Проклятье аккумуляции, или Почему не слышно про супермаховик? Маховичный накопитель энергии
Маховичный накопитель | Журнал Популярная Механика
Сегодня ученые со всего мира безуспешно пытаются создать недорогой, легкий, компактный и невероятно емкий аккумулятор. А между тем такой накопитель энергии уже существует.
Николай Корзинов
23 ноября 2008 12:00
Мир электроники и электричества наступает! Милые поклонникам механики устройства все чаще уступают место машинам с электромоторами и электронными схемами. Однако мир будущего станет более механическим! Так считает профессор Нурбей Гулиа. За последние десятилетия механические накопители энергии заметно прибавили в энергоемкости, и именно их, по мнению ученого, будут использовать во многих устройствах вместо привычных электрохимических аккумуляторов.
Пружина, резина, конденсатор…
Во всем мире вряд ли найдется человек, который посвятил себя разработке маховичных накопителей энергии в большей мере, чем Нурбей Гулиа. Ведь делом своей жизни изобретатель начал заниматься в 15 лет. Тогда советский школьник Нурбей решил изобрести «энергетическую капсулу» — так он назвал накопитель энергии, который должен был стать столь же энергоемким, как бак с бензином, но при этом копить в себе абсолютно безвредную для человека энергию. Первым делом любознательный школьник опробовал аккумуляторы различных типов. Одним из самых безнадежных вариантов оказался пружинный накопитель. Чтобы обычный легковой автомобиль проехал с таким аккумулятором 100 км пути, последний должен был весить 50 т.
От маховиков к супермаховикам В качестве накопителей энергии маховики применяют уже несколько столетий, однако качественный скачок в области их энергоемкости произошел только в 1960-е году, когда были созданы первые супермаховики. 1. Супермаховик в работе Супермаховик выглядит, как обычный, но внешняя его часть свита из прочной стальной ленты. Витки ленты обычно склеены между собой. 2. Супермаховик после разрыва Если разрыв обычного маховика разрушителен, то в случае супермаховика лента прижимается к корпусу и автоматически затормаживает накопитель — все совершенно безопасно.
Резиновый аккумулятор показался куда перспективней: накопитель с зарядом на 100 км мог весить «всего» 900 кг. Заинтересовавшись, Нурбей даже разработал резиноаккумулятор инновационной конструкции для привода детской коляски. Один из прохожих, очарованный самоходной коляской, посоветовал разработчику подать заявку в Комитет по изобретениям и даже помог ее составить. Так Гулиа получил первое авторское свидетельство на изобретение.
Вскоре резину сменил сжатый воздух. И опять Нурбей разработал инновационное устройство — относительно компактный гидрогазовый аккумулятор. Однако, как выяснилось в ходе работы над ним, при использовании сжатого газа энергетический «потолок» был невысок. Но изобретатель не сдался: вскоре им был построен пневмокар с подогревом воздуха горелками. Эта машина получила высокую оценку у его друзей, но по своим возможностям была еще далека от того, чтобы конкурировать с автомобилем.
Маховики на транспорте можно использовать как в качестве аккумуляторов энергии, так и в виде гироскопов. На фотографии изображен маховичный концепт-кар Ford Gyron (1961), а впервые гиро-кар был построен в 1914 году русским инженером Петром Шиловским.
Особенно тщательно будущий профессор отнесся к проработке варианта «электрической капсулы». Нурбей оценил возможности конденсаторов, электромагнитов и, разумеется, собрал всю возможную информацию об электрохимических аккумуляторах. Был даже построен электромобиль. В качестве аккумулятора для него конструктор использовал батарею МАЗа. Однако возможности тогдашних электрохимических аккумуляторов Гулиа не впечатлили, не было и оснований ожидать, что в области энергоемкости произойдет прорыв. Поэтому из всех накопителей энергии наиболее перспективными Нурбею Владимировичу показались механические аккумуляторы в виде маховиков, несмотря на то что в то время они ощутимо проигрывали электрохимическим накопителям. Тогдашние маховики, даже сделанные из самой лучшей стали, в пределе могли накопить только 30−50 кДж на 1 кг массы. Если раскручивать их быстрее, они разрывались, приводя в негодность все вокруг. Даже свинцово-кислотные аккумуляторы с энергоемкостью 64 кДж/кг смотрелись на их фоне крайне выигрышно, а щелочные аккумуляторы с плотностью энергии 110 кДж/кг были вне конкуренции. Кроме того, уже тогда существовали страшно дорогие серебряно-цинковые аккумуляторы: по удельной емкости (540 кДж/кг) они примерно соответствовали самым емким на сегодня литий-ионным аккумуляторам. Но Гулиа сделал ставку на столь далекий от совершенства маховик…
Маховик на миллион
Чем выше частота вращения маховика, тем сильнее его частицы «растягивают» диск, пытаясь его разорвать. Поскольку разрыв маховика дело страшное, конструкторам приходится закладывать высокий запас прочности. В результате на практике энергоемкость маховика раза в три ниже возможной, и в начале 1960-х годов самые совершенные маховики могли запасать всего 10−15 кДж энергии на 1 кг. Если же применить более устойчивые к разрыву материалы, прочность маховика станет выше, но такой скоростной маховик становится опасным. Получается порочный круг: прочность материала возрастает, а предельная энергоемкость увеличивается незначительно. Нурбей Гулиа поставил своей задачей вырваться из этого замкнутого круга, и в один памятный день он испытал момент внезапного прояснения. На глаза изобретателю попался тросик, свитый из проволок, — такие обычно применяют в тренажерах для подъема тяжестей. Тросик был примечателен тем, что обладал высокой прочностью и никогда не рвался сразу. Именно этих качеств и не хватало тогдашним маховикам.
Накопитель Сегодня благодаря высокой энергоемкости супермаховики применяют во многих областях — от применения в спутниках связи в качестве аккумулятора энергии до использования в электростанциях для повышения их КПД. На схеме изображен маховичный накопитель, который применяют на американских электростанциях для повышения их КПД. Потери энергии в супермаховиках составляют всего 2% - это достигается, в том числе, за счет того, что он вращается в вакуумном кожухе на магнитных подшипниках.
Ученый принялся за работу: сначала поэкспериментировал с тросом, скатав из него маховик, а потом заменил проволочки тонкой стальной лентой такой же прочности — ее намотка была плотнее, а для надежности можно было склеить витки ленты между собой. Разрыв такого маховика уже не представлял опасности: при превышении предельной скорости первой должна была оторваться наиболее нагруженная внешняя лента. Она прижимается к корпусу и автоматически затормаживает маховик — никаких несчастных случаев, а оторванную ленту можно приклеить снова.
Первое испытание, когда ленточный маховик Гулиа раскручивался от скоростного электромотора пылесоса, прошло успешно. Маховик вышел на максимальную частоту вращения без разрыва. А затем, когда ученому удалось испытать этот маховик на специальном разгонном стенде, выяснилось, что разрыв наступал только при скорости обода почти 500 м/c или плотности энергии около 100 кДж/кг. Изобретение Гулиа в несколько раз превзошло по плотности энергии самые передовые на то время маховики и оставило позади свинцово-кислотные аккумуляторы.
Механический гибрид Гулиа (1966) Это возможно первый в мире гибридный автомобиль. Его передние колеса приводились от ДВС, тогда как задние от вариатора и маховика. Такой опытный образец оказался вдвое экономичней, чем УАЗ-450Д.
В мае 1964 года Гулиа первым в мире подал заявку на изобретение супермаховика, но из-за бюрократизма советской патентной системы получил необходимый документ только через 20 лет, когда срок его действия уже истек. Но приоритет изобретения за СССР сохранился. Жил бы ученый на Западе — давно бы стал мультимиллионером.
