– уплотнения между камерами были бы выполнены статического типа;

– уплотнения между камерами были бы выполнены комбинированными статически-динамического типа;

– он был бы снабжен дополнительными камерой и приводом с опорами, расположенными в дополнительной камере, отделенной от камеры маховика, по меньшей мере, одним уплотнением, выполненным герметичным, по крайней мере, в режиме рабочих частот вращения маховика;

– камеры были бы снабжены клапанами для сообщения камеры маховика с камерами приводов и опор при снижении частоты вращения маховика ниже рабочей;

– уровень вакуума в камере маховика соответствовал бы критерию Кнудсена, не менее чем на два порядка больше такового в камерах приводов и опор.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 изображена общая схема маховичного накопителя.

На фиг.2 – схема нижнего уплотнения (в разрезе).

На фиг.3 – схема верхнего уплотнения (в разрезе).

Маховичный накопитель содержит маховик 1, вал 2 которого кинематически соединен с приводами, в данном случае с двумя – с ротором 3 электромашины, помещенным в камеру 4, отделенную от камеры 5 маховика 1 уплотнением 6, и с механическим приводом, например волновым, позволяющим вывод вращения из герметичных полостей, причем волновой генератор 7 помещен в камеру 8, отделенную от камеры 5 уплотнением 9. Гибкое колесо 10 волновой передачи герметизирует камеру 8 от атмосферы, а жесткое колесо 11 с выходным валом 12 находится в атмосферных условиях. Опоры 13 и 14 находятся в камерах привода. Уплотнения 6 и 9, например, комбинированного типа – центробежно-статические (фиг.2 – уплотнение 6 и фиг.3 – уплотнение 9). Они содержат вращающуюся полость 15, соединенную с валом 2, и неподвижную полость 16, соединенную с корпусом камер. Кольцевые щели между полостями заполнены смазкой 17, используемой в вакуумных системах. Слева на фиг.2, 3 показан уровень смазки h в динамике, а справа – при неподвижном маховике 1, когда разность давлений в камерах 4, 5 и 8 уравновешивается столбом смазки с разностью высот Н 100… 120 мм. При этом h&λτ; H, так как в динамике масло отгоняется наружу из-за его вращения. Однако возможно использование и чисто динамических, и чисто статических (например, магнитных) уплотнений.

В камере 5 установлено давление, соответствующее среднему и высокому вакууму – это для обычных размеров камеры 5 и зазоров между маховиком и стенками камеры около 0,1… 0,01 Па, или критерию Кнудсена 0,6… 6, а в камерах 4 и 8 – соответствующее низкому уровню вакуума и существенно превышающее максимальное выпускное давление турбомолекулярных насосов – 10 Па и достигающее 100 Па и выше при критериях Кнудсена ниже 0,01 для любых реальных размеров маховичного накопителя. Желательный разреженный газ в камерах – гелий.

Пример реализации изобретения

В камерах 4, 5 и 8 с помощью соответствующих вакуум-насосов устанавливается соответствующее давление газа, предпочтительно гелия. Гелий обеспечивает, с одной стороны, пониженные потери мощности на вращение маховика, а с другой стороны, высокую теплопередачу в приводах. Известно, что газы при низком уровне вакуума обладают почти той же теплопроводностью, что и при атмосферном давлении (см. Розанов Л.Н. Вакуумная техника, М., Высшая школа, 1987, стр.25, рис.2.2). Поэтому при давлении 100 Па и выше охлаждение приводов как ротора 3, так и генератора волн 7 будет удовлетворительным. При этом и условия смазки будут отвечать необходимым требованиям, так как давление 100 Па и выше не будет вызывать активного газовыделения и испарения смазки. Однако основной эффект устройства состоит в том, что силовые воздействия перепада давлений между камерами 5 и 4, 8 будут ничтожными – разница между, например, 0,1 Па в камере 5 и 100 Па в камерах 4 и 8 вызывает воздействие всего 0,01 Н на 1 см² активной поверхности уплотнений 6 и 9. Если бы пришлось уплотнять обычное атмосферное давление в камерах 4 и 8, то силовое воздействие на эти уплотнения было бы в 1000 раз выше. Таким образом, практически не нарушая режима охлаждения приводов и повышая требования к его окислению, коррозийной стойкости и запыленности, устройство позволяет использовать простейшие конструкции уплотнений 6 и 9, на два – три порядка менее напряженные, чем при атмосферном давлении в камерах 4 и 8. И это при гораздо меньших сложности, размерах, массе, стоимости, потерях мощности при вращении и существенно большей долговечности. В частности, представленные на фиг.2 и 3 комбинированные уплотнения работоспособны и выдерживают перепад давлений в 100 Па как в динамике, так и при неподвижном маховике 1.

