На что способен маховичный накопитель

Сегодня ученые со всего мира безуспешно пытаются создать недорогой, легкий, компактный и невероятно емкий аккумулятор. А между тем такой накопитель энергии уже существует.

Теги:

История

Как это устроено

Изобретения

СССР

Питание

Мир электроники и электричества наступает! Милые поклонникам механики устройства все чаще уступают место машинам с электромоторами и электронными схемами. Однако мир будущего станет более механическим! Так считает профессор Нурбей Гулиа. За последние десятилетия механические накопители энергии заметно прибавили в энергоемкости, и именно их, по мнению ученого, будут использовать во многих устройствах вместо привычных электрохимических аккумуляторов.

Пружина, резина, конденсатор…

Во всем мире вряд ли найдется человек, который посвятил себя разработке маховичных накопителей энергии в большей мере, чем Нурбей Гулиа.

Ведь делом своей жизни изобретатель начал заниматься в 15 лет. Тогда советский школьник Нурбей решил изобрести «энергетическую капсулу» — так он назвал накопитель энергии, который должен был стать столь же энергоемким, как бак с бензином, но при этом копить в себе абсолютно безвредную для человека энергию. Первым делом любознательный школьник опробовал аккумуляторы различных типов. Одним из самых безнадежных вариантов оказался пружинный накопитель. Чтобы обычный легковой автомобиль проехал с таким аккумулятором 100 км пути, последний должен был весить 50 т.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Резиновый аккумулятор показался куда перспективней: накопитель с зарядом на 100 км мог весить «всего» 900 кг. Заинтересовавшись, Нурбей даже разработал резиноаккумулятор инновационной конструкции для привода детской коляски. Один из прохожих, очарованный самоходной коляской, посоветовал разработчику подать заявку в Комитет по изобретениям и даже помог ее составить.

Так Гулиа получил первое авторское свидетельство на изобретение.

Вскоре резину сменил сжатый воздух. И опять Нурбей разработал инновационное устройство — относительно компактный гидрогазовый аккумулятор. Однако, как выяснилось в ходе работы над ним, при использовании сжатого газа энергетический «потолок» был невысок. Но изобретатель не сдался: вскоре им был построен пневмокар с подогревом воздуха горелками. Эта машина получила высокую оценку у его друзей, но по своим возможностям была еще далека от того, чтобы конкурировать с автомобилем.

Особенно тщательно будущий профессор отнесся к проработке варианта «электрической капсулы». Нурбей оценил возможности конденсаторов, электромагнитов и, разумеется, собрал всю возможную информацию об электрохимических аккумуляторах. Был даже построен электромобиль. В качестве аккумулятора для него конструктор использовал батарею МАЗа. Однако возможности тогдашних электрохимических аккумуляторов Гулиа не впечатлили, не было и оснований ожидать, что в области энергоемкости произойдет прорыв.

Поэтому из всех накопителей энергии наиболее перспективными Нурбею Владимировичу показались механические аккумуляторы в виде маховиков, несмотря на то что в то время они ощутимо проигрывали электрохимическим накопителям. Тогдашние маховики, даже сделанные из самой лучшей стали, в пределе могли накопить только 30−50 кДж на 1 кг массы. Если раскручивать их быстрее, они разрывались, приводя в негодность все вокруг. Даже свинцово-кислотные аккумуляторы с энергоемкостью 64 кДж/кг смотрелись на их фоне крайне выигрышно, а щелочные аккумуляторы с плотностью энергии 110 кДж/кг были вне конкуренции. Кроме того, уже тогда существовали страшно дорогие серебряно-цинковые аккумуляторы: по удельной емкости (540 кДж/кг) они примерно соответствовали самым емким на сегодня литий-ионным аккумуляторам. Но Гулиа сделал ставку на столь далекий от совершенства маховик…

