Маховичный накопитель энергии: Маховичный накопитель кинетической энергии – Основные средства

Маховичный накопитель энергии

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в различных отраслях промышленности, в частности в энергетике.

Известен маховичный накопитель энергии с горизонтальной осью вращения, содержащий вал, опоры качения, по меньшей мере два маховика, связанных с валом (RU, U1, №121885).

Это устройство включает маховик, состоящий, по крайней мере, из одного диска со сквозным отверстием, опоры в виде подшипников качения, и выходной вал. При этом часть корпуса заведена в виде трубы в сквозное центральное отверстие в маховике. Между цилиндрической стенкой отверстия и трубой корпуса расположены в ряд опоры качения. Выходной вал выполнен проходящим сквозь трубу корпуса и герметичное уплотнение между валом и корпусом.

Недостатком этого устройства является несимметричность опорного узла — трубы, изгибная жесткость которого сильно меняется по длине, что может вызвать вредные прецессионные процессы в устройстве при вращении маховика, а также то, что часть подшипников выполнена с вращающимися внешними кольцами, что снижает долговечность опор.

Этот недостаток устранен в маховичном накопителе энергии, содержащем вал, опоры качения, по меньшей мере два маховика, связанных с валом (RU, U1, №121882).

Это устройство включает маховик, зафиксированный в корпусе на подшипниках, с выводом валов по обе стороны корпуса. Подшипники в устройстве расположены между внутренней цилиндрической поверхностью отверстия в центре маховика и внешней цилиндрической поверхностью двух трубчатых деталей корпуса, введенных с зазором между их торцами с двух сторон в отверстие маховика. Вывод вращения от маховика выполнен через кинематическую связь середины внутренней поверхности отверстия в центре маховика с валом, проходящим с зазором внутри трубчатых частей корпуса и выходящим по обе стороны торцов корпуса маховика.

В этом устройстве опоры-подшипники расположены симметрично относительно маховика, что устраняет склонность к прецессии маховика, однако опорой подшипников являются неподвижные отрезки трубы, соединенные с корпусом, на которые опираются внутренние кольца подшипников, что снижает их долговечность.

Помимо этих недостатков в описанных устройствах при вращении маховика с высокой рабочей скоростью ступица маховика имеет упругое удлинение больше, чем неподвижные отрезки трубы, соединенные с корпусом, на которых на подшипниках посажена ступица маховика. Это вызывает нарушение центрирования маховика относительно опор, что приводит к сильному дисбалансу и вибрациям.

Известно устройство, в котором нарушение центрирования вращающихся деталей устраняется посадкой на конуса, сидящие на валу. Это устройство, применяемое в авиации, описано в книге П.И. Орлова, Основы конструирования, М., Машиностроение, 1977, книга 1, стр. 390, схема «Л».

Однако в этом источнике информации нет описания устройства, обеспечивающего постоянный прижим внешних конических поверхностей конусов к внутренним коническим поверхностям тел вращения (в заявляемом техническом решении к ступицам маховиков) при упругих деформациях как в окружном, так и радиальном направлениях. Этот недостаток не позволяет использовать это известное техническое решение для заявленного маховичного накопителя энергии.

Решаемая изобретением задача — улучшение технико-эксплуатационных характеристик.

Технический результат, который получен при выполнении заявленного изобретения, — повышение рабочей частоты вращения и надежности за счет улучшения центрирования при окружном, радиальном и осевом удлинении ступицы маховика при высокой частоте вращения.

Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в заявляемом маховичном накопителе энергии, содержащем вал, опоры качения, по меньшей мере два маховика, связанных с валом, согласно полезной модели опоры качения установлены в области противоположных концов вала, введены конические втулки, которые установлены на наружной поверхности вала между опорами качения с возможностью их осевого перемещения и подпружинены между собой. В устройстве маховики снабжены ступицами, внутренняя поверхность которых, обращенная к наружным коническим поверхностям конических втулок, выполнена соответствующей им с возможностью скольжения друг по другу внешних и внутренних конических поверхностей при увеличении диаметра ступицы маховика под действием центробежных сил при вращении. Угол схождения конусов упомянутых конических поверхностей выполнен больше угла самоторможения. Введены стержни и фланцы, стержни размещены в отверстиях ступиц с возможностью стягивания ступиц. Фланцы закреплены на валу между опорами качения, а стержни пропущены через отверстия в них с радиальным зазором с возможностью передачи крутящего момента от фланцев маховикам.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:

— были введены крышки, установленные на наружной поверхности фланцев, и штифты, прикрепляющие фланцы к валу, при этом стержни были пропущены через соосные отверстия во фланцах и крышках с одинаковым радиальным зазором;

— стержни были размещены в отверстиях ступиц с возможностью стягивания ступиц посредством гаек, установленных на наружных поверхностях крышек;

— конические втулки были подпружинены параллельно вдоль оси вала цилиндрическими пружинами сжатия, расположенных в несквозных отверстиях, выполненных в конических втулках.

Вышеописанные признаки изобретения являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, достаточных для достижения технического результата, заключающегося, в частности, в повышении частоты вращения и надежности работы устройства.

Указанные преимущества изобретения, а также его особенности, поясняются с помощью варианта его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 изображено схематично продольное сечение маховичного накопителя энергии.

На фиг. 2 изображен вид А на фиг. 1 (центральная часть в состоянии покоя или вращающаяся на низкой частоте вращения).

На фиг. 3 — то же, что фиг. 2, (центральная часть при высокой частоте вращения маховиков).

На фиг. 4 представлена изометрия сечения конической втулки с отверстиями под пружины.

Маховичный накопитель энергии (фиг. 1, 2) содержит вал 1, опоры 2 качения, по меньшей мере, два маховика 3, связанных с валом 1. Опоры 2 качения установлены в области противоположных концов вала 1. Введены конические втулки 4 (фиг. 2), которые установлены на наружной поверхности вала 1 между опорами 2 качения с возможностью их осевого перемещения и подпружинены между собой. В устройстве маховики 3 снабжены ступицами 5, внутренняя поверхность которых, обращенная к наружным коническим поверхностям конических втулок 4, выполнена соответствующей им с возможностью скольжения друг по другу внешних и внутренних конических поверхностей при увеличении диаметра ступицы 5 маховика под действием центробежных сил при высокой частоте вращения. Угол схождения конусов упомянутых конических поверхностей выполнен больше угла самоторможения. В устройство введены стержни 6 (шпильки) и фланцы 7 (фиг. 1, 2). Стержни 6 размещены в отверстиях ступиц 5 с возможностью стягивания их. Фланцы 7 закреплены на валу 1 между опорами 2 качения, а стержни 6 пропущены через отверстия в них с радиальным зазором 8 (фиг. 2) с возможностью передачи крутящего момента от фланцев 7 маховикам 3.

В устройстве могут быть использованы крышки 9, установленные на наружной поверхности фланцев 7, и штифты 10, прикрепляющие фланцы 7 к валу 1, при этом стержни 6 пропущены через соосные отверстия во фланцах 7 и крышках 9 с одинаковым радиальным зазором 8 (фиг. 2).

Стержни 6 могут быть размещены в отверстиях ступиц 5 с возможностью их стягивания посредством гаек 11, установленных на наружных поверхностях крышек 9.

Конические втулки 3 подпружинены параллельно вдоль оси вала 1 цилиндрическими пружинами 12 сжатия, расположенными в несквозных отверстиях 13, выполненных в конических втулках 3 (фиг. 2, 4).

На фиг. 1 также показаны: ленточная навивка 14, упругий элемент 15 маховика 3 кольцеобразной формы, вакуумированный корпус 16 с ребрами жесткости 17.

Работает маховичный накопитель энергии (фиг. 1, 2) следующим образом.

На вал 1 свободно по скользящей посадке насажены конические втулки 4 (центрирующие), контактирующие со ступицами 5 маховиков 3. В конических втулках 4 предусмотрены несквозные отверстия 13 (фиг. 4), в которые устанавливаются упругие элементы — цилиндрические пружины 12 сжатия (фиг. 2). Конические втулки 4 выполнены с углом конуса, большим угла самоторможения, для их свободного осевого перемещения при радиальных деформациях конических поверхностей ступиц 5, в которых они посажены. Для передачи крутящего момента между маховиками 3 и валом 1 предусмотрены стержни 6, расположенные продольно. Маховики 3 установлены в ступицах 5, стянутых между собой и маховиками 3 гайками 11 на стержнях 6. Также для передачи крутящего момента служат фланцы 7, установленные на валу 1 и также зажатые гайками 11. Между валом 1 и фланцем 7 устанавливается штифт 10, закрытый крышкой 9, предохраняющей штифт 10 от выпадения при быстром вращении вала 1.

При вращении маховиков 3 для компенсации упругого удлинения материала маховиков 3 из-за центробежных сил предусмотрены радиальные зазоры 8 для компенсации ограниченного симметричного радиального перемещения стержней 6, жестко связанных со ступицами 5 маховиков 3. Указанное радиальное перемещение весьма мало и составляет десятитысячные доли от диаметра маховика 3, что существенно не влияет на конструкцию всего устройства. При этом вал 1, на котором посажены маховики 3, практически не увеличивается в диаметре из-за малых напряжений в нем при вращении, что обусловлено малым его диаметром.

Маховики 3 могут быть выполнены разрывобезопасными, например, с ленточной навивкой 14 на упругом элементе 15 кольцеобразной формы и размещаются в вакуумированном корпусе 16 с ребрами жесткости 17. Вывод вращения вала 1 из вакуумированного корпуса 16 может быть осуществлен различными известными из уровня техники средствами, например, описанными в RU, U1, №121885.

При вращении вала 1 и связанных с ним деталей для передачи крутящего момента на маховики 3 последние из-за действующих при вращении центробежных сил упруго радиально деформируются, причем эти деформации для реальных конструкций обычно составляют десятитысячные доли от диаметра маховика 3. Однако даже они могут вызвать дисбаланс и вибрации маховиков 3. Для предотвращения вибраций маховики 3 связаны через ступицы 5 с коническими втулками 4, подпружиненными, например, цилиндрическими пружинами 12 сжатия. Причем конические втулки 4 посажены внутренними цилиндрическими поверхностями на вал 1 с возможностью их осевого перемещения. Аналогичный способ центрирования описан в устройстве (книга П.И. Орлов, Основы конструирования, М., Машиностроение, 1977, книга 1, стр. 390, схема «Л»). Конические втулки 4, выполненные с конусом, угол которого больше угла самоторможения, обеспечивают постоянный контакт их конических поверхностей с коническими поверхностями ступиц 5 при радиальных упругих деформациях маховиков 3, с чем связано осевое перемещение конических втулок 4 (перемещение Б на фиг. 3). Чтобы фланец 7 не препятствовал упругому перемещению стержней 6 при упругой деформации маховиков 3, предусмотрен радиальный зазор 8 во фланце 7 и крышке 9. При снижении частоты вращения маховиков 3 продольные стержни 6, центрируемые на валу 1 коническими втулками 4, возвращаются в исходное положение. Затяжка гаек 10 обеспечивается не препятствующей в процессе эксплуатации указанному малому радиальному перемещению стержней 6 в отверстиях с радиальным зазором 8 во фланце 7 и крышке 9, осуществляемому под действием значительных радиальных сил упруго деформируемых маховиков 3 и связанных с ними ступиц 5.

Таким образом, за счет улучшения центрирования заявленного устройства в целом удается повысить рабочую частоту вращения и надежность маховичного накопителя энергии.

Наиболее успешно заявленный маховичный накопитель энергии промышленно применим в энергетике.

МАХОВИЧНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ НКЭ-3Г КАК БУФЕРНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ И ИСТОЧНИК БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ

Компания «Кинемак» провела полевые испытания накопителя кинетической энергии НКЭ-3Г мощностью 180 кВт, предназначенного для использования в качестве буферного накопителя для локальных и автономных сетей энергоснабжения с резко переменным графиком нагрузки. Также были проведены завершающие испытания накопителя для работы в функции источника бесперебойного питания ответственных категорий энергопотребителей. Успешное завершение опытно-конструкторских работ позволило компании перейти к организации серийного производства накопителей энергии.

Типоряд агрегатов имеет стандартный для отечественной электротехники мощностной ряд: 55, 75, 90, 110, 150, 200 и 250 кВт.

