Работает супермаховик. Удивительная механика
Работает супермаховик
Есть ли уже сегодня машины, на которых установлены супермаховики? Да, есть. Пусть эти машины и не выпускаются пока сериями, как «жигули» или «фольксваген», но они существуют. Работают, ездят, всех удивляют.
Самым типичным автомобилем, работающим за счет энергии супермаховика, является, пожалуй, маленький двухместный «махомобиль» американского ученого Дэвида Рабенхорста. Попробуем на его примере разобраться в устройстве махомобилей.
Супермаховик махомобиля соединен с валом разгонного электродвигателя, причем электродвигатель размещен в воздушной среде, чтобы он лучше охлаждался, а супермаховик – в вакууме, чтобы не было лишних потерь энергии. На выходе из вакуумной камеры вал герметизирован магнитным уплотнением. В принципе можно даже разрезать вал и вывести вращение из вакуума специальными магнитными муфтами.
Маховичный автомобиль (махомобиль) Девида Рабенхорста
Другой конец вала супермаховика соединен с гидронасосом обратимого типа, который может работать и в режиме гидродвигателя; о таких гидромашинах я уже говорил. Жидкость – масло от гидронасоса через распределитель или, что одно и то же, через механизм управления махомобилем, подается в четыре маленькие гидромашины, встроенные в колеса махомобиля. Таким образом, все колеса махомобиля ведущие, и это очень хорошо – махомобиль быстро разгоняется, движется устойчиво, без заносов.
В махомобиле нет таких привычных автомобильных частей, как сцепление, коробка передач, карданный вал, дифференциал, полуоси, электроаккумуляторы, стартер и генератор; отсутствует топливный бак и вся топливная система, система охлаждения с вентилятором, глушитель и, наконец, сам двигатель внутреннего сгорания. Махомобиль бесшумен, он не загрязняет окружающую среду выхлопными газами, приводится в движение практически мгновенно. Известно, что супермаховик может развивать громадные мощности, так необходимые автомобилям для быстрого разгона.
Зарядка энергией, или разгон супермаховика, производится включением разгонного электродвигателя в сеть. Время зарядки – 20—25 мин, что в десятки раз быстрее по сравнению с продолжительностью зарядки электроаккумуляторов. Для приведения махомобиля в движение повышают наклоном шайбы производительность насоса, и масло начинает поступать в гидродвигатели колес, разгоняя машину. Больше наклон шайбы – больше скорость.
Махомобиль рассчитан на крейсерскую, то есть постоянную скорость 90 км/ч, причем кратковременно скорость может быть значительно увеличена, например для выполнения обгонов.
Путь пробега махомобиля с одной зарядки пока около 60 км, но его планируется увеличить в три раза. Это при массе супермаховика 100 кг, скорости его вращения от 23 700 до 11 900 оборотов в минуту и запасе энергии 24 МДж. Удельная энергия супермаховика составляет 240 кДж/кг. Правда, уже испытаны супермаховики с удельной энергией в 650 и даже 700 кДж/кг, а это значит, что и путь пробега увеличивается почти до 500 км!
У махомобиля рекордно малая по сравнению с электро– и автомобилями стоимость пробега – около доллара на 100 км пути. Я думаю, вряд ли какой водитель откажется от такой машины!
Посмотрим теперь, каковы характеристики агрегатов махомобиля Рабенхорста по мощности и массе. Разгонный электродвигатель мощностью 30—40 кВт – 18,4 кг, гидронасос мощностью 37,5 кВт – 11,4 к г, четыре гидродвигателя колес такой же общей мощности – 10 к г, приборы управления – 9 кг, шасси – 175 кг, кузов – 270 кг. Вместе с супермаховиком, его корпусом, подвеской и даже пассажирами выходит чуть более 600 кг.
Махомобиль не боится длительных стоянок – маховик может вращаться без остановки почти полтора месяца. И это не предел, потому что так называемые кольцевые супермаховики, о которых будет сказано ниже, рассчитаны на более чем годичный выбег, а американский 45-килограммовый маховик в магнитном подвесе имеет столь малые потери, что способен крутиться без остановки свыше 10 лет!
Подвеска супермаховика в махомобиле тоже магнитная, только она практичнее, чем «абсолютный» магнитный подвес: здесь есть подшипники, способные не только принимать на себя усилия при тряске, но и ослаблять гироскопическую нагрузку при повороте оси супермаховика.
На сегодняшний день в разных странах уже построено много супермаховичных автомобилей и автобусов. Некоторые из них, как и швейцарский гиробус, оснащены штангами и могут двигаться как троллейбус. Но при этом раскручивается и супермаховик, который потом снабжает током тяговые электродвигатели. Такие машины, названные гиротроллейбусами, не тратят время, подобно гиробусу, на раскрутку супермаховика, так как «зарядка» идет на ходу. Затем, после разгона супермаховика, гиротроллейбусы едут на накопленной энергии до конечной остановки через весь город. В отличие от швейцарского гиробуса, маховик в таком гиротроллейбусе весит не 1,5 т, а всего около 300 кг.
Гиротроллейбус фирмы «Локхид» (США) (а) и его маховичный накопитель (б)
Существуют проекты использования супермаховиков в авиации. В одном из них для взлета сверхзвуковых самолетов предлагают применять маховичную катапульту. Если разогнать крупный маховик электродвигателем, а затем подключить его к лебедке, соединенной тросом с самолетом, то маховик за несколько секунд разовьет гигантскую мощность, в десятки раз превышающую мощность электродвигателя. За считанные секунды самолет разгонится до 400 км/ч и взлетит. При этом путь разгона будет не более 100—150 м. Такой запуск очень надежен и экономичен.
Маховичная катапульта
Двойную пользу можно получить от установки супермаховиков на легких тихоходных самолетах, у которых собственный двигатель развивает мощность не более 90-120 кВт. Супермаховик массой всего 13 кг способен выдать мощность 115 кВт в течение 20 с, а массой 57 кг – 225 кВт в течение 60 с – время, вполне достаточное для взлета. Кроме того, раскрученный супермаховик обеспечит безопасность экипажа в случае остановки мотора самолета. Энергии, накопленной в супермаховике, хватит для трехминутного полета самолета без мотора. Летчики успеют выбрать пригодную для посадки площадку и приземлиться.
Шотландский маховичный вертолет, прозванный «прыгающий Гиро»
Еще в 30-х годах прошлого века в Шотландии был построен маховичный вертолет.
Разгоняли маховик на земле вместе с воздушным винтом, лопастям которого задавали нулевой угол атаки, чтобы разгон шел легче. После разгона маховика лопасти устанавливали под нужным углом, и машина взмывала в небо. Когда энергии в маховике оставалось уже мало, вертолет плавно опускался. Не правда ли, это очень похоже на игрушечный вертолет, в котором разгон лопастей-маховиков производится пусковым шнурком?
А полвека спустя в США создали разведывательный беспилотный вертолет с супермаховиками. Два легких кольцевых супермаховика диаметром 1,4 м, вращающиеся в разные стороны, раскручивают воздушные винты, расположенные внутри колец супермаховиков. Кольца разгоняют до 4 тыс. оборотов в минуту на специальном автомобиле, с которого вертолет стартует. Вертолет быстро поднимается на 100-метровую высоту, зависает там и, имея на борту фото– и телеаппаратуру, производит съемки или телепередачи. Подобный вертолет удобно использовать и для пожарных работ – его двигатель не заглохнет от дыма, а баки с горючим не загорятся, так как на этом вертолете нет ни двигателя, ни баков.
Разведывательный беспилотный маховичный вертолет
Если нужно попасть на борт вертолета, зависшего высоко над землей, или на какую-нибудь площадку на высоте 100 м и более, лучше всего воспользоваться для этого маховичным подъемником, который позволяет поднять девять человек подряд, причем в пять раз быстрее обычных моторных подъемников. Маховик подъемника разгоняется маленьким электродвигателем мощностью 1,5 кВт до 28 тыс. оборотов в минуту.
Осуществить экстренный спуск с того же вертолета или из окна горящего высотного здания поможет маховичный лифт, в разработке которого довелось участвовать и мне. При пожаре нередко требуется срочно эвакуировать людей с верхних этажей дома, но в это время ток от здания, как правило, отключают и никакие подъемные механизмы не работают. Вот и придумали особое устройство для такого случая.
Человек надевает специальный пояс с прикрепленной к нему лентой и прыгает вниз.
Лента намотана на валу небольшого маховика или супермаховика, как в ленточном вариаторе, о котором речь шла выше. Сматываясь с вала, она разгоняет маховик, сначала медленно, а затем все сильнее и сильнее. Человек же,
Маховичный лифт
Поистине безграничные возможности открываются перед супермаховиками в космосе.
В космическом вакууме у супермаховиков совершенно нет потерь на трение о воздух, а невесомость устраняет нагрузки на подшипники. В этом случае подшипники могут быть простыми «сухосмазывающимися» втулками.
На некоторых спутниках связи уже несколько лет используют супермаховичные накопители энергии. Дело в том, что спутники связи, транслирующие на большие расстояния телефонные разговоры, телепрограммы и радиопередачи, работают обычно не только от солнечных батарей, но и от аккумуляторов энергии, которые дают ток, пока Земля загораживает спутник от Солнца и тот находится в тени. Однако время жизни электрохимических аккумуляторов невелико, они быстро выходят из строя, а из-за них прекращает существование и сам спутник, который мог бы служить еще долго. Вот и пал выбор на долговечные супермаховики. Они вращаются в магнитной подвеске со скоростью 40 тыс. оборотов в минуту. Плотность энергии супермаховиков для спутников связи примерно 0,1 МДж/кг.
В исследовательском центре США создана супермаховичная установка для международной космической станции, превосходящая по своим показателям ранее применявшиеся никель-водородные аккумуляторы. Супермаховик запасает большее количество энергии, а срок его службы вдвое дольше, чем у химических аккумуляторов.
Видимо, не обойтись без супермаховиков и на космических станциях, которые отправятся к далеким планетам, где почти нет солнечного света, дающего энергию для питания электронного оборудования станций.
В космосе супермаховики необходимы и для более прозаических дел – например, для ремонта станций, приведения в движение механизированного инструмента.
Допустим, космонавту нужно просверлить отверстие или завернуть гайку. Если он применит обыкновенную дрель или гайковерт, то реактивный момент, действующий на корпус ручного инструмента, закрутит в первую очередь самого космонавта. На Земле такого не случается, так как этому противодействует сила тяжести и сила трения, а в условиях невесомости – это обычное явление.
Теперь проделаем следующий опыт. Возьмем самый простой детский волчок – юлу, укрепим на ее кончике сверло, разгоним юлу и уберем руку. На первый взгляд как будто ничего удивительного – юла стоит на сверле и сама сверлит подставку. А ведь ни с какой из обычных дрелей подобный опыт никогда не получится. Даже у электрической дрели корпус тотчас завертится в противоположную сторону и порвет все провода.
Дело в том, что маховики и супермаховики обладают свойством «безреактивности», то есть при вращении они не оказывают реактивного действия на корпус и другие части устройства. Маховик связан с корпусом только подшипниками, а они, свободно проворачиваясь, не передают вращательных усилий.
Маховичная «безреактивная» дрель
Изготовленная мною маховичная дрель успешно сверлила любые доски. При этом она прекрасно выдерживала вертикальное направление благодаря еще одному свойству маховика, о котором уже упоминалось, – способности сохранять устойчивое положение свободной оси в пространстве.
Чтобы проверить это свойство самому, лучше всего снять велосипедное колесо с вилки, взяться за концы оси и, держа колесо на вытянутых руках, попросить товарища раскрутить его. Если колесо раскручено как следует, никакие попытки свернуть ось в сторону ни к чему не приведут, даже несмотря на большие усилия.
Колесо будет сопротивляться совсем как живое, стараясь вырваться из рук. Суть происходящего состоит в том, что ось вращающего маховика всякий раз стремится повернуться не туда, куда мы прилагаем усилие, а под прямым углом к этому направлению.
Существует много способов узнать, куда будет поворачиваться ось маховика, но все они трудны и рассчитаны на специалистов. Поэтому я придумал для себя способ попроще, который назвал «правилом колеса». Запомнить его ничего не стоит, достаточно иметь в кармане хотя бы одну монетку или колесико. Пустим монетку катиться по столу. Скоро она начнет падать набок, но что для нас особенно важно – она и сворачивать будет в ту же сторону. Теперь представим себе, что монетка – это вращающийся маховик. Допустим, мы пытаемся свернуть ось этого маховика в ту же сторону, куда падает монета. Направление поворота монеты позволит нам определить, куда на самом деле будет сворачивать ось маховика. Вот и все правило.
Опыт с монетой, демонстрирующий гироскопический эффект
Если ничто не воздействует на ось маховика, то она безупречно сохраняет свое положение в пространстве. И это делает маховик незаменимым в навигационных приборах, которые сейчас устанавливают на всех кораблях, самолетах, ракетах. Называют такие приборы гироскопическими. Об этих интереснейших приборах много написано, и я не буду подробно останавливаться здесь на них. А вот об автомобиле, в котором был применен как раз гироскопический эффект вращающегося маховика, думаю, сказать надо. Построил этот «гирокар» в 1914 году русский инженер П. П. Шиловский. Гирокар демонстрировался в Лондоне, где вызвал огромный интерес. Еще бы, машина Шиловского имела всего два колеса, как велосипед, однако она сохраняла без каких-либо упоров устойчивое положение, даже если все пассажиры садились по одну сторону. «Держал» машину раскрученный маховик благодаря гироскопическому эффекту. В гирокаре использовался примитивный автомат с датчиком наклона в виде шарика в трубке и сервомотором, воздействующим на 300-килограммовый маховик.
Гирокар П. П. Шиловского (а) и принцип его действия (б)
Такие автомобили строились и позже. Возможно, что будущий махомобиль с супермаховичной «энергетической капсулой» спроектируют тоже двухколесным, чтобы использовать сразу оба замечательных свойства супермаховика – способность накапливать энергию и сохранять неизменное положение в пространстве.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРесПроклятье 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?
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!
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).
Кинетические накопители энергии |НПК ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Супермаховик — один из типов маховика, предназначенный для накопления механической энергии. В отличие от обычных маховиков способен сохранять больше кинетической энергии.
За счёт конструктивных особенностей способен хранить до 500 Вт·ч (1,8 МДж) на килограмм веса. В частности, в 1964 году советский инженер Н. В. Гулиа заявил авторские права на одну из конструкций, которой и дал название «супермаховик».
Современный супермаховик представляет собой барабан, изготовленный из композитных материалов, например, намотанный из тонких витков стальной, пластичной ленты, стекловолокна или углеродных композитов.
За счёт этого обеспечивается высокая прочность на разрыв и безопасность эксплуатации. При физическом разрушении супермаховик не разлетается на крупные части, как обычный маховик, а разрушается частично; при этом отделившиеся части тормозят барабан и предотвращают дальнейшее разрушение. Для уменьшения потерь на трение супермаховик помещается в вакуумированный кожух. Зачастую используется магнитный подвес.