Если же уплотнения только динамические, например центробежные или винтоканавочные, то их размеры для отмеченного перепада давлений могут быть существенно меньшими, 30… 50 мм по оси. В этом случае клапаны 18 и 19, соединяющие камеры 4 и 8 с камерой 5, срабатывают при снижении частоты вращения маховика 1 ниже рабочей.

В случае использования статических, например магнитожидкостных уплотнений, их размеры, сложность, стоимость и потери при вращении намного меньше, чем при перепаде давления в один бар (100 кПа).

Промышленное применение

Изобретение соответствует критерию “промышленная применимость”, поскольку осуществимо с помощью известных материалов, средств производства и технологий.

Использование настоящего изобретения позволяет создать маховичный накопитель, обладающий высоким КПД, при его достаточной простоте, причем приводов отбора и подвода мощности от маховика и к маховику может быть несколько, с обеспечением их достаточного охлаждения.

1. Маховичный накопитель, содержащий маховик и привод с опорами, размещенные в разделенных между собой вакуумированных камерах, заполненных разреженным газом с различным уровнем вакуума в них, причем в камере с низким уровнем вакуума помещен привод с опорами, а в камере с повышенным уровнем вакуума помещен маховик, отличающийся тем, что камера привода с опорами отделена от камеры маховика, по меньшей мере, одним уплотнением, выполненным герметичным, по крайней мере, в режиме рабочих частот вращения маховика, причем давление газа в камерах приводов и опор выше максимального давления выпуска турбомолекулярных насосов и относится к низкому вакууму с критерием Кнудсена ниже 0,01, а давление в камере маховика относится к вакууму с критерием Кнудсена выше 0,01.

2. Маховичный накопитель по п.1, отличающийся тем, что уплотнения между камерами выполнены гидродинамическими.

3. Маховичный накопитель по п.1, отличающийся тем, что уплотнения между камерами выполнены статического типа.

4. Маховичный накопитель по п.1, отличающийся тем, что уплотнения между камерами выполнены комбинированными статически-динамического типа.

5. Маховичный накопитель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными камерой и приводом с опорами, расположенными в дополнительной камере, отделенной от камеры маховика, по меньшей мере, одним уплотнением, выполненным герметичным, по крайней мере, в режиме рабочих частот вращения маховика.

6. Маховичный накопитель по любому из пп.1, 2 или 5, отличающийся тем, что камеры снабжены клапанами для сообщения камеры маховика с камерами приводов и опор при снижении частоты вращения маховика ниже рабочей.

7. Маховичный накопитель по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что уровень вакуума в камере маховика соответствует критерию Кнудсена, не менее чем на два порядка больше такового в камерах приводов и опор.

www.findpatent.ru

Пополняя базу данных о накопителях энергии, сегодня хочу рассказать о маховичных накопителях энергии

После публикации на своей площадке рубрики о разных накопителях энергии я пытался использовать новые технические решения по аккумулированию и запасу энергии от привыкших нашему глазу электрохимичных аккумуляторов до емкостей под давлением с водородом. Приходили разные комментарии с положительными и негативными отзывами, но среди них были и предложения, в качестве аккумулятора энергии использовать маховики. Пополняя базу данных о накопителях энергии и учитывая, что ученые всего мира пытаются создать недорогой, легкий, компактный и невероятно емкий аккумулятор, сегодня хочу рассказать о маховичных накопителях энергии, которые применяются уже несколько сот лет.

Профессор Нурбей Гулиа посвятил себя разработке маховичных накопителей энергии всю свою жизнь и начал этим делом заниматься в 15 лет. В том возрасте он решил изобрести «энергетическую капсулу» —  накопитель энергии, который должен был стать столь же энергоемким, как бак с бензином, но при этом копить в себе абсолютно безвредную для человека энергию. Первым делом любознательный школьник опробовал аккумуляторы различных типов. Одним из самых безнадежных вариантов оказался пружинный накопитель. Чтобы обычный легковой автомобиль проехал с таким аккумулятором 100 км пути, последний должен был весить 50 т.