В качестве буферного накопителя энергии изделие НКЭ-3Г обеспечивает существенное повышение эффективности энергопотребления электрических и автономных кранов, экскаваторов и других агрегатов, работающих с неравномерной нагрузкой. Например, крупные портальные краны зачастую имеют собственный первичный источник энергии в виде дизель-генераторной установки. Её мощность обычно подбирается таким образом, чтобы она могла покрыть максимальное пиковое значение, что случается достаточно редко. В остальное время дизель-генератор работает с существенным недогрузом и это приводит к увеличенному расходу топлива, снижению ресурса двигателя и повышенному износу электрооборудования крана. Применение буферного накопителя в электрической системе крана позволяет взять пиковую нагрузку на себя, тем самым создав условия для более сбалансированной работы дизель-генератора. Это позволяет провести замену генератора на менее мощный, потребляющий гораздо меньший объём дизельного топлива. При этом сам накопитель питается от энергии, которая выделяется крановыми двигателями при опускании груза (в ходе рекуперации энергии груза). По результатам проведённых испытаний накопителя НКЭ-3Г установлено, что объём экономии дизтоплива может достигать 30-35%.

Техническое обслуживание накопителя энергии не отличается от обслуживания дизель-генератора, в том числе длительность межремонтного периода совпадает с таковым у ДГУ. Накопитель поставляется в контейнере типа «Север», имеет широкий диапазон климатических условий работы. Функционирование агрегата полностью автономно, он также оснащён системой дистанционного контроля и, при необходимости, управления основными параметрами.

Технические параметры накопительного агрегата:

Использование маховичного накопителя НКЭ-3Г в качестве источника бесперебойного питания представляет большой интерес для общепромышленных и других типов потребителей, имеющих оборудование первой и особой     категорий энергоснабжения. Наиболее востребованы аппараты бесперебойного питания с мощностью от 80 кВт и выше, то есть как раз тот мощностной ряд, который производит компания «Кинемак». ИБП на базе маховичного накопителя включаются параллельно питающей линии и в случае просадок или пропадания напряжения в ней автоматически начинают поддерживать питание ответственных категорий оборудования потребителей. Это происходит без задержки в энергоснабжении и питание обеспечивается до тех пор, пока не выйдет на рабочую мощность резервный источник питания или не восстановится основная сеть. После появления основной линии или включения ДГУ маховичный накопитель заряжается до полной энергоёмкости в течение нескольких минут и снова включается в сеть как ИБП в полной готовности обеспечивать бесперебойность питания. Такой ре-жим работы невозможно осуществить ни с какими другими ти-пами устройств бесперебойного питания.

Стационарный буферный накопитель энергии НКЭ-3Г по-ставляется в специализированном контейнере, приспособленном для работы оборудования в широком диапазоне внешних температур от -30 до +45 оС. Оборудование работает поностью автономно под управлением автоматизированной системы управления. Для дистанционного мониторинга работы накопителя имеются два независимых канала связи. Маховичный накопитель энергии прост в эксплуатации, имеет длительный установленный срок службы до 20 лет.

Компания «Кинемак» поставляет потребителям полностью готовое решение, для чего проводит предварительный анализ  проблем с энергоснабжением на объекте, определяет наиболее эффективную конфигурацию оборудования для их решения, производит накопитель, устанавливает и запускает его, проводит обучение персонала заказчика для осуществления текущего обслуживания устройства. Сервисное обслуживание, включая капитальный ремонт, также производится специалистами нашего предприятия в кратчайшие сроки на месте установки накопителя. Гарантийный срок службы НКЭ-3Г составляет 3 года.

Александр Кацай,
генеральный директор

ООО «Кинемак»
тел. : +7 (495) 969 9816
e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
www.kinemak.ru

Компактный кинетический накопитель энергии | Архив С.О.К. | 2019

Около 13% населения Земли, а это почти миллиард человек, не имеют доступа к электроэнергии. В основном это жители стран Африки, а также Центральной и Южной Азии. По некоторым экспертным оценкам, от 60 до 70% территории России не охвачены централизованной электросетью. Однако важно отметить, что около 85% территории России не заселено, а 60% территории покрыто вечной мерзлотой. Бóльшая часть территории Российской Федерации (¾ территории) — это Сибирь и Дальний Восток, где проживает около 13% населения России, или около 20 млн человек [1]. Предполагается, что объём децентрализованного производства электроэнергии в России может составлять около 100 ГВт·ч в год, что составляет около 9% от общего производства электроэнергии в России.

Причины отсутствия подключения в централизованной сети разные. Есть потребители, которые находятся в таких удалённых территориях, куда невозможно или экономически невыгодно вести централизованные сети. Это и удалённые СНТ, которые по ряду причин не могут подключиться к централизованной сети, и охотничьи домики, метеостанции, различные туристические объекты, базы отдыха и так далее. Не так давно единственным решением для таких объектов было использование бензогенераторов, что является дорогим и неэкологичным решением. Современный уровень развития солнечной энергетики позволяет электрифицировать этих потребителей по новой технологии, которая на сегодня является достаточно сильным конкурентом централизованным сетям.

Если при использовании солнечных панелей совместно с централизованным электроснабжением срок окупаемости составляет на сегодня пять-семь лет, то автономные солнечные системы окупаются, как правило, в день установки. Необходимо отметить, что технологии солнечного электроснабжения прекрасно решают проблемы электроснабжения, но абсолютно не подходят для целей теплоснабжения.

Если сравнивать с атомной генерацией, то установленный 1 Вт АЭС обходится в $ 6–7, а 1 Вт солнечных панелей можно найти по цене $ 0,19 (FOB). Атомную энергию необходимо преобразовать в ток высокого переменного напряжения, передать на дальние расстояния, затем понизить до нужного потребителю уровня. Это передача увеличивает стоимость сгенерированной энергии в два-три раза. В солнечной энергетике ситуация другая. Энергию можно производить непосредственно у потребителя. Но в автономных солнечных электростанциях необходимо использовать накопители энергии.

Как правило, накопителями энергии в солнечной энергетике являются тяговые свинцово-кислотные аккумуляторы, выполненные по технологии Absorbent Glass Mat (AGM). В процессе эксплуатации в уральском регионе эмпирически сложилось соотношение между мощностью солнечных панелей и ёмкостью аккумуляторов: на 100 Вт мощности панелей должно приходиться не менее 100 А·ч ёмкости аккумулятора. Это соотношение зависит от режима использования, условий эксплуатации и других факторов. В денежном выражении это означает, что стоимость накопителей энергии составляет 75% от общей стоимости АСЭС.

На самом деле это соотношение ещё больше, поскольку за срок службы панелей (30 лет) придётся заменить не один комплект аккумуляторов (срок службы 400–500 циклов или четыре-шесть лет). Таким образом, стоимость электроэнергии для потребителя АСЭС увеличивается в четыре-пять раз. Следовательно, снижение стоимости накопителей — самая главная и самая «дорогая» проблема солнечной энергетики.

Свинцово-кислотные аккумуляторы, изготовленные по технологии AGM, не самые лучшие из представленных, а наименее худшие. В опытной эксплуатации были исследованы несколько видов аккумуляторов. Щёлочные никель-кадмиевые аккумуляторы допускают «полный разряд», прекрасно ведут себя в холода, но требуют режим заряда, который солнечные панели выдать не могут, также в них присутствует «эффект памяти». Самые доступные свинцово-кислотные аккумуляторы — стартерные, но при малых токах они подвержены сульфатации. Тяговые панцирные аккумуляторы дороги, для реализации заявленных изготовителем параметров (15 лет службы, 1500 циклов) требуют применения особо чистого электролита и пробки рекомбинации водорода. Литий-ионные аккумуляторы в испытаниях не участвовали по той причине, что несовместимы с холодами. Общими недостатками химических накопителей энергии можно считать ограниченный срок службы, узкий рабочий температурный диапазон, высокую цену (относительно стоимости панелей).

Существуют и другие технологии накопления энергии. Например, хранение энергии в виде сжатого воздуха. Несмотря на предполагаемую простоту, эта технология обладает ключевым недостатком — при сжатии воздух нагревается, при расширении охлаждается, что существенно снижает КПД накопления. Требуется компрессор, генерирующее устройство и ёмкость высокого давления. Из достоинств — всепогодность. Накопители на основе конденсаторов не могут хранить энергию долго, накопители на ионисторах не могут дать приемлемый ток.

В процессе поиска идеального накопителя энергии внимание привлекли возможности маховика. Этот накопитель обладает большим сроком службы, всепогоден, недорог в производстве. Теоретически маховик способен хранить энергию с плотностью до 4000 Вт·ч/кг, что на порядок превышает известные химические аккумуляторы. Маховики были очень популярны несколько десятилетий назад [2]. Долгое время их пытались использовать на транспорте для экономии энергии в режиме «разгон-торможение», но из-за гироскопического эффекта технология не нашла применения. Сейчас, с развитием солнечных технологий, появился быстро растущий рынок, где для маховичного накопителя не требуется перемещение в пространстве.

Известны действующие отечественные и зарубежные маховики, но они не подходят для применения в нише мощностей до 1,5 кВт. Одни слишком велики (сотни килограмм и десятки киловатт), другие предназначены для стабилизации частоты сети в энергосистемах переменного тока.

На основании опыта эксплуатации АСЭС были выработаны технические условия для маховика, который может занять значительное место на рынке солнечной энергетики. Масса — до 25 кг, плотность накопления энергии — более 10 Вт·ч/кг, рабочий диапазон температур от −40 до +70°C, срок службы — 20 лет, ёмкость от 100 до 500 Вт·ч. Предполагается, что такой маховик может работать совместно с химическим накопителем энергии, «сглаживая» пики потребления таким образом, чтобы не использовались ограниченные циклы аккумулятора.

В зависимости от режима работы, такой маховик может экономить до половины циклов «заряд-разряд» аккумулятора, увеличивая его срок службы и, соответственно, снижая долю стоимости накопителей в АСЭС.

В работе маховика есть естественное ограничение — прочность материала тела маховика. При большой скорости вращения центробежные силы стремятся разрушить маховик, что представляет определённую проблему, для решения которой требуются современные дорогостоящие материалы. Но существует техническое решение, которое, по замыслу авторов, позволит обойти это ограничение.

В настоящее время разработана и проходит испытание конструкция со следующими параметрами: число оборотов — 26022 мин^-1, плотность энергии — 1,04 Вт·ч/кг, номинальное напряжение — 12 В постоянного тока. С момента начала проектирования характеристики устройства значительно улучшились, например, достигаемая плотность энергии возросла в пять раз (от первоначальной величины 0,2 Вт·ч/кг). Видны пути, которые позволяют и далее увеличивать плотность энергии и снижать стоимость накопителя. В конструкции применён магнитный подвес на редкоземельных магнитах.

Попробуем сравнить в первом приближении свинцово-кислотный аккумулятор и маховик.

Рассмотрим объём энергии, который может быть принят и отдан свинцово-кислотным аккумулятором с технологией AGM ёмкостью 100 А·ч на протяжении всего жизненного цикла. Срок службы такого аккумулятора составляет 400 циклов при температуре +25°C. Изменение температуры в одну или другую сторону не увеличивает срок жизни устройства. С учётом погрешностей можно считать, что за свой жизненный цикл такой аккумулятор сможет переработать 1,2 кВт·ч × 400 циклов = 480 кВт·ч при стоимости устройства порядка $ 200.

Таким образом, стоимость хранения 1 кВт·ч электроэнергии можно оценить в $ 0,42 за 1 кВт·ч. Если принять, что время зарядки составляет шесть часов, а время разрядки — два часа, то при непрерывном режиме эксплуатации аккумулятор прослужит 3200 часов.

Произведём подобный расчёт для условного маховичного накопителя. Предположим, что время заряда (и разряда) составляет 0,5 часа. Цикл составляет один час. Условная цена — те же $ 200. Оценим запасаемую энергию в 0,1 кВт·ч. Срок службы — 20 лет, что соответствует 175,2 тыс. циклов или 17,52 МВт·ч. Итого стоимость хранения — $ 0,011 за 1 кВт·ч. Даже с учётом всех допущений получается, что кинетической накопитель позволяет хранить энергию на порядок выгоднее, чем свинцово-кислотный аккумулятор. Совместная работа маховика и аккумулятора позволит получить синергетический эффект и снизить стоимость накопления энергии в АСЭС — главной проблеме солнечной энергетики.