Законченный вид супермаховик принимает тогда, когда он способен запасать и отдавать энергию. Для этого создаётся мотор-генератор, где статором является барабан, а ротором — ось, вокруг которой он вращается. Таким образом, при подключении в сеть он будет запасать энергию, а при подключении нагрузки — отдавать. КПД этого преобразования достигает 98 %.
Маховики как буферные устройства начали использоваться ещё во времена неолита, например, в устройстве гончарного круга. В XX веке маховик претерпел ряд конструктивных изменений, позволявшим ему запасать энергию на значительное время. Так, например, в 1950-х годах вакуумированные маховики использовались в экспериментальном общественном транспорте, в частности испытывались гиробусы.
Супермаховик сочетает в себе долговечность и умеренную цену, безопасен при разрушении. Как уже было сказано, его КПД очень велик. Недостатком супермаховиков являетсягироскопический эффект, обусловленный большим моментом импульса вращающегося маховика и препятствующий изменению направления оси вращения маховика. Для исключения этого нежелательного эффекта при применении маховиков в качестве накопителей энергии на транспортных средствах можно применить подвеску маховика вкардановом подвесе, но это существенно усложняет конструкцию.
Дополнительным недостатком супермаховика является отсутствие отработанной простой трансмиссии, позволяющей использовать его на транспорте. В настоящий момент проводятся эксперименты по передаче энергии вращения супермаховика на колёса транспортного средства посредством супервариатора. Перспективным также является использование вакуумного супермаховика на магнитной подвеске в качестве источника электроэнергии для шаговых электродвигателей.
Н. В. Гулиа в первую очередь собирался применить супермаховик как накопитель энергии для автомобилей и даже построил несколько образцов такого транспорта.
Однако последние успешные достижения относятся к другим областям. Компания Beacon Power, основанная в США в 1997 году, сделала существенный шаг, разработав серию больших стационарных супермаховиков для применения в промышленных энергосетях. Супермаховики производства Beacon Power способны запасать энергию в 6 и 25 кВт⋅ч в зависимости от модели и мощность в 2 и 200 кВт, соответственно.
Американская компания рассчитывает продавать их местным компаниям, а также сама оказывать услугу «регулирования частоты». Строительство регулирующей электростанции на супермаховиках мощностью 20 МВт началось в конце 2009 года. Поскольку энергосистема США существует в условиях наличия множества местных поставщиков энергии и открытого энергетического рынка, необходимость регулирования мощности создает немало проблем, которые компания надеется решить: запасание «лишней» энергии, когда потребление снижается; восполнение недостатков во время пиков потребления; регулирование частоты тока.
Под научным руководством Н.В.Гулиа, российская компания Kinetic Power создала собственную версию стационарных накопителей кинетической энергии на базе супермаховика. Один такой накопитель способен запасать энергию до 100 кВт⋅ч и обеспечивать мощность до 300 кВт. В условиях российского рынка, кластер из нескольких таких накопителей способен обеспечивать выравнивание суточной неоднородности электрической нагрузки целого региона, заменяя собой дорогостоящие и громоздкие гидроаккумулирующие электростанции.
Несмотря на то что автомобили, питающиеся от маховиков, не получили широкого распространения, транспорт остается одной из наиболее привлекательных отраслей применения супермаховиков. В частности, речь идет о железнодорожном транспорте. При торможении как пассажирского, так и грузового состава впустую тратится огромное количество энергии.
Супермаховик, подключенный к одной электрической сети с составом, способен улавливать и запасать энергию торможения, а позже выдавать её в сеть для разгона состава. Спасенная таким образом энергия позволит снизить потребление на 30%.
Помимо этого, супермаховики могут быть использованы для обеспечения бесперебойного питания объектов высших уровней ответственности. Уникальные свойства супермаховика обеспечивают отклик устройства на уровне сотых долей секунды, позволяя ни на секунду не прерывать подачу электроэнергии.
Обзор существующих технологий накопления электроэнергии
Мировой рынок накопителей энергии
Применение накопителей энергии
Накопители энергии для эффективной работы энергосистемы
С самого момента появления электрических сетей большой проблемой была зависимость уровня потребления энергии от времени суток. В наше время к ней прибавилась зависимость выработки электроэнергии от множества факторов, быстро меняющихся в течение дня. Да, увы, такова плата за прогресс — внедрение альтернативной энергетики. Помочь решить проблему способны накопители электроэнергии.
Для гармонизации пиков производства и потребления электроэнергии нужно использовать накопители большой емкости. И в первую очередь следует определиться, где их устанавливать.
Загорская ГАЭСНакопитель, установленный на электростанции
Довольно распространенное решение в солнечной энергетике. В готовый комплект солнечных панелей, применяемых в жилом секторе, как правило, входят аккумулятор и контроллер, управляющий его зарядом-разрядом. В итоге пользователь получает привычный ему интерфейс — стандартную розетку, с которой можно стабильно снимать мощность не выше определенного значения. На солнечных электростанциях, работающих по технологии Thermal Solar, а это, как правило, очень крупная электрогенерация, под действием солнца плавятся минеральные соли, их расплав держит тепло длительное время, хоть всю ночь. Благодаря данной особенности генерация электричества стабильно происходит круглые сутки.
Накопитель, установленный у потребителя
Решение, активно продвигаемое сейчас на рынок рядом производителей, в том числе компанией Tesla. Аккумулятор заряжается от сети в промежуток времени, который задал контроллеру пользователь. Например, это может быть временной интервал, когда цены на электроэнергию самые низкие. Тогда накопитель позволяет экономить средства клиента, а для электросетевой компании — получить реальный эффект снижения пиковой нагрузки на сеть за счет применения нескольких тарифов в зависимости от времени суток. Другое преимущество — появляется возможность подключать к электросети приборы с большей мощностью, чем позволяет линия электропередачи, идущая к клиенту. Накопитель потихоньку запасает энергию на протяжении длительного промежутка времени, а затем отдает большую мощность на протяжении относительно короткого промежутка времени. Скажем, не позволяют провода, идущие к потребителю, передавать ток более 10 А.
Но современные электропечи для кухни потребляют не менее 16 А. Выход простой — ставим накопитель. Пока вы спите или занимаетесь своими делами, он в течение 4 часов накапливает нужное количество энергии, отдавая потом в электропечь на протяжении 2 часов ток 16 А, позволяя вам запечь индейку (пример учитывает потери в преобразователе и аккумуляторе).
Накопитель, установленный в ключевых узлах электросети
Идея, на самом деле, довольно старая. Например, в 1987 году рядом с Москвой была построена Загорская гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС), позволяющая сгладить пики потребления, характерные для большого города. Самый известный проект, реализованный в 2017 году — увеличение суммарной подключаемой мощности в одном из удаленных регионов Австралии без реконструкции ЛЭП. Компания Tesla поставила гигантский накопитель, который равномерно запасает электроэнергию, не создавая ярко выраженных пиковых нагрузок на ЛЭП, что позволило избежать ее реконструкции. Но клиенты электрической компании могут получать от накопителя на пиках потребления гораздо большую мощность, чем могла бы выдержать ЛЭП.
В зависимости от места установки определяется емкость накопителя. Емкость накопителя, используемого в солнечных электростанциях для индивидуального применения, составляет не более 2 кВтч. Накопители, устанавливаемые у бытового потребителя, имеют емкость не более 7 кВтч. Для промышленных потребителей под заказ изготавливают накопители емкостью 100 кВтч. Что же касается накопителей, устанавливаемых в узлах энергосистемы, то их емкость составляет порядка сотен МВт — единиц ГВт.
Аккумуляторы
Для накопителей, выравнивающих энергопотребление, обычные свинцово-кислотные аккумуляторы не подходят. Это связано с малым количеством циклов заряда-разряда, а также необходимостью обслуживания аккумуляторов (при-ходится регулярно доливать дистиллированную воду из-за испарения электролита). В солнечных электростанциях небольшой мощности применяются так называемые гелевые аккумуляторы. В них электролит находится не в форме жидкости, а в форме геля. Такие аккумуляторы не требуют обслуживания. Их недостатком является то, что при зарядке свыше номинального уровня они быстро выходят из строя, но эта проблема решается при помощи современных микропроцессорных контроллеров. Уникальным преимуществом гелевых аккумуляторов является их возможность работы при низких (до —15°С) температурах. Благодаря этому нет необходимости специально отапливать накопитель, размещенный на улице, достаточно тепла, отводимого от контроллера.
Более совершенными являются никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы. Они надежны и обеспечивают сохранение большего количества энергии в меньшем объеме. Тем не менее для накопителей энергии, сглаживающих пики потребления в сети, данные аккумуляторы непригодны из-за ярко выраженного «эффекта памяти». При неполном разряде и последующем заряде емкость аккумулятора снижается. Требуется полностью разряжать аккумулятор и потом заряжать его до 100%. Для рассматриваемого применения такие аккумуляторы непригодны. Более продвинутые никель-металлогидридные (NiMH) аккумуляторы обладают большей емкостью, «эффект памяти» в них менее выражен, но все-таки присутствует.
и они же являются основой накопителей энергии
Наиболее популярным сейчас являются литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы. Именно их сейчас используют в накопителях, устанавливаемых непосредственно у потребителей, а также в ключевых местах электросети. Кстати, идея создания накопителя, стоящего у потребителя дома, возникла из необходимости использования аккумуляторов типоразмера 18650, применяемых в электромобилях. По мере износа аккумуляторной батареи в электромобиле производитель забирает ее себе обратно (почему — будет сказано далее). Аккумуляторы, которые уже не могут обеспечить нужную тягу электромобилю, тем не менее подходят для использования в бытовом накопителе энергии. После всестороннего тестирования их туда и ставят. Что же касается накопителей, устанавливаемых на узлах электросети, то в них используют новые аккумуляторные батареи, но есть проекты построения таких накопителей и на основе аккумуляторов, ранее стоявших в электромобилях.
Накопитель Tesla Powerwall 2Преимуществами Li-Ion аккумуляторов являются: высокая плотность накапливаемой энергии, пренебрежительно малый уровень «эффекта памяти», низкое выходное сопротивление, что позволяет на пиках нагрузки отдавать потребителю большую мощность. Но есть и недостатки. При неправильных зарядке и эксплуатации аккумуляторы не просто выходят из строя, они могут воспламеняться и даже взрываться. Проблема решается с помощью микропроцессорных контроллеров в зарядных устройствах, тем не менее, иногда такие устройства могут давать сбои. Литий — чрезвычайно токсичный химический элемент, вот почему производители электромобилей в обязательном порядке забирают себе обратно отработавшие свое аккумуляторы. Наконец, запасы лития в мире ограничены, уже в ближайшее время прогнозируется нехватка этого металла.
Большие надежды возлагаются на так называемые водородные аккумуляторы, в которых вода расщепляется путем электролиза на кислород и водород.Энергия хранится в виде водорода, который потом используется для выработки электричества. В настоящее время по-прежнему этот проект находится на стадии исследований, так как водород взрывоопасен и легко улетучивается из резервуара, где он хранится.
Энергия хранится в виде водорода, который потом используется для выработки электричества. В настоящее время по-прежнему этот проект находится на стадии исследований, так как водород взрывоопасен и легко улетучивается из резервуара, где он хранится.Суперконденсаторы
Принципиальным недостатком аккумуляторов является то, что электрическая энергия в них при заряде превращается в химическую, а при разряде — из химической в электрическую. Такие преобразования обуславливают потери энергии, а также ограниченное количество циклов заряд-разряд (до 3000 у массово выпускаемых Li-Ion аккумуляторов).
Решение проблемы заключается в том, чтобы накапливать непосредственно электрическую энергию в конденсаторе. В накопителях применяют так называемые суперконденсаторы (другие названия — ультраконденсаторы, ионисторы) емкостью от 1000 Ф каждый, соединенные в большие массивы.
Суперконденсаторы — перспективная технология, но пока она слишком дорогостоящаяУльтраконденсаторы имеют КПД, близкий к 100%, количество циклов заряда-разряда у них практически не ограничено. И, что немаловажно, суперконденсаторы безопасны в эксплуатации и не содержат вредных для природы веществ.
К недостаткам суперконденсаторов следует отнести дороговизну этих устройств, а также сопутствующего оборудования. Кроме этого, по плотности хранения энергии суперконденсаторы пока уступают Li-Ion аккумуляторам, что обуславливает большие размеры накопителей.
В сша был проведен эксперимент по использованию накопителя на суперконденсаторах в солнечной электростанции, питающей кампус крупного университета. В итоге эффективность работы электростанции возросла в 1,5 раза по сравнению с использованием li-ion аккумуляторов. Но пока широкого применения для сглаживания пиков энергопотребления конденсаторы не получили.
ГАЭС
Гидроаккумулирующая электростанция состоит из нижнего водохранилища, верхнего водохранилища и реверсивных турбин. При избытке электроэнергии в регионе турбины потребляют энергию, поднимая воду из нижнего водохранилища в верхнее.
При недостатке электроэнергии турбины переходят в режим генерации, вода из верхнего водохранилища поступает в нижнее, в результате вырабатывается электроэнергия.
Недостатком ГАЭС является то, что при их строительстве приходится вмешиваться в уже сложившиеся природные комплексы. Кроме этого, наиболее успешные проекты ГАЭС были реализованы в горной местности, где есть твердые горные породы и легко обеспечить перепад уровней между двумя водохранилищами. Строительство Загорской ГАЭС в Московской области сопровождалось большими трудностями, связанными с оползнями, из-за чего на полную мощность электростанция заработала в 2003 году. Вторую очередь Загорской ГАЭС начали строить в 2007 году, и, по тем же причинам, на момент написания статьи строительство так и не было завершено.
Зеленчукская ГЭС-ГАЭСПневматические системы
Принцип их работы достаточно прост. С помощью насоса сжимается воздух и закачивается в резервуар. При необходимости расходования электроэнергии воздух выпускается из резервуара, проходя через турбину, вырабатывающую электроэнергию. Идея тоже древняя, относится к XIX веку. Главный недостаток — КПД не превышает 55%. Тем не менее в XX веке аккумулирующие электростанции на основе сжатого воздуха широко использовались в США и Германии. Кстати, в Германии для закачки воздуха использовались заброшенные соляные шахты. Но потом все сошло на нет — последняя электростанция на сжатом воздухе была запущена в США в 1991 году.
В 2010-х годах идею возродили, и на деньги Европейского союза запущен исследовательский проект Ricas 2020, направленный на поиск новых способов использования сжатого воздуха для накопления энергии с более высоким КПД. Но пока ни о каких реальных результатах не известно.
Супермаховик
Накапливать электроэнергию можно и в механическом виде. Раскрутить тяжелый маховик, и он некоторое время будет вращаться, приводя в действие генератор. Для того, чтобы не мешало трение воздуха, маховик вращается внутри герметичного кожуха, из которого откачан воздух.