Маховик на миллион

Чем выше частота вращения маховика, тем сильнее его частицы «растягивают» диск, пытаясь его разорвать. Поскольку разрыв маховика дело страшное, конструкторам приходится закладывать высокий запас прочности. В результате на практике энергоемкость маховика раза в три ниже возможной, и в начале 1960-х годов самые совершенные маховики могли запасать всего 10−15 кДж энергии на 1 кг. Если же применить более устойчивые к разрыву материалы, прочность маховика станет выше, но такой скоростной маховик становится опасным. Получается порочный круг: прочность материала возрастает, а предельная энергоемкость увеличивается незначительно. Нурбей Гулиа поставил своей задачей вырваться из этого замкнутого круга, и в один памятный день он испытал момент внезапного прояснения. На глаза изобретателю попался тросик, свитый из проволок, — такие обычно применяют в тренажерах для подъема тяжестей. Тросик был примечателен тем, что обладал высокой прочностью и никогда не рвался сразу. Именно этих качеств и не хватало тогдашним маховикам.

Ученый принялся за работу: сначала поэкспериментировал с тросом, скатав из него маховик, а потом заменил проволочки тонкой стальной лентой такой же прочности — ее намотка была плотнее, а для надежности можно было склеить витки ленты между собой. Разрыв такого маховика уже не представлял опасности: при превышении предельной скорости первой должна была оторваться наиболее нагруженная внешняя лента. Она прижимается к корпусу и автоматически затормаживает маховик — никаких несчастных случаев, а оторванную ленту можно приклеить снова.

Первое испытание, когда ленточный маховик Гулиа раскручивался от скоростного электромотора пылесоса, прошло успешно. Маховик вышел на максимальную частоту вращения без разрыва. А затем, когда ученому удалось испытать этот маховик на специальном разгонном стенде, выяснилось, что разрыв наступал только при скорости обода почти 500 м/c или плотности энергии около 100 кДж/кг. Изобретение Гулиа в несколько раз превзошло по плотности энергии самые передовые на то время маховики и оставило позади свинцово-кислотные аккумуляторы.

В мае 1964 года Гулиа первым в мире подал заявку на изобретение супермаховика, но из-за бюрократизма советской патентной системы получил необходимый документ только через 20 лет, когда срок его действия уже истек. Но приоритет изобретения за СССР сохранился. Жил бы ученый на Западе — давно бы стал мультимиллионером.

Через какое-то время после Гулиа супермаховик изобрели и на Западе, и спустя годы ему находят множество применений. В разных странах разрабатываются проекты маховичных машин. Американские специалисты создают беспилотный вертолет, в котором вместо двигателя используют супермаховики. Отправляют супермаховики и в космос. Там для них особенно благоприятная среда: в космическом вакууме нет аэродинамического сопротивления, а невесомость устраняет нагрузки на подшипники. Поэтому на некоторых спутниках связи применяются супермаховичные накопители — они долговечнее электрохимических аккумуляторов и могут долгое время снабжать аппаратуру спутника энергией. Недавно в США стали рассматривать возможность применения супермаховиков в качестве источников бесперебойного питания для зданий. Там уже работают электростанции, которые во время пика потребления энергии увеличивают мощность за счет маховичных накопителей, а при спаде, обычно в ночное время, направляют избытки энергии на раскручивание маховиков. В итоге у электростанции значительно повышается КПД работы. Кроме того, потери энергии в супермаховиках составляют всего 2% — это меньше, чем у любых других накопителей энергии.

Профессор Гулиа тоже времени зря не терял: создал очень удобную маховичную дрель, разработал первый в мире гибридный маховичный автомобиль на базе УАЗ-450Д — он оказался вдвое экономичней обычной машины. Но главное — профессор постоянно совершенствует разные элементы своей маховичной концепции, чтобы сделать ее по-настоящему конкурентоспособной.

Чудо-махомобили

Можно ли вывести супермаховик на уровень самых емких аккумуляторов? Оказывается, это не проблема. Если вместо стали использовать более прочные материалы, то пропорционально вырастет и энергоемкость. Причем, в отличие от электрохимических аккумуляторов, здесь практически нет потолка.