Выводы

Накопитель энергии — самая дорогая часть автономных солнечных электростанций. Снизить долю стоимости накопителей в общей стоимости позволяет накопитель на основе маховика. При совместной работе свинцово-кислотного аккумулятора и маховика возможно объединить преимущества каждого устройства и снизить стоимость накопления энергии. На основе опыта эксплуатации АСЭС можно считать перспективной конструкцию маховика массой до 25 кг, ёмкостью 0,1–0,5 кВт·ч и плотностью энергии выше 10 Вт·ч/кг. При этом ожидается увеличение срока службы свинцово-кислотного аккумулятора в два раза.

Кинетические накопители энергии для ЖКХ Европы

Ещё в 2015 году американская компания Stornetic объявила о запуске в коммерческую эксплуатацию устройства DuraStor — своего первого накопителя кинетической энергии. Платформой для «обкатки» новики были выбраны муниципальные жилищно-коммунальные предприятия города Мюнхена (Stadtwerke Mu?nchen), где DuraStor используется как «виртуальная» электростанция. Ввиду быстро меняющихся условий на европейском рынке электроэнергии разнообразные её накопители, включая кинетические, считаются ключевым инструментом обеспечения устойчивости и стабилизации электрических сетей. Блок накопления энергии Stornetic DuraStor вырабатывает до 600 кВ·А при мощности около 100 кВт·ч. Устройство состоит из 28 маховиков, которые могут быть ускорены до скоростей в 45 тыс. мин^-1. Аккумулятор является полностью кинетическим, то есть функционирует без использования химикатов — электроэнергия сохраняется в виде механической энергии с помощью ускоряющего ротора. Во время рециркуляции вращающийся ротор замедляется и действует как генератор, вырабатывая электрическую энергию.

[Реклама] ИБП на базе кинетических накопителей энергии / Хабр

Применение источников бесперебойного питания кажется обыденным для персональных компьютеров. Ещё большую обоснованность они имеют в ЦОДах. Тем более, что это прописано в святая святых – в правилах создания и эксплуатации дата-центров. В т.ч. и приснопамятных TIER. И уже довольно давно для мощных серверных используют вместо ИБП с химическими аккумуляторами другой тип накопителей – кинетических, в которых накопителем энергии служат вращающиеся маховики.

Для чего нужен источник бесперебойного питания? Для того, чтобы в тот момент, когда пропало напряжение в сети, или случился глубокий обвал его, быстро подхватить энергоснабжение серверов и охладительной инфраструктуры ЦОДа и обеспечить питание до выхода резервного дизель-генератора на свой рабочий режим. Обычно такие системы рассчитаны на мощность в сотни киловатт и на поддержание энергоснабжения от нескольких секунд до нескольких минут. Далее, после отработки своего жтапа ИПБ, уже ДГУ будет питать потребляющее оборудование. Но в этих секундах и минутах до раскрутки вала дизеля и заключается самый страшный риск для ЦОДа. Поэтому источникам бесперебойного питания и уделяется столь большое внимание при их создании.

В сравнении с аккумуляторными решениями, маховичные ИБП обладают рядом весомых преимуществ. Для них не требуется специальное помещение с жёстко поддерживаемым там микроклиматом. При равных мощности и энергоёмкости маховичные ИБП занимают на 40-50 процентов меньшую площадь. Эксплуатационные затраты являются существенно меньшими. Отсутствует риск разлива электролита. Более высокая надежность агрегата и несравнимо более длинный ресурс работы – 20 и более лет.

На мировом рынке присутствует немного компаний, поставляющих подобные решения. Среди наиболее известных и продаваемых марок можно назвать европейские Hitec, Hitzinger, Piller, американскую компанию ActivePower и. пожалуй, всё. Остальные, которых можно «выловить» в интернете, находятся или на стадии исследований и разработок, или на стадии вечного выхода на рынок или банкротства. Последние – это те, которые пошли по весьма рискованному пути применения высокооборотных супермаховиков. Наиболее известная из таких компаний – американская BeaconPower, которая пошла с молотка несмотря на государственные вливания в размере 34 млн. долларов.

Однако европейские компании живут неплохо и постепенно, тихой сапой, на волне бума строительства ЦОДов, втягиваются в российский рынок. Например, ИБП с кинетическими накопителями используются в ЦОДе компании «Крок», в известном крупном проекте «Билайн» в Ярославле и во многих других проектах.

Однако за последние два года в России уже успели подрасти и отечественные технологии, применяющие в своих решениях накопители кинетической энергии. Речь идёт о проекте компании «Русский сверхпроводник», которая разрабатывает кинетические накопители большой мощности и энергоёмкости. Кстати говоря, научным руководителем разработки выступил известный учёный профессор Нурбей Гулиа, являющийся непревзойденным авторитетом в области механики маховиков и автором сотен патентов в этой области.

Специалисты из «Русского сверхпроводника» не так давно заявили об успешном испытании накопителя кинетической энергии, энергоёмкость которого составляет 4 МДж. Ими был применен для этой модели генератор мощностью 22 кВт. Представители компании заявляют, что они разработали модульную конструкцию, позволяющую кратно увеличивать энергоёмкость своего накопителя до 30-ти раз. Кроме того, мощность используемого мотор-генератора также может варьироваться в широких пределах – от 5 до 500 кВт.

Как отметили в компании, объём рынка мощных ИБП в России весьма большой и в настоящее время удовлетворяется лишь химическими аккумуляторами и в небольшом пока количестве зарубежными маховичными агрегатами. Среди преимуществ своей техники отмечают: большую удельную энергоёмкость, большую удельную мощность, существенно более низкие цены, высокие эксплуатационные качества. Срок службы ИБП НКЭ более 20-ти лет. В планах компании завершение испытаний серийного образца изделия и выход на рынок ИБП уже в 2014 году.

Маховики для маховичного накопителя

В настоящее время, существуют пять основных типов маховиков:

Рис.3.1. Диск с отверстием;

Рис.3.2. Обод со спицами;

Рис.3.3. Диск равной прочности;

Рис.3.4. Кольцевой маховик;

Рис.3.5. Супермаховик.

Общеизвестно, что энергия каждого килограмма маховика зависит от его формы и прочности. Если сравнивать вышеуказанные типы маховиков по этим критериям, то сразу отпадает маховик в виде диска с отверстием как наиболее неэффективный. Как правило, это малая прочность материала, из которого он обычно изготавливается, т. е. стальные поковки или отливки. А крупные отливки или поковки даже из лучших сортов стали не слишком прочны. В таких изделиях невозможно избежать мельчайших дефектов, сильно уменьшающих прочность всего маховика. Чем прочнее литой или кованый маховик, тем опаснее его разрыв, если он приключится, и тем больший запас прочности понадобится, чтобы уберечь маховик от разрыва.

Далее по эффективности накопления энергии идет маховик в виде обода со спицами. Такой маховик накапливал энергии в каждом килограмме своей массы раза в полтора больше.

Однако потом точные расчеты показали, что выгоднее помещать массу не дальше от центра, а, наоборот, ближе к центру, вследствие чего появились маховики, тонкие по краям и утолщающиеся к середине, — диски «равной прочности». Энергии они могут накопить в два раза больше, чем обод со спицами, и в три раза больше, чем диск с отверстием, при той же массе маховика.

Рассмотрим следующий вариант из нашего списка. Это супермаховик. Простейший пример, это кусок троса, зажатый в кольцевом зажиме – оправке, которая в свою очередь посажена на вал.

В чем преимущества такого супермаховика? Если вращать вал с оправкой и тросом в ней, то трос, как и обычный маховик, накопит кинетическую энергию. При этом частицы троса, стремясь двигаться по инерции, будут все сильнее растягивать его, пытаясь разорвать. Наибольшая нагрузка тут приходится на середину троса. При увеличении скорости сверх меры трос начнет рваться, но рваться по частям, по одной проволочке, а тоненькие проволочки не способны пробить даже легкий защитный кожух, т.е. разрыв супермаховика происходит безопасно.

Так как прочность проволоки (стальной струны) выше прочности монолитного стального куска примерно в пять раз, то супермаховик из струны при прочих равных условиях накопит энергии во столько же раз больше, чем обычный маховик стой же массой. Благодаря же большей безопасности, супермаховику не нужен слишком большой запас прочности, и его следует уменьшить примерно вдвое по сравнению с маховиком. Следовательно, супермаховик из троса может накопить в каждом килограмме массы в десять раз больше энергии, чем обычный стальной маховик.

Большие перспективы сулят так называемые кольцевые супермаховики. Такой супермаховик представляет собой кольцо, навитое из высокопрочного волокна и помещенное в вакуумную камеру в форме бублика – тора. Поскольку кольцевой супермаховик лишен центра, в нем наиболее полно реализуются прочностные свойства волокон. Кольцевой супермаховик удерживается в камере в подвешенном состоянии с помощью магнитных опор, размещенных в нескольких местах по окружности. Само кольцо служит ротором мотор — генератора, а те места, в которых стоят обмотки магнитов, — статором. Это упрощает отбор энергии и зарядку супермаховика.

Если сравнивать кольцевой супермаховик со стальным маховиком из самой прочной стали, плотность энергии кольцевого супермаховика в 2 – 3 раза больше и достигает 0,5 мегаджоуля на килограмм массы. Потери на вращение у него в 50 – 100 раз меньше, чем у стального. Так как отсутствуют самые большие потери – потери на трение в подшипниках.

К сожалению, в нашем случае кольцевые маховики мы вынуждены исключить из рассмотрения по двум причинам: сложность подвесной системы и дороговизна изготовления.

С учетом всего вышеизложенного из всех вариантов выбираем супермаховик.

Опыт показал, что для супермаховиков, кроме прочности и размеров решающее значение имеет их масса. Как ни парадоксально, но чем легче супермаховик, тем лучше.

Плотность энергии маховика определяется удельной прочностью, то есть отношением прочности к удельному весу материала.

Поэтому в качестве материала маховика выберем борное волокно, как наиболее выгодное по показателю удельной прочности.

Таблица 3.1.

Известно, что емкость супермаховика определяется частотой вращения, массой и его геометрическими размерами (внешним и внутренним радиусом).

Энергия, запасенная супермаховиком, определяется по формуле:

W=E/3600, Вт*ч

где Е определяется по формуле:

E=J/2*(w₁²-w₂²), Дж

где w₁² – максимальная угловая скорость вращения супермаховика, рад/с;

w₂² – минимальная угловая скорость вращения супермаховика, рад/с;

J – момент инерции, кг*м²;

Момент инерции определяется по формуле:

J=M/2*(R²+r²), кг*м²;

где М – масса, определяется по формуле:

M=(p*(R²-r²)*h*g)/2, кг

где R – внешний радиус супермаховика, м;

r – внутренний радиус супермаховика, м;

h – толщина, м;

g — плотность материала, из которого изготовлен супермаховик, кг/м³;

Отсюда энергию, запасенную супермаховиком, можно определить по формуле:

W=(p*(R⁴-r⁴)*h*g*(w₁²-w₂²))/(8*3600), кВт*ч;

Супермаховик из борного волокна конструктивно представляет собой обод со ступицей, на который определенным образом намотано борное волокно (Рис. 3.6.).

Основной проблемой в данном случае является то, что на высоких оборотах предъявляются высокие требования к качеству и точности изготовления.

                                                    Борное волокно

                                                    Металлическая ступица

Наиболее важным моментом в изготовлении супермаховика является способ намотки борного волокна на металлическую ступицу, потому что намотка супермаховика должна начинаться со ступицы и на ней должна заканчиваться (Рис.3.7.).

Это объясняется тем, что крайние наружные витки подвергаются при вращении более сильным растягивающим усилиям, чем внутренние витки. Поэтому чтобы уменьшить вероятность разрыва волокна, намотка должна осуществляться подобным образом.

<< К оглавлению  Дальше>>

Работает супермаховик. Удивительная механика

Работает супермаховик

Есть ли уже сегодня машины, на которых установлены супермаховики? Да, есть. Пусть эти машины и не выпускаются пока сериями, как «жигули» или «фольксваген», но они существуют. Работают, ездят, всех удивляют.

Самым типичным автомобилем, работающим за счет энергии супермаховика, является, пожалуй, маленький двухместный «махомобиль» американского ученого Дэвида Рабенхорста. Попробуем на его примере разобраться в устройстве махомобилей.

Супермаховик махомобиля соединен с валом разгонного электродвигателя, причем электродвигатель размещен в воздушной среде, чтобы он лучше охлаждался, а супермаховик – в вакууме, чтобы не было лишних потерь энергии. На выходе из вакуумной камеры вал герметизирован магнитным уплотнением. В принципе можно даже разрезать вал и вывести вращение из вакуума специальными магнитными муфтами.