Технически реализовать эту идею очень просто, КПД достигает 98%. Выпускаются накопители на супермаховиках с емкостью до 25 кВтч. Но широкого применения они пока не получили. Причина заключается в том, что не удается быстро управлять отдачей электроэнергии в сеть. Кроме этого, со временем частота вращения маховика падает, и мощность, отдаваемая накопителем в сеть, падает.
Электромобиль как накопитель
В электромобиле есть аккумуляторы, выпрямитель и инвертор — все элементы накопителя для выравнивания пиков потребления электроэнергии. Почему бы не задействовать электромобиль в качестве накопителя энергии, пока он стоит в гараже?
Компании Renault и Nissan уже выпускают электромобили, способные отдавать энергию, накопленную в аккумуляторе. А Schneider Electric создала электрическую зарядную станцию, поддерживающую данную функцию. В Великобритании рассматривается вопрос о том, что-бы предоставлять электромобилям бесплатную парковку в обмен на определенное количество электроэнергии, отдаваемое во время стоянки в сеть.
Компания Renault начала выпуск электромобилей, способных работать как накопителиНаконец, в той же Великобритании рассматривается законопроект, обязывающий владельцев электромобилей подключать их к электросети для выравнивания баланса все то время, пока они не ездят. С 2018 года компания Renault проводит масштабный эксперимент на португальском острове Мадейра по испытанию технологии обратной поставки электроэнергии в сеть от электромобиля.
Будущее — за распределенным хранением энергии?
Технологии сглаживания пиков выработки электроэнергии и ее потребления, существовавшие до недавних пор, исходили из реалий XX века — централизованной энергосистемы без возможности управления оборудованием, установленным у клиента. Установка гигантского накопителя на аккумуляторах в Австралии — это всего лишь способ улучшить энергосистему, созданную в прошлом веке, но не изменить ее кардинально.
С распространением альтернативной энергетики генерация становится все более децентрализованной.
При этом уже нельзя точно определить место в энергосистеме, куда следует подключить гигантский аккумулятор, чтобы выровнять баланс. По мнению автора статьи, будущее принадлежит не только децентрализованной генерации, но и децентрализованному хранению электроэнергии. В каждой квартире, в каждом офисе или заводе будет стоять локальный накопитель электроэнергии. Путем предоставления скидок или жесткого законодательного регулирования пользователя простимулируют (обяжут) подключать такой накопитель к управляющей системе. Электроэнергетическая компания будет с помощью технологии «Интернета вещей» дистанционно регулировать процесс накопления электроэнергии и отдачи ее в сеть. Тем самым будут сглаживаться пики выработки и потребления электроэнергии.
На самом деле, «первой ласточкой» такого подхода уже стали серьезные вложения британского правительства в разработку технологии использования электромобилей как накопителей для электросети и проект законодательно обязать владельцев электромобилей использовать их в таком качестве.
В итоге гигантские накопители энергии вроде ГАЭС или же огромной аккумуляторной батареи, установленной в австралийской пустыне, станут просто не нужны. Накопление электроэнергии будет осуществляться только у пользователей, в недорогих компактных устройствах. Развитие технологии суперконденсаторов позволит обеспечить надежность и безопасность таких накопителей.
Источник: Алексей Васильев, журнал «Электротехнический рынок» №3 Май-Июнь 2019
типы, преимущества, недостатки и требования
В статье расскажем про маховик — накопитель энергии, расчеты и требования к ротору, типы маховиков, его преимущества недостатки и применение.
Техника накопления энергии с использованием маховика насчитывает тысячи лет. Просто возьмите пример колеса Поттера и подумайте, что оно делает. Он просто использует инерцию колеса и продолжает вращаться с минимальными усилиями. Концепция маховика, который будет использоваться в качестве устройства накопления энергии, используется с 1950-х годов.
Их можно было легко заметить на автобусных остановках для зарядки общественного транспорта. Однако эта идея не может быть широко принята ввиду ее громоздкости и излишнего веса.
Расчет накопления энергии в маховике
Запас энергии в Маховике можно рассчитать:
E = ½ Iω 2
или же
E = ½ (kMr 2 )ω2
где:
- I выступает за момент инерции махового колеса
- ω обозначает вращающуюся скорость. Он измеряется в радианах в секунду.
- M обозначает масса маховика
- R обозначает Радиус Маховика
- K обозначает инерционную постоянную
Примечание. Значение «k» зависит от формы маховика. Например, если маховик вращается вокруг своей оси (например, велосипедное колесо или полый цилиндр), значение k будет равно 1. Однако, если колесо маховика имеет сплошную цилиндрическую форму, то значение k будет ½ .
Требование маховика (ротор)
Постепенно с развитием технологий маховики стали более совершенными. В наши дни современные маховики содержат кинетическую энергию в быстро движущемся, вращающемся барабане, который действует как ротор генератора. В то время, когда дополнительная энергия остается неизрасходованной, она используется для увеличения скорости вращающегося барабана. Всякий раз, когда есть потребность в энергии, этот барабан приводит в движение генератор.
Роторы этих супер маховиков изготовлены из материала с очень высокой прочностью и плотностью, например, из углеродного волокна. Для ротора требуется высокопрочный материал, так как 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 могут быть дополнительно сведены на нет с помощью подшипников с магнитной левитацией.
Тип маховиков
На рынке представлены два типа маховиков в зависимости от их функций и областей применения. Преимущества маховика делают их жесткими конкурентами в приложениях электросети.
Есть в основном два типа маховиков, доступных на рынке. Далее мы рассмотрим их
Высокоскоростной маховик
Угловая скорость маховиков этого типа находится в диапазоне от 30000 до 60000 об/мин, что может быть доведено до 100000 об/мин. Они содержат подшипники с магнитной левитацией и требуют меньшего ухода. Они легче по весу, если сравнивать размер/мощность с маховиками с низкой скоростью. Они дорогостоящие по сравнению с маховиками с низкой скоростью.
Маховик с низкой скоростью
Угловая скорость этого типа маховиков достигает 10000 об/мин. Они громоздкие и тяжелые по сравнению с высокоскоростными маховиками. Они нуждаются в периодическом обслуживании и не используют подшипники с магнитной левитацией. Их установка требует специальной бетонной конструкции, чтобы выдержать ее вес. Они дешевле по сравнению с высокоскоростными маховиками.
Преимущества маховика
Эти типы маховиков более эффективны, чем обычные батареи (только если мы пренебрегаем стоимостью установки), и поэтому им отдают предпочтение перед обычными батареями. Вот список немногих преимуществ Маховика перед аккумуляторами:
- Большая способность хранить энергию
- Большая продолжительность жизни
- Способность хранения не зависит от цикла зарядки/разрядки
- Меньше технического обслуживания
- Меньшие тепловые потери
- Более высокая эффективность в оба конца
- Больше пиковой нагрузки
- Простота эксплуатации
Применение маховиков
- в ветряных турбинах
- наряду с двигателем с приводом от генератора для хранения энергии
- в автомобильных двигателях
- в электромобилях для ускорения (на экспериментальной стадии)
- В современных локомотивах
- В передовых технологиях транзитных автобусов
- В спутниках контролировать направление
- В Большие электрические сети для защиты от перебоев
Супермаховик Нурбея Гулиа – механический накопитель энергии: vladimirtan — LiveJournal
Какие агрегаты для накопления энергии вам известны? Если провести подобный опрос, то большинство вспомнит лишь аккумуляторные батареи. А ведь есть еще маховики и супермаховики — так называемые «инерционные аккумуляторы» — устройства, способные накапливать и сохранять огромные объемы кинетической энергии. Интересным примером является устройство, созданное и запатентованное советским ученым и инженером Нурбеем Гулиа.
Решение проблемы создания емкого, легкого, компактного аккумулятора можно назвать одной из самых востребованных задач в современном мире. И мнение профессора, изобретателя, доктора технических наук Нурбея Гулиа заметно отличается от общепринятого – не химические, электрические, термические, а механические накопители – вот за чем настоящее будущее!
Нурбей Гулиа
.Началом своих исследований Нурбей Гулиа называет задачу, поставленную им самим перед собой в пятнадцать лет – создание «энергетической капсулы»: энергоемкого накопителя безвредной для человека и окружающей среды энергии. С тех пор он изучил множество способов решения, пока не остановился на маховике, известном с начала времен – гончарный круг, что как не маховик?
.
монолитный (а)и “навитой” (б) маховики
.
Накапливать и отдавать энергию в такой системе просто – разгон-«зарядка» и остановка-«вывод мощности». А проблемой такого способа – в энергоемкости, вернее в недостаточной плотности запасаемой энергии. Увеличить ее можно двумя способами: сделать больше габариты устройства или повысить скорость вращения маховика. В первом страдает компактность, во втором – безопасность использования.
.Схема супермаховика Нурбея Гулиа
.
Тогда-то Гулиа и высказывает предположение – а почему маховик должен быть монолитным? Ведь можно сделать его «навитым»: из металлической ленты или троса. В случае разрушения, такой не разлетается на мелкие части, а наоборот – тормозится. При этом, такая конструкция не теряет энергоемкость в сравнении с монолитными. В 1964 году Гулиа получает патент на свою конструкцию, так называемого, супермаховика.
Нурбей Гулиа и один из его супермаховиков
Надо сказать, что «обычные» маховики могли иметь (в теории) энергоемкость порядка 30−50 кДж на килограмм массы. В то же время обычные свинцово-кислотные аккумуляторы имели 64 кДж/кг, а щелочные еще выше – 110 кДж/кг. На деле же энергоемкость маховиков была раза в три ниже возможной, 10−15 кДж/кг, из-за необходимости увеличения запаса прочности при изготовлении.
.
.
Фрагмент киножурнала НАУКА И ТЕХНИКА 1990 № 8
.За рубежом так же разрабатывают супермаховики с 60-х годов XX века, а позже (в 80-х) находят им применение и довольно успешно – в авиации и в космических аппаратах, в автомобильной промышленности, а также в качестве возможных источников бесперебойного питания для зданий. В этом случает супермаховик накапливает энергию во время избыточной, «пиковой» выработки станцией электричества, а во время увеличения потребления – отдает. Потери в такой установке составляют меньше двух процентов.
.
Схема гиротроллейбуса «Локхид» (США) и его маховичного накопителя
.
.
Накопители Beacon Power
.
.
Углеволоконный супермаховик
.
.
Современный супермаховик
.
. Видео с сайта проекта Beacon Power
.
Разумеется, такие разработки требуют и финансового и «инженерного» вливания, но разве перспективы от использования не перевешивают эти вопросы, которые не просто можно решить, а, как считает Гулиа, – нужно.
источник
Старые новые динамические ИБП | Журнал сетевых решений/LAN
Согласно классификации, предложенной Frost & Sullivan, динамические ИБП делятся на три группы:
| Рисунок 3. Упрощенная схема дизельного динамического ИБП (Diesel Rotary UPS). |
Типичный дизельный динамический ИБП (ДДИБП) представляет собой собранные соосно на одном валу дизельный двигатель, электромагнитную муфту сцепления, синхронную электрическую машину и маховик (см. Рисунок 3). Такую конструкцию имеют решения компаний EuroDiesel, Hitec Power Protection и Hitzinger; в ДДИБП компании Piller маховик вынесен отдельно. Следует обратить внимание еще на один элемент ДДИБП — специальный развязывающий дроссель, который соединяет вход сетевого напряжения с выходом «чистого» напряжения системы ИБП. Этот дроссель обеспечивает высокую степень развязки между входом и выходом, блокируя прохождение гармоник и переходные процессы.
При наличии внешнего электропитания синхронная электрическая машина ДДИБП работает в режиме электродвигателя, поддерживая вращение жестко закрепленного на валу ротора маховика. При выходе параметров сети за установленные пределы она переводится в генераторный режим, поддерживая на нагрузке непрерывное синусоидальное напряжение. Источником энергии во время переходного процесса является маховик, благодаря которому сохраняется устойчивая частота вращения вала ротора синхронной электрической машины. По словам Алексея Козореза, главного инженера компании «АКСИ» — эксклюзивного поставщика в России оборудования Hitzinger, кинетическая энергия вращения маховика может достигать значений 16 МДж. Спустя 200–300 мс от момента обнаружения пропадания напряжения в сети система управления ДДИБП подает сигнал на запуск дизельного двигателя от стартерных АКБ. Через одну секунду — не важно, произошел пуск дизеля от АКБ или нет — закрывается муфта сцепления, установленная между валом ротора синхронного генератора и коленчатым валом дизеля. Кинетическая энергия маховика продолжает расходоваться как на поддержание выходного напряжения на шинах синхронного генератора, так и для вывода на рабочую частоту вращения (1500 об/мин.) коленчатого вала дизеля. Как утверждает Алексей Козорез, в такой ситуации дизель может не запуститься лишь по одной-единственной причине — если отсутствует дизельное топливо, поскольку требуемая компрессия в цилиндрах двигателя обеспечивается принудительным внешним вращением коленчатого вала на рабочей частоте. Общая продолжительность переходного процесса и выхода на рабочий режим занимает от 2 до 5 с (в зависимости от типа используемого накопителя кинетической энергии).
| Рисунок 4. Упрощенная схема гибридного динамического ИБП (Hybrid Rotary UPS). |
В гибридном динамическом ИБП (ГДИБП) присутствует как мотор-генератор, так и свойственные статическим ИБП выпрямитель и инвертор (см. Рисунок 4). Однако основной путь подачи электричества потребителю проходит через мотор-генератор: входное напряжение поступает на его моторные обмотки, а с генераторных обмоток снимается «чистое» напряжение. Система UBR компании Piller (типичный представитель семейства устройств ГДИБП) работает в таком режиме до тех пор, пока напряжение во входной сети находится в диапазоне ±8% от номинального. При выходе за эти пределы ГДИБП переключается на цепь двойного преобразования (через выпрямитель и инвертор), этот режим поддерживается при колебаниях напряжения от +10 до -15% (-20% кратковременно). В случае дальнейшего ухудшения качества напряжения или его полного пропадания система переходит на работу от АКБ. «Долгоиграющий» альтернативный источник энергии (дизель-генератор) может подключаться так же, как в схемах с обычным статическим ИБП.
| Рисунок 5. Упрощенная схема динамического ИБП типа Ride-through. |
Системы типа Ride-through во многом схожи с ДДИБП, отличаясь лишь отсутствием «встроенного» дизельного двигателя (см. Рисунок 5). Соответственно, такие системы способны обеспечивать резервное питание ровно столько, сколько будет «держать» маховик — как правило, несколько десятков секунд. Некоторые производители, например Active Power и Caterpillar, называют подобную архитектуру параллельной онлайновой (parallel online). Она противопоставляется типичной для статических ИБП архитектуре с двойным преобразованием энергии, при этом подчеркивается, что отказ от двойного преобразования повышает КПД систем. Как и в ГДИБП, в системах Ride-through внешний дизель-генератор можно подключить по типовым схемам, а имеющиеся технические решения позволяют организовать его запуск от энергии, генерируемой маховиком.