Через какое-то время после Гулиа супермаховик изобрели и на Западе, и спустя годы ему находят множество применений. В разных странах разрабатываются проекты маховичных машин. Американские специалисты создают беспилотный вертолет, в котором вместо двигателя используют супермаховики. Отправляют супермаховики и в космос. Там для них особенно благоприятная среда: в космическом вакууме нет аэродинамического сопротивления, а невесомость устраняет нагрузки на подшипники. Поэтому на некоторых спутниках связи применяются супермаховичные накопители — они долговечнее электрохимических аккумуляторов и могут долгое время снабжать аппаратуру спутника энергией. Недавно в США стали рассматривать возможность применения супермаховиков в качестве источников бесперебойного питания для зданий. Там уже работают электростанции, которые во время пика потребления энергии увеличивают мощность за счет маховичных накопителей, а при спаде, обычно в ночное время, направляют избытки энергии на раскручивание маховиков. В итоге у электростанции значительно повышается КПД работы. Кроме того, потери энергии в супермаховиках составляют всего 2% - это меньше, чем у любых других накопителей энергии.
Профессор Гулиа тоже времени зря не терял: создал очень удобную маховичную дрель, разработал первый в мире гибридный маховичный автомобиль на базе УАЗ-450Д — он оказался вдвое экономичней обычной машины. Но главное — профессор постоянно совершенствует разные элементы своей маховичной концепции, чтобы сделать ее по-настоящему конкурентоспособной.
Чудо-махомобили
Можно ли вывести супермаховик на уровень самых емких аккумуляторов? Оказывается, это не проблема. Если вместо стали использовать более прочные материалы, то пропорционально вырастет и энергоемкость. Причем, в отличие от электрохимических аккумуляторов, здесь практически нет потолка.
Супермаховик из кевлара на испытаниях при той же массе накапливал в четыре раза больше энергии, чем стальной. Супермаховик, навитый из углеволокна, может в 20−30 раз превзойти стальной по плотности энергии, а если использовать для его изготовления, например, алмазное волокно, то накопитель приобретет фантастическую энергоемкость — 15 МДж/кг. Но и это не предел: сегодня с помощью нанотехнологий на основе углерода создаются волокна фантастической прочности. «Если из такого материала навить супермаховик, — рассказывает профессор, — плотность энергии может достичь 2500−3500 МДж/кг. А значит, 150-килограммовый супермаховик из такого материала способен обеспечить легковому автомобилю пробег в два с лишним миллиона километров с одной прокрутки — больше, чем может выдержать шасси машины».
Маховичные машины Если объединить в одну схему супермаховик и супервариатор расход привычного автомобиля можно снизить ниже 2 л/100 км, считает Нурбей Гулиа. На фото приведена схема работы маховичной машины на топливных элементах, справа автомобиля с ДВС.
За счет того что супермаховик вращается в вакууме, а его ось закреплена в магнитной подвеске, сопротивление при вращении оказывается минимальным. Возможно, такой супермаховик может крутиться до остановки многие месяцы. Однако машина, способная работать в течение всего срока службы без заправок, пока еще не изобретена. Мощности современных электростанций определенно не хватит для зарядки таких серийных чудо-махомобилей.
Но именно автотранспорт, считает профессор, самая подходящая сфера применения супермаховиков. И показатели машин проекта Гулиа, на которых он планирует использовать супермаховики, не менее удивительные. По оценке ученого, «здоровый» расход топлива у бензинового автомобиля должен составлять примерно 1,5 л на 100 км, а у дизельного — 1,2 л.
Как такое возможно? «В энергетике есть неписаный закон: при одинаковых капиталовложениях всегда более экономичен привод, в котором нет преобразований видов и форм энергии, — поясняет профессор. — Двигатель выделяет энергию в виде вращения, и ведущие колеса автомобиля потребляют эту энергию тоже в виде вращения. Значит, не надо преобразовывать энергию двигателя в электрическую и обратно, достаточно передавать ее от двигателя к колесам через механический привод».
www.popmech.ru
Пополняя базу данных о накопителях энергии, сегодня хочу рассказать о маховичных накопителях энергии
После публикации на своей площадке рубрики о разных накопителях энергии я пытался использовать новые технические решения по аккумулированию и запасу энергии от привыкших нашему глазу электрохимичных аккумуляторов до емкостей под давлением с водородом. Приходили разные комментарии с положительными и негативными отзывами, но среди них были и предложения, в качестве аккумулятора энергии использовать маховики. Пополняя базу данных о накопителях энергии и учитывая, что ученые всего мира пытаются создать недорогой, легкий, компактный и невероятно емкий аккумулятор, сегодня хочу рассказать о маховичных накопителях энергии, которые применяются уже несколько сот лет.
Профессор Нурбей Гулиа посвятил себя разработке маховичных накопителей энергии всю свою жизнь и начал этим делом заниматься в 15 лет. В том возрасте он решил изобрести «энергетическую капсулу» — накопитель энергии, который должен был стать столь же энергоемким, как бак с бензином, но при этом копить в себе абсолютно безвредную для человека энергию. Первым делом любознательный школьник опробовал аккумуляторы различных типов. Одним из самых безнадежных вариантов оказался пружинный накопитель. Чтобы обычный легковой автомобиль проехал с таким аккумулятором 100 км пути, последний должен был весить 50 т.
От маховиков к супермаховикам
В качестве накопителей энергии маховики применяют уже несколько столетий, однако качественный скачок в области их энергоемкости произошел только в 1960-е году, когда были созданы первые супермаховики. Супермаховик выглядит, как обычный, но внешняя его часть свита из прочной стальной ленты. Витки ленты обычно склеены между собой. Если разрыв обычного маховика разрушителен, то в случае супермаховика лента прижимается к корпусу и автоматически затормаживает накопитель — все совершенно безопасно.
Резиновый аккумулятор для автомобиля показался куда перспективней: накопитель с зарядом на 100 км мог весить «всего» 900 кг. Заинтересовавшись, Нурбей даже разработал резиноаккумулятор инновационной конструкции для привода детской коляски, в дальнейшем он за эту разработку получил первое авторское свидетельство на изобретение.
Особенно тщательно будущий профессор отнесся к проработке варианта «электрической капсулы». Нурбей оценил возможности конденсаторов, электромагнитов и, разумеется, собрал всю возможную информацию об электрохимических аккумуляторах. Был даже построен электромобиль. В качестве аккумулятора для него конструктор использовал батарею МАЗа. Однако возможности тогдашних электрохимических аккумуляторов Гулиа не впечатлили, не было и оснований ожидать, что в области энергоемкости произойдет прорыв. Поэтому из всех накопителей энергии наиболее перспективными Нурбею Владимировичу показались механические аккумуляторы в виде маховиков, несмотря на то, что в то время они ощутимо проигрывали электрохимическим накопителям.Тогдашние маховики, даже сделанные из самой лучшей стали, в пределе могли накопить только 30−50 кДж на 1 кг массы. Если раскручивать их быстрее, они разрывались, приводя в негодность все вокруг. Даже свинцово-кислотные аккумуляторы с энергоемкостью 64 кДж/кг смотрелись на их фоне крайне выигрышно, а щелочные аккумуляторы с плотностью энергии 110 кДж/кг были вне конкуренции. Кроме того, уже тогда существовали страшно дорогие серебряно-цинковые аккумуляторы: по удельной емкости (540 кДж/кг) они примерно соответствовали самым емким на сегодня литий-ионным аккумуляторам. Но Гулиа сделал ставку на столь далекий от совершенства маховик…
Маховик на миллион
Чем выше частота вращения маховика, тем сильнее его частицы «растягивают» диск, пытаясь его разорвать. Поскольку разрыв маховика дело страшное, конструкторам приходится закладывать высокий запас прочности. В результате на практике энергоемкость маховика раза в три ниже возможной, и в начале 1960-х годов самые совершенные маховики могли запасать всего 10−15 кДж энергии на 1 кг. Если же применить более устойчивые к разрыву материалы, прочность маховика станет выше, но такой скоростной маховик становится опасным. Получается порочный круг: прочность материала возрастает, а предельная энергоемкость увеличивается незначительно. В результате кропотливых поисков изобретатель пришел к варианту маховика из троса, свитого из проволок, — такие обычно применяют в тренажерах для подъема тяжестей. Тросик был примечателен тем, что обладал высокой прочностью и никогда не рвался сразу. Именно этих качеств и не хватало тогдашним маховикам.