Маховичный автомобиль (махомобиль) Девида Рабенхорста

Другой конец вала супермаховика соединен с гидронасосом обратимого типа, который может работать и в режиме гидродвигателя; о таких гидромашинах я уже говорил. Жидкость – масло от гидронасоса через распределитель или, что одно и то же, через механизм управления махомобилем, подается в четыре маленькие гидромашины, встроенные в колеса махомобиля. Таким образом, все колеса махомобиля ведущие, и это очень хорошо – махомобиль быстро разгоняется, движется устойчиво, без заносов.

В махомобиле нет таких привычных автомобильных частей, как сцепление, коробка передач, карданный вал, дифференциал, полуоси, электроаккумуляторы, стартер и генератор; отсутствует топливный бак и вся топливная система, система охлаждения с вентилятором, глушитель и, наконец, сам двигатель внутреннего сгорания. Махомобиль бесшумен, он не загрязняет окружающую среду выхлопными газами, приводится в движение практически мгновенно. Известно, что супермаховик может развивать громадные мощности, так необходимые автомобилям для быстрого разгона.

Зарядка энергией, или разгон супермаховика, производится включением разгонного электродвигателя в сеть. Время зарядки – 20—25 мин, что в десятки раз быстрее по сравнению с продолжительностью зарядки электроаккумуляторов. Для приведения махомобиля в движение повышают наклоном шайбы производительность насоса, и масло начинает поступать в гидродвигатели колес, разгоняя машину. Больше наклон шайбы – больше скорость.

Махомобиль рассчитан на крейсерскую, то есть постоянную скорость 90 км/ч, причем кратковременно скорость может быть значительно увеличена, например для выполнения обгонов.

Путь пробега махомобиля с одной зарядки пока около 60 км, но его планируется увеличить в три раза. Это при массе супермаховика 100 кг, скорости его вращения от 23 700 до 11 900 оборотов в минуту и запасе энергии 24 МДж. Удельная энергия супермаховика составляет 240 кДж/кг. Правда, уже испытаны супермаховики с удельной энергией в 650 и даже 700 кДж/кг, а это значит, что и путь пробега увеличивается почти до 500 км!

У махомобиля рекордно малая по сравнению с электро– и автомобилями стоимость пробега – около доллара на 100 км пути. Я думаю, вряд ли какой водитель откажется от такой машины!

Посмотрим теперь, каковы характеристики агрегатов махомобиля Рабенхорста по мощности и массе. Разгонный электродвигатель мощностью 30—40 кВт – 18,4 кг, гидронасос мощностью 37,5 кВт – 11,4 к г, четыре гидродвигателя колес такой же общей мощности – 10 к г, приборы управления – 9 кг, шасси – 175 кг, кузов – 270 кг. Вместе с супермаховиком, его корпусом, подвеской и даже пассажирами выходит чуть более 600 кг.

Махомобиль не боится длительных стоянок – маховик может вращаться без остановки почти полтора месяца. И это не предел, потому что так называемые кольцевые супермаховики, о которых будет сказано ниже, рассчитаны на более чем годичный выбег, а американский 45-килограммовый маховик в магнитном подвесе имеет столь малые потери, что способен крутиться без остановки свыше 10 лет!

Подвеска супермаховика в махомобиле тоже магнитная, только она практичнее, чем «абсолютный» магнитный подвес: здесь есть подшипники, способные не только принимать на себя усилия при тряске, но и ослаблять гироскопическую нагрузку при повороте оси супермаховика.

На сегодняшний день в разных странах уже построено много супермаховичных автомобилей и автобусов. Некоторые из них, как и швейцарский гиробус, оснащены штангами и могут двигаться как троллейбус. Но при этом раскручивается и супермаховик, который потом снабжает током тяговые электродвигатели. Такие машины, названные гиротроллейбусами, не тратят время, подобно гиробусу, на раскрутку супермаховика, так как «зарядка» идет на ходу. Затем, после разгона супермаховика, гиротроллейбусы едут на накопленной энергии до конечной остановки через весь город. В отличие от швейцарского гиробуса, маховик в таком гиротроллейбусе весит не 1,5 т, а всего около 300 кг.

Гиротроллейбус фирмы «Локхид» (США) (а) и его маховичный накопитель (б)

Существуют проекты использования супермаховиков в авиации. В одном из них для взлета сверхзвуковых самолетов предлагают применять маховичную катапульту. Если разогнать крупный маховик электродвигателем, а затем подключить его к лебедке, соединенной тросом с самолетом, то маховик за несколько секунд разовьет гигантскую мощность, в десятки раз превышающую мощность электродвигателя. За считанные секунды самолет разгонится до 400 км/ч и взлетит. При этом путь разгона будет не более 100—150 м. Такой запуск очень надежен и экономичен.

Маховичная катапульта

Двойную пользу можно получить от установки супермаховиков на легких тихоходных самолетах, у которых собственный двигатель развивает мощность не более 90-120 кВт. Супермаховик массой всего 13 кг способен выдать мощность 115 кВт в течение 20 с, а массой 57 кг – 225 кВт в течение 60 с – время, вполне достаточное для взлета. Кроме того, раскрученный супермаховик обеспечит безопасность экипажа в случае остановки мотора самолета. Энергии, накопленной в супермаховике, хватит для трехминутного полета самолета без мотора. Летчики успеют выбрать пригодную для посадки площадку и приземлиться.

Шотландский маховичный вертолет, прозванный «прыгающий Гиро»

Еще в 30-х годах прошлого века в Шотландии был построен маховичный вертолет. Разгоняли маховик на земле вместе с воздушным винтом, лопастям которого задавали нулевой угол атаки, чтобы разгон шел легче. После разгона маховика лопасти устанавливали под нужным углом, и машина взмывала в небо. Когда энергии в маховике оставалось уже мало, вертолет плавно опускался. Не правда ли, это очень похоже на игрушечный вертолет, в котором разгон лопастей-маховиков производится пусковым шнурком?

А полвека спустя в США создали разведывательный беспилотный вертолет с супермаховиками. Два легких кольцевых супермаховика диаметром 1,4 м, вращающиеся в разные стороны, раскручивают воздушные винты, расположенные внутри колец супермаховиков. Кольца разгоняют до 4 тыс. оборотов в минуту на специальном автомобиле, с которого вертолет стартует. Вертолет быстро поднимается на 100-метровую высоту, зависает там и, имея на борту фото– и телеаппаратуру, производит съемки или телепередачи. Подобный вертолет удобно использовать и для пожарных работ – его двигатель не заглохнет от дыма, а баки с горючим не загорятся, так как на этом вертолете нет ни двигателя, ни баков.

Разведывательный беспилотный маховичный вертолет

Если нужно попасть на борт вертолета, зависшего высоко над землей, или на какую-нибудь площадку на высоте 100 м и более, лучше всего воспользоваться для этого маховичным подъемником, который позволяет поднять девять человек подряд, причем в пять раз быстрее обычных моторных подъемников. Маховик подъемника разгоняется маленьким электродвигателем мощностью 1,5 кВт до 28 тыс. оборотов в минуту.

Осуществить экстренный спуск с того же вертолета или из окна горящего высотного здания поможет маховичный лифт, в разработке которого довелось участвовать и мне. При пожаре нередко требуется срочно эвакуировать людей с верхних этажей дома, но в это время ток от здания, как правило, отключают и никакие подъемные механизмы не работают. Вот и придумали особое устройство для такого случая.

Человек надевает специальный пояс с прикрепленной к нему лентой и прыгает вниз. Лента намотана на валу небольшого маховика или супермаховика, как в ленточном вариаторе, о котором речь шла выше. Сматываясь с вала, она разгоняет маховик, сначала медленно, а затем все сильнее и сильнее. Человек же, Втулка наоборот, приближаясь к земле, все больше и больше теряет скорость. И наконец мягко – Корпус приземляется. Пояс с лентой сам поднимается вверх за счет энергии маховика, раскрученного ранее спустившимся человеком. Так маховичный лифт может доставлять на землю одного за другим сколько угодно людей.

Маховичный лифт

Поистине безграничные возможности открываются перед супермаховиками в космосе.

В космическом вакууме у супермаховиков совершенно нет потерь на трение о воздух, а невесомость устраняет нагрузки на подшипники. В этом случае подшипники могут быть простыми «сухосмазывающимися» втулками.

На некоторых спутниках связи уже несколько лет используют супермаховичные накопители энергии. Дело в том, что спутники связи, транслирующие на большие расстояния телефонные разговоры, телепрограммы и радиопередачи, работают обычно не только от солнечных батарей, но и от аккумуляторов энергии, которые дают ток, пока Земля загораживает спутник от Солнца и тот находится в тени. Однако время жизни электрохимических аккумуляторов невелико, они быстро выходят из строя, а из-за них прекращает существование и сам спутник, который мог бы служить еще долго. Вот и пал выбор на долговечные супермаховики. Они вращаются в магнитной подвеске со скоростью 40 тыс. оборотов в минуту. Плотность энергии супермаховиков для спутников связи примерно 0,1 МДж/кг.

В исследовательском центре США создана супермаховичная установка для международной космической станции, превосходящая по своим показателям ранее применявшиеся никель-водородные аккумуляторы. Супермаховик запасает большее количество энергии, а срок его службы вдвое дольше, чем у химических аккумуляторов.

Видимо, не обойтись без супермаховиков и на космических станциях, которые отправятся к далеким планетам, где почти нет солнечного света, дающего энергию для питания электронного оборудования станций. По мнению ученых, кратковременных включений пиропатронов будет вполне достаточно, чтобы с помощью газовой турбины так разогнать супермаховик, что его энергии надолго хватит для бесперебойной работы всех приборов.

В космосе супермаховики необходимы и для более прозаических дел – например, для ремонта станций, приведения в движение механизированного инструмента.

Допустим, космонавту нужно просверлить отверстие или завернуть гайку. Если он применит обыкновенную дрель или гайковерт, то реактивный момент, действующий на корпус ручного инструмента, закрутит в первую очередь самого космонавта. На Земле такого не случается, так как этому противодействует сила тяжести и сила трения, а в условиях невесомости – это обычное явление.

Теперь проделаем следующий опыт. Возьмем самый простой детский волчок – юлу, укрепим на ее кончике сверло, разгоним юлу и уберем руку. На первый взгляд как будто ничего удивительного – юла стоит на сверле и сама сверлит подставку. А ведь ни с какой из обычных дрелей подобный опыт никогда не получится. Даже у электрической дрели корпус тотчас завертится в противоположную сторону и порвет все провода.

Дело в том, что маховики и супермаховики обладают свойством «безреактивности», то есть при вращении они не оказывают реактивного действия на корпус и другие части устройства. Маховик связан с корпусом только подшипниками, а они, свободно проворачиваясь, не передают вращательных усилий.

Маховичная «безреактивная» дрель

Изготовленная мною маховичная дрель успешно сверлила любые доски. При этом она прекрасно выдерживала вертикальное направление благодаря еще одному свойству маховика, о котором уже упоминалось, – способности сохранять устойчивое положение свободной оси в пространстве.

Чтобы проверить это свойство самому, лучше всего снять велосипедное колесо с вилки, взяться за концы оси и, держа колесо на вытянутых руках, попросить товарища раскрутить его. Если колесо раскручено как следует, никакие попытки свернуть ось в сторону ни к чему не приведут, даже несмотря на большие усилия. Колесо будет сопротивляться совсем как живое, стараясь вырваться из рук. Суть происходящего состоит в том, что ось вращающего маховика всякий раз стремится повернуться не туда, куда мы прилагаем усилие, а под прямым углом к этому направлению.

Существует много способов узнать, куда будет поворачиваться ось маховика, но все они трудны и рассчитаны на специалистов. Поэтому я придумал для себя способ попроще, который назвал «правилом колеса». Запомнить его ничего не стоит, достаточно иметь в кармане хотя бы одну монетку или колесико. Пустим монетку катиться по столу. Скоро она начнет падать набок, но что для нас особенно важно – она и сворачивать будет в ту же сторону. Теперь представим себе, что монетка – это вращающийся маховик. Допустим, мы пытаемся свернуть ось этого маховика в ту же сторону, куда падает монета. Направление поворота монеты позволит нам определить, куда на самом деле будет сворачивать ось маховика. Вот и все правило.