Российский рынок
По нашей просьбе названные выше производители динамических ИБП прислали перечни инсталляций своего оборудования, в том числе выполненные в крупных зарубежных ЦОД. Списки оказались очень внушительными. В России такие решения тоже установлены — например, система Hitzinger мощностью 1 МВт уже 15 лет эксплуатируется на ММВБ. Что же касается ЦОД, то «Журнал сетевых решений/LAN» располагает информацией только о двух российских проектах: представители компании Hitec сообщили о поставках двух ИБП по 1600 кВА для ЦОД компании Stack Group и четырех устройств по 1000 кВА для компании «Крок».
Как рассказал Максим Амзараков, технический директор Stack Group, в настоящее время (январь 2011 года) динамические ИБП Hitec установлены и находятся в стадии подготовки к работе в новом коммерческом ЦОД. Тестирование оборудования на нагрузку проводилось на заводе. В качестве основного аргумента, повлиявшего на выбор в пользу динамических ИБП, специалист Stack Group назвал простоту конструкции (по сравнению с традиционными статическими ИБП), что гарантирует более высокую надежность, эффективность (КПД) и снижение расходов на эксплуатацию. «Это хорошая и надежная техника, и она будет все шире востребована в ЦОД», — заключил он.
Как считает Александр Ласый, заместитель директора департамента интеллектуальных зданий компании «Крок», в силу того что область применения динамических ИБП очень узка — только крупные ЦОД мощностью несколько МВт — спрос пока невысок. Однако проекты строительства таких ЦОД вновь стали актуальны в России, и он ожидает роста интереса к этому оборудованию.
К числу достоинств ДДИБП Алексей Козорез относит их высокий КПД — 96% на полной нагрузке. Причем КПД практически не снижается в случае уменьшении нагрузки вплоть до 50%, что крайне важно для основного эксплуатационного режима ЦОД при реализации схем резервирования по топологии 2N и 2(N+1). Он отмечает возможность построения высоконадежной шины параллельной работы как низкого (0,4 кВ), так и среднего (6–10 кВ) напряжения, а кроме того, высокую надежность системы управления, где используются проверенные десятилетиями схемы релейной автоматики. По данным специалиста «АКСИ», до сих пор системы ДДИБП, находящиеся в эксплуатации более 27 лет, работают в практически неизменном виде, что говорит о чрезвычайно высоком ресурсе системы. Не менее важна и низкая стоимость капитального ремонта, заключающегося в замене подшипников (накладок диска сцепления), проводимого раз в 10 лет.
По мнению Алексея Карпинского, директора департамента технологического консалтинга компании «Астерос», развитию рынка динамических ИБП способствуют такие их преимущества, как отсутствие жестких требований к климатическим условиям в местах установки, существенно меньший вес и уже упоминавшаяся выше простота конструкции. Максим Баканов, эксперт компании «Стинс Коман Интегрированные Решения», ссылается на расчеты, которые показывают, что если мощность ЦОД составляет более 5 МВт, целесообразно использовать не классическую систему, состоящую из дизеля, АВР, статического ИБП и системы кондиционирования, а ДДИБП — такое решение содержит меньше компонентов и не требует системы прецизионного кондиционирования (только приточно-вытяжное охлаждение).
Одной из проблем, препятствующих развитию рынка динамических ИБП, эксперты Frost & Sullivan называют отсутствие достаточного числа предложений в диапазоне мощностей 200–500 кВА, в котором их основные конкуренты — статические ИБП — представлены в широком ассортименте. Кроме того, они отмечают недостаточно агрессивный маркетинг со стороны поставщиков динамических ИБП и дефицит информации о преимуществах и особенностях применения этих продуктов. Надеемся, данный материал внесет свою скромную лепту в решение последней задачи.
Александр Барсков — ведущий редактор «Журнала сетевых решений/LAN». С ним можно связаться по адресу: [email protected].
Маховик накопителя энергии – обзор
1.7 Будущие разработки
Вопрос о том, станет ли накопление энергии на маховике в будущем широко распространенным, остается предметом обсуждения. Этот вопрос зависит от многих факторов – концентрации усилий, краткосрочного прогресса в других типах устройств хранения энергии и, что, возможно, более важно, политического и экономического значения, придаваемого энергосбережению и экологическим проблемам.
Существуют две школы мысли: одна в основном основана на преимуществах устройств с маховиком – их очень высокая удельная мощность, высокая плотность энергии, высокий КПД, возможность сборки в широком диапазоне размеров от нескольких килограммов до сотен тонн, их концептуальная простота и наличие вывода энергии непосредственно в механическом виде.
Те, кто придерживается этого мнения, думают, что системы маховиков будут построены с низкими затратами и с высокой надежностью в короткие сроки, и что маховики возьмут верх во многих областях применения.
С другой стороны, недостатками являются сложность конструкции, необходимость высоких угловых скоростей и связанные с ними динамические проблемы, частая потребность в бесступенчатой трансмиссии, высокая стоимость существующих систем, потребность в сложных и тяжелых вспомогательных устройствах. оборудование, которое снижает общую плотность энергии, а иногда и КПД.Не стоит тратить время и деньги на разработку систем, которые никогда не демонстрировали больших экономических преимуществ, когда другие системы хранения энергии уже доступны.
Автор считает, что обе точки зрения верны, и не разделяет ни оптимистических взглядов первой, ни пессимистических взглядов второй. Если усилия по их развитию будут продолжены, маховиковые накопители энергии могут найти применение в промышленной практике среди других устройств накопления энергии, поскольку их преимущества могут быть использованы в определенных приложениях.Однако они далеки от того, чтобы быть «окончательным аккумулятором энергии», как некоторые думают. Автор также считает, что для многих приложений бесполезно искать «оптимальный маховик» или «маховик с очень высокими характеристиками». Надежного, безопасного, хорошо спроектированного и качественного ротора средней плотности энергии достаточно для большинства применений. Максимальные усилия теперь должны быть направлены на разработку звуковых, надежных и дешевых кинетических аккумуляторов со всеми необходимыми устройствами, обеспечивающими им хорошую универсальную производительность.
Масляный барабан | Накопитель энергии
Основные понятияМаховики – это не что иное, как диски или цилиндры, вращающиеся вокруг фиксированной оси. Количество энергии, которое может хранить маховик, пропорционально его массе ( m ), квадрату скорости, с которой он вращается ( w ) и квадрату его радиуса ( r ). Общее уравнение для твердого диска имеет следующий вид:
E = 1/4 & middot m & middot r 2 & middot w 2
Маховики были известны человеку по крайней мере со времен неолита, когда были построены первые гончарные круги.На заре промышленной революции маховики стали широко использоваться в качестве механизмов, переводящих работу паровых двигателей в постоянное вращательное движение; это решение до сих пор используется в современных поршневых двигателях внутреннего сгорания. На первый взгляд, маховик имеет несколько преимуществ по сравнению с химическими батареями:
- КПД – заряд и разряд производятся с очень небольшими потерями; в качестве системы накопления электроэнергии маховик может иметь КПД до 97%;
- Быстрый отклик – маховики могут быстро накапливать огромные всплески энергии и столь же быстро возвращать их;
- Lifetime – маховики, построенные в XVIII веке для ранней железнодорожной промышленности, работают и сегодня.
- Техническое обслуживание / вывод из эксплуатации – маховики хранятся в вакуумных контейнерах, в современных конструкциях функционируют с нулевым износом материала; они также не создают проблем с химической переработкой / выводом из эксплуатации обычных батарей.
Первые коммерческие применения, первые разочарования
Эта конструкция была первой, которая использовалась в коммерческих целях еще в 1950-х годах в автобусах, в которых в качестве единственного механизма хранения энергии использовались тяжелые стальные маховики; эти автомобили получили название Gyrobus. Они использовались на маршрутах с низкой пассажирской нагрузкой, не оправдывающей полной электрификации. Гиробусы могли проехать около 5 км на полной зарядке между станциями подзарядки. Перезарядка займет не более 3 минут, поскольку маховики могут легко поглощать электрические токи высокого напряжения.Эти автобусы также были оснащены системой рекуперативного торможения, которая заряжала маховик.
Коммерческие автобусы Gyrobus были открыты в Швейцарии, соединяющие Ивердон-ле-Бен и Внук, в 1953 году, а вскоре после этого были открыты услуги на нескольких маршрутах в городе Киншаса в Бельгийском Конго; В 1956 году в Бельгии была запущена еще одна служба, связавшая Гент и Мерелбеке. Со временем возникло несколько проблем, в основном из-за огромного веса этих машин – гиробусы, используемые в Конго, весили более 10 тонн.Им было тяжело водить машину, дороги были повреждены, и, прежде всего, они потребляли электроэнергию; трамвай того же направления может легко снизить потребление электроэнергии на треть. К концу 1960 года все упомянутые выше маршруты Gyrobus были закрыты.
Этот ранний коммерческий эксперимент выявил основные недостатки маховиков:
- Вес – легкосплавные маховики легко могут весить несколько тонн; для транспортных средств это может быть серьезной проблемой из-за дополнительной инерции, которую они оказывают на ускорение и торможение;
- Отказ – если маховик выходит из строя по какой-либо причине при большом вращении, он распадается, посылая шрапнель со скоростью пули в случайных направлениях; во избежание повреждений они должны храниться в бронированном контейнере, что увеличивает вес системы;
- Подшипники – легкосплавные подшипники изнашиваются довольно быстро, сначала снижая эффективность, а затем делая маховик непригодным; Из-за этого гиробусы требовали постоянного обслуживания;
- Угловой момент – импульс, сохраненный в маховике, будет действовать против изменения направления, что при транспортировке может сделать повороты сложной задачей.
Хотя гиробусы не вернулись, исследования по применению этой технологии продолжались; в начале 1990-х годов казалось, что есть инженерные решения для решения всех вышеперечисленных проблем. Первым большим изменением стало введение новых композитных материалов: они сразу решили проблему веса, но также улучшили емкость контейнера, эти материалы распадаются на очень мелкие частицы, которые намного легче удерживать.Затем проблема подшипников была элегантно решена с помощью магнитов, создавая магнитное поле, которое заставляет маховик левитировать, тем самым вращаясь без каких-либо контактов с другими частями (это требует небольшого расхода электроэнергии). Наконец, угловой момент был решен с использованием подвесов, которые, хотя и не полностью решают проблему, значительно уменьшают его влияние.
Все эти решения были использованы компанией Rosen Motors в венчурном проекте по производству автомобиля без двигателя внутреннего сгорания.В основе концепции лежала небольшая газовая турбина, соединенная с композитным электрическим маховиком для рекуперативного торможения. В 1997 году был проведен первый пробный запуск системы, установленной на серийном автомобиле Saturn; Он преодолел 130 км примерно за 2 часа, что во многих аспектах стало прорывом в инженерной сфере, получив хорошие отзывы от нескольких автопроизводителей. Через несколько месяцев венчурный капитал в размере 24 миллионов долларов иссяк. Без единого автопроизводителя, желающего продолжить проект, компания была вынуждена свернуть.
До сегодняшнего дня ни один коммерческий автомобиль не оснащался рекуперативной системой на основе маховика.Тем не менее, исследование, проведенное Rosen Motors, доказало, что накопители электроэнергии на маховике достигли технологической зрелости и открывают множество различных потенциальных приложений.
Много обещаний, мало реализаций
В железнодорожной отрасли маховики используются более широко, хотя нельзя сказать, что их использование широко распространено. Они использовались для хранения энергии в электровозах, чтобы гарантировать движение по неэлектрифицированным участкам железнодорожных линий, а также для питания небольших локомотивов; за некоторыми исключениями, эти решения остались в основном экспериментальными.Трамваи с маховиком могут быть особенно удобны в городах, поскольку они обходятся без надземной электрификации. Несмотря на этот факт, сегодня можно сослаться только на один коммерческий случай – на линию Stourbridge в Лондоне. Начиная с 2002 года, были испытаны 3 различных агрегата, построенных Parry People Movers, 2 из которых регулярно обслуживаются с 2008 года. Этот тип трамвая также может быть оснащен дизельными двигателями для движения на большие расстояния; поскольку маховик отвечает за все ускорение и торможение, этот двигатель может быть спроектирован для работы с оптимальными оборотами в минуту (об / мин), что делает его очень маленьким и эффективным.Пока очевидный успех этих трамваев не привел к серьезному проникновению на рынок, хотя пробные услуги и демонстрации проводились на других линиях; в следующем месяце планируется начать новую пробную службу на железной дороге Мид-Хантс, также в Великобритании.
В последнее время растет интерес к использованию маховиков в качестве статических батарей на рельсах. Они могут использоваться для стабилизации подачи электрического тока на локомотивы, а также для накопления энергии локомотивов, возвращающейся к электрическим линиям при торможении.В 2009 году пресса сообщила о проекте стоимостью 5,2 миллиона долларов по внедрению системы маховика мощностью 2,4 МВт на железнодорожной линии Вест-Хемпстед в Лонг-Айленде, США. Параллельно с этим американская компания Urenco Power Technology разрабатывает и испытывает маховики меньшего размера со стороны рельсов на линиях метро Нью-Йорка, Лондона, Токио и Лиона. Удовлетворенный зрелостью системы, в начале этого года была запущена дочерняя компания Kinetic Traction Systems с конкретной целью коммерциализации технологии.
Другая американская компания работала с аналогичными целями: Beacon Power, но с приложениями для электрических распределительных сетей. Компания разработала крупногабаритный маховик, который вращается со скоростью до 16 000 об / мин, с максимальной емкостью накопителя 25 кВтч, который может быть доставлен обратно в сеть с максимальной мощностью 100 кВт (более 15 минут). Эти маховики собраны в группы, которые можно использовать вместе. Вот видео 2009 года с описанием системы:
Вопреки тому, что предлагает это видео, Beacon Power сегодня кажется вполне здоровым, особенно после открытия, уже в этом году, первой коммерческой фермы маховиков, состоящей из 200 единиц и установленной в Стефентауне в Нью-Йорке.Эта ферма маховиков использовалась в первую очередь как стабилизатор электрической частоты, что идеально соответствует характеристикам быстрой разрядки / перезарядки маховика; Кроме того, ферма используется для хранения дешевой электроэнергии, доступной в сети в ночное время. Компания поддерживает тесное сотрудничество с властями США в рамках нескольких программ развития с более широкими целями по обеспечению стабильности всей сети. Штат Пенсильвания, похоже, также заинтересован в этой технологии, поскольку капитал уже вложен в маховиковую ферму.Предусматриваются дальнейшие применения, в частности объединение ферм с маховиком и ветряных ферм для децентрализации балансировки нагрузки; в этом случае система также будет соединена с питанием теплового генератора на дизельном или газовом топливе, что снова может быть значительно оптимизировано за счет быстрой помощи маховиков. Если есть приложение, в котором маховики кажутся обреченными на серьезное проникновение на рынок, то это именно оно; тем не менее, учитывая, как давно прерывистые технологии проникают на рынок производства электроэнергии, это кажется еще небольшими шагами.
