Энергия маховика формулы: Маховики для маховичного накопителя

Содержание

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, V_max (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>>

Компания Volvo испытала маховиковый накопитель — ДРАЙВ

За счёт «керса» динамика четырёхцилиндровой модели оказалась на уровне аналогичной машины с «турбошестёркой», а именно опытный автомобиль ускорялся с нуля до сотни за 6,07 с. С отключённым керсом разгон занимал 7,68 с.

Втечение 2012–2013 гг. шведы испытывали в реальных условиях редкий тип гибридного привода: накопитель кинетической энергии на основе маховика — Flywheel KERS (или Flybrid KERS, так как партнёром по данному проекту является британская компания Flybrid Automotive, создававшая к сезону 2009 года механический керс для Формулы-1). В качестве тестового автомобиля выступал седан Volvo S60 T5, оснащённый четырёхцилиндровым турбомотором мощностью 258 л.с. Первые результаты тестов обнародовали ещё в прошлом году, но теперь, в марте 2014-го, стало известно больше подробностей технологии, и определились дальнейшие планы. Главный плюс: необычное устройство сокращает средний расход топлива на 25%, улучшает динамику, и всё это за четверть стоимости в сравнении с аналогичной по отдаче электрической гибридной установкой.

В отличие от химических аккумуляторов маховик слабо пригоден для длительного хранения энергии. Но зато он относительно дёшев и лучше всего работает в рваном городском ритме с частыми торможениями и разгонами. Здесь показан маховик-накопитель от Volvo в герметичном корпусе.

Это далеко не первый пример в индустрии, когда маховики приспосабливают для накопления кинетической энергии при торможении с тем чтобы на разгоне использовать её по назначению. Из относительно недавних примеров можно вспомнить экспериментальные кольцевые аппараты от Porsche. Но у шведов есть важное отличие в схеме. Немецкий «снаряд» обладал отдельно смонтированным в салоне маховиком. Раскручивал его электромотор, получавший ток от тяговых электродвигателей гибрида, работавших во время замедления как генераторы. У Volvo система чисто механическая.

Система KERS от Volvo и Flybrid. Интересно, что очень похожий набор, только с приводом от маховика и ДВС одной ведущей оси, британцы больше двух лет назад опробовали на среднеразмерном автобусе.

Маховик-накопитель Flybrid KERS связан с задней осью автомобиля через бесступенчатую трансмиссию Torotrack, сцепление и дифференциал. Во время замедления «волчок» раскручивается от колёс до скорости 60 000 оборотов в минуту. Причём для такой зарядки достаточно восьми секунд плавного торможения. Так набирается 150 Вт•ч. При ускорении автомобиля маховик отдаёт свою энергию колёсам, на короткое время развивая мощность до 80 л.с. И он же способен на скорости 110 км/ч поддерживать в одиночку движение автомобиля на протяжении 800 метров. Так что годится он не только для города.

Схема накопителя и трансмиссии, соединяющей его с задней осью автомобиля.

Компания напоминает, что сама экспериментировала с маховиковым типом KERS ещё в 1980-х годах. В роли опытного автомобиля выступал Volvo 260. Но три десятилетия назад применялся маховик из стали, что увеличивало вес системы и сильно ограничивало её возможности. Схему тогда признали нежизнеспособной. То ли дело теперь: нынешний «волчок» диаметром всего 20 сантиметров выполнен из углеродного волокна. Весит он около шести килограммов, но за счёт отменной прочности позволяет разгонять себя до высоких оборотов, таким образом достигается приличная ёмкость системы. А чтобы накопленная энергия зря не терялась, маховик помещён в вакуумированный кожух. Это позволяет сохранять высокие обороты до получаса — вполне достаточно для работы гибридной системы.

На одном маховике автомобиль далеко не уедет, зато «волчок» способен в течение нескольких секунд высокую мощность развивать или, наоборот, впитывать. Низкий вес (60 кг) — одно из преимуществ всей системы. Ведь только один аккумулятор гибридов может потянуть на 300 кг. Увы, блок Flybrid KERS недостаточно компактен, чтобы полностью поместиться под полом багажника. Но пока идут тесты, это не критично.

Вариант маховикового накопителя Flybrid, испытанный на Jaguar XF.

В британско-шведской системе бензиновый двигатель вращает лишь переднюю ось. «Мы первые производители, применившие технологию маховика на задней оси автомобиля, оснащённого двигателем внутреннего сгорания, приводящим передние колеса. Следующим шагом будет оценка того, как эта технология может быть реализована в наших будущих моделях», — заявил Дерек Крабб, вице-президент по силовым установкам Volvo Car Group. И уже сейчас ясно, что в данном виде устройство Flybrid едва ли будет применяться. Инженеры Volvo надеются со временем интегрировать аналогичный блок в обычный, передний привод. Специалисты Flybrid полагают, что серийный керс на легковушках появится в 2015–2017 гг. Более осторожные в прогнозах шведы называют 2020-й. Любопытно, что совместно с Flybrid над таким же проектом сейчас работает компания Jaguar Land Rover. Интерес проявляет и Lotus.

Определение момента инерции маховика (стр. 2 из 2)

Е_к_i =mi×u_i²/2 = w²×m_i×r_i².

Суммируя последнее выражение, получим кинетическую энергию всего тела:

Е_к = åЕ_к_i = w²×åm_i×r_i²/2.

С учетом (1) получим формулу кинетической энергии твердого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси: Е_квр. = Iw²/2.

После падения груза на пол и соскальзывания нити со шкива маховик продолжает вращаться до полной остановки. Это означает, что кинетическая энергия вращающегося маховика полностью перешла в работу силы трения, т.е.

, . (14)

где

– работа силы трения за n₂ оборотов, т. е. до полной остановки маховика.

Работа силы трения (13) и (14), как неконсервативной (или диссипативной) силы, как правило, отрицательна и в условиях данного эксперимента пропорциональна числу оборотов, совершенных маховиком на первом и втором этапах:

, , (15)

где k – положительный коэффициент, имеющий одно и то же значение в обоих случаях, и который можно представить с учетом (14) в следующем виде:

, . (16)

Тогда

(15) с учетом (16) определяется следующим выражением: . (17)

Уравнение (13) с учетом (17) принимает вид:

Преобразуя последнее равенство, получим с учетом (9) и (10) формулу расчета момента инерции системы:

которую можно упростить, учитывая, что

>>2h и радиус шкива .

Итак, расчетная формула момента инерции системы принимает окончательный вид:

, (18)

где d – диаметр шкива.

Порядок выполнения работы

1. Штангенциркулем измерьте не менее 5 раз диаметр (d) большего шкива 5 (рис.31) и результаты измерений занесите в табл.1. В этой же таблице запишите приборную ошибку измерения диаметра, т. е. Dd_пр.

Таблица 1

2.Наденьте петлю, имеющуюся на нити с грузом, на штырь большего
шкива 5.

3. Предварительно (если потребуется) намотайте нить на шкив так, чтобы груз касался пола и нить была натянута. В этом положении начертите мелом на маховике 1 (рис.31) горизонтальную черту, что позволит отсчитывать число оборотов маховика.

4. Намотайте нить с грузом на шкив 5, одновременно отсчитывая по меловой черте число полных оборотов n₁ маховика. При этом груз поднимется на некоторую высоту h.

5. Измерьте высоту подъема груза длинной линейкой, поставленной строго вертикально.

При проведении последующих измерений следите, чтобы число полных оборотов n₁ сохранялось неизменным и высоты отличались друг от друга не больше, чем на 2 мм (Dh ≤ 2мм).

Значения величин h и n₁ занесите в табл.1.

6. Измерьте не менее 5 раз время падения груза с высоты h (включите секундомер в момент начала движения груза и выключите в момент касания грузом пола). Результаты измерения времени движения груза занесите в табл.2. Также необходимо записать приборную ошибку измерения времени (Dt_пр) и субъективную ошибку (Dt_суб.).

7. Подсчитайте по меловой черте число оборотов n₂ маховика от момента касания грузом пола до полной остановки маховика. Следите за тем, чтобы нить обязательно соскочила со шкива. Число оборотов n₂, округлив до ¼ оборота, занесите в табл. 2.

Таблица 2

8. Рассчитайте абсолютные и относительные ошибки прямых измерений диаметра шкива, времени падения груза и числа полных оборотов маховика до остановки по соответствующим формулам:

, , %. , , %. , .

9.Повторите п.п. 1÷8 для меньшего шкива 6 (рис.31).

10.По средним значениям величин, входящих в расчетную формулу (18), рассчитайте среднее значение момента инерции маховика <I> как при использовании большего шкива 5, так и меньшего шкива 6.

11.Рассчитайте относительную погрешность DI/I по формуле:

где m = 610 г – масса груза;

Dm = 0,5 г – абсолютная погрешность измерения массы груза.

В расчетной формуле относительной погрешности DI/I не учитывается относительная погрешность величины ускорения свободного падения (Dg/g). Попробуйте убедиться, что указанная погрешность пренебрежимо мала.

12.Рассчитайте абсолютную погрешность DI.

13.Запишите конечный результат в стандартном виде

I = <I> ± DI.

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте цель данной лабораторной работы.

2. Какое тело называется абсолютно твердым ?

3. Какое движение называется поступательным ?

4. Назовите меру инертности тела при поступательном движении.

5. Назовите меру инертности тела при его вращательном движении относительно неподвижной оси.

6. Напишите формулу момента инерции системы материальных точек
относительно оси.

7. По какой формуле удобно вычислять момент инерции однородного тела
(цилиндра, шара и т.д.) относительно оси симметрии этого тела ?

8. Оцените момент инерции относительно оси системы из трех тел, если по
отдельности моменты инерции тел относительно этой оси равны I₁, I₂, I₃.

9. Укажите единицу измерения момента инерции в СИ.

10. Дайте определение момента силы относительно точки (центра).

11. Какую величину называют плечом силы ?

12. Дайте определение момента силы относительно оси.

13. Какую величину называют моментом импульса ?

14. Сформулируйте закон сохранения механической энергии.

15. Укажите различия между консервативными и диссипативными силами.

16. Назовите причину изменения полной механической энергии.

17. Выполняется ли закон сохранения механической энергии при движении
маховика ?