Опыт с монетой, демонстрирующий гироскопический эффект

Если ничто не воздействует на ось маховика, то она безупречно сохраняет свое положение в пространстве. И это делает маховик незаменимым в навигационных приборах, которые сейчас устанавливают на всех кораблях, самолетах, ракетах. Называют такие приборы гироскопическими. Об этих интереснейших приборах много написано, и я не буду подробно останавливаться здесь на них. А вот об автомобиле, в котором был применен как раз гироскопический эффект вращающегося маховика, думаю, сказать надо. Построил этот «гирокар» в 1914 году русский инженер П. П. Шиловский. Гирокар демонстрировался в Лондоне, где вызвал огромный интерес. Еще бы, машина Шиловского имела всего два колеса, как велосипед, однако она сохраняла без каких-либо упоров устойчивое положение, даже если все пассажиры садились по одну сторону. «Держал» машину раскрученный маховик благодаря гироскопическому эффекту. В гирокаре использовался примитивный автомат с датчиком наклона в виде шарика в трубке и сервомотором, воздействующим на 300-килограммовый маховик.

Гирокар П. П. Шиловского (а) и принцип его действия (б)

Такие автомобили строились и позже. Возможно, что будущий махомобиль с супермаховичной «энергетической капсулой» спроектируют тоже двухколесным, чтобы использовать сразу оба замечательных свойства супермаховика – способность накапливать энергию и сохранять неизменное положение в пространстве.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

ИБП на основе накопителя кинетической энергии, НКЭ-3Г

Описание

Организация поставляет быстродействующие качественные эффективные источники бесперебойного питания на основе накопителей кинетической энергии. Мощность единичного изделия от 22 до 350 кВт. Динамический ИБП на основе НКЭ (ДИБП-НКЭ) является стандартным по функционалу источником бесперебойного питания, в котором в качестве автономного источника энергии использован высокоэнергоёмкий маховик. В момент просадок или провалов напряжения в сети механическая энергия мгновенно преобразуется в электрическую энергию и подхватывает энергоснабжение оборудование потребителя сразу с необходимой мощности. Агрегат требует минимальные эксплуатационные затраты, необслуживаемый, полностью автоматизирован, имеет канал удаленного управления оператором.

Основой конструкции НКЭ является маховик накопителя, который получает вращение от внешнего источника энергии – электромашины и выделяет накопленную при вращении энергию на раскрутку ротора ротора электромашины для выработки им электроэнергии уже в режиме генератора. ИБП имеет автоматизированную систему управления. Накопитель энергии оснащен системой контроля основных параметров.

Установки полностью состоят из деталей, узлов и подсистем отечественного производства. Конструкция характеризуется высокой надежностью, проста в эксплуатации, имеет энергоэффективный привод, систему автоматического контроля и управления. Плановое обслуживание и капитальный ремонт осуществляются на площадке установки агрегата. ДИБП может поставляться как в контейнерном исполнении, так и размещаться в капитальных помещениях Заказчика.

Технические характеристики устройства:

Параметр Значение Прим.
Мощность, кВт от 22 до 350 по выбору Заказчика
Род тока ~ 3 ф возможен постоянный ток
Напряжение выходное, В 400 возможно постоянное напряжение 550 В
Время поддержки провалов напряжения, сек. до 7 для маломощных систем до одной мин.
Срок службы, лет 20

ДИБП также несёт дополнительные функции при работе в сети потребителя:

возможна реализация полной гальванической развязки от сети,
обеспечивает качество энергоснабжения по ГОСТ 13109-97,
фильтрует искажения гармоник и скачки напряжения,
устраняет микро-перебои тока длительностью менее 50 мсек,
способен выдерживать повторяющиеся пропадания сети.
Уникальные преимущества ДИБП

Низкие операционные затраты при эксплуатации.
Отсутствие аккумуляторных батарей (прямая экономия, уменьшение площади под энергоцентр и значительное снижение затрат на обслуживание).
Не требует установки кондиционеров для охлаждения (экономия на стоимости кондиционеров и стоимости электроэнергии для их питания).
Уникальная конструкция ДИБП НКЭ-3Г в отличие от аналогичных зарубежных предложений позволяет без запуска дизель-генератора компенсировать до 99% случаев кратковременных перебоев в электроснабжении, тем самым увеличивая ресурс ДГУ и экономия топливо.
Непревзойденная надежность системы энергоснабжения благодаря применению передовых технологий и простой конструкции, состоящей из небольшого количества стандартных компонентов.
Одна установка ДИБП НКЭ-3Г способна единовременно зарезервировать большую мощность (до 350 кВА).
Решение на базе ДИБП НКЭ-3Г не имеет альтернативы при многократных отключениях электропитания (аккумуляторные батареи классических ИБП могут не успеть перезарядиться).
Занимают меньшую площадь, чем классические системы на базе статических ИБП, а также более просты в эксплуатации.
Длительный срок службы – в 2-3 раза больше срока службы традиционных источников бесперебойного питания (более 20 лет).


Помимо функций источника бесперебойного питания большой мощности ИБП-НКЭ также обеспечивает:

Устойчивые параметры выходного тока и напряжения (правильная синусоида, 3*380 В)
Запасание энергии рекуперации (например, от насосов на выбеге, подъемных механизмов и проч. )
Длительное хранение энергии
Выдачу постоянного напряжения (730 В).


Для заказа накопителя кинетической энергии пожалуйста заполните и пришлите в нашу компанию анкету Заказчика, в которой необходимо дать ответы на указанные пункты.

Связаться с продавцом

Напряжение питания ~ 3*380 В

Мощность мотор — генератора От 22 до 350 кВт

Время разгона 420 с (зависит от мощности М-Г)

Время поддержания энергоснабжения с (зависит от мощности М-Г)

Выходное напряжение ~ 3*380 В

КПД до 97%

Срок службы не менее 20 лет.

Модульная конструкция позволяет при установке ИБП-НКЭ выбрать необходимую мощность и энергоемкость, тем самым обеспечив нужное время и уровень мощности питания для потребляющего оборудования.

ИБП-НКЭ — необслуживаемое изделие, имеющее АСУ, настраиваемую по сценарию работы энергосистемы заказчика.

Простое подключение: НКЭ-ИБП подключается к сети и к питаемому оборудованию. Полностью автономен при пропадании электроэнергии в сети.

Обеспечение продолжительности питания ответственного оборудования потребителя зависит от выдаваемой мощности.

Лицензии и сертификаты

Связаться с продавцом

Доставка и оплата

Отгрузка на складе компании или отправка транспортной организацией.

Связаться с продавцом

Самая большая в мире система накопления энергии с маховиком

Маховики — оригинальный способ хранения энергии. По сути, гигантский ротор левитирует и вращается в камере с помощью магнитов. Поскольку трение очень мало, маховик постоянно вращается с очень небольшим дополнительным подводом энергии. Затем энергия может быть извлечена из системы по команде, используя вращающийся ротор в качестве генератора.

Beacon Power строит крупнейшую в мире систему хранения энергии с маховиком в Стивентауне, штат Нью-Йорк.Система мощностью 20 мегаватт знаменует собой веху в технологии накопления энергии маховика, поскольку подобные системы применялись только при испытаниях и в небольших приложениях.

В системе используются 200 маховиков из углеродного волокна, левитирующих в вакуумной камере. Маховики поглощают энергию сети и могут стабильно разряжать 1 мегаватт электроэнергии в течение 15 минут. Система заменяет дополнительные электростанции на природном газе, которые ранее использовались для балансировки спроса и предложения в работе сети, увеличивая производство энергии во время пикового спроса и снижая производство во время пикового предложения.

ДРУГИЕ ГЛАВНЫЕ НОВОСТИ В КОНТЕНТНОЙ СЕТИ WDM

Будущее аккумуляторов: распределенный подход к хранению энергии

Батарея из жидкого металла привлекает инвестиции Билла Гейтса

Углеродный суперконденсатор «губка» лучше батарей?

Beacon Power получила от Министерства энергетики США гарантию по кредиту на сумму 43 миллиона долларов на строительство объекта. Компания планирует применить эту технологию для других приложений, таких как буферизация производства энергии из возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра и солнца.Где эти возобновляемые технологии терпят неудачу, так это в невозможности хранить энергию без использования гигантских аккумуляторных батарей. Система маховика предлагает альтернативу.

Beacon Power сообщает, что 18-мегаваттная новая система хранения с маховиком уже подключена к сети, и к концу июня система будет работать на полную мощность.

Маховики превращаются в сверхпроводники, чтобы оживить потенциал энергосистемы хранения

Способы проведения проверок также мало изменились.

Исторически сложилось так, что проверка состояния электрической инфраструктуры была обязанностью мужчин, идущих по очереди. Когда им везет и есть подъездная дорога, линейные рабочие используют автовышки. Но когда электрические конструкции находятся на заднем дворе, на склоне горы или иным образом вне досягаемости механического подъемника, линейные рабочие все равно должны пристегнуть свои инструменты и начать подъем. В отдаленные районы вертолеты доставляют инспекторов с камерами с оптическим зумом, позволяющим осматривать линии электропередач на расстоянии.Эти долгосрочные инспекции могут охватывать больше вопросов, но не могут заменить более пристального взгляда.

В последнее время энергетические компании начали использовать дроны для более частого сбора информации о своих линиях электропередач и инфраструктуре. В дополнение к зум-объективам некоторые добавляют к дронам тепловые датчики и лидар.

Термодатчики улавливают избыточное тепло от электрических компонентов, таких как изоляторы, проводники и трансформаторы. Если их игнорировать, эти электрические компоненты могут искрить или, что еще хуже, взорваться.Лидар может помочь в управлении растительностью, сканировании области вокруг линии и сборе данных, которые программное обеспечение позже использует для создания трехмерной модели области. Модель позволяет руководителям энергосистем определять точное расстояние растительности от линий электропередач. Это важно, потому что, когда ветки деревьев подходят слишком близко к линиям электропередач, они могут вызвать короткое замыкание или искру от других неисправных электрических компонентов.

Алгоритмы на основе искусственного интеллекта могут обнаруживать участки, в которых растительность вторгается в линии электропередач, обрабатывая десятки тысяч аэрофотоснимков за несколько дней. Решения для Buzz

Использование любой технологии, позволяющей проводить более частые и качественные проверки, является хорошей новостью. И это означает, что, используя самые современные, а также традиционные инструменты мониторинга, крупные коммунальные предприятия в настоящее время ежегодно получают более миллиона изображений своей сетевой инфраструктуры и окружающей среды.

ИИ хорош не только для анализа изображений. Он может предсказывать будущее, просматривая закономерности в данных с течением времени.

Теперь о плохих новостях.Когда все эти визуальные данные возвращаются в центры обработки данных коммунальных предприятий, выездные техники, инженеры и монтажники тратят месяцы на их анализ — до шести-восьми месяцев за цикл проверки. Это отвлекает их от работы по техническому обслуживанию в полевых условиях. И это слишком долго: к моменту анализа данные устаревают.

Пришло время вмешаться ИИ. И он начал это делать. ИИ и машинное обучение начали использовать для обнаружения неисправностей и поломок в линиях электропередач.

Несколько энергосистем, в том числе
Xcel Energy и Florida Power and Light тестируют искусственный интеллект для выявления проблем с электрическими компонентами как на высоковольтных, так и на низковольтных линиях электропередач. Эти энергетические компании наращивают свои программы проверки дронов, чтобы увеличить объем собираемых ими данных (оптических, тепловых и лидарных), ожидая, что ИИ сможет сделать эти данные более полезными.

Моя организация,
Buzz Solutions — одна из компаний, которая сегодня предоставляет такие инструменты искусственного интеллекта для энергетики.Но мы хотим сделать больше, чем обнаружить проблемы, которые уже возникли, мы хотим предсказать их до того, как они возникнут. Представьте, что могла бы сделать энергетическая компания, если бы она знала местонахождение оборудования, которое может выйти из строя, позволяя бригадам войти и принять упреждающие меры по техническому обслуживанию до того, как искра вызовет следующий масштабный лесной пожар.

Пришло время спросить, может ли ИИ быть современной версией старого талисмана медведя Дымчатого леса Лесной службы США: предотвращение лесных пожаров
до бывают.