Заявку на изобретение Гулиа подал в мае 1964 года, а патент получил через 20 лет, когда срок его действия уже истек. Но приоритет изобретения за СССР сохранился. Через какое-то время после Гулиа супермаховик изобрели и на Западе, и спустя годы ему находят множество применений. В разных странах разрабатываются проекты маховичных машин. Американские специалисты создают беспилотный вертолет, в котором вместо двигателя используют супермаховики. Отправляют супермаховики и в космос. Там для них особенно благоприятная среда: в космическом вакууме нет аэродинамического сопротивления, а невесомость устраняет нагрузки на подшипники. Поэтому на некоторых спутниках связи применяются супермаховичные накопители — они долговечнее электрохимических аккумуляторов и могут долгое время снабжать аппаратуру спутника энергией. Недавно в США стали рассматривать возможность применения супермаховиков в качестве источников бесперебойного питания для зданий. Там уже работают электростанции, которые во время пика потребления энергии увеличивают мощность за счет маховичных накопителей, а при спаде, обычно в ночное время, направляют избытки энергии на раскручивание маховиков. В итоге у электростанции значительно повышается КПД работы. Кроме того, потери энергии в супермаховиках составляют всего 2% — это меньше, чем у любых других накопителей энергии.
Чудо-махомобили
Можно ли вывести супермаховик на уровень самых емких аккумуляторов? Оказывается, это не проблема. Если вместо стали использовать более прочные материалы, то пропорционально вырастет и энергоемкость. Причем, в отличие от электрохимических аккумуляторов, здесь практически нет потолка.
Супермаховик из кевлара на испытаниях при той же массе накапливал в четыре раза больше энергии, чем стальной. Супермаховик, навитый из углеволокна, может в 20−30 раз превзойти стальной по плотности энергии, а если использовать для его изготовления, например, алмазное волокно, то накопитель приобретет фантастическую энергоемкость — 15 МДж/кг. Но и это не предел: сегодня с помощью нанотехнологий на основе углерода создаются волокна фантастической прочности. «Если из такого материала навить супермаховик, — рассказывает профессор, — плотность энергии может достичь 2500−3500 МДж/кг. А значит, 150-килограммовый супермаховик из такого материала способен обеспечить легковому автомобилю пробег в два с лишним миллиона километров с одной прокрутки — больше, чем может выдержать шасси машины».
Маховичные машины
Если объединить в одну схему супермаховик и супервариатор расход привычного автомобиля можно снизить ниже 2 л/100 км, считает Нурбей Гулиа. На фото приведена схема работы маховичной машины на топливных элементах, справа автомобиля с ДВС.
За счет того что супермаховик вращается в вакууме, а его ось закреплена в магнитной подвеске, сопротивление при вращении оказывается минимальным. Возможно, такой супермаховик может крутиться до остановки многие месяцы. Однако машина, способная работать в течение всего срока службы без заправок, пока еще не изобретена. Мощности современных электростанций определенно не хватит для зарядки таких серийных чудо-махомобилей.
Но именно автотранспорт, считает профессор, самая подходящая сфера применения супермаховиков. И показатели машин проекта Гулиа, на которых он планирует использовать супермаховики, не менее удивительные. По оценке ученого, «здоровый» расход топлива у бензинового автомобиля должен составлять примерно 1,5 л на 100 км, а у дизельного — 1,2 л.
Как такое возможно? «В энергетике есть неписаный закон: при одинаковых капиталовложениях всегда более экономичен привод, в котором нет преобразований видов и форм энергии, — поясняет профессор. — Двигатель выделяет энергию в виде вращения, и ведущие колеса автомобиля потребляют эту энергию тоже в виде вращения. Значит, не надо преобразовывать энергию двигателя в электрическую и обратно, достаточно передавать ее от двигателя к колесам через механический привод».
И сегодня, профессор Гулия постоянно совершенствует разные элементы своей маховичной концепции накопителей энергии, чтобы сделать ее по-настоящему конкурентоспособной. Источник
Спасибо за прочтение. Если вам понравилось, пожалуйста, поделитесь с друзьями и в комментариях черкните пару слов своего мнения
savenergy.info
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.
| Материал | Предел прочности, 109,(Н/м2) | Плотность, 103,( кг/м3) | Линейная скорость, Vmax (м/с) |
| Стальная проволока | 3,1 | 7,8 | 632 |
| Стекловолокно | 2,1 | 2,1 | 1000 |
| Угольное волокно | 1,22 | 1,1 | 1049 |
| Борное волокно | 5,9 | 2,0 | 1673 |
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>>
sersalaev.narod.ru
Проклятье аккумуляции, или Почему не слышно про супермаховик?
Если позволите каплю эмоций, я не перестаю удивляться, какие страсти разгораются каждый раз, когда разговор в этой колонке заходит о «чистой энергии». Накал прошлонедельной дискуссии об эффективности солнечных батарей (см. «Домашняя энергонезависимость») оказался таким, что, посмотрев со стороны, можно подумать, будто обсуждают большую политику или как минимум сравнивают операционные системы! И лично для меня это лучшее доказательство того, что тема только кажется отработанной и устоявшейся, а на самом деле даже по элементарным вроде бы вопросам (вроде практической пригодности солнечных батарей в облачную погоду) существуют диаметрально противоположные точки зрения. Так что если у вас есть чем крыть, есть цифры, а тем более личный опыт, очень прошу поучаствовать в новой дискуссии. Потому что сегодня я рискну продолжить начатый в две прошедших недели разговор. Ведь энергию Солнца или ветра мало получить, её мало распределить по потребителям, её ещё жизненно важно научиться накапливать!
В самом деле, что проку от той же трёхкиловаттной икеевской солнечной электростанции, занимающей крышу частного дома, если она, способная с избытком удовлетворить потребности целого домохозяйства, работает только в светлое время суток? Идеально было бы накапливать остающийся во время генерации излишек («скушать» три киловатта — не шутка, мало какой бытовой прибор поглощает даже киловатт, и работают такие приборы, как правило, недолго: проточный нагреватель воды, духовка… У меня, правда, греет дом полуторакиловаттный биткойновый риг, но это редкость, согласитесь) и отдавать его по мере надобности ночью. Что ж, предположим, на ночь и сумерки, занимающие, скажем, 18 часов, дому нужны те же самые три киловатта. Значит, бытовой накопитель электроэнергии должен запасти, грубо, 54 киловатт-часа. Много это или мало?
Солнечная электростанция Solana.Нормально. И решение этой проблемы «в лоб», установкой электрического аккумулятора приемлемых габаритов и эксплуатационных свойств, то есть литий-ионного, уже возможно. Больше того, выпускаются серийные образцы аккумуляторных батарей именно такой ёмкости: это батареи электромобилей – к примеру, знакомого вам Model S от Tesla Motors, базовая комплектация которого включает батарею с ёмкостью 60 кВт•ч. Одна проблема: стоит такое решение 10 тысяч американских долларов, то есть дороже всей солнечной электростанции от той же IKEA. И ценам Элона Маска можно верить: они хоть и собирают свои батареи из чужих элементов (основу производит Panasonic), но используют их не только в автомобилях, а и на бытовых солнечных электростанциях, устанавливаемых компанией Solar City (один из проектов Маска, входит в число крупнейших установщиков солнечных батарей в США). Поскольку спроса на такие батареи, естественно, нет, Solar City пока ограничивается установкой сравнительно небольших аккумуляторов, способных поддержать базовые электропотребности среднего дома лишь на время кратковременных перебоев энергоснабжения.