18. Напишите формулу изменения полной механической энергии для данной
экспериментальной установки.

19. Дайте определение работы постоянной силы.

20. В каком случае работа силы отрицательна ?

21. Как оценивается работа силы трения для данной экспериментальной
установки, если маховик совершит n оборотов ?

22. Напишите формулу кинетической энергии вращающегося тела.

23. В какие виды энергии переходит потенциальная энергия поднятого груза ?

24. Выведите расчетную формулу.

25. Перечислите величины, измеряемые в данной работе с помощью прямых
измерений.

26. Перечислите виды погрешностей измерений.

27. Назовите виды измерений физических величин.

28. Как вычисляются абсолютные и относительные ошибки при прямых
измерениях ?

29. Что такое доверительный интервал ?

30. Напишите формулу для вычисления относительной погрешности момента инерции маховика

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ ЗАПАСАНИЯ ЭНЕРГИИ

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ ЗАПАСАНИЯ ЭНЕРГИИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ОБЛАСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ СУПЕРМАХОВИКОВ.

Введение.

Современные тенденции развития многих областей науки и техники, таких как электроэнергетика, электротранспорт, электрораспределительные сети, а также возобновляемые источники энергии, ставят новые задачи по улучшению как количественных, так и качественных характеристик энергосистем. Одной из таких задач является задача запасания электроэнергии для улучшения показателей эффективности, качества и стабильности источников электроэнергии. Методы запасания энергии различаются по многим параметрам, таким как выходная мощность, количество запасаемой энергии, время хранения, количество циклов заряд/разряд, стоимость, массогабаритные показатели, а также по специфике внедрения. Все это ограничивает области их применения, а также требует внимания при проектировании энергосистем на их основе. Современной энергоэффективной и высокотехнологичной альтернативой перечисленным способам хранения энергии является устройство запасания кинетической энергии – супермаховик. Возможность использования маховиков в качестве конкурентоспособного устройства хранения энергии появилась сравнительно недавно благодаря разработкам в областях композитных материалов, магнитных подшипников, электрических машин и полупроводниковой электроники. Все перечисленные методы хранения энергии имеют свои достоинства и недостатки, которые необходимо учитывать при разработке и внедрении систем запасания энергии для решения конкретных задач. По причине многих специфических особенностей супермаховиков, а также других представленных методов задача выбора оптимальной системы хранения энергии является нетривиальной и требует особого внимания. Целью настоящей работы является сравнение супермаховиков с другими методами запасания энергии по различным параметрам и аспектам использования, а также определение оптимальных областей применения супермаховиков.

Обзор характеристик и специфики супермаховиков.

Долгое время использование маховиков имело целью лишь обеспечение плавной работы машин и механизмов. Новейшие разработки последних лет позволили создать супермаховики – сложные высокотехнологичные устройства, главным назначением которых является запасание энергии. Супермаховик запасает энергию в виде кинетической энергии вращения. Количество энергии пропорционально инерции вращающегося тела J и квадрату угловой скорости вращения ω, согласно формуле E_k= 1 /2 J w² .

Кинетическая энергия передается на маховик и от маховика при помощи мотор-генератора – обратимой электрической машины, чаще всего встроенной в конструкцию маховика. При работе в режиме двигателя электрическая энергия, подводимая к обмоткам статора, создает вращающий момент и увеличивает скорость вращения маховика. В режиме генератора имеет место обратный процесс – превращение кинетической энергии вращения в генераторный момент на валу и впоследствии в электрическую энергию. Для двустороннего обмена энергией мотор-генератор подключен к сети посредством обратимого преобразователя. Общий вид типичной конструкции супермаховика со встроенным мотор-генератором, подключенного к звену постоянного тока через инвертор напряжения, представлен на схеме (рисунок).

До недавнего времени определенный круг технических проблем не позволял супермаховикам конкурировать с другими способами запасания энергии. Прежде всего, это было связано с недостаточной энергоэффективностью, удельной энергоемкостью и максимальным временем хранения энергии. Все вышеперечисленное являлось причиной для неоправданного увеличения массогабаритных показателей, стоимости изготовления и эксплуатации, ограничения областей применимости и т.д. Из формулы (E_k= 1 /2 J w²) видно, что запасаемая в маховике кинетическая энергия имеет линейную зависимость от момента инерции вращающейся массы и квадратичную зависимость от скорости вращения. Соответственно при росте скорости вращения, даже если масса и момент инерции маховика будут пропорционально уменьшаться, количество запасаемой энергии будет расти. Это утверждение позволяет сделать вывод о том, что материал для изготовления маховика с высокой энергоемкостью должен иметь высокий предел прочности при низкой плотности для работы при высоких скоростях вращения. До недавнего времени самыми распространенными материалами для изготовления маховиков являлись конструкционные стали, которые при высокой плотности не обеспечивают достаточной прочности на разрыв для сохранения структурной целостности при высоких скоростях вращения. Внедрение современных композитных материалов для изготовления маховиков, таких как стекловолокно и карбоновое волокно, предел прочности которых превышает сталь до пяти раз, позволило значительно увеличить скорости вращения и энергоемкость системы. Сравнение композитных материалов с металлами представлено в табл. 1

Типичные механические характеристики материалов маховика Помимо этого, высокие скорости увеличивают нагрузки и создают повышенные требования к подшипниковым узлам конструкции. Для решения этой проблемы в качестве элемента опоры ротора супермаховика используются активные магнитные подшипники, что позволяет поддерживать ротор по принципу магнитной левитации. Развитие более прогрессивных алгоритмов управления, а также микропроцессорной техники позволяет в реальном времени стабилизировать ротор при любых скоростях вращения и добиться полного отсутствия соприкосновения ротора с другими элементами конструкции и свести механическое трение к нулю. Помимо решения уже упомянутой проблемы высоких скоростей вращения, магнитные подшипники обладают другими достоинствами, особенно важными для супермаховиков. Следствием полностью бесконтактной работы являются устранение механического износа и необходимости регулярного технического обслуживания, что увеличивает рентабельность и надежность системы. Другой мерой уменьшения потерь и последним шагом к долговременному хранению энергии является помещение ротора в безвоздушное пространство. Это достигается созданием специальной оболочки, способной выдержать атмосферное давление снаружи и поддерживать определенный уровень вакуума внутри. Поддержание сверхнизкого давления в камере требует вакуумного насоса, что несколько увеличивает сложность и стоимость системы, но необходимо для устранения аэродинамических потерь и запасания энергии на длительный срок. Работа магнитных подшипников и электрической машины в вакуумной среде требует отдельного внимания при проектировании со стороны, во-первых, используемых материалов, а во-вторых – отвода тепловых потерь. Высокие скорости вращения и требования эффективности также подразумевают создание эффективных высокоскоростных электрических машин и высокочастотных преобразователей. Исследования последних лет в области электрических машин позволяют создавать бесколлекторные машины на постоянных магнитах и реактивные электродвигатели, коэффициент полезного действия (КПД) которых достигает 95% в номинальном режиме. Использование таких типов машин требует высокочастотного инвертора. Коммерческие модели инверторов в настоящее время поддерживают частоты до 500 Гц, что позволяет обеспечивать работу двухполюсных машин на скоростях до 30000 об/мин, а также имеют достаточно высокое быстродействие для компенсации пульсаций и скачков сетевого напряжения. Это свойство составляет важную особенность супермаховика и является одним из главных преимуществ по сравнению с аккумуляторами. КПД преобразования инвертора, использующегося для питания супермаховика, может достигать 95–98%. При создании специализированных моделей инверторов частота питания может быть увеличена, а КПД доведен до верхней границы указанного диапазона. Общий КПД, с учетом потерь при хранении энергии и эффективности преобразования, превосходит 85% и в некоторых случаях может достигать максимальных значений в 97%. Предельная энергоемкость современных супермаховиков достигает 300 Вт·ч/кг. По прогнозам развития композитных материалов и увеличения их предела прочности, показатель энергоемкости может быть увеличен до 800 Вт·ч/кг в ближайшие 5 лет, а долговременный прогноз теоретического максимума достигает значения 2700 Вт·ч/кг.

Краткий обзор других способов запасания энергии.