Супермаховик из кевлара на испытаниях при той же массе накапливал в четыре раза больше энергии, чем стальной. Супермаховик, навитый из углеволокна, может в 20−30 раз превзойти стальной по плотности энергии, а если использовать для его изготовления, например, алмазное волокно, то накопитель приобретет фантастическую энергоемкость — 15 МДж/кг. Но и это не предел: сегодня с помощью нанотехнологий на основе углерода создаются волокна фантастической прочности. «Если из такого материала навить супермаховик, — рассказывает профессор, — плотность энергии может достичь 2500−3500 МДж/кг. А значит, 150-килограммовый супермаховик из такого материала способен обеспечить легковому автомобилю пробег в два с лишним миллиона километров с одной прокрутки — больше, чем может выдержать шасси машины».

За счет того что супермаховик вращается в вакууме, а его ось закреплена в магнитной подвеске, сопротивление при вращении оказывается минимальным. Возможно, такой супермаховик может крутиться до остановки многие месяцы. Однако машина, способная работать в течение всего срока службы без заправок, пока еще не изобретена. Мощности современных электростанций определенно не хватит для зарядки таких серийных чудо-махомобилей.

Но именно автотранспорт, считает профессор, самая подходящая сфера применения супермаховиков. И показатели машин проекта Гулиа, на которых он планирует использовать супермаховики, не менее удивительные. По оценке ученого, «здоровый» расход топлива у бензинового автомобиля должен составлять примерно 1,5 л на 100 км, а у дизельного — 1,2 л.

Как такое возможно? «В энергетике есть неписаный закон: при одинаковых капиталовложениях всегда более экономичен привод, в котором нет преобразований видов и форм энергии, — поясняет профессор. — Двигатель выделяет энергию в виде вращения, и ведущие колеса автомобиля потребляют эту энергию тоже в виде вращения. Значит, не надо преобразовывать энергию двигателя в электрическую и обратно, достаточно передавать ее от двигателя к колесам через механический привод».

Таким образом, механический гибрид оказывается максимально энергосберегающим и, как уверяет ученый, в условиях города снижает расход топлива в три раза! Применение супермаховика, который запасает огромное количество энергии от двигателя, а затем практически без потерь отправляет ее на колеса через супервариатор (см. «ПМ», № 3’2006), позволяет снизить размер и мощность двигателя. Двигатель же в проекте ученого работает только в оптимальном режиме, когда его КПД наиболее высок, поэтому-то «суперавтомобиль» Гулиа столь экономичен. Имеется у профессора и проект использования топливных элементов с супермаховиком. У топливных элементов КПД в пределе может быть почти вдвое выше, чем у ДВС, и составляет около 70%.

«Но почему же при всех достоинствах такой схемы она пока не используется на автомобилях?» — задаем мы очевидный вопрос. «Для такой машины был необходим супервариатор, а он появился сравнительно недавно и сейчас только начинает производиться, — объясняет профессор Гулиа. — Так что такой автомобиль на подходе». Нашему журналу приятно сознавать, что если такой автомобиль появится, то в этом будет и наша заслуга. После того как в «TechInsider» появилась статья о супервариаторе Гулиа, этим проектом сразу заинтересовались производители приводной техники, и сейчас профессор занимается созданием и совершенствованием своего супервариатора. А значит, стоит надеяться, что ждать суперавтомобиля осталось недолго…

Самый эффективный способ накопления энергии стар как мир

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

Древний маховик тоже был своего рода аккумулятором.

Содержание

• 1 Что такое маховик?
• 2 Где применяются маховики?
• 3 Супермаховик Гулиа
• 4 Эффективность супермаховиков
• 5 Где применяются супермаховики?

Что такое маховик?

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

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

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

Где применяются маховики?

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

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

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

Маховик легкового автомобиля.

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

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

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

Супермаховик Гулиа

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

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

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

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

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

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

Так устроен супермаховик Гулиа.