Но это ещё не все плохие новости. Цифра, которую мы получили выше, можно сказать, обывательская. А профессионалы говорят так: запас энергии в доме должен быть минимум на три (облачных) дня, а лучше – на пять (тогда аккумуляторы прослужат дольше)! Так что в существующем виде электрические аккумуляторы неприемлемы даже для домашних нужд, не говоря уже о мощных электростанциях. Но как же быть? И как выкручиваются проектировщики больших энергогенерирующих объектов?
Чтобы ответить на этот вопрос, достаточно посмотреть на вводимые в строй суперсовременные «чистые» электростанции. Скажем, на стартовавшую на днях в Штатах станцию Solana — занимающую площадь в несколько квадратных километров и самую мощную на планете (280 МВт, 70 тысяч среднестатистических домохозяйств). Так вот: никакого нанотеха, никаких чудес электрохимии. Всё просто: часть собранного солнечного тепла пускают на нагрев здоровенного резервуара с расплавом соли (некоторые соли, скажем, глауберова, твёрдые в охлаждённом состоянии, переходят в жидкую форму при нагревании), и ночью возвращаемое солью тепло нагревает воду до пара и крутит турбину. И вот это решение (точнее, его масштабы) называют «поворотной точкой для солнечной энергетики»! Вот он, пик чистых технологий XXI века: солевая грелка за два миллиарда долларов!
Solana изнутри: солевая грелка плюс водяной пар.Это и смешно, и грустно одновременно. Смешно — потому что в задаче аккумуляции энергии мы никак не уйдём от технологий столетней давности. Грустно — потому что решение этой задачи, насколько мне известно, существует давно, а честь открытия и разработки принадлежит нашему соотечественнику. Называется оно странным словом «супермаховик».
Должен предупредить сразу: описывая это творение инженерной мысли, я не могу быть абсолютно объективным. Потому что книга про супермаховик попала в мои руки, когда мне было что-то около десяти лет, и стала одним из кирпичиков, на которых и сформировалось моя любовь к технике. Поэтому ещё раз повторю, что буду рад любым доводам и аргументам. Но — к сути. В далёком 1986 году издательство «Детская литература» (!) выпустило книгу советского изобретателя Нурбея Гулиа «В поисках “энергетической капсулы”» (её копия, как раритетного издания, есть в Сети). С юмором и очень просто Гулиа описывает в ней своё становление инженера (так решили его знакомые: мол, если других талантов нет, дорога одна!) и выход на задачу, которая стала главной в его жизни. Это задача аккумуляции энергии — уже тогда, тридцать лет назад, стоявшая в полный рост. Перебрав механические, термические, электрические, химические решения, заглянув в то, что вскоре станет нанотехнологиями, Гулиа отверг их все по тем или иным причинам — и остановился на идее, известной с древности: массивном вращающемся теле, маховике.
Мы находим маховик везде, от гончарного круга и примитивных водяных насосов до транспортных средств XX века и космических гироскопов. Как аккумулятор энергии он замечателен тем, что его можно быстро разогнать («зарядить») и быстро же остановить (получив значительную мощность «на выходе»). Одна проблема: энергоёмкость его недостаточна, чтобы претендовать на роль универсальной «энергетической капсулы». Плотность запасаемой энергии необходимо увеличить хотя бы в сотню раз. Но как это сделать? Увеличим скорость — маховик разорвёт и запасённая энергия причинит страшные разрушения. Наращивать габариты тоже не всегда возможно. Пропуская многолетний, интереснейший пласт исследований и размышлений (очень рекомендую книгу, читается и сегодня совершенно современно!), собственно вклад Гулиа можно свести к следующему: он предложил делать маховик не монолитным, а навивать — например, из стального троса или ленты. Возрастает прочность, низводятся до ничтожных последствия разрыва, а энергоёмкость даже самодельных образцов превышает параметры промышленных разработок. Эту конструкцию он и назвал супермаховиком (и запатентовал один из первых вариантов ещё в 1964-м).
Прорабатывая идею, он пришёл к мысли навивать маховик из графитового волокна (не забывайте, что фуллерены тогда только получили, а о графене и речи не шло), а то и более экзотических материалов вроде азота. Но даже 20-килограммовый супермаховик из углеродных волокон, технически возможный уже тогда, тридцать лет назад, был способен запасти энергию, достаточную для передвижения легкового автомобиля на 500 километров, со средней стоимостью стокилометрового броска в 60 американских центов.
Углеволоконный супермаховик.В случае с супермаховиками нет смысла возиться со сравнительными оценками — будь то запасаемая на единицу массы энергия или эксплуатационные характеристики: теоретически они превосходят все имеющиеся альтернативные решения. И области применения напрашивались сами собой. Помещённый в вакуум, на магнитной подвеске, с КПД выше 90%, выдерживающий невообразимое число циклов заряда-разряда, способный работать в широчайших диапазонах температур, супермаховик способен вращаться годами и обещал фантастические вещи: автомобиль от одной зарядки мог бы бегать тысячи километров, а то и весь срок службы, электростанция с упрятанным в фундамент многосотметровым супермаховиком запасала бы энергию, достаточную для освещения всей Земли, и так далее, и так далее. Но вот вопрос: прошло тридцать лет, почему мы же не видим супермаховиков вокруг себя?
Сказать по правде, я не знаю ответа. Технические сложности? Да, и конструкция супермаховика, и плавный отбор энергии — задачи с большой буквы, но они вроде бы решены. Время от времени слышно о мелких, узконишевых применениях. Но именно там, где на него возлагались главные надежды — в энергетике и автомобилестроении — супермаховик массового применения не нашёл. Пару лет назад американская компания Beacon Power ввела в строй небольшую супермаховичную энергоаккумулирующую станцию под Нью-Йорком, но сегодня о проекте ничего не слышно, а сама компания перебивается с хлеба на воду.
Нурбей Гулиа по-прежнему работает над совершенствованием своего детища и год назад отметился сообщением о возможности постройки графенового супермаховика (с расчётной удельной энергоёмкостью 1,2 кВт*ч/кг, то есть на порядок выше литий-ионных аккумуляторов). Но, если я правильно понимаю, коммерческого успеха он добился с другой своей разработкой (супервариатором, оригинальной механической передачей), а вот супермаховик почему-то остаётся под знаком вопроса.
P. S. Я попросил Нурбея Владимировича поучаствовать в дискуссии (хоть надежда, сами понимаете, слабая: на личном сайте его натурально одолевают поклонники).
www.computerra.ru
Маховичный накопитель / Блог им. Beholder / magSpace.ru
Мир электроники и электричества наступает! Милые поклонникам механики устройства все чаще уступают место машинам с электромоторами и электронными схемами. Однако мир будущего станет более механическим! Так считает профессор Нурбей Гулиа. За последние десятилетия механические накопители энергии заметно прибавили в энергоемкости, и именно их, по мнению ученого, будут использовать во многих устройствах вместо привычных электрохимических аккумуляторов.Пружина, резина, конденсатор…Во всем мире вряд ли найдется человек, который посвятил себя разработке маховичных накопителей энергии в большей мере, чем Нурбей Гулиа. Ведь делом своей жизни изобретатель начал заниматься в 15 лет. Тогда советский школьник Нурбей решил изобрести «энергетическую капсулу» – так он назвал накопитель энергии, который должен был стать столь же энергоемким, как бак с бензином, но при этом копить в себе абсолютно безвредную для человека энергию.
Первым делом любознательный школьник опробовал аккумуляторы различных типов. Одним из самых безнадежных вариантов оказался пружинный накопитель. Чтобы обычный легковой автомобиль проехал с таким аккумулятором 100 км пути, последний должен был весить 50 т. Резиновый аккумулятор показался куда перспективней: накопитель с зарядом на 100 км мог весить «всего» 900 кг. Заинтересовавшись, Нурбей даже разработал резиноаккумулятор инновационной конструкции для привода детской коляски. Один из прохожих, очарованный самоходной коляской, посоветовал разработчику подать заявку в Комитет по изобретениям и даже помог с ее составить. Так Гулиа получил первое авторское свидетельство на изобретение.