Для сравнения супермаховиков с другими способами запасания энергии необходимо рассмотреть характерные параметры и особенности современных способов хранения энергии, использующихся на практике в различных областях. Электрохимические аккумуляторы. Являются одним из самых известных способов хранения энергии и широко используются в этом качестве в различных приложениях. Аккумуляторы являются модульным, бесшумным и относительно дешевым устройством. Привлекательным вариантом их также делает неприхотливость к рабочей среде, удобство и быстрота установки. Крупные аккумуляторные системы используют инвертор для преобразования постоянного тока аккумулятора в переменный ток поддерживаемой сети. Общая эффективность такой системы обычно находится в диапазоне 60–80%. Относительно низкая эффективность преобразования объясняется тем, что аккумуляторы запасают энергию при помощи электрохимического процесса. Каждый цикл преобразования энергии неизбежно сопровождается выделением тепла, что уменьшает КПД преобразования и требует контроля температуры для предотвращения уменьшения долговечности или термического повреждения аккумулятора. Другой проблемой является ограниченный жизненный цикл аккумулятора. Он определяется как число циклов заряда/разряда, которое батарея может обеспечить, и является фиксированной величиной для каждого типа аккумуляторов. Более того, жизненный цикл зависит от типичной глубины разряда, которой аккумулятор подвергается при работе. При относительно невысоких показателях глубины разряда жизненный цикл не изменяется, но может ухудшиться при глубоком разряде. Электрохимические аккумуляторы также имеют строго ограниченную скорость разряда или выходную мощность, превышение которой может повредить аккумулятор. Это значение может составлять 10–25% от общей емкости аккумулятора, в зависимости от типа, что значительно ограничивает применимость аккумуляторных батарей в приложениях большой мощности. Суперконденсаторы. Суперконденсаторы или ионисторы являются электрохимическим устройством, совмещающим достоинства аккумуляторных батарей и конденсаторов. Такой тип устройств запасания энергии известен примерно с 1960-х г.г.. Механизм запасания энергии суперконденсатором не включает химических реакций, что делает цикл заряд/разряд более быстрым, надежным, отличающимся от аккумуляторов значительно бόльшим жизненным циклом – до сотен тысяч циклов заряд/разряд. Суперконденсатор также отличается устойчивостью к внешним воздействиям – температурным диапазоном от –40°C до +65°C, вибрационной и ударной стойкостью. Главным недостатком и ограничительным фактором применения суперконденсаторов является относительно низкая плотность энергии. По сравнению с электрохимическими аккумуляторами, типичная плотность энергии может быть на порядок меньше. При этом суперконденсаторы при тех же параметрах могут иметь на порядок большую выходную мощность, что позволяет использовать их вместе с аккумуляторами, объединяя их достоинства и компенсируя недостатки. Самостоятельно суперконденсаторы часто используются для кратковременного запасания небольших количеств энергии, улучшения качества электроэнергии и стабильности небольших сетей. Суперконденсаторы являются многообещающей альтернативой аккумуляторов при длительном жизненном цикле, быстром цикле заряд/разряд и эффективностью около 95% и выше. Главными проблемами суперконденсаторов остаются низкая плотность энергии и высокая стоимость. Гидроаккумулирующие электростанции. Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) используются во всем мире в течение более чем 70 лет. Эти крупномасштабные системы хранения энергии являются наиболее широко применяемой технологией хранения энергии, использующейся сегодня. Примерно 280 проектов ГАЭС работают по всему миру, обеспечивая генерируемую мощность около 90 ГВт, что составляет около 3% мировой генерации электроэнергии. Такой тип электростанций работает по тому же принципу, что и обычные ГЭС, с той лишь разницей, что их генераторы могут также работать в режиме двигателя. Во время низкого потребления электроэнергии вода закачивается из нижнего резервуара в верхний, а во время высокого энергопотребления вращает турбину и производит электроэнергию по принципу гидрогенератора. Такие системы способны запасать большое количество энергии на длительное время при эффективности полного цикла около 70–80%. Количество запасаемой энергии зависит только от вместимости резервуара. Главным недостатком такого способа хранения энергии является использование больших площадей для создания резервуаров и необходимый перепад высот. Большинство подходящих участков земли уже использованы, а освоение новых сопряжено с нанесением большого вреда экологии региона. Также такие системы требуют длительного времени на создание и сопряжены с большими расходами на проектирование и реализацию.

Системы со сжатым воздухом. Сжатый воздух используется в качестве носителя для хранения энергии относительно недавно. Первая система, основанная на принципе сжатия и расширения воздуха, была построена в Huntof, Германия, в 1978 г. Энергоемкость системы составляет 290 МВт в течение 4 часов. При этом полная эффективность преобразования составляет около 85%. Это объясняется тем, что такой тип электростанций чаще всего использует сжатый воздух в сочетании с одним из различных видов топлива для работы турбогенератора. Но электростанция со сжатым воздухом использует на две трети меньше топлива, по сравнению с обычными термоэлектростанциями, и способна начать работу в течение лишь нескольких десятков минут. Основной особенностью системы запасания энергии со сжатым воздухом является герметичный и очень большой резервуар. Создание подземных резервуаров для сжатого воздуха сопряжено с большими трудностями, а небольшие резервуары, находящиеся на поверхности, как правило, ограничены в накоплении энергии лишь на несколько часов. Чтобы получить большую эффективность и создать систему, работающую без дополнительного топлива, разрабатываются новые гибридные технологии, совмещающие описанный принцип с использованием суперконденсаторов, гидравлики и пневматики.

Сверхпроводящие системы. Индуктивные сверхпроводящие накопители являются одной из самых современных и технически сложных технологий хранения энергии. Они представляют собой криогенные системы, охлаждающие электромагнитную катушку до создания эффекта сверхпроводимости, что, по сути, исключает потери энергии в проводниках. Энергия в такой системе хранится в виде магнитного поля, которое может быть высвобождено в виде постоянного тока, который, в свою очередь, преобразуется в переменный ток с частотой сети. Такой принцип позволяет добиться быстрой реакции и высокой выходной мощности, а эффективность таких устройств может достигать 95–98%. Помимо больших ГАЭС, это единственная система, которая способна сглаживать и компенсировать энергопотребление мощных систем при высоком КПД. При больших потенциальных возможностях технологии главными недостатками таких систем являются сложность охлаждения катушки до сверхпроводящих температур и крайне высокая стоимость производства и эксплуатации.

Сравнительный анализ и рекомендации по применению супермаховиков.

После краткого обзора различных способов запасания энергии выполнено количественное сравнение их параметров (табл. 2).

Рассмотрение специфических особенностей супермаховиков, их достоинств и недостатков по сравнению с другими способами запасания энергии позволяет дать некоторые рекомендации по их применению. Большая выходная мощность супермаховика позволяет использовать его в качестве буферного источника пиковой мощности в сочетании с другим устройством, не способном компенсировать пиковую мощность, например, аккумуляторами. Высокая эффективность и большой жизненный цикл супермаховика в сочетании с экологичностью делают его отличным комплиментарным устройством для возобновляемых источников энергии, таких как ветрогенераторы и солнечные батареи. Нерегулярность генерации таких источников, зависящая от внешних факторов, может быть эффективно скомпенсирована супермаховиком. Хорошая масштабируемость позволяет создавать устройства хранения энергии как для локальных источников возобновляемой энергии небольшой мощности, так и для крупных электростанций. Еще одной рекомендуемой областью применения супермаховиков являются электротранспорт и транспортные средства с гибридными электроустановками. Повышение эффективности за счет рекуперативного торможения требует устройства для сохранения энергии, способного часто работать в режиме заряд/разряд и при этом поддерживать требуемый уровень энергоемкости, надежности и эффективности. Супермаховики могут успешно использоваться для этой цели на современных электромобилях, электропоездах, общественном транспорте, метро и т.д. Более узкая ниша потенциального применения – аэрокосмическая отрасль, которая также может воспользоваться многими перечисленными достоинствами супермаховиков. Модульность, высокая эффективность, отсутствие механического трения и долгое время работы без обслуживания – важные факторы для космического применения. Малое время реакции на изменения в сети и высокая выходная мощность могут использоваться для поддержания требуемого качества электроэнергии и общей надежности сети одновременно с выполнением задачи накопления энергии.

Заключение.

В работе рассмотрены различные системы хранения энергии, а также современное устройство запасания кинетической энергии – супермаховик. Анализ их характеристик и сравнение типичных параметров и специфичных особенностей применения позволили определить оптимальные области применения супермаховиков и дать основные рекомендации по их использованию. Сделан вывод о том, что супермаховики являются перспективным способом как запасания энергии, так и улучшения качества и надежности электрораспределительных сетей. Развитие областей науки и техники, ставших основной причиной развития и распространения супермаховиков, будет способствовать дальнейшему улучшению характеристик и прогрессу в данной отрасли. Экологическая нейтральность супермаховиков также является важным преимуществом и в будущем будет все больше способствовать их распространению, вместе с возобновляемыми источниками энергии и умными сетями электроснабжения. Проведенный анализ и рекомендации по внедрению супермаховиков будут использованы при разработке устройств запасания энергии для возобновляемых источников в Лаппеенрантском технологическом университете для проектирования умной системы электроснабжения «Green Campus» (научнотехническая программа ЕС «Horizon 2020»).

М.А. Соколов, В.С. Томасов, R.P. Jastrzębski

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics 2014, № 4 (92)

Почему маховики не прижились в автомобилях? / Хабр

Идея родилась при подготовке к гонкам Формулы-1, однако с переменным успехом выступила лишь на гонке «24 часа Ле-Мана».

В 2010 году во время 10-часовой гонки Petit Le Mans, проводящейся в городе Брэзелтон, шт. Джорджия, США, экспериментальный гоночный автомобиль компании Porsche 911 GT3 R Hybrid находился в первой 20-ке среди 45 автомобилей. В это время репортёры телевизионной сети Speed брали интервью у Марго Т. Оге, которая тогда была директором отдела транспорта и качества воздуха при агентстве по охране окружающей среды США.

Репортёры при каждой возможности обращали внимание зрителей на новый автомобиль Porsche. Гибридные автомобили для дорог общего пользования становились всё более привычными, и Оге постоянно подчёркивала «большую значимость» этого автомобиля, вкупе с энергетической независимостью и низкими углеродными выбросами. Именно таких целей и добивалось агентство.

В 2009 году командам F1 первые разрешили использовать гибридные системы. Команда Williams решила разработать гибрид с маховиком вместо химических аккумуляторов. Но эта система так и не вышла на трассу.

Однако, как и его ближайший гибридный родственник с гонок «Формула-1», эту модель 911 GT3 R не планировалось выпускать на улицы. Этот гибрид использовал маховик. Вместо совместного применения бензинового двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя с аккумуляторами, гоночная машина совместила нижнеклапанный шестицилиндровый ДВС с электромеханической системой хранения энергии на маховике.

Как выглядел маховик Williams Hybrid Power

Инженеры Porsche начали изучать применение гибридных систем в гонках в 2007 году. Примерно в то же время руководство F1 разрешило интеграцию гибридных технологий. С сезона 2009 года F1 позволила командам использовать умеренные гибридные системы рекуперации кинетической энергии (kinetic energy recovery system, KERS).

Williams открыла дочернюю компанию Williams Hybrid Power для разработки и полировки гибрида с маховиком. В 2010 году она организовала партнёрство с Porsche Motorsport для создания 911 GT3 R Hybrid

Большинство команд F1 разрабатывало системы рекуперации на основе аккумуляторов, однако команда Williams создала электромеханический маховик. В итоге из-за технических ограничений гонок команде Williams так и не довелось выставить эту машину на трассу. Интересно, что компания Chrysler также пыталась сделать гибридный автомобиль с ДВС/маховиком для Ле-Мана за 15 лет до этого, но и их разработка не дошла до гонок.

Audi успешно использовала гибридную систему с маховиком для машины R18 e-tron Quattro. Эта машина выигрывала Ле-Ман три раза подряд.

Однако Porsche в итоге купила лицензию на технологию Williams Hybrid Power, и вознамерилась адаптировать её для гонок на выносливость в модели 911 GT3 R Hybrid. Компания Audi также занялась внедрением маховика в свой всепобеждающий дизель-электрический прототип R18 e-tron Quattro. В прототипе использовался доработанный маховик производства британской компании GKN, делающей запчасти для автомобилей и самолётов. Она купила эту технологию у Williams ещё в 2014 году. Полученный гибрид с маховиком выиграл десятки гонок, включая и «24 часа Ле-Мана» в 2012, 2013 и 2014 годах.