От маховиков к супермаховикам

В качестве накопителей энергии маховики применяют уже несколько столетий, однако качественный скачок в области их энергоемкости произошел только в 1960-е году, когда были созданы первые супермаховики. Супермаховик выглядит, как обычный, но внешняя его часть свита из прочной стальной ленты. Витки ленты обычно склеены между собой. Если разрыв обычного маховика разрушителен, то в случае супермаховика лента прижимается к корпусу и автоматически затормаживает накопитель — все совершенно безопасно.

Резиновый аккумулятор для автомобиля показался куда перспективней: накопитель с зарядом на 100 км мог весить «всего» 900 кг. Заинтересовавшись, Нурбей даже разработал резиноаккумулятор инновационной конструкции для привода детской коляски, в дальнейшем он за эту разработку получил первое авторское свидетельство на изобретение.

Особенно тщательно будущий профессор отнесся к проработке варианта «электрической капсулы». Нурбей оценил возможности конденсаторов, электромагнитов и, разумеется, собрал всю возможную информацию об электрохимических аккумуляторах. Был даже построен электромобиль. В качестве аккумулятора для него конструктор использовал батарею МАЗа. Однако возможности тогдашних электрохимических аккумуляторов Гулиа не впечатлили, не было и оснований ожидать, что в области энергоемкости произойдет прорыв. Поэтому из всех накопителей энергии наиболее перспективными Нурбею Владимировичу показались механические аккумуляторы в виде маховиков, несмотря на то, что в то время они ощутимо проигрывали электрохимическим накопителям.
Тогдашние маховики, даже сделанные из самой лучшей стали, в пределе могли накопить только 30−50 кДж на 1 кг массы. Если раскручивать их быстрее, они разрывались, приводя в негодность все вокруг. Даже свинцово-кислотные аккумуляторы с энергоемкостью 64 кДж/кг смотрелись на их фоне крайне выигрышно, а щелочные аккумуляторы с плотностью энергии 110 кДж/кг были вне конкуренции. Кроме того, уже тогда существовали страшно дорогие серебряно-цинковые аккумуляторы: по удельной емкости (540 кДж/кг) они примерно соответствовали самым емким на сегодня литий-ионным аккумуляторам. Но Гулиа сделал ставку на столь далекий от совершенства маховик…

Маховик на миллион

Чем выше частота вращения маховика, тем сильнее его частицы «растягивают» диск, пытаясь его разорвать. Поскольку разрыв маховика дело страшное, конструкторам приходится закладывать высокий запас прочности. В результате на практике энергоемкость маховика раза в три ниже возможной, и в начале 1960-х годов самые совершенные маховики могли запасать всего 10−15 кДж энергии на 1 кг. Если же применить более устойчивые к разрыву материалы, прочность маховика станет выше, но такой скоростной маховик становится опасным. Получается порочный круг: прочность материала возрастает, а предельная энергоемкость увеличивается незначительно. В результате кропотливых поисков изобретатель пришел к варианту маховика из троса, свитого из проволок, — такие обычно применяют в тренажерах для подъема тяжестей. Тросик был примечателен тем, что обладал высокой прочностью и никогда не рвался сразу. Именно этих качеств и не хватало тогдашним маховикам.

Заявку на изобретение Гулиа подал в мае 1964 года, а патент получил через 20 лет, когда срок его действия уже истек. Но приоритет изобретения за СССР сохранился. Через какое-то время после Гулиа супермаховик изобрели и на Западе, и спустя годы ему находят множество применений. В разных странах разрабатываются проекты маховичных машин. Американские специалисты создают беспилотный вертолет, в котором вместо двигателя используют супермаховики. Отправляют супермаховики и в космос. Там для них особенно благоприятная среда: в космическом вакууме нет аэродинамического сопротивления, а невесомость устраняет нагрузки на подшипники. Поэтому на некоторых спутниках связи применяются супермаховичные накопители — они долговечнее электрохимических аккумуляторов и могут долгое время снабжать аппаратуру спутника энергией. Недавно в США стали рассматривать возможность применения супермаховиков в качестве источников бесперебойного питания для зданий. Там уже работают электростанции, которые во время пика потребления энергии увеличивают мощность за счет маховичных накопителей, а при спаде, обычно в ночное время, направляют избытки энергии на раскручивание маховиков. В итоге у электростанции значительно повышается КПД работы. Кроме того, потери энергии в супермаховиках составляют всего 2% — это меньше, чем у любых других накопителей энергии.