Когда веселье встречается с технологиями
Чтобы полностью понять современное состояние маховика, необходимо рассказать последнюю (и более длинную) историю. В последние годы маховики получили импульс от неожиданного источника: Формулы 1. Стремясь «озеленить» спорт и обеспечить более глубокую передачу технологий в автомобильную промышленность, FIA ввела новые правила на сезон 2009 года, которые позволили командам при желании приспособить свою форму. автомобили с системой рекуперативного накопления электроэнергии с фиксированной максимальной емкостью.Эта система получила название Kinetic Energy Recovery System – KERS. Эти новые правила, казалось, давали командам, выбравшим KERS, преимущество, но их позднее введение не дало возможности развить и освоить новую технологию, особенно в том, что касается дополнительного веса, применяемого к автомобилям. В конце сезона 2009 года доминировала одна из низкобюджетных команд, которая даже не стала разрабатывать KERS.
После этого débâcle no F1 команда использовала KERS в 2010 году, но остаток от 2009 года вызвал любопытство многих: в то время как большинство команд выбрали химические батареи, команда Williams разработала маховик, который, хотя и не имел успеха на трассе, казался довольно многообещающим для дороги.Маховик Williams с максимальной скоростью вращения 60 000 об / мин зарекомендовал себя как настолько выгодная система, что команда создала корпоративное подразделение для его коммерциализации.
В начале 2010 года харизматическая немецкая марка Porsche отметила 110 -ю годовщину первого в истории гибридного автомобиля, разработанного его покойным основателем Фердинандом Порше, публичной презентацией гибридной версии гоночного автомобиля. флагман. Porsche 911 GT3 R Hybrid оснащен двумя электрическими колесами на передней оси, которые дополняют традиционный 6-цилиндровый двигатель и маховик KERS, разработанный Williams.Этот автомобиль дебютировал в гонках в том же году на 24-часовой трассе Нюрбургринга на легендарной 25-километровой трассе. Пройдя на 25% больше расстояния на каждом топливном баке, этот автомобиль лидировал в гонке с 14 -го до 23 -го часа, с тепловым двигателем, отбрасывающим призрак за 45 минут до клетчатого флага. Влияние этого почти подвига было таким, что в 2011 году Porsche представила новый гоночный автомобиль с маховиком, 918 RSR, который компания называет «гоночной лабораторией» для этой технологии, хотя до сих пор не принимала участия ни в одной гонке. .Эта система с маховиком дает такое преимущество перед традиционными автомобилями в гонках на выносливость, что организаторам гонок становится все труднее принять эти автомобили. В последней версии маховик Williams имеет максимальную мощность 340 Втч, но он может производить более 200 л.с. (~ 150 кВт). Со временем стремление «озеленить» спорт и снизить потребление энергии, вероятно, заставит организаторов гонок на выносливость и чемпионатов установить особые правила для регенеративных систем, раз и навсегда открыв двери маховикам.
То же самое произошло в 2011 году в Формуле 1, когда улучшения в правилах KERS привели к их повторному принятию большинством команд. В этом сезоне пиковая мощность системы ограничена 60 кВт, а максимальная мощность хранения – 100 Втч. Следующий большой пересмотр правил произойдет в 2014 году, когда двигатели значительно уменьшатся в размерах с 2,6 л до 1,6 л; это будет сопровождаться увеличением пиковой мощности маховика до 120 кВт. Несколько компаний сегодня разрабатывают маховики для использования в Формуле 1 и автоспорте в целом. Среди них следует отметить Flybrid, который соединен с трансмиссией, что позволяет избежать электрических преобразований с прямым переносом кинетической энергии.Другой харизматичный производитель автомобилей, Jaguar, в настоящее время изучает возможность внедрения системы Flybrid в свои серийные автомобили. В конечном итоге Jaguar стремится полностью заменить традиционный двигатель внутреннего сгорания небольшими турбинами, работающими в постоянных высокоэффективных режимах. Вот корпоративное видео о применении Flybrid в городских автобусах:
Итак, почему маховики не популярны?
Porsche владеет Volkswagen, крупнейшим производителем автомобилей в Европе, а Jaguar является частью группы Tata, крупнейшего производителя автомобилей в Индии – может ли это быть рассветом новой широко распространенной технологии или просто любопытством, ограниченным до 100000 евро. легковые автомобили? Ответ на этот вопрос можно начать с сравнения современного состояния маховика с существующими химическими решениями для аккумуляторов.Это была не совсем простая задача, поскольку данные по определенным технологиям сильно различаются от источника к источнику. Как бы то ни было, я придерживался цифр, найденных в Википедии. Вот компиляция плотности энергии (энергии на единицу объема) и удельной энергии (энергии на единицу массы):
Все эти круглые числа предназначены, прежде всего, для представления относительного позиционирования каждой технологии. Очевидно, что маховики не имеют существенного преимущества перед химическими батареями с точки зрения плотности, они несколько превосходят никель-металлогидридные, приближаясь к литиевым батареям, но далеко от цинково-воздушных батарей.Единственное преимущество маховиков в этом отношении состоит в том, что их компоненты не имеют забавных названий; в долгосрочной перспективе это может означать экономическое преимущество для маховиков: много углерода, они имеют гораздо более длительный срок службы (больше циклов зарядки на капитальные затраты) и не создают тех же проблем с переработкой. Но из-за отсутствия данных, поскольку в настоящее время в коммерческой эксплуатации находится мало систем, такую оценку трудно выполнить. В любом случае маховики не кажутся наиболее подходящими средствами хранения чистой энергии, поэтому не следует ожидать их успеха в приложениях этого жанра.
В отношении удельной мощности (мощности на единицу массы), которая показывает, насколько быстро система может хранить и / или передавать энергию, все начинает выглядеть совершенно иначе:
Маховики не только явно опережают все остальное, но и являются антиподами тех систем, которые опережают по плотности энергии и удельной энергии. Вывод очевиден: для приложений, где энергия должна быть доступна быстро и в больших количествах или аналогичным образом быстро накапливается, а общая энергоемкость не критична, маховики имеют явное преимущество.
Иллюстрация может быть полезна, опять же для транспортных приложений. Какое количество энергии рассеивается автомобилем при торможении, скажем, транспортным средством весом 1 тонну, движущимся со скоростью 100 км / ч? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны покопаться в старом школьном багажнике физики для выражения кинетической энергии:
KE = ½ & middot m & middot v 2
Или по-английски: половина массы ( м ), умноженная на квадрат скорости ( v ). В единицах СИ масса 1000 кг, скорость 27.(7) м / с; Подсчитывая, наша иллюстрация дает 385 кДж, или немногим более 100 Втч. Это означает, что маховик весом 1 кг, занимающий около полулитра, может накапливать энергию, необходимую для остановки автомобиля, движущегося со скоростью 100 км / ч. В зависимости от того, насколько сильно нажимают на тормоза, эта энергия может быть произведена всего за несколько секунд. Если это займет 10 секунд, средняя выходная мощность такого торможения составит 36 кВт. В то время как маховик весом 8 кг может легко справиться с такой мощностью, литий-ионный аккумулятор должен быть намного больше, около 120 кг.Это означает, что маховик полезен даже в полностью электрических автомобилях, работающих с ускорением / замедлением, в то время как химический аккумулятор может быть предназначен исключительно для диапазона транспортных средств.
Ответ на вопрос
Я начал готовить этот пост в надежде найти ответ на отсутствие коммерческого применения маховиков в качестве средства хранения электрической или кинетической энергии. Когда написание закончено, я не могу сказать, что достиг такой цели. Есть несколько коммерческих приложений, в которых маховики начинают робкое проникновение на рынок, а именно в железнодорожной отрасли для рекуперативного торможения и бескабельного хранения, а также в качестве вспомогательной инфраструктуры для балансировки нагрузки в электрической сети.Но именно там, где они кажутся более выгодными, на автомобильном транспорте, коммерческих приложений просто не существует. До сих пор автопроизводители выбирали технологии хранения для своих гибридных решений, которые, кажется, идут вразрез с логикой, предпочитая конкретную энергию определенной мощности; особенно, когда технология была доступна уже 15 лет. Учитывая, что только дорогие автопроизводители разрабатывают маховики (Jaguar, Porsche), может ли это быть проблемой стоимости? Нет удовлетворительных данных, чтобы ответить на этот вопрос, но простота маховика, долгий срок службы и отсутствие редких и / или загрязняющих материалов, кажется, указывают против этого.Тем не менее, вероятный успех этой технологии в электросетевой и железнодорожной отрасли, а также неожиданный толчок со стороны автоспорта могут изменить ситуацию в ближайшие годы.
Благодарность
Спасибо инженеру Поэту, Рембрандту и Джонатану за помощь и мотивацию.
Как маховики накапливают энергию?
Криса Вудфорда. Последнее изменение: 10 марта 2020 г.
Стоп … старт … стоп … старт – это не способ водить машину! Каждый раз, когда вы замедляете или останавливаете автомобиль или машину, вы впустую тратить накопленный заранее импульс, превращая его кинетическую энергию (энергия движения) в тепловую энергию в тормозах.Разве не было бы лучше, если бы вы могли как-то хранить эту энергию, когда вы остановился и вернуть его снова при следующем запуске? Это один работ, которые маховик может сделать за вас. Впервые использован в гончарные круги, которые тогда пользовались огромной популярностью в гигантских двигателях и машинах во время промышленной революции маховики теперь возвращение во всем, от автобусов и поездов до гоночных автомобилей и мощности растения. Давайте подробнее разберемся, как они работают!
Фото: Старый маховик парового двигателя в Think Tank, музее науки и промышленности в Бирмингеме, Англия.Маховик – это колесо со спицами сзади. Обратите внимание, что это в основном пустое пространство с длинными спицами и большим тяжелым ободом.
Зачем нужны маховики
Фото: Типичный маховик газоперекачивающего двигателя. Маховик – это большее из двух черных колес с тяжелым черным ободом в центре. Это один из многих увлекательных двигателей, которые вы можете увидеть в Think Tank, научном музее в Бирмингеме, Англия.
Двигатели самые счастливые и самые эффективные когда они производят мощность с постоянной относительно высокой скоростью.Единственная проблема в том, что транспортные средства и машины, которыми они управляют, должны работают на самых разных скоростях и иногда необходимо полностью остановиться. Муфты и шестерни частично решают эту проблему. (Клатч – это механический «выключатель», который может отключить двигатель от машины это вождение, в то время как шестерня – это пара заблокированных колеса с зубьями который изменяет скорость и крутящий момент (усилие поворота) машины, поэтому он может ехать быстрее или медленнее, даже если двигатель работает с одинаковой скоростью.) Но чего не могут сделать муфты и шестерни, так это сэкономить энергию, которую вы тратите впустую. когда вы тормозите и отдаете его позже.Это работа маховика!
Что такое маховик?
Маховик – это очень тяжелое колесо, которое требуется много силы, чтобы вращаться. Это может быть большой диаметр колесо со спицами и очень тяжелым металлическим ободом, или это может быть цилиндр меньшего диаметра из чего-то вроде углеродного волокна композитный. В любом случае, это колесо, которое нужно толкать действительно сложно настроить его вращение. Так же, как маховику нужно много силы, чтобы запустить его, поэтому для его остановки требуется много силы.Как в результате, когда он вращается на высокой скорости, он имеет тенденцию продолжайте вращаться (мы говорим, что у него большой угловой момент), что означает, что он может хранить большое количество кинетической энергии. Вы можете думать об этом как о чем-то вроде “механический аккумулятор”, но он накапливает энергию в виде движения (другими словами, кинетическая энергия), а не энергия, запасенная в химическая форма внутри традиционной электрической батареи.
Маховики бывают всех форм и размеров. Законы физики (кратко объясненные в поле ниже – но вы можете пропустить их, если вам это не интересно или вы знаете про них уже) скажите что большого диаметра и тяжелых колес хранят больше энергии, чем колеса меньшего размера и лёгкости, а маховики которые вращаются быстрее, хранят гораздо больше энергии, чем те, которые вращаться медленнее.
Современные маховики немного отличаются от тех, что были популярны во время промышленной революции. Вместо широкого и тяжелого стальные колеса с еще более тяжелыми стальными ободами, маховики 21-го века, как правило, более компактные и изготовленные из углеродного волокна или композитных материалов, иногда со стальными ободами, которые работают, возможно, на четверть тяжелее.
Физика маховиков
Вещи, движущиеся по прямой линии, имеют импульс (своего рода «сила» движения) и кинетическая энергия (энергия движения) потому что у них есть масса (сколько “материала” они содержат) и скорость (насколько быстро они движутся).в таким же образом вращающиеся объекты обладают кинетической энергией, потому что у них есть то, что называется моментом инерции (сколько “хлама” они сделаны из и как они распределяются) и угловой скорости (как они быстро вращаются). Момент инерции эквивалентен массе вращающихся объектов, а угловая скорость аналогична обычной. скорость только ходит по кругу.
Так же, как кинетическая энергия объекта, движущегося по прямой линии, определяется этим уравнением:
E = ½mv2
(где m – масса, а v – скорость), поэтому эквивалентный кинетический энергия вращающегося объекта дается этим:
E = ½Iω2
(где I – момент инерции, а ω – угловая скорость).
«Момент инерции» звучит ужасно абстрактно и сбивает с толку, но понять его гораздо легче, чем вы могли бы подумать. считать. На самом деле это означает, что с точки зрения кинетической энергии и импульса эффективная масса вращающегося объекта зависит не только от того, сколько у него фактической массы, но и от того, где эта масса расположена по отношению к точка вращается вокруг. Чем дальше от центра находится масса, тем большее влияние он оказывает на импульс и кинетическую энергию объекта – и мы количественно оцениваем это, говоря, что масса имеет более высокий момент инерции.Так что большой диаметр, легкий, со спицами маховик с очень тяжелым стальным ободом может иметь более высокий момент инерции, чем у прочного маховика гораздо меньшего размера, потому что больше его масса дальше от точки вращения.
Законы о сохранении
Законы сохранения энергии и закон сохранения импульса применяется к вращающимся объектам так же, как они применяется к объектам, движущимся по прямой линии. Так что то, что вращается с определенное количество энергии и углового момента (вращение эквивалент обычного, прямолинейного, линейного количества движения) сохраняет свое угловой момент, если не сила (например, трение или сопротивление воздуха) крадет это.Этот закон называется сохранением угловой импульс.
Когда фигурист протягивает руки, некоторые из их масса находится дальше от центра их тела (точки вращения) значит, у них более высокий момент инерции. Если они быстро крутятся с вытянутыми руками, но затем внезапно подносят руки к центр, они мгновенно уменьшают свой момент инерции. Но закон сохранения углового момента говорит, что их полный угловой момент должны оставаться такими же, и это может случиться только в том случае, если они увеличат скорость вверх.Вот почему вращающийся фигурист будет вращаться быстрее, когда он прижать руки к телу (и замедлить движение, когда они снова руки).