Повреждение оборудования линии электропередач из-за перегрева, коррозии или других проблем может привести к возгоранию. Решения для Buzz

Мы начали создавать наши системы, используя данные, собранные государственными учреждениями, некоммерческими организациями, такими как
Исследовательский институт электроэнергетики (EPRI), энергетические компании и поставщики услуг воздушной инспекции, которые предлагают вертолеты и беспилотники в аренду. В совокупности этот набор данных включает тысячи изображений электрических компонентов на линиях электропередач, включая изоляторы, проводники, соединители, оборудование, опоры и опоры.Он также включает коллекции изображений поврежденных компонентов, таких как сломанные изоляторы, корродированные разъемы, поврежденные проводники, ржавые конструкции оборудования и треснувшие столбы.

Мы работали с EPRI и энергетическими компаниями, чтобы создать рекомендации и таксономию для маркировки данных изображений. Например, как точно выглядит сломанный изолятор или корродированный разъем? Как выглядит хороший изолятор?

Затем нам пришлось объединить разрозненные данные, изображения, сделанные с воздуха и с земли, с использованием различных типов сенсоров камер, работающих под разными углами и разрешениями и снятых в различных условиях освещения.Мы увеличили контрастность и яркость некоторых изображений, чтобы попытаться привести их в единый диапазон, мы стандартизировали разрешение изображений и создали наборы изображений одного и того же объекта, снятых под разными углами. Нам также пришлось настроить наши алгоритмы, чтобы сосредоточиться на интересующем объекте в каждом изображении, например, на изоляторе, а не на рассмотрении всего изображения. Для большинства этих корректировок мы использовали алгоритмы машинного обучения, работающие на искусственной нейронной сети.

Сегодня наши алгоритмы искусственного интеллекта могут распознавать повреждения или неисправности, связанные с изоляторами, соединителями, демпферами, опорами, траверсами и другими конструкциями, и выделять проблемные области для личного обслуживания.Например, он может обнаруживать то, что мы называем перекрытием изоляторов — повреждение из-за перегрева, вызванного чрезмерным электрическим разрядом. Он также может обнаружить износ проводников (что также вызвано перегревом линий), коррозию разъемов, повреждение деревянных опор и траверс и многое другое.

Для разработки алгоритмов анализа оборудования энергосистемы требовалось определить, как именно выглядят поврежденные компоненты под разными углами при разном освещении.Здесь программное обеспечение отмечает проблемы с оборудованием, используемым для снижения вибрации, вызванной ветром. Решения для Buzz

Но одна из самых важных проблем, особенно в Калифорнии, заключается в том, чтобы наш ИИ распознавал, где и когда растительность растет слишком близко к высоковольтным линиям электропередач, особенно в сочетании с неисправными компонентами, что опасно в условиях пожаров.

Сегодня наша система может обрабатывать десятки тысяч изображений и выявлять проблемы за считанные часы и дни по сравнению с месяцами ручного анализа.Это огромная помощь коммунальным предприятиям, пытающимся поддерживать инфраструктуру электроснабжения.

Но ИИ хорош не только для анализа изображений. Он может предсказывать будущее, просматривая закономерности в данных с течением времени. ИИ уже делает это, чтобы предсказать
погодные условия, рост компаний и вероятность возникновения заболеваний, и это лишь несколько примеров.

Мы считаем, что ИИ сможет предоставить аналогичные инструменты прогнозирования для энергокомпаний, прогнозируя сбои и помечая области, где эти сбои потенциально могут вызвать лесные пожары.Мы разрабатываем систему для этого в сотрудничестве с отраслевыми и коммунальными партнерами.

Мы используем исторические данные проверок линий электропередач в сочетании с историческими погодными условиями для соответствующего региона и передаем их в наши системы машинного обучения. Мы просим наши системы машинного обучения находить закономерности, связанные со сломанными или поврежденными компонентами, исправными компонентами и заросшей растительностью вокруг линий, а также с погодными условиями, связанными со всем этим, и использовать закономерности для прогнозирования будущего состояния электростанции. линии или электрические компоненты и рост растительности вокруг них.

Программное обеспечение PowerAI от Buzz Solutions анализирует изображения энергетической инфраструктуры, чтобы выявлять текущие проблемы и прогнозировать будущие

Прямо сейчас наши алгоритмы могут предсказать на шесть месяцев вперед, что, например, существует вероятность повреждения пяти изоляторов в определенной области, а также высокая вероятность зарастания растительностью вблизи линии в это время, что в совокупности создает пожароопасность.

В настоящее время мы используем эту систему упреждающего обнаружения неисправностей в пилотных программах с несколькими крупными коммунальными предприятиями — одним в Нью-Йорке, одним в регионе Новой Англии и одним в Канаде. С тех пор как мы начали наши пилотные проекты в декабре 2019 года, мы проанализировали около 3500 электрических опор. Среди примерно 19 000 исправных электрических компонентов мы обнаружили 5 500 неисправных, которые могли привести к отключению электроэнергии или искрению. (У нас нет данных о произведенных ремонтах или заменах.)

Куда мы отправимся отсюда? Чтобы выйти за рамки этих пилотных проектов и более широко внедрить прогнозный ИИ, нам потребуется огромное количество данных, собранных в течение долгого времени и в разных регионах. Это требует работы с несколькими энергетическими компаниями, сотрудничества с их группами по инспекции, техническому обслуживанию и управлению растительностью.Крупные энергетические компании в Соединенных Штатах имеют бюджеты и ресурсы для сбора данных в таких масштабах с помощью программ инспекции с помощью дронов и авиации. Но небольшие коммунальные предприятия также получают возможность собирать больше данных по мере снижения стоимости дронов. Чтобы инструменты, подобные нашему, стали широко полезными, потребуется сотрудничество между крупными и мелкими коммунальными предприятиями, а также поставщиками беспилотных летательных аппаратов и сенсорных технологий.

Перенесемся в октябрь 2025 года. Нетрудно представить себе западную U.Нам предстоит еще один жаркий, сухой и чрезвычайно опасный пожароопасный сезон, во время которого маленькая искра может привести к гигантской катастрофе. Люди, живущие в огненной стране, стараются избегать любых действий, которые могут вызвать пожар. Но в наши дни они гораздо меньше беспокоятся о рисках, связанных с их электросетью, потому что несколько месяцев назад приходили коммунальщики, ремонтируя и заменяя неисправные изоляторы, трансформаторы и другие электрические компоненты и обрезая старые деревья, даже те, которые еще не успели обрезаться. добраться до линий электропередач.Некоторые спрашивали рабочих, почему вся активность. «О, — сказали им, — наши системы искусственного интеллекта предполагают, что этот трансформатор, стоящий рядом с этим деревом, может взорваться при падении, а мы не хотим, чтобы это произошло».

Действительно, мы, конечно, нет.

Основы системы накопления энергии на маховике

Маховики являются одними из старейших машин, известных человеку, использующих импульс и вращение для накопления энергии, используемых еще во времена неолита для таких инструментов, как веретена, гончарные круги и точильные камни.Сегодня системы накопления энергии с маховиками используются для обеспечения сквозной энергии для различных требовательных приложений, превосходящих химические батареи.

Система маховика накапливает энергию механически в виде кинетической энергии, вращая массу с высокой скоростью. Электрические входы вращают ротор маховика и поддерживают его вращение до тех пор, пока не потребуется высвободить накопленную энергию. Количество доступной энергии и ее продолжительность контролируются массой и скоростью маховика.

Во вращающемся маховике кинетическая энергия является функцией скорости вращения маховика и момента инерции массы.Инерционный момент связан с массой и диаметром маховика. Кинетическая энергия высокоскоростного маховика использует преимущества физики, что приводит к экспоненциальному увеличению запасенной энергии для увеличения скорости вращения маховика.

Кинетическая энергия – это энергия движения, определяемая количеством работы, которую объект может совершить в результате своего движения, выраженной по формуле: Кинетическая энергия = 1/2 мв ²

Устройство высокоскоростного маховика

Основными компонентами маховика являются высокоскоростной двигатель/генератор с постоянными магнитами, полностью активные магнитные подшипники и конструкция узла ротора (рис. 1).

1. В высокоскоростном двигателе/генераторе с постоянными магнитами используются специальные магниты из редкоземельных металлов, чтобы свести к минимуму нагрев ротора и максимально повысить эффективность и надежность, позволяя системам маховиков работать быстро без перегрева. Это облегчает использование в сложных приложениях с высокими требованиями к цикличности и долговечности. Узел ротора маховика работает в вакууме, создаваемом внешним вакуумным насосом. Путем удаления воздуха из зоны вращения двигателя устраняются все потери на ветер из системы, что повышает электрический КПД.

2. Маховик имеет стальную массу для хранения. Поскольку сталь является хорошо изученным, хорошо поддерживаемым материалом, она позволяет избежать технологических рисков, связанных с другими материалами, такими как композиты, которые могут обеспечивать более высокую плотность энергии, но с более высокими рисками изменения температуры и ползучести, которые могут вызвать несбалансированные нагрузки и ухудшение работы с течением времени. .

Компоненты маховика. Изображение предоставлено VYCON

3. Основанные на конструкции двигателя с постоянными магнитами, маховики могут непрерывно вращаться с минимальным нагревом.Напротив, другие моторные технологии выделяют значительно больше тепла во время разряда.

4. Система магнитных подшипников/левитации позволяет узлу ротора двигателя вращаться с очень высокой скоростью без физического контакта со стационарными компонентами, оптимизируя эффективность и срок службы изделия. Магнитные подшипники практически исключают необходимость технического обслуживания, так как в маховике нет точек контакта — подшипники, которые нужно заменить или заполнить смазкой.

5. Встроенный контроллер модуля преобразования мощности обеспечивает высокую эффективность и максимальную надежность в течение всего срока службы маховика с помощью инструментов самодиагностики, которые могут упреждающе предотвращать сбои.Для каждого применения ограничения скорости вращения маховика могут быть изменены в соответствии с требованиями цикличности и другими специфическими условиями.

6. Дисплей в режиме реального времени предоставляет пользователям информацию о состоянии маховика, включая важные параметры, такие как скорость вращения ротора, заряженная емкость, история разрядов и регулируемые настройки напряжения. Дополнительные возможности контроля и управления доступны через последовательный интерфейс, контакты аварийного состояния, плавный пуск, предварительная зарядка от шины постоянного тока и отключение нажатием кнопки.

Основные приложения, которые выигрывают от систем накопления энергии маховика, включают:

Центры обработки данных

Энергоемкость центров обработки данных делает их главными кандидатами на энергоэффективные и экологичные энергетические решения. Надежность, эффективность, проблемы с охлаждением, нехватка места и экологические проблемы являются основными движущими силами для внедрения накопителей энергии маховика. Маховики в сочетании с трехфазными ИБП центра обработки данных обеспечивают мгновенное и экономичное резервное питание.

Батарея маховика. Изображение предоставлено VYCON

При отключении питания маховик мгновенно обеспечивает резервное питание. Когда маховики используются с системами ИБП (вместо аккумуляторов), они обеспечивают надежную защиту от разрушительных скачков напряжения и кратковременных отключений. Во время сбоев и отключений электроэнергии маховик обеспечивает энергию, необходимую для поддержания нагрузки, что дает достаточно времени для запуска аварийного генератора и принятия нагрузки. В это время маховик перезаряжается до полной скорости, готовой к следующему событию.Основной причиной того, что ИБП не поддерживает нагрузку, является отказ батареи. Срок службы батареи зависит от количества циклов, температуры и технического обслуживания. Чтобы увеличить срок службы батарей и доступность системы, маховики можно комбинировать с батареями, чтобы продлить время работы батарей и сократить количество ежегодных разрядов батарей, которые сокращают срок службы батарей (рис. 2).

Медицинская диагностика

Многие типы медицинского оборудования для визуализации, такие как компьютерная томография или магнитно-резонансная томография, также могут извлечь выгоду из систем накопления энергии маховика.Перебои в подаче электроэнергии, скачки напряжения и перебои в работе могут иметь разрушительные последствия для оборудования МРТ. Часто электроэнергия от подстанции к больнице не подходит для операций МРТ и КТ, поскольку перепады напряжения или скачки напряжения могут повредить системы охлаждения аппарата и привести к резкому отключению оборудования МРТ.