Вскоре резину сменил сжатый воздух. И опять Нурбей разработал инновационное устройство – относительно компактный гидрогазовый аккумулятор. Однако, как выяснилось в ходе работы над ним, при использовании сжатого газа энергетический «потолок» был невысок. Но изобретатель не сдался: вскоре им был построен пневмокар с подогревом воздуха горелками. Эта машина получила высокую оценку у его друзей, но по своим возможностям была еще далека от того, чтобы конкурировать с автомобилем.
Особенно тщательно будущий профессор отнесся к проработке варианта «электрической капсулы». Нурбей оценил возможности конденсаторов, электромагнитов и, разумеется, собрал всю возможную информацию об электрохимических аккумуляторах. Был даже построен электромобиль. В качестве аккумулятора для него конструктор использовал батарею МАЗа. Однако возможности тогдашних электрохимических аккумуляторов Гулиа не впечатлили, не было и оснований ожидать, что в области энергоемкости произойдет прорыв. Поэтому из всех накопителей энергии наиболее перспективными Нурбею Владимировичу показались механические аккумуляторы в виде маховиков, несмотря на то что в то время они ощутимо проигрывали электрохимическим накопителям. Тогдашние маховики, даже сделанные из самой лучшей стали, в пределе могли накопить только 30–50 кДж на 1 кг массы. Если раскручивать их быстрее, они разрывались, приводя в негодность все вокруг. Даже свинцово-кислотные аккумуляторы с энергоемкостью 64 кДж/кг смотрелись на их фоне крайне выигрышно, а щелочные аккумуляторы с плотностью энергии 110 кДж/кг были вне конкуренции. Кроме того, уже тогда существовали страшно дорогие серебряно-цинковые аккумуляторы: по удельной емкости (540 кДж/кг) они примерно соответствовали самым емким на сегодня литий-ионным аккумуляторам. Но Гулиа сделал ставку на столь далекий от совершенства маховик…
Маховик на миллион
Чем выше частота вращения маховика, тем сильнее его частицы «растягивают» диск, пытаясь его разорвать. Поскольку разрыв маховика дело страшное, конструкторам приходится закладывать высокий запас прочности. В результате на практике энергоемкость маховика раза в три ниже возможной, и в начале 1960-х годов самые совершенные маховики могли запасать всего 10–15 кДж энергии на 1 кг. Если же применить более устойчивые к разрыву материалы, прочность маховика станет выше, но такой скоростной маховик становится опасным. Получается порочный круг: прочность материала возрастает, а предельная энергоемкость увеличивается незначительно. Нурбей Гулиа поставил своей задачей вырваться из этого замкнутого круга, и в один памятный день он испытал момент внезапного прояснения. На глаза изобретателю попался тросик, свитый из проволок, – такие обычно применяют в тренажерах для подъема тяжестей. Тросик был примечателен тем, что обладал высокой прочностью и никогда не рвался сразу. Именно этих качеств и не хватало тогдашним маховикам.
Ученый принялся за работу: сначала поэкспериментировал с тросом, скатав из него маховик, а потом заменил проволочки тонкой стальной лентой такой же прочности – ее намотка была плотнее, а для надежности можно было склеить витки ленты между собой. Разрыв такого маховика уже не представлял опасности: при превышении предельной скорости первой должна была оторваться наиболее нагруженная внешняя лента. Она прижимается к корпусу и автоматически затормаживает маховик – никаких несчастных случаев, а оторванную ленту можно приклеить снова.
Первое испытание, когда ленточный маховик Гулиа раскручивался от скоростного электромотора пылесоса, прошло успешно. Маховик вышел на максимальную частоту вращения без разрыва. А затем, когда ученому удалось испытать этот маховик на специальном разгонном стенде, выяснилось, что разрыв наступал только при скорости обода почти 500 м/c или плотности энергии около 100 кДж/кг. Изобретение Гулиа в несколько раз превзошло по плотности энергии самые передовые на то время маховики и оставило позади свинцово-кислотные аккумуляторы.
В мае 1964 года Гулиа первым в мире подал заявку на изобретение супермаховика, но из-за бюрократизма советской патентной системы получил необходимый документ только через 20 лет, когда срок его действия уже истек. Но приоритет изобретения за СССР сохранился. Жил бы ученый на Западе – давно бы стал мультимиллионером.
Через какое-то время после Гулиа супермаховик изобрели и на Западе, и спустя годы ему находят множество применений. В разных странах разрабатываются проекты маховичных машин. Американские специалисты создают беспилотный вертолет, в котором вместо двигателя используют супермаховики. Отправляют супермаховики и в космос. Там для них особенно благоприятная среда: в космическом вакууме нет аэродинамического сопротивления, а невесомость устраняет нагрузки на подшипники. Поэтому на некоторых спутниках связи применяются супермаховичные накопители – они долговечнее электрохимических аккумуляторов и могут долгое время снабжать аппаратуру спутника энергией. Недавно в США стали рассматривать возможность применения супермаховиков в качестве источников бесперебойного питания для зданий. Там уже работают электростанции, которые во время пика потребления энергии увеличивают мощность за счет маховичных накопителей, а при спаде, обычно в ночное время, направляют избытки энергии на раскручивание маховиков. В итоге у электростанции значительно повышается КПД работы. Кроме того, потери энергии в супермаховиках составляют всего 2% – это меньше, чем у любых других накопителей энергии.
Профессор Гулиа тоже времени зря не терял: создал очень удобную маховичную дрель, разработал первый в мире гибридный маховичный автомобиль на базе УАЗ-450Д – он оказался вдвое экономичней обычной машины. Но главное – профессор постоянно совершенствует разные элементы своей маховичной концепции, чтобы сделать ее по-настоящему конкурентоспособной.
Чудо-махомобили
Можно ли вывести супермаховик на уровень самых емких аккумуляторов? Оказывается, это не проблема. Если вместо стали использовать более прочные материалы, то пропорционально вырастет и энергоемкость. Причем, в отличие от электрохимических аккумуляторов, здесь практически нет потолка.
Супермаховик из кевлара на испытаниях при той же массе накапливал в четыре раза больше энергии, чем стальной. Супермаховик, навитый из углеволокна, может в 20–30 раз превзойти стальной по плотности энергии, а если использовать для его изготовления, например, алмазное волокно, то накопитель приобретет фантастическую энергоемкость – 15 МДж/кг. Но и это не предел: сегодня с помощью нанотехнологий на основе углерода создаются волокна фантастической прочности. «Если из такого материала навить супермаховик, – рассказывает профессор, – плотность энергии может достичь 2500–3500 МДж/кг. А значит, 150-килограммовый супермаховик из такого материала способен обеспечить легковому автомобилю пробег в два с лишним миллиона километров с одной прокрутки – больше, чем может выдержать шасси машины».
За счет того что супермаховик вращается в вакууме, а его ось закреплена в магнитной подвеске, сопротивление при вращении оказывается минимальным. Возможно, такой супермаховик может крутиться до остановки многие месяцы. Однако машина, способная работать в течение всего срока службы без заправок, пока еще не изобретена. Мощности современных электростанций определенно не хватит для зарядки таких серийных чудо-махомобилей.
Но именно автотранспорт, считает профессор, самая подходящая сфера применения супермаховиков. И показатели машин проекта Гулиа, на которых он планирует использовать супермаховики, не менее удивительные. По оценке ученого, «здоровый» расход топлива у бензинового автомобиля должен составлять примерно 1,5 л на 100 км, а у дизельного – 1,2 л.
Как такое возможно? «В энергетике есть неписаный закон: при одинаковых капиталовложениях всегда более экономичен привод, в котором нет преобразований видов и форм энергии, – поясняет профессор. – Двигатель выделяет энергию в виде вращения, и ведущие колеса автомобиля потребляют эту энергию тоже в виде вращения. Значит, не надо преобразовывать энергию двигателя в электрическую и обратно, достаточно передавать ее от двигателя к колесам через механический привод».