Схема гибридной системы Audi R18 e-tron Quattro

Учитывая такой вклад производителей в спортивные автомобили, очень многие наблюдатели ожидали, что технология маховика через несколько лет перейдёт и на обычные автомобили. Но этого так и не произошло. Почему?

Высокооборотистый ускоритель

Вкратце автомобильная гибридная система с маховиком использует механическую энергию маховика для кратковременной дополнительной помощи двигателю внутреннего сгорания. На осях или в колёсах машины расположены электромоторы/генераторы. Они используют кинетическую энергию, которая в ином случае просто уходит в тепло при торможении колодками.

GT3 R Hybrid был создан для гонок на выносливость на знаменитом состязании «24 часа «Нюрбургринга»» в 2010 году

Но вместо того, чтобы отправлять эту энергию в химический аккумулятор для хранения и последующего использования, электричество используют для раскрутки маховика. Электрическая энергия преобразуется в кинетическую энергию вращения посредством инновационного магнитного материала (иногда это магнитный порошок), нанесённого на маховик. Чем больше энергии приходит, тем быстрее он крутится. Это, кстати, отличает его от гибридной системы с механическим маховиком, которую компания Nissan безуспешно пыталась разработать для Ле-Мана 2015 года.

Схема трансмиссии у GT3 R Hybrid. Красным обозначены компоненты маховика, силовая электрика и два мотора/генератора.

Количество энергии, которое можно снять с маховика, определяется его массой и скоростью вращения. Обычно он вращается со скоростями от 25 000 до 55 000 об/мин. Для преобразования хранящейся в маховике кинетической энергии обратно в электрическую вращающееся магнитное поле генерирует ток, идущий в обратном направлении, и энергия поступает на те же самые моторы/генераторы, что собирали её во время торможения.

Схема GT3 R Hybrid под другим углом

Как было упомянуто ранее, эти моторы могут располагаться прямо в колёсах. Или же такой мотор можно подсоединить к ведущему валу двигателя через бесступенчатую или другую трансмиссию. По запросу она соединяется с валом, забирает энергию у маховика и превращает её в кинетическую энергию, вращающую вал и ведущие колёса.

У обычного автомобиля на этом месте располагается пассажирское сиденье. У GT3 R Hybrid там стоит маховик.

Маховики часто сравнивают с конденсаторами, способными быстро накапливать и отдавать энергию. Сторонники этой технологии считают её преимуществами малый вес, стоимость и малое воздействие на окружающую среду по сравнению с традиционными гибридами, использующими химические аккумуляторы.

Маховик 911 GT3 R был сделан из композитного углеволокна, и его диаметр равнялся 406 мм. Корпус маховика, также сделанный из углеволокна, располагался на месте пассажирского сиденья. Маховик отправлял и получал энергию от электрических моторов/генераторов по 80 л.с. (60 кВт), располагавшихся в обоих передних колёсах. Такая конфигурация позволяла улучшить управление автомобилем на поворотах.

Ёмкость маховика в машине Porsche составляла 0,2 кВт*ч. Он мог выдавать до 163 л.с. (122 кВт) на периоде до 6 секунд, помогая разгонять машину после поворотов или на длинных дистанциях – в зависимости от того, как водитель решал применить дополнительную энергию, нажимая на специальную кнопку на руле.

Общая мощность всей системы составляла 670 л.с. (500 кВт), а весила машина примерно 1300 кг. Маховик с корпусом весили порядка 47 кг – значительно меньше, чем аккумулятор у электрических гибридов. В целом машина весила на 104 кг больше, чем обычные гоночные Porsche GT3, вместе с которыми она ездила по треку.

В Porsche решили, что хранить энергию в маховике в условиях экстремальных гоночных нагрузок надёжнее, чем в литий-ионных аккумуляторах. В отличие от последних, маховик можно было полностью заряжать (т.е. разгонять до максимальной скорости) и разряжать (останавливать почти полностью) много раз в минуту без всяких побочных эффектов.

Благодаря относительно эффективному использованию горючего, не самый быстрый среди участников гонки 2010 года «24 часа «Нюрбургринга»» 911 GT3 R Hybrid лидировал восемь часов подряд. В гонке 2010 года Petit Le Mans машина пришла 18-й – сказался износ деталей.

В 2011 году она снова вышла на трассу, но потом в Porsche сконцентрировались на прототипе 919 Hybrid для чемпионата мира по автогонкам на выносливость.

Не быстрое, а медленное хранение и восстановление энергии

Переход на 919 Hybrid в частности был связан с тогдашним проектом суперкара от Porsche. Так утверждает президент и генеральный директор североамериканского подразделения Porsche Motorsport, Дэниел Армбрюстер.

«Примерно тогда мы уже начали работать над гибридным заряжаемым прототипом спортивного автомобиля 918 Spyder, — вспоминает он. – И в обоих моделях, 919 и 918, обнаружилось, что литий-ионные аккумуляторы обеспечивают наилучший баланс между сохранением энергии и мощностью питания».

Езда по дорогам общего пользования заключается в постоянном разгоне и торможении, что как раз подходит для рекуперативного торможения. Однако в таких условиях ни о каком быстром разгоне с максимальным ускорением от одного поворота до другого, как в гонках, речи не идёт. Вместо быстрого и интенсивного восстановления энергии, и последующего активного её сохранения, на передний план выходит сравнительно медленная генерация энергии, из-за чего главным становится вопрос её хранения.

«Гибридная технология с использованием маховика в 911 GT3 R Hybrid позволяла экономить топливо, что уменьшало время, проведенное на пит-стопе, по сравнению с соперниками, — поясняет Армбрюстер. – В гонках маховик работает эффективнее из-за постоянного резкого торможения и резкого разгона. Для такого режима отлично подходит кратковременное хранение энергии с мощной отдачей».

«Но у этой технологии есть свои недостатки. В целом, в маховике не получается хранить много энергии – только ту, что дало торможение, — говорит он. – Аккумулятор же способен стабильно и долговременно хранить энергию, и с этими показателями маховику не сравняться. Во многих местах Европы возможность разгоняться, не делая выбросов в атмосферу, оказывается важной. Поэтому решение на основе аккумуляторов представляется наилучшим вариантом».

И хотя Porsche отказалась от маховика из-за ограниченной ёмкости, Армбрюстер добавляет, что «нет сомнений в том, что 911 GT3 R Hybrid сыграла важнейшую роль, доказав применимость гибридной технологии в скоростных гонках».

Глен Паско, ведущий инженер Williams Advanced Engineering, говорит, что с сегодняшней точки зрения понятно, что быстрый захват и отдача энергии в системах с маховиком больше подходит для режимов езды с периодической пиковой нагрузкой.

«Кроме поездок по центру города цикл работы типичного пассажирского автомобиля не подходит под режим ”разгон-торможение”, свойственный маховикам, — говорит Паско. – Энергия, хранящаяся в маховике, постоянно теряется, а в химическом аккумуляторе она может храниться очень долго».

На автобусах

Принцип работы маховика от Williams всё же нашёл применение в городских условиях в 2015 году, когда GKN модифицировала эту систему для установки на лондонские автобусы.

В гибридную систему Gyrodrive с маховиком входит тяговый двигатель, связанный с ведущим валом машины, электрический маховик, инвертер для мотора/маховика, и электронная система управления.

Эта система с различными вариациями использовалась в как в одноэтажных, так и в двухэтажных автобусах британского производителя Alexander Dennis. Однако Gyrodrive оказалась слишком большой и дорогой для легковых городских автомобилей (например, такси), которые постепенно переходят на аккумуляторы.

Глен Паско говорит, что в настоящее время в WAE не занимаются какими-либо маховиками. Однако он добавляет, что «мы работаем с широким спектром индустрий и тщательно изучаем требования клиентов, поэтому такая технология может найти своё применение в будущем».

Среди примеров применения могут оказаться и гонки, если их устроители позволят использовать подобные устройства. Хотя в настоящее время, судя по всему, их больше интересуют аккумуляторные гибриды и технологии быстрой зарядки. Сейчас WAE занимается разработкой топливных систем на водородных ячейках для больших самосвалов. Там рекуперативное торможение используется практически так же, как у маховиков.

Президент североамериканского подразделения Porsche Motorsport говорит, что его компания «постоянно оценивает, какие технологии дают наилучшее решение в конкретных ситуациях», и не отказывается заранее ни от каких подходов.

Армбрюстер объясняет, что в стратегию Porsche «входят ДВС, спортивные заряжаемые гибриды и полностью электрические машины. Также мы исследуем вопрос синтетического топлива, делающего ДВС уже существующих машин более дружественными к окружающей среде».

Иронично, что большая часть тех из нас, кто столкнётся с гибридными автомобилями с маховиками, будет ехать в машине в качестве пассажира, а не водителя. Также в разработке находятся статичные маховиковые системы. Немецкая компания Chakratec недавно развернула маховиковую систему хранения энергии в гостинице Premier Inn в Лейпциге, позволяющую сглаживать пиковые нагрузки на зарядные станции для электромобилей.

Но всего десять лет назад гоночные автомобили, оснащённые маховиками, лидировали в гонке «24 часа «Нюрбургринга»» и убедительно соперничали с более лёгкими GT3. В будущем инвестиции в эту технологию могут как облегчить эту систему, так и увеличить её энергетическую ёмкость, и вновь дать гонщикам маховики – в спорте, где редко что-то выбрасывают просто так.