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

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

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

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

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

Эффективность супермаховиков

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

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

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

Ленточный маховик.

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

Где применяются супермаховики?

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

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

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

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

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

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

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

Бетонный маховик для хранения солнечной энергии в жилых домах – фотожурнал International

Французский стартап разработал бетонный маховик для накопления солнечной энергии инновационным способом. В настоящее время решение для хранения данных проходит испытания во Франции и первоначально будет предлагаться на заморских территориях Франции и в Африке.

21 июня 2021 г. Gwénaëlle Deboutte

Из журнала pv France

Французский стартап Energiestro разработал технологию хранения бытовых фотоэлектрических систем на основе маховиковой системы на основе бетона.

Система маховика способна накапливать электричество, преобразовывая его в кинетическую энергию с помощью двигателя, вращающего ротор. Маховик вращается с такой высокой скоростью, что электрическая энергия преобразуется в механическую.

Предлагаемое решение состоит из полого или сплошного цилиндра, который вращается вокруг оси и соединен с электродвигателем и генератором. «Когда у вас есть запас энергии, двигатель приводит в движение маховик, который разгоняется», — сказал соучредитель и генеральный директор компании Андре Женнессо. «В другом направлении двигатель может действовать как тормоз для разрядки электричества».

На сегодняшний день, по словам производителя, большинство маховиков, используемых для хранения такого рода, были изготовлены из стали. «Но у стальных маховиков есть предел: их цена, в то время как пользователи стационарных хранилищ ищут, прежде всего, оптимальные затраты», — пояснил Женнессо. «Некоторые компании также разрабатывают углеродные баллоны, которые намного легче, но, опять же, очень дороги, в то время как наш подход заключается в том, чтобы не работать в первую очередь на вес, потому что в этом типе приложений это не имеет значения».

По словам генерального директора, сейчас карбоновые маховики стоят около 250 евро/кВтч, стальные маховики – 200 евро/кВтч, а бетонные – около нескольких евро. «Особенность нашей запатентованной технологии заключается в том, что бетонный цилиндр предварительно натягивается обмоткой из стекловолокна и удерживается в вакууме, чтобы избежать трения», — заявил Женнессо. Благодаря этому операции по техническому обслуживанию сокращаются, поскольку механическая часть герметична, а смазочное масло также находится в вакууме, без риска окисления.

Гарантия на маховик составляет 30 лет, а замена его инвертора ожидается через 15 лет. «Сначала мы выбрали бетон из соображений цены, но быстро обнаружили, что анализ его жизненного цикла также был положительным», — продолжил Женнессо. «У нас около 10 граммов CO ₂ на кВтч, в то время как у литий-ионных аккумуляторов около 40 г CO ₂ / кВтч, на том же уровне, что и у стальных маховиков».

Popular content

В настоящее время Energiestro предлагает стандартное решение для хранения с номинальной мощностью около 10 кВт, что соответствует циклу зарядки и разрядки в течение одного часа.

Маховик имеет диаметр один метр и весит три тонны и может быть размещен в саду частного дома.

Емкость системы должна быть увеличена сначала до 20 кВтч, а затем до 50 кВтч, чтобы в конечном итоге достичь 24 часов хранения. «Ограничение по размеру будет определяться логистикой, поскольку нам нужно найти краны, способные закапывать маховики в землю, поэтому в нашем текущем бизнес-плане мы ограничиваемся 50 кВтч», — добавил Женнессо, отметив, что решение будет первоначально предлагался на заморских территориях Франции и в Африке.

Французская компания получила финансирование от исследовательской и инновационной программы Horizon 2020 Европейского Союза. «В качестве бета-теста у нас есть демонстрационный проект с Voltalia в Гайане», — сказал Дженнессо. «В этом контексте мы установим маховик мощностью 10 кВтч, который будет управлять колебаниями в сети в течение одного часа, если пройдет облако».