Artwork: Если вы медленно вращаетесь (стоя на вращающемся подносе без электропитания или сидите на офисном стуле) и быстро прижимаете руки к телу, вы будете вращаться намного быстрее. Ваш момент инерции уменьшается, поэтому ваша скорость должна увеличиваться, чтобы «сохранить» ваш угловой момент (оставьте его неизменным).
Какая лучшая конструкция для маховика?
Из этих основных законов физики следует, что маховик будет накапливать больше энергии, если он имеет более высокий момент инерция (больше массы или массы, расположенной дальше от ее центра), или если он вращается с большей скоростью.А поскольку кинетическая энергия вращающийся объект (E в приведенном выше уравнении) связан с квадратом его угловой скорости (ω2), вы Вы можете видеть, что скорость имеет гораздо большее влияние, чем момент инерции. Если вы возьмете маховик с ободом из тяжелого металла и замените его на обод, который вдвое тяжелее (вдвое больше его момента инерции), он будет накапливает вдвое больше энергии, когда вращается с той же скоростью. Но если вы берете оригинальный маховик и вращаете его в два раза быстрее (вдвое больше угловая скорость), вы в четыре раза увеличите запас энергии.Вот почему конструкторы маховиков обычно стараются использовать высокоскоростные колеса. а не массивные. (Компактные, быстроходные маховики тоже более практично в таких вещах, как гоночные автомобили, не в последнюю очередь потому, что большие маховики имеют тенденцию добавить слишком много веса.)
Сила на маховике увеличивается с увеличением скорости, а энергия, которую может накапливать колесо, равна ограничено прочностью материала, из которого он сделан: вращать маховик слишком быстро, и вы в конечном итоге достигнете точки, в которой сила настолько велика, что разбивает колесо на осколки.Прочные и легкие материалы оказываются лучшими для маховиков, поскольку они могут быстрее всего вращаться без разваливается. Современные маховики обычно изготавливаются из таких материалов, как сплавы, композиты из углеродного волокна, керамика и кристаллические материалы, такие как монокристаллы кремния. Некоторые из них специально разработаны, чтобы безопасно разбиться на крошечные фрагменты, если они будут вращаться слишком быстро.
Произведения: Маховики имеют фиксированный диаметр и массу, а значит, фиксированный момент инерции – или есть? Эта гениальная система маховика 1959 года, разработанная Бертрамом Шмидтом, может складываться и раскладываться для увеличения или уменьшения запасаемой энергии.Как это работает? Приводной двигатель (зеленый, справа) приводит в движение груз (оранжевый, слева) через ось (желтый) и систему шкивов (серый). При изменении скорости оси центробежный регулятор (темно-синий) и электрическая цепь (вверху справа) включают или выключают небольшой электродвигатель (розовый), перемещая рычажный механизм (коричневый) влево или вправо, перемещая другой рычажный механизм ( синий), поэтому маховик (красный) складывается или раскладывается по мере необходимости. Из патента США 2 914 962: Система маховика Бертрама Шмидта, опубликованного 1 декабря 1959 г., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.
Как маховик может сохранять свою энергию?
Фото: Маховики в конечном итоге перестают вращаться из-за трения и сопротивления воздуха, но если мы установим их на подшипники с очень низким коэффициентом трения, они сохранят свою энергию в течение нескольких дней. В этом экспериментальном маховике используется сверхпроводящий подшипник без трения, который вращается внутри вакуумной камеры, чтобы сопротивление воздуха не замедляло его. Фото любезно предоставлено Министерством энергетики США / Аргоннской национальной лабораторией.
Законы физики (точнее, первый закон движения Ньютона) говорят нам, что движущийся объект будет продолжать двигаться, если на него не действует сила.Вы могли подумать, что маховик будет вращаться вечно. Единственная проблема заключается в том, что маховики вращаются на подшипниках, поэтому, даже когда они хорошо смазаны, сила трения замедляет их. Есть еще одна проблема: поскольку маховики вращаются в воздухе, сопротивление воздуха или сопротивление также замедляют их. Современные маховики решают эти проблемы, устанавливая их на подшипниках с низким коэффициентом трения подшипники и герметизированы внутри металлических цилиндров, поэтому они не теряют столько энергия на трение и сопротивление воздуха, как это делали бы традиционные маховики.Самые сложные маховики плавают на сверхпроводящих магнитах (поэтому они почти полностью вращаются без трением) и герметизированы внутри вакуумных камер (поэтому нет потерь на сопротивление воздуха).
Что делает маховик?
Фото: Типичный современный маховик даже не похож на колесо! Он состоит из вращающегося цилиндра из углеродного волокна, установленного внутри очень прочного контейнера, который предназначен для остановки любых высокоскоростных осколков в случае поломки ротора. Такие маховики имеют присоединенный электродвигатель и / или генератор, который накапливает энергию в колесе и возвращает ее позже, когда это необходимо.Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).
Считайте что-то вроде старомодного пара тяговый двигатель – по сути, тяжелый старый трактор с приводом от паровой двигатель, который движется по дороге, а не по рельсам. Допустим, у нас есть тяговый двигатель с большим маховиком, который находится между двигателями производит мощность и колеса, которые принимают эту мощность и перемещение двигателя по дороге. Далее, допустим, маховик имеет муфты, поэтому его можно подключать или отключать от паровой двигатель, ведущие колеса или и то, и другое.Маховик может сделать три очень полезная работа для нас.
Во-первых, если паровой двигатель вырабатывает мощность с перерывами (возможно, потому, что у него только один цилиндр), маховик помогает сгладить мощность, получаемую колесами. Так что пока цилиндр двигателя может добавлять мощность на маховик каждые тридцать секунд (каждый раз, когда поршень выталкивается из цилиндра), колеса могли получать мощность от маховика на устойчивой, непрерывной скорость – и двигатель будет плавно катиться, а не дергаться в уходит и запускается (как если бы он приводился в действие непосредственно от поршня и цилиндр).
Во-вторых, маховик может использоваться для замедления автомобиль, как тормоз, но тормоз, поглощающий энергию автомобиля вместо того, чтобы тратить его как обычный тормоз. Предположим, вы ведете тяга двигателя по улице, и вы внезапно хотите остановиться. Ты может отключить паровой двигатель с помощью сцепления, так что транспортное средство начал бы замедляться. При этом будет передаваться энергия от транспортного средства к маховику, который будет набирать скорость и удерживать спиннинг. Затем вы можете отключить маховик, чтобы автомобиль полностью прекратить.В следующий раз, когда вы снова отправитесь в путь, вы должны использовать сцепление, чтобы повторно подсоедините маховик к ведущим колесам, чтобы маховик отдайте двигателю большую часть поглощенной им во время торможения.
В-третьих, маховик может использоваться для временного дополнительная мощность, когда двигатель не может производить достаточно. Предположим, вы хотите догнать медленно движущуюся лошадь и телегу. Допустим, маховик вращается в течение некоторого времени, но в настоящее время не подключен двигатель или колеса. Когда вы снова подключаете его к колесам, он как второй двигатель, обеспечивающий дополнительную мощность.Это только работает однако временно, потому что энергия, которую вы подаете на колеса, должна потеряться от маховика, что приведет к его замедлению.
Краткая история маховиков
Древние маховики
Вы можете утверждать, что маховики – одно из старейших изобретений: самые ранние колеса были сделаны из тяжелого камня или цельного дерева и, поскольку они обладали высоким моментом инерции, работали как маховики независимо от того, предназначались они для этого или нет. Гончарный круг (возможно, самая старая из существующих форм круга – даже старше, чем круги используется при транспортировке) полагается на то, что его поворотный стол будет прочным и тяжелым (или с тяжелым ободом), поэтому он имеет высокий момент инерции, который заставляет его вращаться сам по себе пока вы лепите сверху глину руками.Водяные колеса, которые производят энергию из рек и ручьев, также имеют форму маховиков, с прочными, но легкими спицами и очень тяжелыми ободами, поэтому они продолжают вращаться с постоянной скоростью и питание мельниц на постоянной скорости. Такие водяные колеса стали популярными со времен Римской империи.
Фото: Гидравлические колеса используют простой принцип маховика для поддержания постоянной скорости вращения. Это модель подводного водяного колеса (приводимого в движение рекой, протекающей под ним).
Маховики промышленной революции
Самые известные маховики времен Промышленного Revolution и используются в таких вещах, как заводские паровые двигатели и тяговые двигатели. Присмотритесь практически к любой заводской машине из 18-го или 19-го века, и вы увидите огромный маховик где-то в механизм. Поскольку маховики часто бывают очень большими и вращаются с большой скоростью скорости, их тяжелые диски должны выдерживать экстремальные нагрузки. Они также должны быть выполнены с высокой точностью, так как даже если они немного разбалансированы, они будут слишком сильно раскачиваться и дестабилизировать все, что к ним прикреплено к.Широкая доступность чугуна и стали в Промышленная революция сделала возможным создание качественных, высоких прецизионные маховики, которые сыграли жизненно важную роль в обеспечении работы двигателей и машин плавно и качественно.
После работ таких пионеров электричества XIX века, как Томас Эдисон, электроэнергия вскоре стала широко доступны для управления заводскими машинами, которым больше не нужны маховики для сглаживания неустойчивости, угольные паровые машины. Между тем, дорожные транспортные средства, корабли, поезда и самолеты использовали двигатели внутреннего сгорания с приводом от бензин, дизельное топливо и керосин.Маховики обычно были большими и тяжелыми и не было места внутри чего-то вроде автомобильного двигателя или корабля, не говоря уже о самолете. В результате технология маховика несколько упала на на обочине по мере развития 20-го века.
Современные маховики
С середины 20 века интерес к маховикам снова поднялся, в основном потому, что людей стало больше обеспокоены ценами на топливо и воздействием на окружающую среду используя их; имеет смысл экономить энергию – и маховики очень хороши в этом.Примерно с 1950-х годов европейские производители автобусов такие как M.A.N. и Mercedes-Benz экспериментировали с технология маховика в транспортных средствах, известных как гиробусы. Основная идея – установить тяжелый стальной маховик (диаметром около 60 см или пару футов, вращающийся со скоростью около 10 000 об / мин). между задним двигателем автобуса и задней осью, поэтому он действует как мост между двигателем и колеса. Когда автобус тормозит, маховик работает как рекуперативный тормоз, поглощение кинетической энергии и замедление транспортного средства.Когда автобус снова заводится, маховик возвращается передает энергию трансмиссии, экономя большую часть энергии торможения, которая в противном случае были потрачены впустую. Современная железная дорога и в поездах метро также широко используются рекуперативные тормоза с маховиком, что может дать общую экономию энергии примерно на треть или больше. Некоторые производители электромобилей предложили использовать сверхбыстрые вращающиеся маховики. в качестве накопителей энергии вместо батарей. Одним из больших преимуществ этого является то, что маховики потенциально может прослужить в течение всего срока службы автомобиля, в отличие от аккумуляторов, которые могут потребуется очень дорогая замена примерно через десять лет.
Фото: Современный маховик, разработанный НАСА для использования в космосе. Обратите внимание, как серебристый центр колеса в основном это пустое пространство и спицы, а масса колеса сосредоточена вокруг обода. Это дает колесо то, что известен как высокий момент инерции (более подробно поясняется ниже) и позволяет ему накапливать больше энергии. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).
За последние несколько лет болиды Формулы-1 также использовали маховики, но больше для увеличения мощности, чем для экономии энергии.Технология получила название KERS (Kinetic Energy Система восстановления) и состоит из очень компактного маховика с очень высокой скоростью вращения. (вращается со скоростью 64000 об / мин), которая поглощает энергию, которая обычно теряется в виде тепла при торможении. Водитель может нажмите переключатель на рулевом колесе, чтобы маховик временно взаимодействует с трансмиссией автомобиля, обеспечивая кратковременный прирост скорости при для разгона требуется дополнительная мощность. С таким скоростным маховиком, соображения безопасности становятся чрезвычайно важными; маховик установлен внутри сверхпрочного контейнера из углеродного волокна, чтобы он не повредил драйвер, если он взорвется.(В некоторых формах KERS используются электродвигатели, генераторы, и аккумуляторы для хранения энергии вместо маховиков, аналогично гибридным автомобилям.)
Так же, как маховики – в виде водяные колеса – играли важную роль в попытках человека использовать энергии, поэтому они возвращаются в современное производство электроэнергии. Один трудностей с силовыми установками (а тем более с формы возобновляемой энергии, такие как энергия ветра и солнца) заключается в том, что они не обязательно производить электричество постоянно или таким образом, чтобы точно соответствует росту и падению спроса в течение день.Связанная с этим проблема заключается в том, что производить электричество намного проще, чем стоит хранить его в больших количествах. Маховики предлагают решение это. Иногда, когда предложения электроэнергии больше, чем спроса (например, ночью или в выходные) электростанции могут кормить их избыток энергии в огромные маховики, которые будут хранить ее в течение периоды от минут до часов и время от времени отпускайте его снова пиковой потребности. На трех заводах в Нью-Йорке, Массачусетсе и Пенсильвании. Компания Beacon Power первой использовала маховики, чтобы обеспечить накопление энергии до 20 мегаватт, чтобы справиться с временными пиками энергопотребления. потребность.Они также используются в таких местах, как компьютерные центры обработки данных, чтобы обеспечивать аварийное, резервное питание на случай отключения электроэнергии.
Преимущества и недостатки маховиков
Маховики – это относительно простая технология с множество плюсов по сравнению с конкурентами, такими как аккумуляторные батареи: с точки зрения первоначальной стоимости и текущих обслуживание, они обходятся дешевле, служат примерно в 10 раз дольше (Есть еще много работающих маховиков, начиная с Industrial Revolution), экологически безопасны (не производят выбросов углекислого газа и не содержат опасных химикатов, вызывающих загрязнение), работают практически в любом климате и очень быстро набирают обороты. (в отличие, например, от батарей, для зарядки которых может потребоваться много часов).Они также чрезвычайно эффективен (может быть, 80 процентов или более) и занимает меньше пространство, чем батареи или другие формы хранения энергии (например, накачанные водохранилища).