Кинетическая энергия – маховик – Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Кинетическая энергия – маховик

Cтраница 1

Кинетическая энергия маховика поддерживает непрерывное движение механизма. [1]

Кинетическая энергия маховика, сидящего на коленчатом валу, может быть увеличена ( при заданной производительности пресса) только при увеличении момента инерции маховика. [2]

Изменение кинетической энергии маховика пропорционально площади, ограниченной кривой избыточного момента и осью абсцисс. [4]

Увеличение кинетической энергии маховика можно достигнуть в первую очередь за счет увеличения числа его оборотов, так как в формулу для кинетической энергии маховика число п входит в квадрате. [5]

Приравниваем кинетическую энергию маховика потенциальной энергии изгиба рамы. [6]

Наибольшее изменение кинетической энергии маховика на протяжении одного оборота определяют по векторной диаграмме. [7]

Необходимый запас кинетической энергии маховика подсчитывается одновременно с решением вопроса о мощности двигателя, приводящего стан. [8]

При понижении скорости кинетическая энергия маховика уменьшается. Таким образом, маховик выравнивает угловую скорость в течение оборота вала. [10]

В тракторных двигателях кинетическая энергия маховика должна обеспечить трогание машины с места и преодоление кратковременных перегрузок, поэтому маховики тракторных двигателей по сравнению с автомобильными имеют большую массу и размеры. [11]

Запуск инерционным стартером основан на использовании кинетической энергии специального маховика, который перед запуском двигателя раскручивается до большого числа оборотов. [12]

Общая высота этой диаграммы определяет предельное изменение кинетической энергии маховика на протяжении одного оборота коленчатого вала. [13]

Принцип действия такого стартера основан на использовании кинетической энергии специального маховика. Этот маховик перед пуском двигателя раскручивается от руки или от электродвигателя до большого числа оборотов, после чего вращение маховика при помощи механизма включения передается коленчатому валу пускаемого двигателя. В некоторых конструкциях вместо специального маховика используют маховик пускаемого двигателя, устанавливаемый в этом случае свободно на коленчатом валу и соединяющийся с ним через фрикционную муфту. Во время пуска двигателя маховик при выключенной муфте раскручивается от руки до необходимых оборотов, после чего муфта включается и коленчатый вал с маховиком вращается как одно целое. [14]

Отрезок FH изображает в масштабе ЛЕ наибольшее изменение кинетической энергии маховика в течение периода установившегося движения машины. [15]

Страницы: 1 2 3 4

Самый эффективный способ накопления энергии стар как мир

Когда речь заходит о том, что надо как-то накопить энергию, многие сразу начинают думать об аккумуляторной батарее. Конечно, что же это может быть еще. Тем не менее, есть еще один способ, который используется не очень часто, но при этом имеет очень хорошие перспективы. Особенно, на фоне развития других технологий. Такие разработки даже применялись при производстве общественного и грузового транспорта. Их начало берет свои корни еще в Советском Союзе, но в последнее время технология начинает применяться все чаще. Несколько лет назад, когда позволял регламент, это использовалось даже в Формуле-1. Откроем завесу тайны и расскажем, как работает это достаточно простое, но гениальное изобретение, и о человеке, который посвятил этому жизнь.

Древний маховик тоже был своего рода аккумулятором.

Что такое маховик?

Говорить мы сегодня будем о супермаховиках и об их создателе Нурбее Гулиа. Хоть и кажется, что маховик это что-то устаревшее и чисто техническое, но и в новом электрическом мире ему есть место.

Маховик (маховое колесо) — массивное вращающееся колесо, использующееся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии или для создания инерционного момента, как это используется на космических аппаратах.

Сами маховики были изобретены очень давно и даже успешно применялись в промышленности тех лет. Есть даже находки в Междуречье и древнем Китае, которые подтверждают использование подобных устройств. Правда, тогда они делались из обожженной глины или из дерева и выполняли иные функции.

Где применяются маховики?

Благодаря своей массивности и законам физики, которые сопровождают движение маховика, он нашел применение во многих современных механизмах — от транспорта до промышленности.

Самое простое применение заключается в сохранении скорости вращения вала, на котором установлен маховик. Это может пригодиться во время работы какого-нибудь станка. Особенно, в те моменты, когда он испытывает резкие нагрузки и надо не допустить падения частоты вращения. Получается такой своего рода демпфер.

Наверное, самым частым местом, где встречаются маховики, является двигатель внутреннего сгорания автомобиля. Он позволяет сохранить скорость вращения двигателя при выключении сцепления. Тем самым снижается воздействие на трансмиссию, так как переключение передачи происходит в то время, когда двигатель работает на оборотах выше оборотов холостого хода. Кроме этого, так достигается больший комфорт и плавность движения. Правда, на гоночных машинах маховик очень сильно облегчается для снижения веса и увеличения скорости, с которой раскручивается двигатель.

Маховик легкового автомобиля.

Также маховики часто используются для стабилизации движения. Происходит это за счет того, что колесо, которым и является маховик, при вращении создает гироскопический эффект. Он создает сильное сопротивление при попытке наклонить его. Этот эффект легко ощутить, например, раскрутив колесо велосипеда и попытавшись его наклонить, или взяв в руки работающий жесткий диск.

Есть развитие и обычнх аккумуляторов: Новый тип аккумулятора позволит электромобилям проехать почти 2400 километров без подзарядки

Такая сила мешает при управлении мотоциклом, заставляя прибегать к контррулению, особенно на большой скорости, но очень помогает, например, для стабилизации корабля во время качки. Также подвесив такой маховик и учитывая, что он всегда находится в одном положении относительно горизонта, можно фиксировать его отклонения от корпуса объекта и понимать его положение в пространстве. Применение таких свойств маховика актуально в авиации. Именно вращающийся маховик позволит определить положение фюзеляжа самолета в пространстве.

Супермаховик Гулиа

Теперь, после достаточно долгого введения и предысторий, поговорим непосредственно о супермаховиках и о том, как они помогают сохранять энергию, не имея в составе каких-либо химических соединения для этого.

Нурбей Гулиа — создал и продвигает идею супермаховика, как накопителя энергии.

Супермаховик представляет собой один из типов маховиков, предназначенный для накопления энергии. Он специально сделан так, чтобы накапливать как можно больше энергии без необходимости применения по другому назначению.

Такие маховики тяжелые и очень быстро крутятся. Из-за того, что скорость вращения очень высокая, есть риск разрежения конструкции, но это тоже продумано. Сам маховик состоит из намотанных витков стальной пластичной ленты или из композитных материалов. Кроме того, что такая конструкция прочнее монолитной, она еще разрушается постепенно. То есть, при отслоениях маховик просто будет тормозиться и запутается в своих же частях. Думаю, не стоит объяснять, что разрыв маховика, который вращается со скоростью в десятки тысяч оборотов в минуту и весит минимум десятки килограмм, чреват очень серьезными последствиями.

Кроме этого, для обеспечения еще большей безопасности можно поместить систему с таким маховиком в бронекапсулу и закопать ее на несколько метров в землю. В этом случае движущиеся элементы точно никак не смогут навредить человеку.

Дополнительным плюсом использования бронекапсулы будет создание в ней вакуума, который позволит существенно снизить воздействие внешних сил на движение. Проще говоря, так можно свести к минимуму или вообще убрать сопротивление газовой среды (в обычном случае воздуха).

Так устроен супермаховик Гулиа.

В качестве дополнительных сил, мешающих вращению, еще выступает сопротивление подшипников, на которых установлен маховик. Но его можно установить на магнитный подвес. В этом случае силы воздействия сведены к такому минимуму, которым можно пренебречь. Именно по этой причине такие маховики способны крутиться месяцами. Кроме этого, магнитный подвес позволяет не задумываться об износе системы. Изнашивается только генератор.

Именно генератор и является тем элементом, который позволяет выработать электричество. Он просто подключается к маховику, и получая переданное им вращение вырабатывает электричество. Получается аналог обычного генератора, только для этого не надо сжигать топливо.

Чтобы получать еще больше интересной информации из мира высоких технологий, подписывайся на наш новостной канал в Telegram.

Для накопления энергии в то время, когда нет нагрузки, маховик раскручивается и тем самым “держит заряд”. Собственно, возможен и комбинированный вариант по аналогии с обычными аккумуляторами, которые могут одновременно отдавать энергию и заряжаться сами. Для раскрутки маховика используется мотор-генератор, который может как раскручивать маховик, так и забирать энергию его вращения.

Такие системы актуальны для накопления энергии в домохозяйствах и в системах зарядки. Например, подобная система по задумке инженеров Skoda должна использоваться для зарядки автомобилей. Днем маховик раскручивается, а вечером отдает заряд в электромобили, не нагружая городскую сеть в вечернее и ночное время. При этом можно заряжаться медленно от одного маховика или быстро от нескольких, с которых будет “сниматься” больше электричества.

Эффективность супермаховиков

Эффективность супермаховиков при всей их кажущейся архаичности достигает очень высоких значений. Их КПД доходит до 98 процентов, что даже не снилось обычным аккумуляторным батареям. Кстати, саморазряд таких батарей тоже происходит быстрее, чем потеря скорости хорошо сделанного маховика в вакууме и на магнитном подвесе.

Можно вспомнить старые времена, когда люди начали запасать энергию посредством маховиков. Самым простым примером являются гончарные круги, которые раскручивались и крутили, пока ремесленник работал над очередным сосудом.

Мы уже определись, что конструкция супермаховика достаточно проста, он имеет высокий КПД и при этом стоит относительно недорого, но есть у него один минус, который сказывается на эффективности его использования и стоит на пути массового внедрения. Точнее, таких минусов два.

Ленточный маховик.

Главным из них будет тот самый гироскопический эффект. Если на кораблях это полезное побочное свойство, то на автомобильном транспорте это будет очень сильно мешать и надо будет использовать сложные системы подвеса. Вторым минусом будет пожароопасность в случае разрушения. Из-за большой скорости разрушения даже композитные маховики будут выделять большое количество тепла за счет трения о внутреннюю часть бронекапсулы. На стационарном объекте это не будет большой проблемой, так как можно сделать систему пожаротушения, но на транспорте может создать очень много трудностей. Тем более, на транспорте риск разрушения выше за счет вибраций во время движения.

Где применяются супермаховики?

В первую очередь, Н.В. Гулия хотел использовать свое изобретение именно на транспорте. Даже было построено несколько образцов, которые проходили испытания. Несмотря на это, системы дальше испытаний не пошли. Зато применение такому способу накопления энергии нашлось в другой сфере.

Так в США в 1997 году компания Beacon Power сделала большой шаг в разработке супермаховиков для применения их в электростанциях на промышленном уровне. Эти супермаховики могли запасать энергию до 25 кВт⋅ч и имели мощность до 200 кВт. Строительство станции мощностью 20 МВт началось в 2009 году. Она должна была нивелировать пики нагрузки на электрическую сеть.