По его словам, в жарких и влажных регионах маховики намного прочнее и надежнее литий-ионных аккумуляторов. Компания также работает в партнерстве с Engie над проектом солнечной электростанции Thémis в Восточных Пиренеях (3,4 МВт), где будет установлено несколько маховиков мощностью 10 кВтч с целью проверки влияния этой технологии на регулирование частоты по сравнению с литием. -ионные аккумуляторы.

*Статья была обновлена, чтобы исправить ошибку перевода. Предлагаемое решение состоит из полого или сплошного цилиндра, а не из полого сплошного цилиндра, как мы сообщали ранее.

Этот контент защищен авторским правом и не может быть повторно использован. Если вы хотите сотрудничать с нами и хотели бы повторно использовать часть нашего контента, обращайтесь по адресу: [email protected].

Механическая технология хранения электроэнергии | Ассоциация накопителей энергии

ПОЖАЛУЙСТА, ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ: ESA теперь является частью Американской ассоциации чистой энергии (ACP). Этот материал веб-сайта не обновляется регулярно и предназначен только для архивных и справочных целей. Пожалуйста, посетите сайт cleanpower.org для получения дополнительной информации.

Механические системы хранения энергии используют кинетические или гравитационные силы для хранения введенной энергии. В то время как физика механических систем часто довольно проста (например, вращение маховика или подъем веса в гору), технологии, которые позволяют эффективно и действенно использовать эти силы, особенно продвинуты. Высокотехнологичные материалы, передовые компьютерные системы управления и инновационный дизайн делают эти системы применимыми в реальных приложениях.

---

Маховик — это вращающееся механическое устройство, которое используется для накопления вращательной энергии, которую можно использовать мгновенно. На самом базовом уровне маховик содержит вращающуюся массу в центре, которая приводится в движение двигателем, а когда требуется энергия, сила вращения приводит в действие устройство, похожее на турбину, для производства электроэнергии, замедляя скорость вращения. Маховик перезаряжается с помощью двигателя, чтобы еще раз увеличить скорость его вращения.

Технология маховика обладает многими полезными свойствами, которые позволяют нам улучшать нашу текущую электрическую сеть. Маховик способен захватывать энергию от прерывистых источников энергии с течением времени и обеспечивать непрерывную бесперебойную подачу электроэнергии в сеть. Маховики также способны мгновенно реагировать на сигналы сети, обеспечивая регулирование частоты и улучшение качества электроэнергии.

Маховики традиционно изготавливаются из стали и вращаются на обычные подшипники; они, как правило, ограничены скоростью вращения несколько тысяч об/мин. Более совершенные конструкции маховиков изготовлены из углеродного волокна. материалы, хранящиеся в вакууме для уменьшения сопротивления и использующие магнитную левитацию вместо обычных подшипников, что позволяет им вращаться со скоростью до 60 000 об/мин.

Ниже вы можете узнать больше о технологиях маховиков.

---

Системы накопления энергии с маховиком (FESS)

Системы накопления энергии маховика (FESS) используют входную электрическую энергию, которая сохраняется в виде кинетической энергии. Кинетическая энергия может быть описана как «энергия движения», в данном случае движение вращающейся массы, называемой ротором. Ротор вращается в корпусе почти без трения. Когда требуется кратковременное резервное питание из-за колебаний или потери электроэнергии в сети, инерция позволяет ротору продолжать вращаться, а полученная кинетическая энергия преобразуется в электричество. Большинство современных высокоскоростных маховиковых накопителей энергии состоят из массивного вращающегося цилиндра (обод, прикрепленный к валу), который поддерживается на статоре — неподвижной части электрогенератора — подшипниками на магнитной подвеске. Для поддержания эффективности система маховика работает в вакууме, чтобы уменьшить сопротивление. Маховик соединен с мотором-генератором, который взаимодействует с коммунальной сетью через передовую силовую электронику.