Маховики

в сочетании с трехфазными системами бесперебойного питания обеспечивают чистую и надежную электроэнергию для системы визуализации. Если происходит отключение электроэнергии или мощность, поступающая от коммунальной сети, «грязная», ИБП будет генерировать бесперебойную высококачественную энергию от маховиков.Помимо потребности в высочайшей надежности электропитания, часто возникает проблема с пространством. Из-за небольшой площади маховика и отсутствия необходимости в специальном охлаждении ИБП и маховики могут находиться в рентгенологическом кабинете. И наоборот, ИБП с блоком аккумуляторов необходимо размещать в более крупной охлаждаемой зоне.

Возобновляемые микросети

Микросети, развернутые в удаленных объектах, таких как острова, сталкиваются с огромными затратами на топливо, если источником питания являются дизельные генераторы. Фотогальванические солнечные панели обычно используются, чтобы свести к минимуму потребность в двигателях-генераторах для экономии затрат, обеспечивая при этом более чистую и тихую энергию в таких областях, как удаленные курорты, требующие источников питания мощностью от 200 до 300 кВт. В то время как солнечная энергия имеет много преимуществ, микросети на солнечной энергии подвержены проблемам во время скачков спроса, а также падения мощности из-за облачного покрова. Добавление маховиков к этому типу установки может поддерживать всю микросеть или только солнечную систему, чтобы предотвратить проблемы с качеством электроэнергии, возникающие из-за провалов и скачков напряжения. Неустойчивый характер проблем с питанием незащищенной солнечной установки может привести к повреждению подключенного оборудования, чувствительной электроники, такой как компьютеры и различные бытовые приборы.Поскольку маховик будет служить стабилизатором напряжения, поглощая эти колебания, операторы обнаружат, что вероятность преждевременного выхода из строя подключенного оборудования гораздо ниже.

Более экологичный подход к энергетике

Поскольку потребности в энергии в широком спектре приложений становятся все более сложными, те, кто отвечает за обеспечение надежных, чистых и экономичных поставок энергии в своих организациях, постоянно ищут решения, которые могут повысить эффективность при одновременном повышении надежности энергоснабжения. Во многих случаях включение технологии маховика в новую или модифицированную конструкцию электрической системы может служить отличной основой для достижения иногда противоречащих друг другу целей повышения надежности и снижения эксплуатационных расходов. Благодаря дополнительному преимуществу в виде экологически чистого источника энергии маховики с типичным 20-летним сроком службы представляют собой экологически чистое и экономичное решение для любого применения, требующего постоянного питания.

Об авторе

Джон Джетер — директор по продажам VYCON, Inc.в Серритосе, Калифорния. Джон прошел обучение электронике в ВМС США и имеет степень бакалавра наук. в бизнесе из Университета штата Сан-Диего. Он занимается решениями в области качества электроэнергии более 40 лет, обладая внутренним и международным опытом.

Узнайте, как работает маховик накопителя энергии

Долгая история

Концепция накопления энергии маховика уходит своими корнями в далекое прошлое. В древности гончарные круги работали с помощью деревянного диска, который регулировал и облегчал вращательное движение, которое мастер производил ногой.Та же техника использовалась во многих паровых машинах 19 ^го века. В 1920-х годах некоторые бельгийские и швейцарские трамваи курсировали между станциями без электричества. Форма энергии возникает в результате движения заряженных частиц (электронов) по проводнику…
, приводимый в движение тяжелыми чугунными дисками весом более тонны, расположенными под половицами. На каждой станции диск был подключен к источнику питания. В физике мощность — это количество энергии, отдаваемое системой в единицу времени. Проще говоря, мощность можно рассматривать как выходную энергию…
сетка, которая еще раз привела его в движение. В гораздо меньших масштабах тот же метод применяется к игрушкам с приводом от трения.

Сегодня интерес к маховикам привел к дальнейшим разработкам. Хранение электроэнергии в настоящее время стало вопросом стратегической важности для преодоления прерывистого характера энергии ветра и солнца. Технический прогресс в материалах и двигателях привел к созданию более компактных и эффективных систем.

Как работают маховики

Современные системы накопления энергии с маховиком обычно имеют форму цилиндра, известного как ротор, заключенный в герметичную вакуумную камеру для устранения трения воздуха. ²  Ротор часто изготавливается из новых материалов, таких как углеродное или стекловолокно или кевлар, которые выдерживают очень высокие скорости лучше, чем традиционные металлы. Скорость может превышать 10 000 оборотов в минуту (об/мин), а магнитная левитация снижает трение.

Когда колесо вращается с максимальной скоростью, его кинетическая энергияЭнергия объекта из-за его движения.
³  можно восстановить, используя двигатель в качестве генератора энергии. Это постепенно снижает скорость вращения маховика.

Преимущества и недостатки

Преимущества

— Высокоэффективный, 80% накопленной энергии может быть восстановлено.

— Очень быстро приводится в движение и преобразует накопленную энергию.

— Экологичный, с очень долгим сроком службы.

Один большой недостаток

— Ограниченное время хранения энергии около 15 минут, что делает маховики пригодными только для быстрого и своевременного применения.

Таким образом, маховики

в основном используются для регулирования и оптимизации систем, а не для обеспечения долговременной автономности, как, например, аккумуляторы и системы гидроаккумуляции.

Системы метро

Из-за большого веса поезда метро выделяют значительное количество энергии при торможении и столько же поглощают при ускорении. Несколько сетей, в том числе системы метро Ганновера, Гамбурга, Лос-Анджелеса и Ренна, используют маховики для хранения и восстановления этой энергии.

Например, в Ренне в центре 8-километровой линии метро установлен своего рода огромный волчок весом 2,5 метрических тонны. Когда поезд замедляется, энергия, высвобождаемая при торможении, не рассеивается в виде тепла. В современной статистической термодинамике тепло относится к передаче теплового возбуждения частиц, составляющих вещество…
но вместо этого преобразуется в электричество двигателем поезда. Затем электричество передается по третьему рельсу и используется для увеличения скорости вращения маховика.Затем эта энергия восстанавливается для питания поезда, когда он отъезжает от станции. Тщательно управляемая синхронизация поездов и «умные» цифровые технологии используются для эффективной координации потоков энергии. С помощью этой системы метро Ренна экономит электроэнергию примерно на десять дней в году.

Автомобильные системы

Вес и размер маховиков являются серьезным препятствием для небольших транспортных средств. Некоторые системы могут увеличить мощность двигателя, используя цилиндры весом в несколько килограммов, вращающиеся с очень высокой скоростью 60 000 об/мин. В основном устанавливаемые на гоночные автомобили Формулы-1, они обеспечивают водителям дополнительную мощность, например, при ускорении на выходе из поворота.

Регулирование электрических сетей

Инерционный накопитель накапливает кинетическую энергию, а затем высвобождает ее в виде электричества в течение примерно 15 минут.

Маховики иногда используются для стабилизации электросетей путем компенсации падения напряжения. В Нью-Йорке, например, 200 маховиков небольшой электростанции мощностью 20 мегаватт способны в течение нескольких секунд обеспечить достаточную энергию для обеспечения стабильного энергоснабжения по всей сети.

В меньшем масштабе та же технология используется на нишевых рынках, например, для обеспечения бесперебойного электроснабжения операционных или серверных. В случае продолжительных отключений электроэнергии маховики могут обеспечивать электроэнергию, ожидая включения других, более мощных средств производства электроэнергии, таких как дизельный двигатель.
генераторы.

Сглаживание солнечной и ветровой энергии

Разработаны решения для «сглаживания» спорадической выработки ветряных и солнечных электростанций.Однако они эффективны только в течение короткого промежутка времени. Некоторые проекты направлены на соединение солнечных фотоэлектрических панелей с «полями» маховика, например, с использованием бетонных масс в подземных кавернах. Но техническая осуществимость и, прежде всего, проблемы с затратами до сих пор мешали этим планам.

(1) Технология называется системой накопления энергии маховика (FESS).

(2) См. веб-сайт Beacon Power — https://beaconpower.com/карбоновые маховики/

(3) Количество накопленной энергии пропорционально массе ротора, квадрату скорости его вращения и квадрату его радиуса.

Системы с маховиками и проточные батареи

На рынке передовых систем хранения энергии литий-ионные батареи остаются основной технологией аккумуляторов для систем хранения энергии. Они используются в различных приложениях для хранения энергии, от хранилищ энергии, расположенных на коммерческих и промышленных объектах, до бытовых хранилищ энергии и многомегаваттных установок для хранения энергии коммунального масштаба.

Несмотря на доминирование на рынке литий-ионных аккумуляторов, они не являются единственным доступным вариантом. Компания Dynapower внедрила наши инверторы для накопления энергии наряду с другими аккумуляторными технологиями, включая системы с маховиками и проточные батареи. Здесь мы углубимся в то, как работают эти батареи.

Системы маховиков

Что такое система маховика?

Системы накопления энергии с маховиком (FESS) сохраняют входную электрическую энергию в виде кинетической энергии через ротор системы.Ротор вращается в корпусе, почти лишенном трения, что позволяет ему сохранять инерцию и продолжать вращаться даже после потери мощности. Как только система теряет связь с внешним источником питания, кинетическая энергия ротора преобразуется обратно в электрическую энергию. Эта характеристика позволяет FESS обеспечивать резервное питание подключенных коммунальных систем во время колебаний мощности или случаев полной потери мощности.

Как это работает?

Большинство систем хранения энергии с маховиком имеют большой вращающийся цилиндр.Этот компонент состоит из обода, прикрепленного к валу и поддерживаемого магнитными подшипниками на статоре. Чтобы максимизировать энергоэффективность, система работает в вакууме, чтобы минимизировать сопротивление.

Когда подключенной коммунальной системе требуется дополнительная мощность, маховик, подключенный к мотор-генератору, начинает преобразовывать кинетическую энергию в электричество.

Преимущества

FESS предлагают множество преимуществ, таких как:

• Воздействие на окружающую среду незначительно или отсутствует
• Долговечность (более 100 000 полных разрядов при правильном использовании и более 175 000 полных разрядов в новых системах)
• Минимальные требования к обслуживанию
• Универсальность (подходит для использования в системах кратковременного питания и долговременного хранения)

Применение

FESS используются в самых разных приложениях, в том числе:

• FESS используются в самых разных приложениях, включая:
• Быстрое регулирование зоны
• Частотная характеристика
• Обеспечение высококачественной и надежной электроэнергией общего назначения
• Обеспечение сквозного питания при включении других систем
• Подсистемы в гибридных автомобилях, которые часто останавливаются и запускаются

Проточные батареи

Что такое проточные батареи?

Проточные батареи

, также называемые проточными окислительно-восстановительными батареями, используют принципы электрохимического накопления энергии. Их функция аналогична перезаряжаемым батареям и топливным элементам.

Как они работают?

Эти батареи содержат два растворенных химических раствора, разделенных мембраной. Эта конструкция батареи позволяет как преобразовывать накопленную жидкую энергию в электричество, так и пополнять истощенные запасы энергии.

Преимущества

Батареи

Flow обладают рядом уникальных преимуществ, в том числе почти мгновенной перезарядкой.Операторы могут одновременно восстанавливать отработанный раствор для повторного включения и заменять его новым раствором электролита для будущей работы.

Другие преимущества проточных батарей:

• Возможность вторичной переработки (как раствора электролита, так и контейнера батареи)
• Гибкость (в отношении контроля над номинальной мощностью и энергопотреблением)
• Прочность и долговечность
• Безопасность (минимальный риск возгорания)
• Доступность (низкие производственные затраты и практическая экономия за счет масштаба при использовании на малых и больших мощностях)
• Простота использования

Применение

Проточные батареи

можно использовать практически во всех средах и отраслях. Общие приложения включают:

• Устойчивое производство энергии. Батареи Flow можно использовать во время колебаний ветра, хранения в часы пик сбора солнечной энергии и баланса интеллектуальной сети.
• Транспорт. Предшественники проточных батарей, в которых использовались цинк-бром и ванадий, использовались в тележках для гольфа и автомобилях.
• Промышленное и коммерческое хранение энергии. Проточные окислительно-восстановительные батареи можно использовать в качестве решения для краткосрочного хранения.Они могут хранить энергию от двух до десяти часов с номинальной мощностью от десятков кВт до десятков МВт.

Системы хранения энергии Dynapower

Инвестирование в гибкое и надежное решение для хранения энергии может снизить затраты на электроэнергию для конечных пользователей и помочь построить более устойчивую сеть.

Компания Dynapower специализируется на поставке полных систем накопления энергии. Наша команда экспертов работает с вами, чтобы определить оптимальную настройку для вашей отрасли и области применения.Мы предоставляем как индивидуальные, так и стандартные решения, адаптированные к уникальным потребностям вашей компании в подаче и хранении энергии. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы начать работу над вашим следующим проектом системы накопления энергии.