Таким образом, механический гибрид оказывается максимально энергосберегающим и, как уверяет ученый, в условиях города снижает расход топлива в три раза! Применение супермаховика, который запасает огромное количество энергии от двигателя, а затем практически без потерь отправляет ее на колеса через супервариатор, позволяет снизить размер и мощность двигателя. Двигатель же в проекте ученого работает только в оптимальном режиме, когда его КПД наиболее высок, поэтому-то «суперавтомобиль» Гулиа столь экономичен. Имеется у профессора и проект использования топливных элементов с супермаховиком. У топливных элементов КПД в пределе может быть почти вдвое выше, чем у ДВС, и составляет около 70%.
«Но почему же при всех достоинствах такой схемы она пока не используется на автомобилях?» – задаем мы очевидный вопрос. «Для такой машины был необходим супервариатор, а он появился сравнительно недавно и сейчас только начинает производиться, – объясняет профессор Гулиа. – Так что такой автомобиль на подходе». Нашему журналу приятно сознавать, что если такой автомобиль появится, то в этом будет и наша заслуга. После того как в «Популярной механике» появилась статья о супервариаторе Гулиа, этим проектом сразу заинтересовались производители приводной техники, и сейчас профессор занимается созданием и совершенствованием своего супервариатора. А значит, стоит надеяться, что ждать суперавтомобиля осталось недолго…
Николай Корзинов
magspace.ru
[Реклама] Обещанный материал про маховичный накопитель кинетической энергии
Испытания накопителя кинетической энергии большой мощности и энергоемкостиКорпорация «Русский сверхпроводник» (www.rhsc.ru) провела стендовые испытания накопителя кинетической энергии большой мощности и энергоёмкости с проверкой работоспособности всех его узлов, а также некоторых основных режимов работы. В статье описываются достигнутые результаты испытаний циклической работы накопителя.Накопитель кинетической энергииКомпанией разработан НКЭ по классической схеме, которая включает в себя маховик, находящийся в прочном корпусе. Плоскость вращения маховика – горизонтальная, что обусловило ряд принятых в данном исполнении конструктивных решений. Вал маховика выходит из корпуса в верхней крышке, к которой присоединен фланец, держащий на себе электродвигатель фланцевого исполнения. Валы маховика и электромотора расположены соосно и соединены муфтой. Примененная электромашина является обратимой, т.е. может работать как в режиме электродвигателя, так и в режиме генератора. Раскрученный до своих рабочих скоростей маховик накапливает энергию. При достижении максимальной рабочей частоты вращения, на которую рассчитан маховик, электромотор отключается от сети. После этого маховик вращается по инерции. При включении электромашины в режиме генератора благодаря тому, что ротор генератора соединен муфтой с валом маховика и вращается, вырабатывается напряжение, которое передается на нагрузку.
Рис. 1. 3D-модель НКЭПо вышеописанной принципиальной схеме проводилось проектирование накопителя (см. рис. 1). В ходе конструкторской работы осуществлялся расчет прочности разных форм и материалов маховика, корпуса, анализировались способы соединения валов мотора и маховика, а также исследовались другие аспекты, в том числе в части электротехнической составляющей накопителя кинетической энергии. В ходе разработки также был создан облегченный полномасштабный макет (из пластиковых материалов), на котором проводились лабораторные исследования накопителя.В результате проведенной работы был создан прототип накопителя со следующими параметрами (см. таб. 1):Таблица 1Характеристики экспериментального образца накопителяХарактеристика ЗначениеЭнергоемкость, МДж 4Мощность электромашины, кВт 22Управление электромашиной Частотный регулятор Входное напряжение, В 380, 3 фазыВыходное напряжение, В До 730, постоянноеСопротивление резисторов нагрузки, Ом 17Номинальный ток двигателя, А 41Ток перегрузки, (1,5 раза) А 62Масса накопителя энергии (с электромашиной, блоком управления, вакуумным насосом и др. оборудованием), кг 1070Испытательный стендДля проверки работоспособности прототипа накопителя были определены критерии и требования к стенду для проведения экспериментов. Были изучены некоторые сохранившиеся в Москве стенды, которые были предназначены для испытаний аналогичных машин. Практически все из них оказались в разобранном или непригодном состоянии. Для проведения испытаний был выбран действующий стенд в Подмосковье (рис. 2), представляющий собой обнесенный толстыми бетонными стенами приямок.
Рис. 2. Фото испытательного стендаДля проверки работоспособности накопителя кинетической энергии была составлена программа и методики проведения испытаний, были определены ключевые режимы проверки достижения заданных конструктивных параметров по эффективности, надежности, безопасности, управляемости. На основе программы и методики испытаний был разработан и собран испытательный стенд, который включал в себя основное испытываемое и вспомогательное, в том числе измерительное оборудование. Электрическая схема подключений основного испытательного оборудования изображена на рис. 3.Рис. 3. Принципиальная схема подключения электрическаяПитание всего испытательного комплекса осуществлялось от центрального щитка электропитания испытательного комплекса напряжением 380 В, 3 фазы. Питание шло на преобразователь частоты (далее ПЧ) стандартной комплектации, задача которого связана с контролем и подачей тока заданной частоты на мотор-генератор (далее МГ). Таким образом, происходил процесс управления двигателем и съема показаний с частотного преобразователя. Для разгона маховика, расположенного на одном валу с мотор-генератором (рис. 4а), с преобразователя частоты подавалось напряжение 3×380 В. В режиме хранения энергии происходило отключение ПЧ и МГ, при этом маховик вращался свободно. Для переключения МГ в режим генерации проводились следующие манипуляции с ПЧ: вначале, на несколько секунд (3...5 сек), инвертор включал МГ в режим разгона. Это происходило для того, чтобы подключить на кроткое время энкодер электромашины, который позволял определить мгновенную частоту вращения ротора. Затем из режима электродвигателя производился быстрый переход МГ в режим генератора (<0,01 с). Рекуперируемая энергия с МГ подавалась на выпрямительный блок, встроенный в ПЧ. Далее энергия с ПЧ подавалась с постоянным напряжением 730 В и током до 35 А на тормозной модуль (далее ТМ) с резисторами (далее R), где энергия, рекуперированная на МГ, переводилась в тепловую, за счет сопротивления резистора R равное 17 Ом и рассеивалась в атмосферу (см. рис. 4б). Управление параметрами осуществлялось от управляющего компьютера при помощи специализированного программного обеспечения.Для снижения воздушного сопротивления вращению маховика использовался вакуумный насос «Edwards IDM-12» мощностью 300 Вт. Изменяемые параметры вакуума: 100 000 – 2 500 Па.
а)
б)Рис. 4. Фото (а) накопителя кинетической энергии с (б) преобразователем частоты и тормозными резисторами.Разгонные испытания маховикаЦелями данных испытаний ставилась проверка работоспособности маховика при заданных частотах вращения, измерение полной и остаточной деформации маховика, возникающих при вращении, испытание работоспособности при основных режимах работы маховика.Всего в ходе испытаний было проведено 44 цикла заряд-разряд с различных начальных уровней энергии маховика. Зарядка начиналась вплоть от нулевого уровня (маховик был неподвижен), и доводилась до различных промежуточных уровней, вплоть до достижения максимального расчетного объема запасаемой энергии маховика. Так, при максимальной достигнутой скорости составила Е = 5,04 МДж. Разрядка же производилась от различных уровней запасенной энергии, вплоть от максимального. Конечный уровень энергии маховика при испытаниях также был различным, вплоть до полной остановки маховика, т.е. выдачи всей запасенной энергии. Наличие частотного регулятора электродвигателя позволяло управлять как временем разгона маховика, так и временем работы всего агрегата в режиме генерации.
Рис. 5. Сводный график проведения эксперимента №18 с накопителем кинетической энергииВ качестве примера разберем типовой опыт под №18, результаты которого обобщенно сведены в графике, выстроенном программным обеспечением преобразователя частоты (см. рис. 5). На графике видно, что в ходе этого опыта фиксация показаний параметров началась примерно с 12-й секунды, когда частота вращения маховика уже была порядка 500 об/мин. С этого момента и вплоть до 157-й секунды шел плавный линейный набор мощности мотором в соответствии с заданной ПЧ программой до 90% от номинальной (т.е. до 20 кВт). На моменте времени примерно 2 мин. 37 с электродвигатель был отключен от сети и маховик начал свободный выбег с достигнутой частоты вращения 3050 об/мин. Выбег продолжался до примерно 3 мин. 7 с. За эти 30 секунд скорость маховика практически значимо не изменилась. Торможение маховика вызывалось, в качестве самых основных, следующими факторами: воздушное трение ротора мотора, который находится при давлении 1 бар и является самым значимым фактором мощности потерь всего агрегата. Кроме того, на потери оказывали влияние (хотя и в существенно меньшей степени) трение подшипников мотора, подшипников маховика, остаточное давление в корпусе маховика, остаточное намагничивание ротора мотора и еще несколько факторов, гораздо меньших по влиянию.Оценочно, исходя из ограниченности технических возможностей оперативного измерения мгновенной скорости маховика, можно было определить мощность потерь агрегата на максимальной скорости в примерно менее 1 кВт, из них мощность потерь в самом маховике на максимальной скорости порядка 200 Вт.В указанное время 3 мин. 7 с электромашина была переведена в режим генератора. Началось такое же плавное, в соответствии с заданным для ПЧ режимом генерации, и практически линейное снижение скорости вращения маховика до менее 100 об/мин. Т.е., совокупный КПД накопителя кинетической энергии по выдаче накопленной механической энергии с преобразованием её в электрическую составил порядка 96,72%, что выше чем у всех других реализованных в настоящее время типов накопителей энергии. Вырабатываемая генератором энергия подавалась на тормозные резисторы, которые нагревались и рассеивали тепло в атмосферу. Снятие показаний напряжения при разрядке накопителя производилось со звена постоянного тока, которое выдерживалось достаточно строго на уровне порядка 530 В с небольшим повышением в конце цикла генерации до 550 В.Всего проведенный цикл работы маховичного накопителя энергии с зарядкой, хранением энергии и разрядкой на нагрузку продлился в этом эксперименте примерно 6,5 минут (392 секунды с момента начала регистрации данных по разгону маховика). Отношение времени разгона маховика ко времени разряда составило примерно 3/4, в силу того, что была задана через частотный регулятор меньшая мощность генератора, чем номинальная мощность электромашины.Измерение давления в корпусе маховика показало, что с начала разгона и до окончания торможения оно практически не изменилось в пределах погрешности приборов измерения. Измерение геометрических размеров маховика линейкой и микрометром и его внешний осмотр показали, что никаких изменений по прохождении эксперимента не произошло.Также нами были проведены испытания по полному выбегу маховика совместно с ротором электромашины. Время выбега окончательно замерено не было, поскольку необходимо было освобождать испытательное помещение, а за прошедшие несколько часов с момента придания маховику максимальной установленной скорости она снизилась менее чем в два раза.ВыводыПроведённые испытания накопителя кинетической энергии показали реализуемость разработанной конструкции вертикальноосевого маховика, сопряженного на одной оси с валом обратимой электромашины, выполняющей функции мотора и генератора. Более того, уже первые испытания показали, что КПД накопителя кинетической энергии или глубина разряда с учетом двойного преобразования механической энергии в электрическую (которая также преобразовывалась из переменного напряжения в постоянное) превысила аналогичные значения всех существующих типов накопителей энергии. Максимальная энергоемкость накопителя составила 5 МДж. Примененный частотный регулятор электромашины способствовал плавному регулированию ходом привода и повышением её управляемости. Конструкция накопителя позволяет легко варьировать применяемые электромашины по мощности, поскольку они располагаются вне корпуса маховика.
Автор: Proton764
Источник
www.pvsm.ru
Полезная модель относится к энергетическим устройствам и может быть использована в качестве накопителя энергии для целей временного повышения мощности энергетических устройств.
Маховик накопителя, состоящий из обода (1), ступицы (2) и конического диска (3), соединяющего их, подвешен на валу (5) в магнитной подвеске с постоянными магнитами (8), (9) и (10) с возможностью люфта (11) между неподвижными магнитами (8), (9) и неподвижным (10). При уменьшении люфта (11) между магнитами (8) и (10) из-за распрямления конического диска (3) при высоких частотах вращения маховика обод (1) начинает прижиматься к упору-кольцу (14) с электроконтактом (13), чем предотвращается разрыв маховика из-за недозволенных частот вращения.
1 н. п.ф-лы, 3 з. п.ф-лы, 1 ил.
Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в энергетике.
Уровень техники
Известна конструкция маховичного накопителя энергии с маховиком в виде конической оболочки с ободом, установленной в защитном кожухе и муфтой сцепления, соединяющей вал маховика с валом трансмиссии, причем муфта сцепления выполнена с электрической сервосистемой ее включения и выключения (управления муфтой), а на внутренней стороне кожуха установлен электрический контакт, включающий сервосистему управления муфтой сцепления при достижении маховиком опасных частот вращения и распрямлении конической оболочки, расцепляющей муфту сцепления (см. авт. Свид. СССР 1052757, F16F 15/30, 26.02.82, авторы: Н.В. Гулиа и А.Г.Серх). Данная конструкция принята за прототип.
Прототип обладает следующими недостатками.
1. В материалах описания к авторскому свидетельству и формуле нет указаний на то, к какой из торцевых поверхностей обода маховика (а их две) устанавливать электрический контакт. При этом устройство-прототип работоспособно только при установке электроконтакта с конкретного торца маховика.
2. Судя по описанию изобретения и чертежу, торцевая поверхность обода маховика не может соприкоснуться с фрикционной накладкой, так как этому помешают болты, закрепленные на кожухе. Даже если эти болты свободно посажены на кожухе, их концы должны полностью износиться, чтобы фрикционная накладка могла соприкоснуться с торцом обода маховика.
3. В устройстве-прототипе не предусмотрена магнитная опора (подвеска) маховика, разгружающая подшипники от силы тяжести маховика. Между тем, такие магнитные подвески используются в большинстве современных маховичных накопителей энергии, где маховик вращается в горизонтальной плоскости.
Раскрытие полезной модели
Задачей полезной модели является обеспечение надежной защиты маховиков, вращающихся в горизонтальной плоскости (с вертикальной осью вращения), и магнитной подвеской маховика, наиболее распространенных в маховичных накопителях, используемых в энергетике, от возможного разрыва при превышении им безопасных частот вращения.
Указанная задача решается тем, что маховичный накопитель, включающий маховик в корпусе с вертикальной осью вращения, состоящий из обода и ступицы, а так же конического диска, соединяющего обод и ступицу, характеризуется тем, что накопитель включает магнитную подвеску, крепящуюся к корпусу и воспринимающую силу тяжести маховика, вал маховика закреплен в центрующих подшипниках магнитной подвески с обеспечением его люфта относительно корпуса, причем этот люфт выбран со стороны одного торца подвески так, что осевой ход вала в направлении вершины конуса конического диска невозможен, а его ход в противоположном направлении возможен в пределах люфта, а корпус содержит упор-кольцо, закрепленное на его торцевой поверхности с заходом внутрь корпуса со стороны вершины конуса конического диска и контактирующее с соответствующей торцевой поверхностью обода маховика при превышении им допустимой частоты вращения и распрямлении конического диска.
Другое отличие устройства состоит в том, что контакт кпора-кольца с торцевой поверхностью обода маховика в его первой фазе осуществляется до выборки перемещающимся вниз валом люфта при малой силе нажатия за счет за счет выборки люфта в магнитной подвеске, а во второй фазе - с большой силой нажатия за счет силы упругости упруго деформированного конического диска при зафиксированном в центрирующем подшипнике валу от его осевого перемещения.