Некоторыми из ключевых преимуществ маховикового накопителя энергии являются низкие эксплуатационные расходы, длительный срок службы (некоторые маховики способны выдерживать более 100 000 циклов полной глубины разряда, а новейшие конфигурации способны даже больше, более 175 000 полных циклов разрядки циклы) и незначительное воздействие на окружающую среду. Маховики могут преодолеть разрыв между краткосрочной пропускной способностью и долговременным накоплением энергии с отличными циклическими характеристиками и характеристиками отслеживания нагрузки.

Как правило, пользователи высокоскоростных маховиков должны выбирать между двумя типами ободов: сплошной сталью или углеродистым композитом. Выбор материала обода будет определять стоимость, вес, размер и производительность системы. Композитные диски легче и прочнее стали, а это значит, что они могут достигать гораздо более высоких скоростей вращения. Количество энергии, которое может храниться в маховике, зависит от квадрата числа оборотов в минуту, что делает желательными более высокие скорости вращения. В настоящее время мощные маховики используются во многих аэрокосмических и ИБП-приложениях. Сегодня системы 2 кВт/6 кВтч используются в телекоммуникационных приложениях. Для хранения коммунального масштаба можно использовать подход «маховик фермы» для хранения мегаватт электроэнергии для приложений, требующих нескольких минут продолжительности разряда.

Как энергия маховика Storage Systems Work

Системы накопления энергии с маховиком (FESS) используют кинетическую энергию, хранящуюся во вращающейся массе, с очень низкими потерями на трение. Потребляемая электрическая энергия разгоняет массу до скорости с помощью встроенного мотор-генератора. Энергия высвобождается за счет вытягивания кинетической энергии с помощью того же двигателя-генератора. Количество энергии, которое может быть сохранено, пропорционально моменту инерции объекта, умноженному на квадрат его угловой скорости. Для оптимизации отношения энергии к массе маховик должен вращаться с максимально возможной скоростью.

Однако быстро вращающиеся объекты подвержены действию значительных центробежных сил, хотя плотные материалы могут хранить больше энергии, они также подвержены более высокой центробежной силе и, следовательно, могут быть более склонны к отказу при более низких скоростях вращения, чем материалы с низкой плотностью. Следовательно, прочность на разрыв важнее, чем плотность материала. Низкоскоростные маховики изготовлены из стали и вращаются со скоростью до 10 000 об/мин.

Более продвинутые FESS обеспечивают привлекательную плотность энергии, высокую эффективность и низкие потери в режиме ожидания (в течение периодов от многих минут до нескольких часов) за счет использования четырех ключевых характеристик: 1) вращающаяся масса, изготовленная из стекловолоконных смол или полимерных материалов с высокой прочностью. – отношение веса, 2) масса, которая работает в вакууме, чтобы минимизировать аэродинамическое сопротивление, 3) масса, которая вращается с высокой частотой, и 4) технология подшипников с воздушным или магнитным подавлением для обеспечения высокой скорости вращения.

Усовершенствованные FESS работают при частоте вращения более 100 000 об/мин с конечными скоростями более 1000 м/с. FESS лучше всего использовать для приложений с высокой мощностью и низким энергопотреблением, которые требуют много циклов.

Кроме того, они имеют ряд преимуществ перед химическими накопителями энергии. Они обладают высокой плотностью энергии и существенной долговечностью, что позволяет часто использовать их без ущерба для производительности. Они также имеют очень быстрый отклик и скорость линейного изменения. Фактически, они могут перейти от полного разряда к полному заряду в течение нескольких секунд или меньше. Системы накопления энергии с маховиком (FESS) становятся все более важными для приложений с высокой мощностью и относительно низким энергопотреблением. Они особенно привлекательны для приложений, требующих частых циклов, поскольку при интенсивном использовании они имеют ограниченное сокращение срока службы (т. е. они могут подвергаться множеству частичных и полных циклов зарядки-разрядки с незначительным износом за цикл).