Фото: Маховики – отличная альтернатива батареям. Здесь маховик (справа) используется для хранения электроэнергии, вырабатываемой солнечной панелью. Электричество от панели приводит в действие электродвигатель / генератор, который раскручивает маховик до нужной скорости. Когда требуется электричество, маховик приводит в действие генератор и снова производит электричество.Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL
Самый большой недостаток маховиков (конечно что касается транспортных средств) – это вес, который они добавляют. Полная Формула 1 KERS система маховика (включая необходимый контейнер, гидравлику и электронные системы управления) около 25 кг к массе автомобиля, что является значительной дополнительной нагрузкой. Другая проблема (особенно для гонщиков Формулы 1) в том, что большое тяжелое колесо вращение внутри движущегося автомобиля будет действовать как гироскоп, сопротивляться изменениям в своем направлении и потенциально влиять на управляемость автомобиля (хотя есть разные решения, включая установку маховиков на подвесах, например, на корабельном компасе).А дальнейшая трудность заключается в огромных напряжениях и деформациях, которые маховики опыт, когда они вращаются с чрезвычайно высокой скоростью, что может вызвать их разрушить и взорвать на осколки. Это действует как ограничение на насколько быстро могут вращаться маховики и, следовательно, сколько энергии они можно хранить. В то время как традиционные колеса делались из стали и вращались на открытом воздухе современные чаще используют высокоэффективные композиты или керамика и быть запечатанными внутри контейнеров, что делает возможны более высокие скорости и энергия без ущерба для безопасности.
Как генерировать бесплатную электроэнергию с помощью маховика
В этой статье мы исследуем концепцию маховика и узнаем, как его можно использовать для зарядки аккумуляторов, а также улучшить работу на уровне сверхбезопасности.
Что такое маховик
Согласно Википедии, маховик – это прядильная механизированная машина, используемая для накопления и высвобождения крутящего момента.
Маховики обладают инерцией, называемой «моментом инерции», которая поэтому сопротивляется изменениям скорости вращения, подобно тому как масса (инерция) автомобильной системы предотвращает ее ускорение.
Уровень мощности, удерживаемой в маховике, пропорционален квадрату его вращательного движения.
Энергия передается на маховик за счет использования крутящего момента, в результате чего увеличивается его скорость вращения и, как следствие, его накопленная мощность. С другой стороны, маховик производит собранную энергию за счет использования крутящего момента для физической нагрузки, что, в свою очередь, снижает скорость вращения маховика.
Типичные области применения маховика включают:
Обеспечение бесперебойной подачи энергии там, где источник энергии является прерывистым.В качестве иллюстрации в поршневых двигателях используются маховики, поскольку источник энергии и крутящий момент этих двигателей нерегулярны.
Распределение энергии со скоростью, превышающей возможности постоянного источника энергии.
Это часто достигается путем постепенного накопления энергии в маховике, а затем просто быстрой разрядки энергии со скоростью, превышающей возможности источника энергии.
Управление центровкой механизированного оборудования. В этом типе использования угловая скорость маховика специально передается в качестве крутящего момента на соединительную механизированную систему, в то время как энергия перемещается к маховику или от него, в результате чего соединительное оборудование перемещается в определенное ожидаемое положение.
Маховики в идеале изготовлены из стали и перемещаются через специальные высококачественные подшипники; они обычно ограничиваются числом оборотов в несколько тысяч об / мин.
Ряд современных маховиков изготовлены из компонентов из углеродного волокна и оснащены магнитными подшипниками, что позволяет им вращаться со скоростью до 60 000 об / мин.
Вышеупомянутое обсуждение ясно указывает, что маховики обладают потенциалом для генерирования выходной мощности, которая может быть намного выше, чем входная, после того, как они были повернуты до некоторой заданной высокой скорости.
Из приведенного выше обсуждения мы можем сделать вывод, что с помощью маховика можно получить сверхмощный генератор электроэнергии без особых сложностей и скептицизма.
Рассмотрение маховика как эффективного генератора бесплатного электричества
В одном из своих предыдущих постов я обсуждал аналогичную концепцию с использованием маятника и пытался передать метод его использования для достижения пределов избыточности.
В этой статье мы увидим, как маховик можно использовать для выполнения результата сверхъединичности и получить на 300% больше выходных данных, чем примененных входных данных.
На схеме ниже мы видим простой маховик с установленным двигателем:
Это можно рассматривать как ручной электрогенератор, использующий маховик, при этом маховик нужно время от времени толкать для поддержания постоянного вращения на присоединенном двигателе.
Провода двигателя могут быть соответствующим образом оконцованы батареей для получения предлагаемого бесплатного электричества от установки.
Преимущество этой установки заключается в том, что после того, как маховик вращается с заданным максимальным крутящим моментом, вращение может поддерживаться путем толкания маховика со значительно меньшим количеством энергии.
Несмотря на свою эффективность, описанная выше установка может выглядеть не слишком впечатляющей из-за потребности человека, постоянно находящегося рядом с системой.
Использование маховика для выработки бесплатного электричества
В предыдущих разделах мы обсуждали, как можно использовать маховик для выработки избыточного электричества из накопленной потенциальной энергии, когда ему дают быстрое вращение с использованием внешней силы кручения. В следующих обсуждениях мы узнаем, как систему можно превратить в вечный двигатель без необходимости какого-либо внешнего вмешательства.
В нашем последнем обсуждении мы поняли естественную приписываемую сверхъединичность маховика и узнали, как его можно использовать как эффективную машину для выработки бесплатного электричества с помощью часто прикладываемой к нему внешней минимальной поддерживающей силы.
Однако, чтобы превратить маховик в бесплатный генератор электричества, почти вечный и автоматический без необходимости какого-либо ручного вмешательства, может быть использована следующая показанная умная идея.
Настройка цепи маховика
Если объяснение, приведенное в Википедии, считается правильным, то приведенная выше конструкция должна работать в соответствии с предлагаемой здесь концепцией избыточности.
На схеме выше мы видим правильно рассчитанные маховик, двигатель и схему аккумуляторной батареи.
Как это работает (Overunity)
На рисунке показан вид сверху на маховик, при этом присоединенный двигатель находится прямо под маховиком, показанный в виде пикселей.
Провода двигателя подключены к аккумулятору, который необходимо зарядить, через блокирующий выпрямительный диод (1N5408).Этот диод гарантирует, что напряжение от батареи остается заблокированным, в то время как энергия от двигателя может достигать батареи.
Также можно наблюдать транзисторную сеть PNP, база которой сконфигурирована с герконом.
Герконовый переключатель должен активироваться с помощью встроенного магнита, запечатанного на краю маховика.
Первоначально переключатель, соединенный последовательно с отрицательным проводом, остается выключенным, а маховик получает крутящий момент (крутящий момент) вручную или с помощью любых внешних средств.
A как только это будет выполнено, переключатель сразу же переключается в положение ВКЛ.
Здесь предполагается, что размер маховика достаточно велик, так что действие «включить» (аккумулятор подключен) оказывает лишь незначительное сопротивление крутящему моменту маховика.
После выполнения вышеуказанного действия двигатель мгновенно начинает вырабатывать и подавать электроэнергию в аккумулятор.
Также во время цикла своего вращения магнит, прикрепленный кромкой маховика, начинает периодически переключать соответствующий геркон.
Геркон, в свою очередь, переключает транзистор PNP с той же скоростью, создавая кратковременное короткое замыкание на диоде 1N5408, так что в эти моменты энергия батареи возвращается к двигателю для приложения к нему необходимого поддерживающего крутящего момента.
Конденсатор емкостью 2200 мкФ способствует этому и снижает нагрузку на батарею при каждом включении транзистора.
Теперь, поскольку геркон переключается только на долю времени каждого полного оборота маховика, за исключением этих периодов, оставшаяся часть периода вращения используется для выработки дополнительной дополнительной электроэнергии для батареи.
Это означает, что во время вращения маховика только небольшая часть энергии аккумулятора используется для поддержания его оптимального крутящего момента, в то время как значительно большая часть его энергии передается двигателю для выработки эквивалентного количества зарядного тока для аккумулятора.
Вышеупомянутый сценарий обеспечивает идеальную самоподдерживающуюся систему маховика, которая становится способной генерировать бесплатное электричество в избытке, используемом в качестве источника питания.
Показанный конденсатор емкостью 2200 мкФ может быть увеличен до некоторого более высокого значения, и, если возможно, можно попробовать суперконденсаторы для дальнейшего повышения эффективности системы.
Отзыв от г-на Марка Байамонте
Можно ли использовать трехфазный двигатель стиральной машины и как он будет подключен? Я обманул мельницу и заставил ее работать, но ветра не хватило. У вас отличные планы, и я хотел бы попробовать. Вот мой мотор.
Решение вопроса
Трехфазный двигатель может быть трудным и запутанным при подключении к показанной схеме маховика, потому что двигателю потребуется преобразование трехфазного постоянного тока в однофазное и прием постоянного тока в трехфазный от транзистора…
Окончательный дизайн маховика МаркЯ построил маховик, и он работает! У меня был только 2200 мкФ 16 вольт. Я использовал мотор от беговой дорожки.
Какой конденсатор наибольшего размера я мог бы использовать? Большое Вам спасибо. Это первое, что я сделал вот так. Мне это очень понравилось.
Извините, я не начал дурачиться с подобными вещами в более раннем возрасте. Еще раз спасибо за ваш дизайн и ваше время.
Марк Байамонте Эшли,
Па США
primoswilkesbarre @ gmail.com
Мой ответ
Отлично, Марк, спасибо за обновление информации.
Емкость конденсатора не критична, однако большие значения могут помочь повысить эффективность системы, поэтому вы можете попробовать добавить еще пару 2200 мкФ параллельно.
С уважением
Swag
Несколько советов по оптимизации от г-на Тамала Индика
Я заметил большую разницу, установив конденсатор 4700 мкФ на клеммы двигателя, и скорость маховика значительно увеличилась.В то же время я проверил выход мотора, он составляет около 6,5 В. Я собираюсь вращать другой двигатель с помощью этого выходного тока и, используя этот отдельный двигатель, я могу создать хороший генератор, перемещая магниты на фиксированной катушке.
Я надеюсь использовать супермагниты, такие как N38 (диаметр 2 см, ширина 1 см), и катушки калибра 20. Я могу сделать для этого сборку и прикрепить другое маховое колесо к валу, прикрепленному к этому отдельному двигателю, чтобы скорость увеличилась. . Тогда он будет генерировать ток более 12 В и около 2 А.Также я могу изменить количество ампер, подключив больше катушек. Затем я могу подать ток на батарею Dialog Router 7,4 В 1A, и она будет хорошо заряжаться.
Я думаю, что это хорошая модификация вашей схемы, и вместо того, чтобы передавать выходной ток батареи через выпрямитель, я собираюсь вращать другой отдельный двигатель этим током и, таким образом, запускать генератор и обеспечивать выход генератора. к батарее. Обратите внимание, что в настоящее время я использую Dialog Router 7,4 В, 2 А с кассетным двигателем 6 В для вашей конструкции, и скорость маховика значительно увеличилась за счет подключения конденсатора 4700 мкФ к клеммам кассетного двигателя 6 В.
Это принесло некоторые успешные результаты. Я только что проверил зарядное устройство этого аккумулятора, это зарядное устройство 12В 1А. Надеюсь, мне удастся создать генератор, который будет обеспечивать 12В 1А.
О Swag
Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем / печатных плат, производитель. Я также являюсь основателем веб-сайта: https://www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными идеями и руководствами по схемам.
Если у вас есть какие-либо вопросы, связанные со схемой, вы можете взаимодействовать с ними через комментарии, я буду очень рад помочь!
Механический аккумулятор • Чертовски интересно
© Все права защищены.Пожалуйста, не распространяйте без письменного разрешения Damn Interesting.
В мире, где все, от автомобилей до нижнего белья, скоро может работать на электричестве, более эффективная портативная энергия является серьезной проблемой. После столетия застоя химические и ультраконденсаторные батареи недавно сделали некоторые шаги вперед, и на горизонте их будут еще больше. Но наиболее многообещающий способ сохранения энергии в будущем может быть получен из более неожиданного источника, который намного старше любой батареи: маховика.
В принципе, маховик – это не что иное, как колесо на оси, которое накапливает и регулирует энергию, непрерывно вращаясь. Это устройство – одна из старейших и наиболее известных технологий человечества: шесть тысяч лет назад оно было в гончарном круге в виде каменной плиты с достаточной массой, чтобы плавно вращаться между ударами ножной педали; он был важным компонентом великих машин, которые привели к промышленной революции; и сегодня он находится под капотом каждого автомобиля на дороге, выполняя ту же функцию, что и на протяжении тысячелетий – теперь регулирует ход поршня, а не удары ногой гончара.
Однако текущие исследования показывают, что человечество еще не осознало истинный потенциал маховика. При раскручивании до очень высоких скоростей маховик становится резервуаром для огромного количества кинетической энергии, которую можно накапливать или отводить обратно по желанию. Фактически он становится электромеханической батареей .
Возможности такого устройства столь же необычны, как и его уникальный дизайн. Традиционный свинцово-кислотный элемент – аккумулятор, который чаще всего используется в мощных системах электроснабжения – накапливает энергию с плотностью 30-40 ватт-часов на килограмм: этого достаточно для питания 100-ваттной лампочки в течение примерно 20 минут.С другой стороны, батарея на основе маховика может достигать плотности энергии в 3-4 раза выше, около 100-130 ватт-часов на килограмм. В отличие от батареи, маховик также может быстро накапливать и разряжать всю эту энергию без повреждения, что означает, что он может заряжаться до полной емкости за считанные минуты, а не часы, и обеспечивать в сто раз больше энергии, чем обычная батарея.
Более того, он не подвержен воздействию экстремальных температур, имеет КПД 85–95% и срок службы, измеряемый десятилетиями, а не годами.
В то время как средний человек, вероятно, никогда не слышал о батарее с маховиком, эта концепция начинает серьезно восприниматься коммерческими и правительственными организациями. Крупные корпорации рассматривают энергетические системы с маховиком как идеальные для приложений резервного питания из-за их длительного срока службы и низких эксплуатационных расходов. Энергетические компании часто используют их для выравнивания нагрузки: для поддержания постоянного потока электроэнергии между пиками выработки электроэнергии или для хранения излишков энергии в периоды низкого спроса для предотвращения сбоев в дальнейшем.Такие приложения, как лабораторные эксперименты, требующие огромного количества электроэнергии, иногда приводятся в действие маховиком, который можно постепенно заряжать с течением времени, вместо того, чтобы сразу же вызвать массовую утечку энергии из электросети. И НАСА направляет значительные ресурсы на разработку систем маховиков, которые, по их мнению, могут полностью заменить батареи в космических приложениях. Помимо заметного превосходства в плотности энергии и сроке службы, маховики обладают уникальным преимуществом, заключающимся в том, что они обеспечивают хранение энергии и управление ориентацией космического корабля или спутника в одном простом корпусе.Когда два маховика на борту спутника вращаются в противоположных направлениях с одинаковой скоростью, спутник сохраняет свое положение; когда энергия передается между колесами, чтобы ускорить одно и замедлить другое, спутник будет вращаться.