Чудо-махомобили

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

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

Маховичные машины

Если объединить в одну схему супермаховик и супервариатор расход привычного автомобиля можно снизить ниже 2 л/100 км, считает Нурбей Гулиа. На фото приведена схема работы маховичной машины на топливных элементах, справа автомобиля с ДВС.

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

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

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

И сегодня, профессор Гулия постоянно совершенствует разные элементы своей маховичной концепции накопителей энергии, чтобы сделать ее по-настоящему конкурентоспособной. Источник

Спасибо за прочтение. Если вам понравилось, пожалуйста, поделитесь с друзьями и в комментариях черкните пару слов своего мнения

savenergy.info

Характеристики и сферы применения маховичных накопителей энергии

Проблема безопасности маховиков была принципиально решена более полувека назад. В 1964 г. советский инженер Нурбей Гулиа предложил вместо цельнолитой конструкции, которая могла на больших оборотах разлететься на крупные куски и порушить всё вокруг, использовать барабан, изготовленный из композитных материалов, например, намотанный из тонких слоёв стальной ленты, витков стекловолокна или углеродных композитов.

Конструкция Н. Гулиа получила название супермаховика. При превышении допустимых оборотов он разрушается лишь частично, отделившиеся куски внешних слоёв обмотки тормозят барабан, предотвращая уничтожение всей конструкции.

«Супер» и «сверх»

Помещать супермаховик в вакуумированную камеру и использовать магнитную подвеску начали уже давно. В последнее время разработчики пробуют применять подвеску на основе сверхпроводящих электромагнитов и изготавливать накопительный барабан из материалов, полученных с помощью нанотехнологий.

В 2015 г. в Японии был создан маховичный накопитель мощностью 300 кВт, способный запасать 100 кВт-ч электроэнергии. Его барабан при диаметре 2 м имеет массу 4 тонны, скорость вращения достигает 6000 об./мин. Особенность конструкции -несущий подшипник включает две сверхпроводящие обмотки.

Накопительный элемент собран из девяти колец 10-сантиметровой толщины, у которых внутренний диаметр равен 1,4 м, внешний -2 м. Подобная конструкция позволяет регулировать ёмкость, меняя число колец. В кольцах намотаны нити, особым образом сплетённые из углеродных волокон.

Сверхпроводящие магниты из высокотемпературных сверхпроводников второго поколения на основе иттрия работают при температуре -223 °С. Сегодня описанная система проходит испытания на фотоэлектрической солнечной станции мощностью 10 МВт в японском местечке Комекураяма (префектура Яманаси).

Максимум скорости

Кинетическая энергия вращающегося тела (постоянной формы) пропорциональна его массе и квадрату скорости вращения, поэтому разработчики маховичных накопителей не особо гонятся за массой, предпочитая добиваться как можно больших оборотов. Для этого нужно при намотке роторов супермаховиков использовать самые прочные композитные материалы.

Boeing. В 2012 г. её инженеры сумели получить линейную скорость обода супермаховика 800 м/с. На тот момент мировой рекорд для малых тестовых систем составлял 1405 м/с. Не менее важно, что инженеры Boeing с помощью сверхпроводящих электромагнитов смогли замедлить «саморазряд» накопителя до скорости, характерной для электрохимических систем, см. рис. 1.

По замыслу инженеров Boeing, энергокомпаниям будут предлагаться контейнерные системы ёмкостью 2 МВт-ч, составленные из линейки малых маховиков по 100 кВт-ч каждый. Серийно производимые накопители для энергетических предприятий будут стоить около 100 долл. за киловатт-час ёмкости.