FESS особенно хорошо подходят для нескольких приложений, включая качество и надежность электроснабжения, пропускную способность во время запуска генераторных установок для более длительного резервирования, регулирование зоны, быстрое регулирование зоны и частотную характеристику. FESS также может быть полезен в качестве подсистемы в гибридных транспортных средствах, которые часто останавливаются и трогаются с места, как компонент гусеничных или бортовых систем рекуперативного торможения.0002 Хранилище энергии на сжатом воздухе (CAES) — это способ хранения энергии, произведенной в один момент времени, для использования в другое время. В коммунальном масштабе энергия, вырабатываемая в периоды низкого спроса на энергию (непиковые периоды), может быть высвобождена для удовлетворения периодов более высокого спроса (пиковой нагрузки).

С 1870-х годов системы CAES были развернуты для обеспечения эффективной энергии по требованию для городов и промышленных предприятий. Несмотря на то, что существует множество небольших приложений, первая система CAES промышленного масштаба была введена в действие в 1970-х годах с более чем 29Паспортная мощность 0 МВт.

CAES предлагает потенциал для небольших локальных решений по хранению энергии, а также для более крупных установок, которые могут обеспечить огромные резервы энергии для сети.

Как работает система хранения энергии на сжатом воздухе

Установки для хранения энергии на сжатом воздухе (CAES) в значительной степени эквивалентны гидроаккумулирующим электростанциям с точки зрения их применения. Но вместо того, чтобы перекачивать воду из нижнего пруда в верхний в периоды избыточной мощности, на установке CAES окружающий воздух или другой газ сжимается и хранится под давлением в подземной полости или контейнере. Когда требуется электричество, сжатый воздух нагревается и расширяется в турбодетандере, приводящем в действие генератор для производства электроэнергии.

Особенностью хранения сжатого воздуха является то, что воздух сильно нагревается при сжатии от атмосферного давления до давления хранения прибл. 1015 фунтов на квадратный дюйм (70 бар). В стандартных многоступенчатых воздушных компрессорах используются промежуточные и доохладители для снижения температуры нагнетания до 300/350°F (149/177°C), а температуры воздуха нагнетания в каверне до 110/120°F (43/49°C). Таким образом, теплота сжатия извлекается в процессе сжатия или отводится промежуточным охладителем. Потери этой тепловой энергии затем компенсируются на этапе выработки электроэнергии турбодетандером путем нагревания воздуха высокого давления в камерах сгорания с использованием природного газа или, в качестве альтернативы, с использованием тепла выхлопных газов газовой турбины в рекуператоре для нагрева поступающего воздуха. перед циклом расширения. В качестве альтернативы теплота сжатия может быть термически сохранена перед входом в пещеру и использована для адиабатического расширения, извлекая тепло из системы накопления тепла.

Диабатический метод CAES

Две существующие промышленные установки CAES в Хунторфе, Германия, и в Макинтоше, Алабама, США, а также все предполагаемые проекты в обозримом будущем Будущие основаны на диабатическом методе. В принципе, эти растения по сути просто обычные газовые турбины, но где сжатие воздух для горения отделен от газовой турбины и независим от нее процесс. Это приводит к двум основным преимуществам этого метода.

Поскольку ступень сжатия обычно использует около 2/3 мощности турбины, турбина CAES, не сдерживаемая работой сжатия, может генерировать в 3 раза больше мощности при том же расходе природного газа. Это снижает удельный расход газа и сокращает сопутствующие выбросы углекислого газа на от 40 до 60%, в зависимости от того, используется ли отработанное тепло для нагрева воздуха в рекуператоре. Коэффициент полезного действия мощности составляет ок. 42% без и 55% с утилизацией сбросного тепла.

Вместо того, чтобы сжимать воздух ценным газом, можно использовать более дешевую избыточную энергию в непиковые периоды или избыточную возобновляемую энергию сверх местного спроса на энергию.

Оба вышеупомянутых завода используют одновальные машины, где двигатель-компрессор/генератор-газовая турбина расположены на одном валу и соединены через редуктор. В других концептуальных проектах установок CAES моторно-компрессорная установка и турбогенераторная установка будут механически развязанный. Это позволяет модульно расширять установку по отношению к допустимая входная мощность и выходная мощность. Использование обычного газа тепловая энергия выхлопных газов турбины для нагрева воздуха высокого давления перед расширением в цикле с воздушным дном позволяет использовать установки CAES с переменным размеры основаны на объеме хранилища каверны и давлении.