Но ближе к основанию мы находим, пожалуй, наиболее захватывающее потенциальное применение для системы питания с маховиком. В связи с тем, что в современном мире растет понимание экономических и экологических недостатков автомобилей с бензиновым двигателем, электромобиль приобрел почти мифический статус.Несмотря на десятилетия разработки, практический электромобиль кажется таким же далеким, как и когда-либо, и во многом виноваты ограничения существующих аккумуляторов – им крайне не хватает мощности, емкости, скорости зарядки, долговечности и срока службы. Накопитель энергии на маховике вполне может быть решением, и нам даже не нужно углубляться в теоретические выкладки, чтобы представить себе, как будет работать такая система. В почти забытом фрагменте транспортной истории автомобиль с маховиком на короткое время стал реальностью.
GyrobusGyrobus был малоизвестным общественным транспортным средством, которое использовалось в Швейцарии, Заире и Бельгии в 1950-х годах.В то время электрические автобусы уже были обычным явлением, но их движение ограничивалось сетью воздушных линий электропередач. Идея Gyrobus заключалась в том, чтобы освободить автобус из этой проволочной тюрьмы. Вместо обычного двигателя автобус нес трехтонное вращающееся стальное колесо, прикрепленное к необычному электродвигателю. Когда автобус был припаркован на зарядной станции, двигатель разгонял маховик примерно до 3000 об / мин; затем, когда пришло время взлетать, он стал генератором, преобразовавшим кинетическую энергию маховика обратно в электричество, которое приводило в движение колеса автобуса.Процесс зарядки занимал от 30 секунд до 3 минут, и после зарядки Gyrobus мог проехать 3-6 миль со скоростью 30-40 миль в час.
Множество проблем с конструкцией обеспечили короткую жизнь эксперименту Gyrobus. Маховик автобуса опирался на стандартный подшипник, который часто ломался под действием нагрузки и быстро истощал энергию колеса за счет трения. В результате возникла необходимость подзаряжать автобус каждые несколько остановок. Кроме того, массивное колесо делало Gyrobus намного тяжелее обычного автобуса и гораздо менее эффективным.Gyrobus был просто больше денег и хлопот, чем он того стоил.
Недостатки конструкции Gyrobus были серьезными препятствиями, с которыми сталкивается любое транспортное средство с маховиком, но с тех пор почти все они были преодолены. Основанием для массивного стального колеса автобуса и всех связанных с ним проблем были основы физики: чем тяжелее вращающийся объект, тем больше энергии он удерживает. Увеличение скорости вращения объекта, которое увеличивает его энергию экспоненциально квадратично, а не линейно, является гораздо более эффективным способом добавления энергии.Но слишком быстрое вращение стального колеса разорвало бы его на части. Поэтому конструкторы Gyrobus предпочитали размер, а не скорость, но это не относится к современным инженерам. Решение пришло в 1970-х годах, когда стали появляться материалы, которые прочнее и легче стали. Сегодня существуют маховики из углеродного волокна, которые можно вращать достаточно быстро, чтобы удерживать в 20 раз больше энергии, чем стальные колеса такой же массы, – и эти материалы продолжают совершенствоваться. Хрупкие и энергоемкие подшипники, которые мешали Gyrobus, также устарели.Сейчас считается само собой разумеющимся, что в любой энергетической системе маховика будут использоваться магнитные подшипники, которые левитируют колесо внутри вакуумного корпуса, так что оно вращается в среде, в которой практически отсутствует трение.
Магнитный подшипникМаховики в такой системе могут скользить месяцами после того, как они полностью раскручены, а в экспериментальных условиях некоторые вращаются до двух лет без внешнего воздействия. Если присутствует некоторое трение, колесо может оставаться полностью заряженным на неопределенный срок, подавая ровно столько энергии, чтобы его преодолеть.
С этими достижениями кажется, что, наконец, пришло время увидеть возвращение автомобиля с приводом от маховика. Однако эти новые машины могут мало походить на гиробусы прошлых лет. Дизайн, который привлек наибольшее внимание в последнее десятилетие, был детищем доктора Джека Биттерли, главного инженера компании US Flywheel Systems. Горько мечтал с 1970-х годов построить автомобиль с полностью маховиком, но только в 1990-х технология начала приближаться к необходимой сложности.Подобно механизму Gyrobus, система Биттерли включала в себя комбинированный электродвигатель / генератор для добавления мощности от маховика; но этот маховик был сделан из углеродного волокна, отформованного на компьютере, и бесшумно вращался на магнитных подшипниках со скоростью 100 000 об / мин. Все это устройство, заключенное в усиленный вакуумный контейнер, весило менее ста фунтов и могло выдавать стабильные 20 лошадиных сил или 50 лошадиных сил более короткими очередями. Идея Горького заключалась в том, чтобы поместить 16 таких агрегатов в автомобиль обычного размера, который будет генерировать 800 л.с. и преодолевать 300 миль на одном заряде – примерно такой же диапазон, как у бака с бензином, но по цене около 5- 10 долларов.Несмотря на некоторый интерес со стороны крупных автомобильных компаний, Bitterly и US Flywheel Systems не смогли заручиться достаточной поддержкой, чтобы сдвинуть свою конструкцию с мертвой точки.
Ряд препятствий сдерживал развитие практичной маховиковой машины, и они остаются по сей день. Во-первых, магнитные подшипники еще не справляются с задачей движущегося транспортного средства. Держать маховик вращающимся в лаборатории или в невесомом вакууме космоса – это одно; вращать его в инерционных джунглях мчащейся машины – бороться с поворотами, остановками и ухабами – совсем другое дело.Подшипники должны оперативно регулироваться в соответствии со значительными перегрузками, возникающими при обычном вождении, чтобы предотвратить потерю энергии и повреждение в результате «касания» маховика. Даже в идеальных условиях современные магнитные подшипники не лишены недостатков: они дороги, ненадежны и потребляют избыточную энергию через вихревые токи , , случайные электрические потоки в системе.
Прототип Chrysler PatriotДругая проблема, присущая конструкции маховика, – это гироскопический эффект, который заставляет вращающиеся объекты сопротивляться изменению их ориентации.Очевидно, это нежелательная черта, когда автомобиль пытается поворачивать.
Наконец, безопасность – это постоянная проблема. Компактная система маховика, такая как Bitterly, несет примерно кинетическую энергию военного танка, движущегося на большой скорости, и вся эта энергия должна быть высвобождена очень быстро, если маховик сломается или упадет с оси. На протяжении всей истории современной конструкции маховиков в результате таких отказов происходило множество смертей. Эта проблема в конечном итоге привела к списанию Chrysler «Patriot», гибридного гоночного автомобиля, построенного в начале 1990-х годов.Автомобиль имел маховик со скоростью 58 000 об / мин как часть системы привода, но мощность колеса никогда не могла быть надежно и практически сдержана. Разница между потенциально смертельным отказом и безвредным распадом заключается в прочности контейнера маховика, но конструкторы должны уравновесить силу с массой, чтобы снизить вес транспортного средства. Идеальных материалов и конструкции для такой емкости пока не найдено.
Ни одна из этих проблем не является непреодолимой. Магнитные подшипники обладают большим потенциалом для улучшения и снижения затрат: наибольший прогресс может быть достигнут за счет пассивных магнитов, изготовленных из сверхпроводящих материалов, которые устранят проблемы с утечкой энергии и большей частью управляющего оборудования.Между тем гироскопический эффект можно в значительной степени устранить, установив кожух маховика на кардан или соединив каждый маховик с партнером, вращающимся в противоположных направлениях. И риск выхода из строя маховика можно снизить; в конце концов, инженерам давно удалось приручить бензин, гораздо более опасный носитель энергии, который окружал нас в течение последнего столетия.
Маховик G2НАСА, 41 000 об / мин. Как и в случае с большинством технологий, время, необходимое для разработки этих решений, является вопросом интереса, изобретательности и денег.Разочарованные отсутствием финансирования для полноценного автомобильного проекта, большинство маховиковых компаний, включая американские Flywheel Systems, переключили свое внимание на крупномасштабные коммерческие и космические проекты. Это изменение можно рассматривать как неудачу, но, в конце концов, это может быть просто более окольный путь к той же цели: как только маховики будут проверены в таких ответственных функциях, как питание Международной космической станции, к ним будут относиться серьезно для более повседневных задач также.
При внимательном рассмотрении поражается, сколько энергетических и экологических проблем цивилизации можно объяснить недостаточным хранением энергии.Люди с радостью полагаются на методы хранения с эффективностью всего 20%, тратя гораздо больше энергии, чем мы фактически используем. Автомобили по-прежнему являются основным источником загрязнения, поскольку они приводятся в движение сырой и грязной энергетической средой, а альтернативные «чистые» источники энергии, такие как ветер и солнечная энергия, ограничены отсутствием эффективного «гончарного круга» для сохранения энергии. течет в периоды спада. Когда цивилизация впервые использовала силу колеса, это достижение открыло новую эру для человечества.Сегодня колесо, кажется, готово вызвать еще одно подобное изменение, и хотя удар на этот раз может не повлиять на цивилизацию в том виде, в каком мы ее знаем, он все же может оказаться революционным.
Хранение электроэнергии | Энергия и окружающая среда
Посмотреть интерактивную версию этой схемы >>
О накоплении электроэнергии
Электросеть работает на основе тонкого баланса между предложением (генерацией) и спросом (потребителями).Один из способов помочь сбалансировать колебания предложения и спроса на электроэнергию – хранить электроэнергию в периоды относительно высокого производства и низкого спроса, а затем отправлять ее обратно в электрическую сеть в периоды более низкого производства или повышенного спроса. В некоторых случаях хранение может обеспечить экономические выгоды, надежность и экологию. В зависимости от степени развертывания, хранение электроэнергии может помочь коммунальной сети работать более эффективно, снизить вероятность сбоев во время пикового спроса и позволить создавать и использовать больше возобновляемых ресурсов.
Энергия может храниться различными способами, в том числе:
- Насосная гидроэлектростанция. Электричество используется для перекачки воды в резервуар. Когда вода выпускается из резервуара, она стекает через турбину для выработки электроэнергии.
- Сжатый воздух. Электричество используется для сжатия воздуха до 1000 фунтов на квадратный дюйм и хранения его, часто в подземных пещерах. Когда потребность в электроэнергии высока, сжатый воздух выпускается для выработки электроэнергии через турбодетандер.
- Маховики. Электричество используется для разгона маховика (разновидность ротора), благодаря которому энергия сохраняется в виде кинетической энергии вращения. Когда требуется энергия, вращающая сила маховика используется для вращения генератора. В некоторых маховиках используются магнитные подшипники, они работают в вакууме для уменьшения сопротивления и могут достигать скорости вращения до 60 000 оборотов в минуту.
- Аккумуляторы. Подобно обычным аккумуляторным батареям, очень большие батареи могут накапливать электричество до тех пор, пока оно не понадобится.В этих системах могут использоваться литий-ионные, свинцово-кислотные, литиево-железные или другие аккумуляторные технологии.
- Накопитель тепловой энергии. Электричество можно использовать для производства тепловой энергии, которую можно хранить до тех пор, пока она не понадобится. Например, электричество можно использовать для производства охлажденной воды или льда в периоды низкого спроса, а затем использовать для охлаждения в периоды пикового потребления электроэнергии.
В дополнение к этим технологиям в настоящее время разрабатываются новые технологии, такие как проточные батареи, суперконденсаторы и сверхпроводящие магнитные накопители энергии.
Хранение электроэнергии в США
По данным Министерства энергетики США, по состоянию на март 2018 года в Соединенных Штатах было более 25 гигаватт накопительной мощности электрической энергии. Из этого общего количества 94 процента приходилось на гидроаккумулирующие установки, а большая часть этой гидроаккумулируемой мощности приходилась на установлен в 1970-х гг. Шесть процентов остальной емкости аккумуляторов составляют аккумулятор, теплоаккумулятор, сжатый воздух и маховик, как показано на следующем графике:
Источник: U.S. База данных по хранению глобальной энергии Министерства энергетики США (по состоянию на 1 марта 2018 г.).
Воздействие накопления электроэнергии на окружающую среду
Хранение электроэнергии может принести косвенные экологические выгоды. Например, накопление электроэнергии можно использовать для интеграции большего количества возобновляемых источников энергии в электрическую сеть. Хранение электроэнергии также может помочь генерирующим объектам работать на оптимальном уровне и сократить использование менее эффективных генерирующих агрегатов, которые в противном случае работали бы только в часы пик.Кроме того, дополнительная мощность, обеспечиваемая накоплением электроэнергии, может отсрочить или избежать необходимости строительства дополнительных электростанций или инфраструктуры передачи и распределения.
Возможные негативные последствия накопления электроэнергии будут зависеть от типа и эффективности технологии хранения. Например, в батареях используется сырье, такое как литий и свинец, и они могут представлять опасность для окружающей среды, если не утилизируются или не перерабатываются должным образом. Кроме того, в процессе хранения теряется часть электроэнергии.
Накопитель энергии с маховикомKinmo | NuEnergyTechnologies
Накопитель энергии с маховиком Kinmo
Электроэнергия, вырабатываемая ветряными турбинами, солнечными батареями и другими источниками, должна храниться. В настоящее время это делается с помощью аккумуляторных батарей, обычно свинцовых и гелевых аккумуляторов. Они токсичны, неэффективны и практически не обладают способностью выравнивать нагрузку. Они также создают проблему управления отходами.
Система накопления энергии с маховиком – это механическое устройство, преобразующее электрическую энергию в механическое движение (кинетическую энергию), и, при необходимости, потенциальная энергия этой движущейся массы может быть преобразована обратно в электрическую энергию.Другими словами, он действует как аккумулятор, но имеет множество преимуществ и преимуществ по сравнению с аккумулятором. В этом упрощенном техническом описании подробно описаны многие из этих функций и преимуществ, а также подробно описано, как Маховик NuEnergy «KINMO» (кинетическое движение) может заменить использование батарей в многочисленных экономичных приложениях.
Система накопления энергии маховикаNuEnergy, «KINMO», зависит от вращающейся массы (колеса) для «хранения» энергии. Наша система «КИНМО» может конкурировать с химическими батареями в транспортных приложениях или улучшать качество передачи энергии, что может включать в себя множество циклов заряда-разряда.На приведенном ниже изображении в разрезе показаны простые детали конструкции маховика, аналогичного тому, который предшественник NuEnergy, компания Hytech Industries Corp., поставила MTA New York City Transit с Urenco Power Technologies.
Поезда, монорельсовые дороги и высокоскоростные транспортные средства генерируют огромное количество энергии, которая в настоящее время тратится впустую. NuEnergy может вернуть с помощью своей динамической тормозной системы значительную часть этой потраченной впустую энергии и использовать ее для движения маховика KINMO.
Наша конструкция маховика была неоднократно проверена и использовалась в лондонском метро (MTA), в метро Гонконга и т. Д. Несколько лет назад, во время работы с Urenco Power Technologies, шесть их агрегатов были установлены на станции технического обслуживания для MTA / NYCTA на Кони-Айленде. Маховики использовались для выравнивания мощности между гусеницами.
Мы тестировали наш маховик KINMO для использования в качестве накопительной системы рекуперативного торможения под D.