В России тоже есть подобные проекты. Например, под научным руководством самого Н. В. Гулиа компания Kinetic Power создала собственную версию стационарных накопителей кинетической энергии на базе супермаховика. Один накопитель может запасать до 100 кВт⋅ч энергии и обеспечивать мощность до 300 кВт. Система таких маховиков может обеспечивать выравнивание суточной неоднородности электрической нагрузки целого региона. Так можно полностью отказаться от очень дорогих гидроаккумулирующих электростанций.

Возможно использование супермаховиков и на объектах, где нужна независимость от электрических сетей и резервное питание. Эти системы имеют очень высокую скорость отклика. Она составляет буквально доли секунд и позволяет обеспечить действительно бесперебойное питание.

Такая идея «не зашла». Может получится с поездами?

Еще одним местом, где возможно применение Супермаховик, является железнодорожный транспорт. На торможение составов тратится очень много энергии и, если не тратить ее впустую, нагревая тормозные механизмы, а раскрутить маховик, накопленную энергию потом можно потратить на набор скорости. Вы скажете, что система на подвесе будет очень хрупкой для транспорта и будете правы, но в таком случае можно говорить и о подшипниках, так как запасать энергию надолго просто нет необходимости и потери от подшипников будут не такими большими на таком промежутке времени. Зато такой способ позволяет экономить 30 процентов энергии потребляемой поездом для движения.

Как видим, системы на супермаховиках имеют очень много плюсов и совсем немного минусов. Из этого можно сделать вывод, что они будут набирать популярность, становиться более дешевыми и массовыми. Это тот самый случай, когда свойства вещества и законы физики, знакомые людям с древних времен, позволяют придумать что-то новое. В итоге вы получили удивительным симбиозом механики и электрики, потенциал которого до конца еще не раскрыт.

Кинетическая энергия маховика

Маховик может использоваться для сглаживания колебаний энергии и обеспечения большей равномерности потока энергии в прерывистом режиме работы машины. Маховики используются в большинстве поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Энергия механически сохраняется в маховике в виде кинетической энергии.

Кинетическая энергия

Кинетическая энергия в маховике может быть выражена как

E _f = 1/2 I ω ² (1)
, где
E _f = маховик кинетическая энергия (Нм, Джоуль, фут-фунт)
I = момент инерции (кг · м ², фунт · фут ²)
ω = угловая скорость (рад / с)

Угловая скорость – Перевести единицы

1 рад = 360 ^o/2 π = ~ 57.29578 ^o
1 рад / с = 9,55 об / мин (об / мин) = 0,159 об / с (об / с)

Момент инерции

Момент инерции количественно определяет инерцию вращения твердого тела и баллона быть выраженным как

I = kmr ² (2)
где
k = инерционная постоянная – зависит от формы маховика
m = масса маховика (кг, фунт _м)
r = радиус (м, фут)

Инерционные константы некоторых распространенных типов маховиков

колесо нагружено на обод, как велосипедная шина – k = 1
плоский твердый диск равномерной толщины – k = 0. 606
плоский диск с центральным отверстием – k = ~ 0,3
сплошная сфера – k = 2/5
тонкий обод – k = 0,5
радиальный стержень – k = 1/3
круглая щетка – k = 1/3
тонкостенная полая сфера – k = 2/3
тонкий прямоугольный стержень – k = 1/2

Момент инерции – Перевести единицы

1 кг м ² = 10000 кг см ² = 54675 унций на дюйм ² = 3417.2 фунта на дюйм ² = 23,73 фунт-фут ²

Материалы ротора маховика

1 МПа = 10 ⁶ Па = 10 ⁶ Н / м ² = 145 фунт / кв. Стали представляют собой безуглеродистые железоникелевые сплавы с добавками кобальта, молибдена, титана и алюминия. Термин «мартенсит» происходит от механизма упрочнения, при котором сплав превращается в мартенсит с последующим упрочнением при старении.

Пример – энергия вращающегося велосипедного колеса

Типичный 26-дюймовый обод велосипедного колеса имеет диаметр 559 мм (22.0 дюймов) и внешний диаметр шины около 26,2 дюйма (665 мм) . Для наших расчетов мы приближаем радиус – r – колеса к

r = ((665 мм) + (559 мм) / 2) / 2

= 306 мм

= 0,306 м.

Вес колеса с шиной составляет 2,3 кг , а постоянная инерции составляет k = 1 .

Момент инерции колеса можно вычислить

I = (1) (2.3 кг) (0,306 м) ²

= 0,22 кг м ²

Скорость велосипеда составляет 25 км / ч ( 6,94 м / с) . Круговая скорость колеса (об / с, об / с) – n _{об / с} – может быть рассчитана как

n _{об / с} = (6,94 м / с) / (2 π (0,665 м) / 2)

= 3,32 оборотов / с

Угловая скорость колеса может быть рассчитана как

ω = (3. 32 об / с / с) (2 π рад / об / с )

= 20,9 рад / с

Кинетическая энергия вращающегося велосипедного колеса может быть рассчитана как

E _f = 0,5 (0,22 кг · м ² ) ( 20,9 рад / с ) ²

= 47,9 Дж

Накопитель энергии маховика

Бенджамин Уиллер

24 октября 2010 г.

Представлено как курсовая работа по физике 240, Стэнфордский университет, осень 2010 г.

В настоящее время используется много возобновляемых источников энергии. и в разработке по всему миру.Некоторые из этих методов включают использование солнечной, ветровой, гидро- и тепловой энергии. Единственная проблема нет эффективных способов хранения. Чтобы иметь возможность конвертировать и использовать возобновляемая энергия, поскольку электроэнергия должна быть Это. Основное внимание в этом отчете уделяется возможности использования маховиков для хранить энергию вращения и преобразовывать ее в электрическую энергию, когда необходимый. Я решил подойти к этому с небольшого транспортного средства перспективу, а не определять, могут ли маховики накапливать энергию необходимо для снабжения города или страны.Если маховики способны плотность энергии для эффективного питания транспортного средства для среднего гражданина тогда потребуется огромная часть спроса на нефть и загрязнение окружающая среда может быть поднята.

Для упрощения расчетов возможности и выводы Tesla Roadster будут использоваться, чтобы судить, что такое маховик должен уметь. Большинство водителей здесь, в США, будут больше чем доволен 200-мильным диапазоном 450 кг Roadster, 53 кВтч Литий-ионный аккумулятор.[1] Таким образом, мы определим, есть ли у маховика аналогичного масса может хранить энергию, эквивалентную этой батарее. Последующий уравнения можно найти в большинстве учебников физики и книг по маховикам.

Сначала определите выражение для энергии ротационная система. Наш маховик будет полым цилиндром, что дает us Mr ² для момента инерции. Электронная энергия. I-инерция. М-масса. r-радиус. w-угловая скорость.

Во-вторых, определите пределы угловой скорости из-за к используемому материалу: ρ = плотность, r = радиус, ω = угловой скорость, σ = растягивающее напряжение (максимальное до разрушения).

В-третьих, подставьте максимальную угловую скорость в уравнение энергии.

Материал	M (кг)	σ (паскали)	ρ (кг / м ³	E _макс (джоули)	E _макс (кВтч)	E _макс / M (Дж / кг)
Титан	450	8.8 х 10 ⁸	4506	4,4 х 10 ⁷	12	9,8 x 10 ⁴
Углеродное волокно	450	4,0 х 10 ⁹	1799	5,0 x 10 ⁸	139	1,1 х 10 ⁶
Сталь	450	6. 9 х 10 ⁸	8050	1,9 х 10 ⁷	5	4,3 x 10 ⁴
Алюминий	450	5,0 x 10 ⁸	2700	4,2 х 10 ⁷	12	9,2 х 10 ⁴

Таблица 1: Максимальный запас энергии маховика различные материалы.(Свойства материала, полученные из поставщики коммерческих материалов. [3-5])

Эти расчеты не учитывают трение потери или эффективность преобразования электрической энергии в кинетическую и назад. Даже если маховик из углеродного волокна эффективен только на 50%, он имеет способность хранить и обеспечивать больше энергии, чем литий-ионный аккумулятор Tesla с сопоставимой массой. Также потребуется дополнительная масса для маховик и механизмы, но они должны быть небольшими по сравнению с максимальный предел хранения энергии.В то время как металлические маховики не соответствовать стандартам, маховик из углеродного волокна является жизнеспособным вариантом для хранение электроэнергии для транспортных средств и многих других приложений, таких как резервное питание от сети.

© Бенджамин Уиллер. Автор дает разрешение копировать, распространять и отображать эту работу в неизменном виде, с ссылка на автора, только в некоммерческих целях. Все остальные права, в том числе коммерческие, принадлежат автору.

Список литературы

[1] Г.Бердичевский и др. , г. “The Система аккумуляторов Tesla Roadster, Tesla Motors, август 2006 г.

[2] Books LLC, Tesla Motors Транспортные средства: Tesla Roadster (Книги LLC, 2010), стр. 1-40.

[3] Джеймс Зербе, Практическая механика для мальчиков (M.A. Donohue & Company, 1914), гл. 17.

[4] J. M. Corum et al. , «Основные свойства Ссылка на композит из перекрестно-углеродного волокна “Oak Ridge National” Лаборатория, ОРНЛ / ТМ-2000/29, Февраль 2000 г.

[4] К. Чанг, Композиты из углеродного волокна (Баттерворт-Хайнеманн, 1994), стр. 65-66, 102, 164.

Маховик как накопитель энергии, расчеты и требования к ротору

Маховик как накопитель энергии – это устаревшая концепция. Обсуждаются расчет накопления энергии в маховике и требования к его ротору.

Технике накопления энергии с помощью Маховика тысячи лет. Просто возьмите пример колеса Поттера и подумайте, что он делает.Он просто использует инерцию колеса и продолжает вращаться с минимальным усилием. Идея использования маховика в качестве накопителя энергии используется с 1950-х годов. Их легко можно было увидеть на автобусных остановках для зарядки общественного транспорта. Однако эта идея не могла быть широко принята ввиду ее громоздкости и чрезмерного веса.