Адиабатический метод

Значительно более высокая эффективность до 70% может быть достигнута, если теплота сжатия рекуперируется и используется для повторного нагрева сжатого воздуха во время работы турбины, потому что больше нет необходимости сжигать лишние природные газ для подогрева декомпрессированного воздуха.

Варианты хранения

Независимо от выбранного метода, из-за низкой плотности хранения требуются места хранения очень большого объема. Предпочтительными местами являются искусственно сооруженные соляные пещеры в глубоких соляных пластах. Соляные каверны характеризуются рядом положительных свойств: высокой гибкостью, отсутствием потерь давления внутри хранилища и отсутствием реакции с кислородом воздуха и соляной вмещающей породой. Если нет подходящих солевых образований, также можно использовать естественные водоносные горизонты, однако сначала необходимо провести испытания, чтобы определить, реагирует ли кислород с горной породой и с какими-либо микроорганизмами в водоносном пласте, что может привести к кислороду. истощение или закупорка поровых пространств в коллекторе. Истощенные месторождения природного газа также изучаются для хранения сжатого воздуха; в дополнение к проблемам истощения и блокировки, упомянутым выше, необходимо учитывать смешивание остаточных углеводородов со сжатым воздухом.

Электростанции CAES являются реальной альтернативой гидроэлектростанциям. Капитальные и операционные затраты на уже действующие диабатические установки конкурентоспособны.

Expand

---

Изотермический CAES

Изотермический накопитель энергии на сжатом воздухе (CAES) — это новая технология, которая пытается преодолеть некоторые ограничения традиционных (диабатических или адиабатических) CAES. Традиционная CAES использует турбомашины для сжатия воздуха примерно до 70 бар перед хранением. При отсутствии промежуточного охлаждения воздух нагревался бы примерно до 900K, что делает невозможным (или непомерно дорогим) переработку и хранение газа. Вместо этого воздух проходит последовательные стадии сжатия и теплообмена для достижения более низкой конечной температуры, близкой к температуре окружающей среды. В Advanced-Adiabatic CAES теплота сжатия сохраняется отдельно и возвращается обратно в сжатый газ при расширении, что устраняет необходимость в повторном нагреве с помощью природного газа.

Принцип работы изотермического накопителя энергии на сжатом воздухе

Управление кривой давление-объем (P-V) во время сжатия а расширение является ключом к эффективной CAES.

Вместо использования многочисленных ступеней для сжатия, охлаждения, нагрева и расширить воздух, изотермические технологии CAES пытаются достичь истинного изотермическое сжатие и расширение на месте, обеспечивающее улучшенный проход туда и обратно эффективность и низкие капитальные затраты. В принципе, это также отменяет необходимость аккумулировать теплоту сжатия какими-либо вторичными средствами (например, маслом).

Проблемы

Изотермический CAES технологически сложен, поскольку требует непрерывного отвода тепла от воздуха во время цикла сжатия и непрерывного добавления тепла во время расширения для поддержания изотермического процесса. Теплопередача происходит со скоростью, пропорциональной градиенту температуры, умноженному на площадь поверхности контакта; следовательно, для передачи тепла с высокой скоростью при минимальной разнице температур требуется очень большая площадь поверхности контакта.

Хотя в настоящее время нет коммерческих изотермических реализаций CAES, было предложено несколько возможных решений, основанных на поршневых машинах. Один из методов заключается в распылении мелких капель воды внутри поршня во время сжатия. Большая площадь поверхности капель воды в сочетании с высокой теплоемкостью воды по сравнению с воздухом означает, что температура внутри поршня остается примерно постоянной — вода удаляется и либо выбрасывается, либо сохраняется, и цикл повторяется.