Следующее отличие предлагаемого устройства состоит в том, что упор-кольцо на корпусе, контактирующее с торцевой поверхностью маховика при превышении им частоты вращения, выполнено как в виде датчиков электрического контакта, так и в виде тормозных элементов.
Еще одно отличие предлагаемого устройства заключается в том, что при контакте упор-кольца с торцевой поверхностью маховика в первой фазе выполняется электрический сигнал о превышении частоты вращения маховика, а во второй фазе - при сохранении электрического сигнала выполняется резкое механическое торможение маховика.
В результате осуществления вышеуказанных отличий достигается технический результат полезной модели, заключающийся в безопасности эксплуатации накопителя энергии.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - конструктивная схема маховичного накопителя энергии.
Осуществление полезной модели
Устройство представлено на чертеже (фиг.1), где изображена его конструктивная схема. Маховик накопителя, состоящий из обода 1, ступицы 2 и соединяющего их конического диска 3, помещены в корпусе 4, в котором вал 5 маховика, закрепленный в осевом направлении в подшипниках 6 и 7 вывешен относительно корпуса 4 на магнитной подвеске, включающей неподвижные магниты 8 и 9, закрепленные на корпусе 4, и подвижные магниты 10, закрепленные на валу 5. При этом подвижные магниты 10 (на фиг.1 изображена схема с одним подвижным магнитом и корпусом из немагнитного материала) притягиваются к верхнему неподвижному магниту 8 и отталкиваются от нижнего неподвижного магнита 9, что видно из обозначения полюсов магнитов на чертеже (фиг.1). Подшипники 6 и 7, закрепленные в осевом направлении на валу 5, выполнены с возможностью свободного осевого перемещения в корпусе 4 в определенных пределах, ограниченных размером люфта 11 как минимум в верхней части корпуса 4 упорами 12. На корпусе 4 в зоне, примыкающей к торцу обода 1, находится упор-кольцо 14, например, из изолятора, внутри которого находится электропроводник 13, изолированный от корпуса 4 (верхнее положение вала 5 и связанных с ним деталей представлено на фиг.1 сплошной толстой линией, а нижнее - тонкой штриховой). Люфт 11 выбран такого размера, что на нем сохраняется практически постоянная сила взаимодействия магнитов 8, 9 и 10, уравновешивающая силу тяжести маховика. Такое положение возможно, что экспериментально установлено автором данной заявки (см. статью Н.В. Гулиа «Новая магнитная опора большой грузоподъемности», ж-л «Вестник машиностроения» 3, 2004 г.С.77-79). Маховик накопителя получает вращение от внешнего источника энергии, например, электромашины (на чертеже не показана) через вал 5 и через этот же вал 5 выделяет накопленную при вращении энергию, например, на вращение ротора той же электромашины для выработки электроэнергии.
Работа устройства происходит следующим образом. При вращении маховика с дозволенной по условиям безопасности частотой вращения конический диск 3 частично распрямляется под действием упруго-растягивающегося обода 1. Маховик, его вал 5 и подшипники 6 и 7 находятся при этом в верхнем положении, изображенном на фиг.1 толстыми линиями, что достигается выполнением маховика массой, несколько меньшей чем та, на которую рассчитана магнитная подвеска. Подшипник 7 при этом упирается своим внешним кольцом в верхний упор 12, зазор внешнего неподвижного магнита 8 с подвижным 10 минимален, но обод 1 не достигает контакта с упором-кольцом 14 и электропроводником 13. При увеличении частоты вращения маховика до максимально безопасной (назначенной расчетно-экспериментальным методом) конический диск 3 распрямляется настолько, что обод 1 начинает касаться упора-кольца 14 с электропроводником 13. Начинается незначительное торможение маховика под действием сил взаимодействия магнитов 8, 9 и 10 в подвеске, незначительно превышающих силу тяжести маховика. Кроме торможения маховика трением его обода 1 об упор-кольцо 14, изготовленное из изолятора с тормозящими свойствами (текстолита, ретинакса и пр.), электропроводник 13, касаясь обода 1 металлического маховика создает замыкание соответствующей электроцепи (на чертеже не показана). Это замыкание приводит в действие либо сигнал на прекращение разгона маховика, либо отключение двигателя от связи с валом 5, либо выключение этого двигателя. Однако, если этого не происходит вследствие неисправностей электроцепи или по другим причинам, конический диск 3, продолжая распрямляться, выбирает люфт 11, вал 5 с маховиком опускается вниз до упора внешним кольцом подшипника 7 в нижний упор 12. После этого дальнейшее увеличение частоты вращения маховика и распрямление конического диска 3 вызывает большие силы прижатия обода 1 к упору-кольцу 14 и интенсивное торможение маховика, гарантированно тормозящего его до безопасных частот вращения. Эффект распрямления конического диска 3 при вращении маховика с ободом 1 и ступицей 2 был рассчитан теоретически и проверен экспериментально при вращении цельнокатаного колеса железнодорожного вагона, из которого, кстати, и планируется изготовление маховика опытного образца маховичного накопителя энергии.
Таким образом, технический результат, поставленный созданием заявителем полезной модели, достигается.
1. Маховичный накопитель энергии, включающий маховик в корпусе с вертикальной осью вращения, состоящий из обода и ступицы, а также конического диска, соединяющего обод и ступицу, отличающийся тем, что накопитель включает магнитную подвеску, крепящуюся к корпусу и воспринимающую силу тяжести маховика, вал маховика закреплен в центрующих подшипниках магнитной подвески с обеспечением его люфта относительно корпуса, причем этот люфт выбран со стороны одного торца подвески так, что осевой ход вала в направлении вершины конуса конического диска невозможен, а его ход в противоположном направлении возможен в пределах люфта, а корпус содержит упор-кольцо, закрепленное на его торцевой поверхности с заходом внутрь корпуса со стороны вершины конуса конического диска и контактирующее с соответствующей торцевой поверхностью обода маховика при превышении им допустимой частоты вращения и распрямлении конического диска.
2. Маховичный накопитель по п.1, отличающийся тем, что контакт упора-кольца с торцевой поверхностью обода маховика в его первой фазе осуществляется до выборки перемещающимся вниз валом люфта при малой силе нажатия за счет выборки люфта в магнитной подвеске, а во второй фазе - с большой силой нажатия за счет силы упругости упруго деформированного конического диска при зафиксированном в центрирующем подшипнике валу от его осевого перемещения.
3. Маховичный накопитель по п.1, отличающийся тем, что упор-кольцо на корпусе, контактирующее с торцевой поверхностью маховика при превышении им частоты вращения выполнено как в виде датчиков электрического контакта, так и в виде тормозного элемента.
4. Маховичный накопитель по п.1, отличающийся тем, что при контакте упора-кольца с торцевой поверхностью маховика в первой фазе выполняется электрический сигнал о превышении частоты вращения маховика, а во второй фазе при сохранении электрического сигнала выполняется резкое механическое торможение маховика.
poleznayamodel.ru
Видеоматериалы
Опыт пилотных регионов, где соцнормы на электроэнергию уже введены, показывает: граждане платить стали меньше
Подробнее...С начала года из ветхого и аварийного жилья в республике были переселены десятки семей
Подробнее...Более 10-ти миллионов рублей направлено на капитальный ремонт многоквартирных домов в Лескенском районе
Подробнее...Актуальные темы
ОТЧЕТ о деятельности министерства энергетики, ЖКХ и тарифной политики Кабардино-Балкарской Республики в сфере государственного регулирования и контроля цен и тарифов в 2012 году и об основных задачах на 2013 год
Подробнее...Предложения организаций, осуществляющих регулируемую деятельность о размере подлежащих государственному регулированию цен (тарифов) на 2013 год
Подробнее...
КОНТАКТЫ
360051, КБР, г. Нальчик
ул. Горького, 4
тел: 8 (8662) 40-93-82
факс: 8 (8662) 47-31-81
e-mail:
Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