Расчет накопления энергии в Fly Wheel:

Накопление энергии в Маховике можно рассчитать как:

E = ½ Iω ²

или

E = ½ (kMr ² ) ω ²

Где,

I означает момент инерции маховика
ω обозначает скорость вращения.Он измеряется в радианах в секунду.
M обозначает массу маховика
R обозначает радиус маховика, а
K означает инерционная постоянная

Примечание. Значение «k» зависит от формы маховика. Например, если Маховик вращается вокруг своей оси (как колесо велосипеда или полый цилиндр), значение k будет равно 1. Однако, если Маховик имеет твердую цилиндрическую форму, тогда значение «k» будет ½ .

Требование ротора маховика:

Постепенно с развитием технологий маховики стали более сложными.В наши дни усовершенствованные маховики содержат кинетическую энергию в быстро движущемся вращающемся барабане, который действует как ротор генератора. Когда дополнительная энергия остается неизрасходованной, она используется для увеличения скорости вращающегося барабана. Когда возникает потребность в энергии, этот барабан приводит в действие генератор.

Роторы этих супер-маховиков изготовлены из углеродного волокна с очень высоким соотношением прочности и плотности. Для ротора требуется высокопрочный материал, поскольку он обычно вращается со средней скоростью 100000 оборотов в минуту и должен выдерживать воздействие высокой центробежной силы.Эти роторы установлены в вакуумной полости, чтобы минимизировать потери из-за трения воздуха. Эти потери на трение можно дополнительно уменьшить за счет использования подшипников с магнитной левитацией.

Подробнее об альтернативных методах хранения энергии

Ратна имеет степень бакалавра компьютерных наук и имеет опыт работы в сфере IT-технологий в Великобритании. Она также является активным веб-дизайнером. Она является автором, редактором и основным партнером Electricalfundablog.

Расчетное уравнение и расчет массы маховика

| Инженеры Edge

Связанные ресурсы: механические станки

Расчетное уравнение и расчет массы маховика

Расчет массы маховика, расчетные уравнения и калькулятор

Предварительный просмотр: Расчет массы маховика, расчет размеров

Соотношение крутящий момент-угол для двигателя или машины зависит от объема требуемых работ.Большой разброс, который возможен между различными конструкциями машин, показывает, что для определения колебаний крутящего момента необходимы динамические измерения или кинематический анализ. Однако часто бывает необходимо сделать приблизительную оценку для целей предварительного проектирования или для проверки обоснованности расчетных значений. Для этих целей изменение энергии для машины или двигателя внутреннего сгорания можно оценить как:

Маховик вариации уравнения энергии

U = 0.5 Дж (ω ² _макс – ω ² _мин)

Полярно-массовый момент инерции Fly Wheel. Эта инерция включает в себя инерцию маховика и инерцию всех вращающихся частей, относящуюся к скорости маховика путем умножения на квадрат отношения скоростей вала.

Дж = U / (ω ² _ср. C _с)

Коэффициент изменения скорости маховика

C _с = (ω _макс – ω _мин) / ω _ср.

Предлагаемые расчетные значения коэффициента колебания скорости C _с

Требуемая равномерность скорости	С _с
Очень однородный	≤ 0.003
Умеренно однородный	0,003-0,012
Допускаются некоторые вариации	0,012-0,05
Умеренная вариация	0,05-0,2
Допускаются большие отклонения	≥ 0,2

Коэффициент изменения энергии C _и можно приблизительно оценить для двухтактного двигателя с 1-8 цилиндрами, используя уравнение:

С _и = 7.46 / (N _c + 1) ³

Коэффициент изменения энергии для четырехтактного двигателя с числом цилиндров от 1 до 16 с использованием двустепенного уравнения:

C _u = 0,8 / (N _c – 1,4) ^1,3 – 0,015

Вес маховика:

W = Дж г / об ² _a

Площадь поперечного сечения маховика:

A = Дж г / (2 π ρ r ³ _a)

Требуемая мощность:

P = T ω

Где:

Дж = момент инерции полярной массы, фунт · с ² · фут (Н · с ² · м)
U = изменение энергии, разница между энергией маховика на максимальной и минимальной скорости, фунт · фут (Дж)
N _c = Количество цилиндров
C _u = Коэффициент изменения энергии
C _с = Постоянная равномерности скорости
K = 33 000 фунт · фут · об / мин / л. с.
ω = Скорость вращения, рад / с
ω _avg = Среднее значение ω _max и ω _min, рад / с
P = Мощность, л.с. (Вт)
g = гравитация 9.81 м / с ²
D = Диаметр м
r _a = радиус м
W = Масса кН
A = Площадь поперечного сечения м ²
ρ = Плотность материала кг / м ³
T = крутящий момент J (1 фут-фунт = 1,355817948 Дж)

Типовой цикл питания машины

Дата / Время:

(PDF) Расчет размеров и реализация системы накопления энергии маховика для космических приложений

AYDIN и AYDEM˙

IR / Turk J Elec Eng & Comp Sci

Номенклатура

B Коэффициент вязкого трения (Нм)

Ediff Energy который может быть восстановлен с колеса

(J)

CMTorque constant

Db, Di, Do Средний, внутренний и внешний диаметры подшипника

(мм)

Диаметр колеса DrWheel (м)

e Эксцентриситет между центром тяжести

и ось вращения колеса (м)

Emax Максимальное значение энергии, накопленной в колесе

(Дж)

F Общая сила, действующая на станину (Н)

fv Зависимый от скорости коэффициент трения

г Вес ( ∼9.8 м / с 2)

H Угловой момент (Нм)

J Общий момент инерции ротора и

колеса (кгм2)

fLL Коэффициент трения, зависящий от нагрузки

M Масса колеса (кг)

м Остаток кг)

ω Динамическая вязкость воздуха (кг / мс)

ω Скорость колеса (рад / с)

ωmin Минимальная скорость колеса (рад / с)

ωmax Максимальная скорость колеса (рад / с)

PB Сила трения из-за силы дисбаланса (Вт)

PG Сила трения из-за силы тяжести (Вт)

ρПлотность воздуха (кг / м3)

Tacc Крутящий момент (Нм)

Tem Электромеханический крутящий момент (Нм)

TLLНагрузочный момент (Нм) )

υКинематическая вязкость жидкости подшипника

(мм2 / с)

Ссылки

[1] Kenny BH, Kascak PE, Jansen R, Dever TP, Santiago, W. Управление высокоскоростным колесом для хранения энергии

в космических приложениях. IEEE T Ind Appl 2005; 41: 1029-1038.

[2] Patel MR. Энергетические системы космических аппаратов. Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: CRC Press, 2005.

[3] Lyons VJ. Аэрокосмическая энергетика для потенциальных наземных приложений. В: Energytech; 2012; Кливленд, Огайо,

США. С. 1-5.

[4] Цао П., Сенески М., Сандерс С.Р. Интегрированная система накопления энергии на колесах с униполярным индуктором mo-

тор / генератор и высокочастотным приводом.IEEE T Ind Appl 2003, 39: 1710-1725.

[5] Сиострзонек Т., Пенчек А., Пирог С. Управление и структура силовой электронной системы, питающей колесо

накопитель энергии (FES). В: Европейская конференция по силовой электронике и приложениям; 2007; Ольборг, Дания.

с. 1-8.

[6] Бимэн Б.Г., Рао Г.М. Гибридная аккумуляторная батарея и флайт-накопитель энергии для космических аппаратов НОО. В: Battery

Конференция по приложениям и достижениям; 1998; Лонг-Бич, Калифорния, США.С. 113-116.

[7] Kascak PE, Kenny BH, Dever TP, Santiago W, Jansen RH. Регламент Международной космической станции в отношении автобусов с NASA

GRC Группа разработки системы накопления энергии с маховиком. NASA / TM-2001-211138. Кливленд, штат Огайо, США: NASA,

2001.

[8] Kenny BH, Kascak PE, Hofmann H, Mackin M, Santiago W., Jansen R. Испытательная установка усовершенствованного управления двигателем для

NASA GRC Технология накопления энергии на маховике Отдел развития. NASA / TM-2001-210986. Кливленд,

Огайо, США; НАСА, 2001.

[9] Kenny BH, Kascak PE. Бессенсорное управление машиной с постоянным магнитом для разработки NASA с маховиком –

opment. NASA / TM-2002-211726. Кливленд, Огайо, США; NASA, 2002.

[10] Кенни Б.Х., Сантьяго В. Фильтрация и управление током высокоскоростного двигателя в системе накопления энергии маховиком.

NASA / TM-2004-213343. Кливленд, Огайо, США; NASA, 2004.

[11] Цзюньлинг С., Синьцзян Дж., Дунци З., Хайган В. Новый источник бесперебойного питания, использующий накопитель энергии на колесах.

В: 4-я Международная конференция по силовой электронике и управлению движением; 2004; Сиань, Китай. С. 1180-1184.

[12] Чжан Ч., Цзэн К.Дж., Нгуен Т.Д., Чжан С. Проектирование и анализ потерь высокоскоростной системы накопления энергии с колесом

, основанной на осевых колесно-роторных электрических машинах. В: 9-я Международная энергетическая конференция; 2010;

Сингапур. С. 886-891.

805

Узнайте, как работает накопитель энергии с маховиком

Долгая история

Идея накопления энергии маховиком имеет долгую историю.В древности гончарные круги работали с использованием деревянного диска, который регулировал и облегчал вращательное движение, которое ремесленник производил своей ногой. Та же самая технология использовалась во многих паровых двигателях 19 ^– века. В 1920-х годах некоторые бельгийские и швейцарские трамваи курсировали между станциями без электричества. Форма энергии, возникающая в результате движения заряженных частиц (электронов) по проводнику … , приводимый в движение тяжелыми чугунными дисками весом более тонны, расположенными под половыми досками.На каждой станции диск был подключен к источнику питания. В физике мощность – это количество энергии, поставляемой системой в единицу времени. Проще говоря, мощность можно рассматривать как выход энергии … сетка, которая еще раз привела его в движение. В гораздо меньшем масштабе тот же метод применяется к игрушкам, работающим от трения и толкаю их.