Clean Power Concept: качество электроэнергии с маховиком и накопление энергии | Кинетические системы тяги

The Challenge

Качество электроэнергии — это частота и серьезность помех от стандартной синусоидальной формы волны переменного тока на входном питании, подаваемом на электрооборудование. Эти отклонения могут негативно повлиять на безопасную или надежную работу чувствительного оборудования, такого как компьютеры и промышленные контроллеры.Часто потеря производительности и технологический брак в результате плохого качества электроэнергии и/или отказа оборудования намного превышают прямой ущерб от простоя системы и затрат на отказ оборудования.

Как работает накопитель энергии на маховике

Опыт Kinetic Traction Systems (KTSi) в области силовой электроники, качества электроэнергии и распределенного хранения энергии позволяет использовать системы накопительной энергии на маховике GTR в различных приложениях для ИБП и обеспечения качества электроэнергии.

Маховики могут быть сконфигурированы для обеспечения регулирования частоты, стабильности напряжения, управления спросом (снижение пиковых значений) и накопления энергии в автономных или гибридных аккумуляторных системах.

Маховики

KTSi хорошо подходят для обеспечения высокого выходного тока и способны обеспечить быстрое срабатывание, пусковой ток для индуктивных нагрузок, таких как запуск двигателя, нагрузки компрессора или медицинское оборудование для визуализации.

Накопитель энергии на маховике может обеспечить быстрое реагирование резервного питания для запуска дизельного генератора или переключения на другой источник энергии. Маховики также могут быть сконфигурированы последовательно с батареями, чтобы значительно увеличить срок службы батарей за счет поглощения высокочастотных кратковременных прерываний питания
, что сводит к минимуму циклы разрядки/зарядки батарей. KTSi поставляет системы ИБП со встроенными сетевыми инверторами или автономными накопителями энергии на маховиках.

Long Life

Одной из ключевых характеристик системы маховика KTSi является длительный срок службы, составляющий более 10 миллионов циклов заряд-разряд
. Это соответствует примерно одному циклу заряда-разряда каждую минуту в течение более 20 лет. Это делает стоимость жизненного цикла особенно привлекательной по сравнению с другими формами хранения энергии, такими как ультраконденсаторы (около миллиона циклов) и батареи (около ста тысяч циклов).Маховики также могут увеличить время разряда и срок службы батарей, если их объединить в «гибридную» энергетическую систему.

Повышенная мощность, повышенная надежность

Оптимизация качества электроэнергии является ключевым фактором повышения стабильности и надежности систем распределения электроэнергии, которые поддерживают критические нагрузки, такие как медицинское оборудование, непрерывные технологические процессы или разнообразное чувствительное электронное оборудование для критически важных задач. Маховики KTSi обеспечивают фильтр и буфер между источником выработки и распределения электроэнергии и потреблением электроэнергии защищенной нагрузкой.Маховики увеличивают контроль частоты электричества, тем самым повышая стабильность и надежность подачи.

В маховиках

KTSi используется инерция высокоскоростного ротора из углеродного волокна, чтобы обеспечить быструю реакцию и кратковременную работу в случае потери мощности. Маховик также действует как фильтр против скачков и провалов мощности, потому что эти кратковременные скачки мощности мало влияют на скорость вращения высокоскоростного маховика.

Маховики постоянно вращаются при нормальных условиях эксплуатации, при этом всегда доступен точный уровень заряда.Маховики часто размещают последовательно с батареями, чтобы обеспечить переднюю высокочастотную «защиту от сбоев», предотвращая чрезмерные циклы разрядки-зарядки батареи и увеличивая время работы до 15 минут и более.

Преимущества компактной «электромеханической батареи»

Аккумулятор энергии маховика идеально подходит для ИБП с качеством электроэнергии благодаря очень быстрой реакции на колебания напряжения и частоты. Маховики KTSi имеют высокую удельную мощность по сравнению с батареями, что позволяет маховикам очень быстро захватывать и накапливать энергию без негативного влияния на производительность.Маховик KTSi является относительно небольшим, масштабируемым, модульным и может быть сконфигурирован для различных внутренних установок.

Загрузить брошюру

Мощность маховика: механическое накопление энергии

Все были очень хорошо знакомы с батареями. Будь то стандартные АА в пультах дистанционного управления или перезаряжаемые в наших телефонах, это очень удобный способ обеспечить надежное питание наших незаменимых современных приборов, по крайней мере, в течение некоторого времени.Но у химических батарей есть и обратная сторона. они представляют опасность для окружающей среды как при их производстве, так и при утилизации, и их можно повторно использовать только ограниченное число раз. А что, если мы можем хранить энергию другим способом? Возможно, лучшим способом? «Всякое тело остается в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить это состояние под действием приложенных к нему сил.» Исаак Ньютон, Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (1687) Системы хранения механической энергии используют кинетические или гравитационные силы для хранения введенной энергии. В то время как физика механических систем часто довольно проста (например, вращение маховика или подъем веса в гору), технологии, которые позволяют эффективно и действенно использовать эти силы, особенно продвинуты. Высокотехнологичные материалы, передовые компьютерные системы управления и инновационный дизайн делают эти системы применимыми в реальных приложениях.   Маховик представляет собой вращающееся механическое устройство, используемое для накопления энергии вращения, которая может быть использована мгновенно. На самом базовом уровне маховик содержит вращающуюся массу в центре, которая приводится в движение двигателем, а когда требуется энергия, сила вращения приводит в действие устройство, похожее на турбину, для производства электроэнергии, замедляя скорость вращения. Маховик перезаряжается с помощью двигателя, чтобы еще раз увеличить скорость его вращения.   Технология маховика обладает многими полезными свойствами, которые позволяют нам улучшить существующую электрическую сеть.Маховик способен захватывать энергию от прерывистых источников энергии с течением времени и обеспечивать непрерывную бесперебойную подачу электроэнергии в сеть. Маховики также способны мгновенно реагировать на сигналы сети, обеспечивая регулирование частоты и улучшение качества электроэнергии. Бенц Моторваген 1886 года выпуска. Маховик выровнен горизонтально. Маховики традиционно изготавливаются из стали и вращаются на обычных подшипниках; обычно они ограничены скоростью вращения в несколько тысяч об / мин.Более совершенные конструкции маховиков изготовлены из материалов из углеродного волокна, хранятся в вакууме для уменьшения сопротивления и используют магнитную левитацию вместо обычных подшипников, что позволяет им вращаться со скоростью до 60 000 об/мин. Системы накопления энергии маховика (FESS) используют входную электрическую энергию, которая сохраняется в виде кинетической энергии. Кинетическая энергия может быть описана как «энергия движения», в данном случае движение вращающейся массы, называемой ротором. Ротор вращается в корпусе почти без трения.Когда требуется кратковременное резервное питание из-за колебаний или потери электроэнергии в сети, инерция позволяет ротору продолжать вращаться, а результирующая кинетическая энергия преобразуется в электричество. Большинство современных высокоскоростных маховиковых накопителей энергии состоят из массивного вращающегося цилиндра (обод, прикрепленный к валу), который поддерживается на статоре — неподвижной части электрогенератора — подшипниками на магнитной подвеске. Для поддержания эффективности система маховика работает в вакууме, чтобы уменьшить сопротивление.Маховик соединен с мотором-генератором, который взаимодействует с энергосистемой через передовую силовую электронику.   Некоторыми из ключевых преимуществ маховикового накопителя энергии являются низкие эксплуатационные расходы, длительный срок службы (некоторые маховики способны выдерживать более 100 000 циклов разрядки на полную глубину, а новейшие конфигурации способны выполнять даже больше, более 175 000 полных циклов разрядки). циклы разряда) и незначительное воздействие на окружающую среду. Маховики могут преодолеть разрыв между краткосрочной пропускной способностью и долговременным накоплением энергии с превосходными циклическими характеристиками и характеристиками отслеживания нагрузки.   Как правило, пользователи высокоскоростных маховиков должны выбирать между двумя типами ободов: сплошной сталью или углеродным композитом. Выбор материала обода будет определять стоимость, вес, размер и производительность системы. Композитные диски легче и прочнее стали, а это значит, что они могут достигать гораздо более высоких скоростей вращения. Количество энергии, которое может храниться в маховике, зависит от квадрата числа оборотов в минуту, что делает желательными более высокие скорости вращения. В настоящее время мощные маховики используются во многих аэрокосмических и ИБП-приложениях.Сегодня системы 2 кВт/6 кВтч используются в телекоммуникационных приложениях. Для хранения в коммунальном масштабе можно использовать подход «маховиковая ферма» для хранения мегаватт электроэнергии для приложений, требующих минутной продолжительности разряда.​ Как работают системы накопления энергии на маховике   Системы накопления энергии на маховике (FESS) используют кинетическую энергию, хранящуюся во вращающейся массе, с очень низкими потерями на трение. Потребляемая электрическая энергия разгоняет массу до скорости с помощью встроенного мотор-генератора.Энергия высвобождается за счет вытягивания кинетической энергии с помощью того же двигателя-генератора. Количество энергии, которое может быть сохранено, пропорционально моменту инерции объекта, умноженному на квадрат его угловой скорости. ​Чтобы оптимизировать отношение энергии к массе, маховик должен вращаться с максимально возможной скоростью. Однако быстро вращающиеся объекты подвержены действию значительных центробежных сил, хотя плотные материалы могут хранить больше энергии, они также подвержены более высокой центробежной силе и, следовательно, могут быть более склонны к отказу при более низких скоростях вращения, чем материалы с низкой плотностью.Следовательно, прочность на разрыв важнее, чем плотность материала. Низкоскоростные маховики изготовлены из стали и вращаются со скоростью до 10 000 об/мин. Справа показан типичный аккумулятор с маховиком: 1. Корпус 2.Маховик (ротор) 3.Генератор/двигатель 4.Подшипник 5.Инвертор 6.Вакуумный насос 7.Зарядка 8.Разрядка Более совершенные FESS обеспечивают привлекательную плотность энергии, высокий КПД и низкие потери в режиме ожидания (от многих минут до нескольких часов) за счет использования четырех основных характеристик: 1) вращающаяся масса из стекловолоконных смол или полимерных материалов с высоким отношением прочности к весу, 2) работающая масса в вакууме, чтобы минимизировать аэродинамическое сопротивление, 3) масса, которая вращается с высокой частотой, и 4) технология подшипников с воздушным или магнитным подавлением для обеспечения высокой скорости вращения.Усовершенствованные FESS работают при частоте вращения более 100 000 об/мин с конечными скоростями более 1000 м/с. FESS лучше всего использовать для приложений с высокой мощностью и низким энергопотреблением, которые требуют много циклов. ​Кроме того, они имеют ряд преимуществ перед химическими накопителями энергии. Они обладают высокой плотностью энергии и существенной долговечностью, что позволяет часто использовать их без ущерба для производительности. Они также имеют очень быстрый отклик и скорость линейного изменения. Фактически, они могут перейти от полного разряда к полному заряду в течение нескольких секунд или меньше.Системы накопления энергии с маховиком (FESS) становятся все более важными для приложений с высокой мощностью и относительно низким энергопотреблением. Они особенно привлекательны для приложений, требующих частых циклов, поскольку при интенсивном использовании они имеют ограниченное сокращение срока службы (т. е. они могут подвергаться множеству частичных и полных циклов зарядки-разрядки с незначительным износом за цикл). FESS особенно хорошо подходят для нескольких приложений, включая качество и надежность электроснабжения, пропускную способность во время запуска генераторных установок для более длительного резервирования, регулирование зоны, быстрое регулирование зоны и частотную характеристику.FESS также может быть полезен в качестве подсистемы в гибридных транспортных средствах, которые часто останавливаются и трогаются с места, как компонент гусеничных или бортовых рекуперативных тормозных систем. alexxlab Посмотреть все записи автора alexxlab → Вам также может понравиться Провод в резиновой оболочке: Кабель в резиновой изоляции – виды и характеристика | Полезные статьи 05.07.197403.02.2022 Стоимость автономной газификации частного дома: как делается, сколько стоит работа под ключ, куда обратиться в Москве и области 02.06.201801.02.2021 Установка люстры в натяжной потолок: Как установить люстру на натяжной потолок, технология установки 25.12.202009.11.2020 Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт