккумуляторам. Но Гулиа сделал ставку на столь далекий от совершенства маховик…
Маховик на миллион
Чем выше частота вращения маховика, тем сильнее его частицы «растягивают» диск, пытаясь его разорвать. Поскольку разрыв маховика дело страшное, конструкторам приходится закладывать высокий запас прочности. В результате на практике энергоемкость маховика раза в три ниже возможной, и в начале 1960-х годов самые совершенные маховики могли запасать всего 10−15 кДж энергии на 1 кг. Если же применить более устойчивые к разрыву материалы, прочность маховика станет выше, но такой скоростной маховик становится опасным. Получается порочный круг: прочность материала возрастает, а предельная энергоемкость увеличивается незначительно. Нурбей Гулиа поставил своей задачей вырваться из этого замкнутого круга, и в один памятный день он испытал момент внезапного прояснения. На глаза изобретателю попался тросик, свитый из проволок, — такие обычно применяют в тренажерах для подъема тяжестей. Тросик был примечателен тем, что обладал высокой прочностью и никогда не рвался сразу. Именно этих качеств и не хватало тогдашним маховикам.
Накопитель Сегодня благодаря высокой энергоемкости супермаховики применяют во многих областях — от применения в спутниках связи в качестве аккумулятора энергии до использования в электростанциях для повышения их КПД. На схеме изображен маховичный накопитель, который применяют на американских электростанциях для повышения их КПД. Потери энергии в супермаховиках составляют всего 2% — это достигается, в том числе, за счет того, что он вращается в вакуумном кожухе на магнитных подшипниках.
Ученый принялся за работу: сначала поэкспериментировал с тросом, скатав из него маховик, а потом заменил проволочки тонкой стальной лентой такой же прочности — ее намотка была плотнее, а для надежности можно было склеить витки ленты между собой. Разрыв такого маховика уже не представлял опасности: при превышении предельной скорости первой должна была оторваться наиболее нагруженная внешняя лента. Она прижимается к корпусу и автоматически затормаживает маховик — никаких несчастных случаев, а оторванную ленту можно приклеить снова.
Первое испытание, когда ленточный маховик Гулиа раскручивался от скоростного электромотора пылесоса, прошло успешно. Маховик вышел на максимальную частоту вращения без разрыва. А затем, когда ученому удалось испытать этот маховик на специальном разгонном стенде, выяснилось, что разрыв наступал только при скорости обода почти 500 м/c или плотности энергии около 100 кДж/кг. Изобретение Гулиа в несколько раз превзошло по плотности энергии самые передовые на то время маховики и оставило позади свинцово-кислотные аккумуляторы.
Механический гибрид Гулиа (1966) Это возможно первый в мире гибридный автомобиль. Его передние колеса приводились от ДВС, тогда как задние от вариатора и маховика. Такой опытный образец оказался вдвое экономичней, чем УАЗ-450Д.
В мае 1964 года Гулиа первым в мире подал заявку на изобретение супермаховика, но из-за бюрократизма советской патентной системы получил необходимый документ только через 20 лет, когда срок его действия уже истек. Но приоритет изобретения за СССР сохранился. Жил бы ученый на Западе — давно бы стал мультимиллионером.
Через какое-то время после Гулиа супермаховик изобрели и на Западе, и спустя годы ему находят множество применений. В разных странах разрабатываются проекты маховичных машин. Американские специалисты создают беспилотный вертолет, в котором вместо двигателя используют супермаховики. Отправляют супермаховики и в космос. Там для них особенно благоприятная среда: в космическом вакууме нет аэродинамического сопротивления, а невесомость устраняет нагрузки на подшипники. Поэтому на некоторых спутниках связи применяются супермаховичные накопители — они долговечнее электрохимических аккумуляторов и могут долгое время снабжать аппаратуру спутника энергией. Недавно в США стали рассматривать возможность применения супермаховиков в качестве источников бесперебойного питания для зданий. Там уже работают электростанции, которые во время пика потребления энергии увеличивают мощность за счет маховичных накопителей, а при спаде, обычно в ночное время, направляют избытки энергии на раскручивание маховиков. В итоге у электростанции значительно повышается КПД работы. Кроме того, потери энергии в супермаховиках составляют всего 2% — это меньше, чем у любых других накопителей энергии.
Профессор Гулиа тоже времени зря не терял: создал очень удобную маховичную дрель, разработал первый в мире гибридный маховичный автомобиль на базе УАЗ-450Д — он оказался вдвое экономичней обычной машины. Но главное — профессор постоянно совершенствует разные элементы своей маховичной концепции, чтобы сделать ее по-настоящему конкурентоспособной.
Чудо-махомобили
Можно ли вывести супермаховик на уровень самых емких аккумуляторов? Оказывается, это не проблема. Если вместо стали использовать более прочные материалы, то пропорционально вырастет и энергоемкость. Причем, в отличие от электрохимических аккумуляторов, здесь практически нет потолка.
Супермаховик из кевлара на испытаниях при той же массе накапливал в четыре раза больше энергии, чем стальной. Супермаховик, навитый из углеволокна, может в 20−30 раз превзойти стальной по плотности энергии, а если использовать для его изготовления, например, алмазное волокно, то накопитель приобретет фантастическую энергоемкость — 15 МДж/кг. Но и это не предел: сегодня с помощью нанотехнологий на основе углерода создаются волокна фантастической прочности. «Если из такого материала навить супермаховик, — рассказывает профессор, — плотность энергии может достичь 2500−3500 МДж/кг. А значит, 150-килограммовый супермаховик из такого материала способен обеспечить легковому автомобилю пробег в два с лишним миллиона километров с одной прокрутки — больше, чем может выдержать шасси машины».
Маховичные машины Если объединить в одну схему супермаховик и супервариатор расход привычного автомобиля можно снизить ниже 2 л/100 км, считает Нурбей Гулиа. На фото приведена схема работы маховичной машины на топливных элементах, справа автомобиля с ДВС.
За счет того что супермаховик вращается в вакууме, а его ось закреплена в магнитной подвеске, сопротивление при вращении оказывается минимальным. Возможно, такой супермаховик может крутиться до остановки многие месяцы. Однако машина, способная работать в течение всего срока службы без заправок, пока еще не изобретена. Мощности современных электростанций определенно не хватит для зарядки таких серийных чудо-махомобилей.
Но именно автотранспорт, считает профессор, самая подходящая сфера применения супермаховиков. И показатели машин проекта Гулиа, на которых он планирует использовать супермаховики, не менее удивительные. По оценке ученого, «здоровый» расход топлива у бензинового автомобиля должен составлять примерно 1,5 л на 100 км, а у дизельного — 1,2 л.
Как такое возможно? «В энергетике есть неписаный закон: при одинаковых капиталовложениях всегда более экономичен привод, в котором нет преобразований видов и форм энергии, — поясняет профессор. — Двигатель выделяет энергию в виде вращения, и ведущие колеса автомобиля потребляют эту энергию тоже в виде вращения. Значит, не надо преобразовывать энергию двигателя в электрическую и обратно, достаточно передавать ее от двигателя к колесам через механический привод».
Таким образом, механический гибрид оказывается максимально энергосберегающим и, как уверяет ученый, в условиях города снижает расход топлива в три раза! Применение супермаховика, который запасает огромное количество энергии от двигателя, а затем практически без потерь отправляет ее на колеса через супервариатор (см. «ПМ», № 3’2006), позволяет снизить размер и мощность двигателя. Двигатель же в проекте ученого работает только в оптимальном режиме, когда его КПД наиболее высок, поэтому-то «суперавтомобиль» Гулиа столь экономичен. Имеется у профессора и проект использования топливных элементов с супермаховиком. У топливных элементов КПД в пределе может быть почти вдвое выше, чем у ДВС, и составляет около 70%.
«Но почему же при всех достоинствах такой схемы она пока не используется на автомобилях?» — задаем мы очевидный вопрос. «Для такой машины был необходим супервариатор, а он появился сравнительно недавно и сейчас только начинает производиться, — объясняет профессор Гулиа. — Так что такой автомобиль на подходе». Нашему журналу приятно сознавать, что если такой автомобиль появится, то в этом будет и наша заслуга. После того как в «Популярной механике» появилась статья о супервариаторе Гулиа, этим проектом сразу заинтересовались производители приводной техники, и сейчас профессор занимается созданием и совершенствованием своего супервариатора. А значит, стоит надеяться, что ждать суперавтомобиля осталось недолго…
Супермаховик — Википедия
Супермахови́к — один из типов маховика, предназначенный для накопления механической энергии. По сравнению с обычными маховиками, способен сохранять больше кинетической энергии.
За счёт конструктивных особенностей способен хранить до 500 Вт·ч (1,8 МДж) на килограмм массы^[1]. В частности, в 1964 году советский инженер Н. В. Гулиа заявил авторские права на одну из конструкций, которой и дал название «супермаховик».
Современный супермаховик представляет собой барабан, изготовленный из композитных материалов, например, намотанный из тонких витков стальной, пластичной ленты, стекловолокна или углеродных композитов. За счёт этого обеспечивается высокая прочность на разрыв и безопасность эксплуатации. При физическом разрушении супермаховик не разлетается на крупные части, как обычный маховик, а разрушается частично; при этом отделившиеся части тормозят барабан и предотвращают дальнейшее разрушение. Для уменьшения потерь на трение супермаховик помещается в вакуумированный кожух. Зачастую используется магнитный подвес.
Законченный вид супермаховик принимает тогда, когда он способен запасать и отдавать энергию. Для этого создаётся мотор-генератор, где статором является барабан, а ротором — ось, вокруг которой он вращается. Таким образом, при подключении в сеть он будет запасать энергию, а при подключении нагрузки — отдавать. КПД этого преобразования достигает 98 %^[2].
Маховики как буферные устройства начали использоваться ещё во времена неолита, например, в устройстве гончарного круга^[3]. В XX веке маховик претерпел ряд конструктивных изменений, позволявшим ему запасать энергию на значительное время. Так, например, в 1950-х годах вакуумированные маховики использовались в экспериментальном общественном транспорте, в частности испытывались гиробусы^[4].
Преимущества и недостатки супермаховика[править | править код]
Супермаховик сочетает в себе долговечность и умеренную цену, безопасен^[5] при разрушении, его КПД очень велик. Недостатком супермаховиков является гироскопический эффект, обусловленный большим моментом импульса вращающегося маховика и препятствующий изменению направления оси вращения маховика. Для исключения этого нежелательного эффекта при применении маховиков в качестве накопителей энергии на транспортных средствах можно применить подвеску маховика в кардановом подвесе, но это существенно усложняет конструкцию.
Дополнительным недостатком супермаховика является отсутствие отработанной простой трансмиссии, позволяющей использовать его на транспорте. В настоящий момент проводятся эксперименты по передаче энергии вращения супермаховика на колёса транспортного средства посредством супервариатора. Перспективным также является использование вакуумного супермаховика на магнитной подвеске в качестве источника электроэнергии для шаговых электродвигателей.
Еще одним недостатком супермаховика является его высокая пожароопасность. Если произойдёт разрушение супермаховика, то возникнет сила трения между разрушающимся маховиком и его корпусом. Так как супермаховик запас огромное количество кинетической энергии, при торможении эта энергия будет переходить в тепло. Количество выделившегося тепла в относительно короткий промежуток времени может быть настолько значительным, что может привести к воспламенению механизма или транспортного средства.
Н. В. Гулиа в первую очередь собирался применить супермаховик как накопитель энергии для автомобилей и даже построил несколько образцов такого транспорта.
Однако последние успешные достижения относятся к другим областям. Компания Beacon Power, основанная в США в 1997 году, сделала существенный шаг, разработав серию больших стационарных супермаховиков для применения в промышленных энергосетях. Супермаховики производства Beacon Power способны запасать энергию в 6 и 25 кВт⋅ч в зависимости от модели и мощность в 2 и 200 кВт соответственно.
Американская компания рассчитывает продавать их местным компаниям, а также сама оказывать услугу «регулирования частоты». Строительство регулирующей электростанции на супермаховиках мощностью 20 МВт началось в конце 2009 года^[6]. Поскольку энергосистема США существует в условиях наличия множества местных поставщиков энергии и открытого энергетического рынка, необходимость регулирования мощности создает немало проблем, которые компания надеется решить: запасание «лишней» энергии, когда потребление снижается; восполнение недостатков во время пиков потребления; регулирование частоты тока.
Под научным руководством Н. В. Гулиа российская компания Kinetic Power^[7] создала собственную версию стационарных накопителей кинетической энергии на базе супермаховика. Один такой накопитель способен запасать энергию до 100 кВт⋅ч и обеспечивать мощность до 300 кВт. В условиях российского рынка кластер из нескольких таких накопителей способен обеспечивать выравнивание суточной неоднородности электрической нагрузки целого региона, заменяя собой дорогостоящие и громоздкие гидроаккумулирующие электростанции.
Несмотря на то, что автомобили, питающиеся от маховиков, не получили широкого распространения, транспорт остаётся одной из наиболее привлекательных отраслей применения супермаховиков. В частности, речь идёт о железнодорожном транспорте. При торможении как пассажирского, так и грузового состава впустую тратится огромное количество энергии. Супермаховик, подключённый к одной электрической сети с составом, способен улавливать и запасать энергию торможения, а позже выдавать её в сеть для разгона состава. Спасённая таким образом энергия позволит снизить потребление на 30 %.^{[источник не указан 453 дня]}
Помимо этого, супермаховики могут быть использованы для обеспечения бесперебойного питания^[8] объектов высших уровней ответственности. Свойства супермаховика обеспечивают отклик устройства на уровне сотых долей секунды, позволяя ни на секунду не прерывать подачу электроэнергии.
↑ Гулиа Н. В. Супермаховики — из суперкарбона! // Изобретатель — рационализатор : журнал. — 2005. — № 12 (672). Архивировано 5 марта 2016 года.
↑ Леонид Попов. Вращающаяся армия бережёт 60 герц стабильного электричества (неопр.). Membrana.ru (30 августа 2006). Дата обращения 20 июня 2014.
↑ Lynn White, Jr., «Theophilus Redivivus», Technology and Culture, Vol. 5, No. 2. (Spring, 1964), Review, pp. 224—233 (233).
↑ Alternative Energy Storage Methods including supercapacitors, flywheel batteries, compressed air storage, springs, pumped storage, nuclear batteries and superconducting magnet…
↑ Гулиа Н. В. Накопители энергии. — М.: Наука, 1980. — 150 с.
↑ Beacon Breaks Ground on 20-MW Flywheel Storage Plant.
↑ Kinetic Power (неопр.) (недоступная ссылка). www.kinetic-power.com. Дата обращения 28 февраля 2016. Архивировано 18 января 2016 года.
↑ Kinetic Power (неопр.) (недоступная ссылка). www.kinetic-power.com. Дата обращения 28 февраля 2016. Архивировано 5 марта 2016 года.