Сегодня интерес к маховикам привел к дальнейшим разработкам. Хранение электроэнергии в настоящее время стало вопросом стратегической важности в преодолении прерывистой природы ветровой и солнечной энергии.Технологический 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, заключенного в герметичную вакуумную камеру для устранения воздушного трения. ² Ротор часто изготавливается из новых материалов, таких как углеродные или стеклянные волокна, или кевлар, которые выдерживают очень высокие скорости лучше, чем традиционные металлы. Скорость может превышать 10 000 оборотов в минуту (об / мин), с магнитной левитацией для уменьшения трения.

Когда колесо вращается с максимальной скоростью, его кинетическая энергия – энергия объекта, возникающая в результате его движения. ³ можно восстановить, используя двигатель в качестве генератора энергии. Это постепенно снижает скорость вращения маховика.

Преимущества и недостатки

Преимущества

– Высокоэффективный, с возможностью рекуперации 80% накопленной энергии.

– Очень быстро приводится в движение и преобразует накопленную энергию.

– Не загрязняет окружающую среду, с очень долгим сроком службы.

Один серьезный недостаток

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

Таким образом, маховики

в основном используются для регулирования и оптимизации систем, а не для обеспечения долговременной автономности, например, для аккумуляторов и гидроаккумулирующих систем.

Метро

Из-за большого веса поезда метро выделяют значительное количество энергии при торможении и поглощают столько же энергии при ускорении.Некоторые сети, включая системы метро Ганновера, Гамбурга, Лос-Анджелеса и Ренна, используют маховики для хранения и рекуперации этой энергии.

В Ренне, например, огромный волчок весом 2,5 метрических тонны был установлен в центре 8-километровой линии метро. Когда поезд замедляется, энергия, выделяющаяся при разрыве, не рассеивается в виде тепла. Сегодня в области статистической термодинамики тепло относится к передаче теплового возбуждения частиц, составляющих материю… но вместо этого преобразуется в электричество двигателем поезда. Затем электричество передается через третий рельс и используется для увеличения скорости вращения маховика. Затем эта энергия восстанавливается для питания поезда, когда он выезжает со станции. Тщательно управляемая синхронизация поездов и «умные» цифровые технологии используются для эффективной координации потоков энергии. Благодаря этой системе метро в Ренне экономит примерно десять дней электроэнергии в год.

Автомобильные системы

Вес и размер маховиков являются серьезным препятствием для малых транспортных средств.Некоторые системы могут увеличить мощность двигателя, используя цилиндры весом в несколько килограммов, вращающиеся на очень высоких скоростях 60 000 об / мин. В основном они подходят для гоночных автомобилей Формулы-1 и обеспечивают водителям дополнительную мощность, например, при ускорении на выходе из поворотов.

Регулирующие электрические сети

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

Маховики иногда используются для стабилизации электрических сетей путем компенсации падений напряжения.В Нью-Йорке, например, 200 маховиков на небольшой 20-мегаваттной электростанции способны обеспечить достаточно энергии в течение нескольких секунд, чтобы способствовать поддержанию 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 длительных перебоев в подаче электроэнергии маховики могут обеспечивать электроэнергией, ожидая, когда сработают другие, более мощные средства производства электроэнергии, такие как дизель. Дизель – это двигатель внутреннего сгорания, работающий на основе воспламенения от сжатия… генераторы.

Сглаживание выходной мощности солнечной и ветровой энергии

Решения были разработаны для «сглаживания» спорадической выработки ветряных и солнечных электростанций. Однако они эффективны только в короткие сроки. Некоторые проекты стремятся объединить солнечные фотоэлектрические панели с маховиковыми «полями», например, используя бетонные массы в подземных пещерах. Но до сих пор этим планам мешала техническая осуществимость и, прежде всего, вопросы стоимости.

(1) Эта технология называется системой накопления энергии с маховиком (FESS).

(2) См. Веб-сайт Beacon Power – https://beaconpower.com/carbon-fiber-flywheels/

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

Механическая технология хранения электроэнергии | Ассоциация накопителей энергии

Как работает накопитель энергии на сжатом воздухе

Установки для хранения энергии на сжатом воздухе (CAES) в значительной степени эквивалентны гидроэлектростанциям с точки зрения их применения.Но вместо перекачки воды из нижнего пруда в верхний в периоды избыточной мощности на установке CAES окружающий воздух или другой газ сжимается и хранится под давлением в подземной пещере или контейнере. Когда требуется электричество, сжатый воздух нагревается и расширяется в расширительной турбине, приводящей в действие генератор для производства энергии.

Особенность хранения сжатого воздуха заключается в том, что воздух сильно нагревается при сжатии от атмосферного до давления хранения прибл.1015 фунтов на кв. Дюйм (70 бар). Стандартные многоступенчатые воздушные компрессоры используют промежуточный и дополнительный охладители для снижения температуры нагнетания до 300/350 ° F (149/177 ° C) и температуры нагнетаемого воздуха в каверну до 110/120 ° F (43/49 ° C). Таким образом, теплота сжатия отбирается в процессе сжатия или удаляется промежуточным охладителем. Затем потеря этой тепловой энергии компенсируется на этапе выработки электроэнергии турбодетандером путем нагрева воздуха высокого давления в камерах сгорания с использованием природного газа или, альтернативно, использования тепла выхлопных газов газовой турбины в рекуператоре для нагрева поступающего воздуха. перед циклом расширения.В качестве альтернативы теплота сжатия может храниться термически перед входом в каверну и использоваться для адиабатического расширения, отводя тепло из системы аккумулирования тепла.

Диабатический метод CAES

Два существующих завода CAES промышленного масштаба в Хунторфе, Германия, и в Макинтоше, штат Алабама, США, а также все предлагаемые конструкции в обозримом будущем будущее основано на диабатическом методе. В принципе, эти растения по сути просто обычные газовые турбины, но где сжатие воздух для горения отделен от самой газовой турбины и не зависит от нее. процесс.Это дает два основных преимущества этого метода.

Поскольку ступень сжатия обычно использует около 2/3 мощность турбины, турбина CAES – без помех от работы сжатия – может генерировать в 3 раза больше продукции при том же входе природного газа. Это снижает удельное потребление газа и сокращает связанные выбросы углекислого газа на от 40 до 60%, в зависимости от того, используется ли отработанное тепло для нагрева воздух в рекуператоре. Отношение мощности к мощности составляет прибл.42% без и 55% с утилизацией отходящего тепла.

Вместо сжатия воздуха ценным газом можно использовать более дешевую избыточную энергию в непиковые периоды или избыточную возобновляемую энергию сверх местного спроса на энергию.

Оба вышеупомянутых завода используют одновальные машины, где компрессор-двигатель / генератор-газовая турбина расположены на одном валу и соединены через коробку передач. В других концептуальных проектах установок CAES мотор-компрессорный агрегат и турбогенераторный агрегат будут механически развязанный. Это дает возможность модульно расширять установку по сравнению с допустимая входная мощность и выходная мощность. Использование обычного газа тепловая энергия выхлопных газов турбины для нагрева воздуха высокого давления перед расширением в нижнем цикле позволяет растениям CAES переменной размеры основаны на объеме хранилища каверны и давлении.

Адиабатический метод

Значительно более высокий КПД до 70% может быть достигнут, если тепло сжатия рекуперируется и используется для повторного нагрева сжатого воздуха во время турбины, потому что больше нет необходимости сжигать дополнительные природные газ для подогрева сжатого воздуха.

Варианты хранения

Независимо от выбранного метода требуются места хранения очень большого объема из-за низкой плотности хранения. Предпочтительное расположение – в искусственно построенных соляных пещерах в глубоких соляных образованиях. Соляные каверны характеризуются рядом положительных свойств: высокая гибкость, отсутствие потерь давления в хранилище и отсутствие реакции с кислородом воздуха и соляной вмещающей породой. Если подходящие солевые образования отсутствуют, также можно использовать естественные водоносные горизонты, однако сначала необходимо провести тесты, чтобы определить, вступает ли кислород в реакцию с породой и с любыми микроорганизмами в горной породе водоносного горизонта, которые могут привести к образованию кислорода. истощение или закупорка поровых пространств в пласте.Истощенные месторождения природного газа также исследуются на предмет хранения сжатого воздуха; Помимо упомянутых выше проблем истощения и засорения, необходимо будет учитывать смешивание остаточных углеводородов со сжатым воздухом.

Электростанции CAES – реальная альтернатива гидроаккумулирующим электростанциям. Капитальные и операционные затраты уже действующих диабетических заводов конкурентоспособны.

Энергия маховика формулы: Маховики для маховичного накопителя

Маховики для маховичного накопителя

Компания Volvo испытала маховиковый накопитель — ДРАЙВ

Определение момента инерции маховика (стр. 2 из 2)

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ ЗАПАСАНИЯ ЭНЕРГИИ

Почему маховики не прижились в автомобилях? / Хабр

Идея родилась при подготовке к гонкам Формулы-1, однако с переменным успехом выступила лишь на гонке «24 часа Ле-Мана».

Высокооборотистый ускоритель

Не быстрое, а медленное хранение и восстановление энергии

На автобусах

Кинетическая энергия – маховик – Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Кинетическая энергия – маховик

Самый эффективный способ накопления энергии стар как мир

Что такое маховик?

Где применяются маховики?

Супермаховик Гулиа

Эффективность супермаховиков

Где применяются супермаховики?

Кинетическая энергия маховика

Кинетическая энергия

Момент инерции

Материалы ротора маховика

Пример – энергия вращающегося велосипедного колеса

Накопитель энергии маховика

Бенджамин Уиллер

Представлено как курсовая работа по физике 240, Стэнфордский университет, осень 2010 г.

Список литературы

Маховик как накопитель энергии, расчеты и требования к ротору

Расчет накопления энергии в Fly Wheel:

или

Требование ротора маховика:

| Инженеры Edge

Расчетное уравнение и расчет массы маховика

(PDF) Расчет размеров и реализация системы накопления энергии маховика для космических приложений

Узнайте, как работает накопитель энергии с маховиком

Преимущества

Один серьезный недостаток

Механическая технология хранения электроэнергии | Ассоциация накопителей энергии

Как работает накопитель энергии на сжатом воздухе

Диабатический метод CAES

Адиабатический метод

Варианты хранения

Больше новостей

Добавить комментарий Отменить ответ