Инженерные решения

Маховичные накопители энергии первого поколения начали поставляться ещё в 1990-х годах и до сих пор предлагаются на рынке. Технология доказала свою эффективность, если закрыть глаза на необходимость раз в 2-3 года менять подшипники качения, останавливая накопитель на целую рабочую смену.

За последние два десятилетия разработчики маховичных накопителей предложили ряд интересных технологических решений, например, сделали вакуумный насос частью системы. Компания POWERTHRU (шт. Мичиган) использует для этого патентованный молекулярный насос с геликоидом (тонкой спиральной канавкой), находящимся непосредственно на валу маховика внутри его корпуса.

В конструкции POWERTHRU (см. рис. 2) сам маховик и мотор-генератор заключены в общий вакуумированный корпус, при этом электрическая машина компактно поместилась внутри кольца маховика. Колесо из композитного материала, включающего прочные углеродные волокна, вращается со скоростями от 30 до 53 тыс. об./мин.

Один модуль системы POWERTHRU имеет сравнительно небольшую ёмкость – 528 Вт-ч (при номинальной мощности 190 кВт она расходуется всего за 10 с), но ёмкость может быть увеличена параллельным соединением нужного количества модулей. Ток «зарядки» накопителя можно ограничить программным способом.

В прошлом номере «Энерговектора» отмечалось, что на мировом рынке промышленных систем хранения вперёд вырываются электрохимические решения, то есть аккумуляторные батареи. Тем не менее маховики имеют перед ними ряд преимуществ. Это высокое количество циклов «заряд-разряд», отсутствие деградации характеристик со временем и простота измерения оставшегося заряда. Теоретически, маховик из высококачественных углеродных нановолокон (однослойных графеновых трубок) способен обеспечить высочайшую плотность энергии – 53,4 кВт-ч/кг, – далеко обогнав всех соперников по этому показателю, но на практике гра-феновые трубки пока слишком дороги. При применении
однослойных графеновых трубок более низкого качества плотность энергии падает на порядок, а при применении многослойных – ещё в несколько раз.

Свои ниши

Как показывают исследования, маховики великолепно проявляют себя в случаях, когда требуется высокая мощность, а не ёмкость, то есть они конкурируют скорее с суперконденсаторами, чем с аккумуляторами. По всему миру разработкой маховичных накопителей занимаются более 25 научных коллективов, а производством – по крайней мере, 27 предприятий. Существуют коммерческие решения для транспорта с удельной мощностью 3,5 кВт/кг и удельной ёмкостью 6,4 Вт-ч/кг. Для сравнения: новейшая система рекуперации энергии для транспорта на основе суперконденсаторов имеет соответствующие показатели 1,7 и 2,3. В таблице приведены сравнительные характеристики трёх систем накопления энергии для электроприводного транспорта.

Зачастую основная задача маховиков – обеспечить «первую линию обороны» при отсутствии электроэнергии. Поскольку львиная доля перерывов в энергоснабжении приходится на кратковременные отключения (до 10 с), маховики экономят ресурс свинцово-кислотных батарей или дают время для запуска резервного дизель-генератора.

Ещё одна область применения – буферные накопители для повышения энергоэффективности электрических кранов, экскаваторов и других агрегатов, работающих с неравномерной нагрузкой. Например, крупные портальные краны зачастую питаются от собственной дизель-генера-торной установки. Её мощность обычно подбирают так, чтобы покрыть максимальное пиковое потребление, которое наблюдается довольно редко. В остальное время дизель-генератор существенно недогружен, что приводит к повышенному расходу топлива и снижению ресурса двигателя. Буферный накопитель в электрической системе крана берёт пиковую нагрузку на себя, тем самым выравнивая условия работы дизель-генератора, который, кстати, можно заменить на менее мощный.

В крановых системах сам накопитель подзаряжается от энергии, которая вырабатывается крановыми двигателями при опускании груза (рекуперация энергии груза). С учётом этого эффекта экономия дизельного топлива может достигать 30-35%.

* * *

Технологии производства супермаховиков на сегодня уже довольно зрелые: 500 накопителей установлены в автобусах Лондона (экономия топлива превысила 20%), 400 крупных маховиков по всему миру работают в энергетических сетях, выполняя задачи регулирования частоты, и многие тысячи задействованы в комплексных системах питания ответственного оборудования.

Источник:aftershock.news

cwt.top