Маховичный накопитель энергии – Маховичный накопитель кинетической энергии – Основные средства
Supermahovik Gulia video with their hands to buy
Supermahovik – kinetic energy storage.
supermahovik – one of the flywheel types, intended for storing mechanical energy. Unlike conventional flywheel is able to maintain more kinetic energy. Due to the design features capable of storing up 500 Вт•ч (1,8 MJ) per kilogram body weight.
Description
Benefits
Comparative characteristics
Principle of operation
use prospects
Description:
Supermahovik – one of the flywheel types, intended for storing mechanical energy. Unlike conventional flywheel is able to maintain more kinetic energy.
Due to the design features capable of storing up 500 W·no (1,8 MJ) per kilogram body weight.
Supermahovik was first invented in 1964 g. Soviet scientist H. Gulia.
Modern supermahovik represents drum, made of composite materials, eg, wound coils of thin steel, plastic tape, fiberglass, carbon composites or graphene paper. Due to this, a high tensile strength and operational safety. supermahovik does not scatter at the physical destruction on large parts, as an ordinary flywheel, and partially destroyed; wherein the separated part of the brake drum and prevent further destruction. To reduce friction losses supermahovik placed in an evacuated enclosure. Often used magnetic suspension.
Finished look supermahovik then takes, when it is able to store and release energy. For this created motor–generator, where the stator is a drum, and the rotor – that, around which it rotates. In this way, when you connect to the network it will store energy, and when connecting the load – give. The maximum efficiency of the conversion reaches 98 %.
Benefits:
– durability. It has big life cycle as compared with other devices,
– safe when destruction,
– high efficiency – up to 98%,
– easier and cheaper to manufacture, than batteries,
– environmentally cleaner, do not harm the environment,
– stores much more energy for a fraction of the time, than batteries. Also gives,
– operate at any temperature condition,
– It can be used as the buffer source peak power in combination with other energy storage devices, such as batteries,
– the maximum time of energy storage as opposed to other devices.
Comparative characteristics:
| Characteristics: | Battery | Superkondensator | supermahovik |
| KPD, % | 70 | 90-98 | |
| Energy intensity, W·h / kg | 150 | 15 | 500 |
| The number of cycles | 103 | 106 | 105 |
| Life cycle, years old | 3-5 | 10 | more 20 |
| charging time | clock | seconds | minutes |
| output power | medium | high | high |
Principle of operation:
Mechanical kinetic energy is transmitted to and back from supermahovik supermahovika using rotor – motor-generator, which is also capable of converting mechanical kinetic energy back into electrical.
Supermahovik operates in two modes,: in energy storage mode and return mode. When operating in the energy storage mode, the input energy creates a torque on the shaft and increases the rotational speed of the flywheel. In the reverse process – stored kinetic energy is converted into the generator at the moment of the motor-generator shaft and subsequently into electrical energy.
Supermahovik charged by electric motors, from the braking energy recovery, from stationary sources of energy, as well as the supplied electrical energy. In the latter case, the motor-generator operates as an electric motor, It generates a torque on the shaft.
The amount of energy stored is proportional rotating flywheel inertia J and the square of the angular velocity ω. It is determined according to the formula: Ek= 1/2 * J * m2.
The formula shows, that is stored in a flywheel the kinetic energy has a linear dependence on the moment of inertia of the rotating masses of the flywheel masses and a quadratic dependence on the rotational speed. Accordingly, when the rotation speed increase amount of stored energy will grow exponentially.
use prospects:
Propagation autonomous energy generation requires its storing. Energy storage methods differ in many respects, such as power output, the amount of stored energy, storage time, number of charge / discharge cycles, weight and overall dimensions, energy consumption, efficiency, cost of.
Supermahovik is a modern energy-efficient and high-tech alternative to the various methods of storing and energy storage, such as batteries, supercapacitors, Other energy storage, and compressed air systems, pumped storage power plants.
RECOMMENDATIONS FOR THE USE OF TECHNOLOGY
CALL: +7-908-918-03-57
or use the search analogue technologies:
The unique technology SEARCH
or write to us here…
card site
To come in check in
Victor PotekhinI received a question regarding pyrolysis plants for MSW incineration. answered. In particular, explained, that there are different pyrolysis installation: for combustion 1-4 hazard class and the rest. Accordingly, different technologies and prices.
2018-05-18 11:06:55Victor PotekhinWe receive a lot of requests for purchase of various goods. We do not sell or produce. But we maintain relationships with manufacturers and can recommend, give advice.
2018-05-18 11:08:11Victor PotekhinArrived in question hydroponnomu green feed. answered: we do not sell it. Asked to leave the application in the comments to, to its producers have fulfilled this request.
2018-05-18 17:44:35Victor PotekhinWe receive a lot of questions about technology. Please ask these questions below in the comments to records.
2018-05-23 07:24:36Andrey-245Not quite clear. This battery can not be charged at all or something? How many volts it produces? Where to buy? And is it possible to connect such series-parallel, collecting a normal battery, eg, for electric vehicle?
good afternoon! Interesting the above installation. How can it be ordered ? What are the terms of cooperation from the author?
2018-08-27 17:07:42Victor PotekhinSergei, throw a link here to install. Or e-mail me [email protected]
2018-08-27 18:52:14SergeyShefI have asked you, how and where it can be bought?
2018-08-27 21:07:41SergeyShefWho made the sample, that you in the photo and whether to make to order?
2018-08-27 21:10:05Victor Potekhincan not understand, that during installation. throw off the link here
2018-08-27 23:15:16Victor PotekhinWe do not possess such information
2018-08-28 21:45:17NPC-soundgood afternoon! SergeyShef product similar to, It is represented title, and in principle, any article of the LTCC technology can be made at our factory JSC “NPC “SpetsElektronSistemy”. We are in g. Moscow. You can write me an email [email protected]
2018-08-29 18:41:34NPC-soundIn our production there are probably the most complete set of equipment in Russia, which allows 3D micro, including LTCC technology, in a closed loop, from incoming inspection of materials, all intermediate production processes …
2018-08-29 18:47:20JahanCryogels for plant growth and development under adverse conditions. who produce, how to find, to buy?
2018-08-30 23:48:23Victor Potekhinyou can buy from the manufacturer
2018-09-01 20:58:09Andrey-245Hello, Victor. I asked the question (2018-08-23) I meant about carbon battery, which serves as a 100 years old.
2018-09-18 12:15:33Victor Potekhinall information, that is, on the battery, It is written in the corresponding article.
To get information about site technology manufacturers, write the bottom of the page – in FaceBook comments
2018-09-29 20:58:40DenssikAll the good days! I’m head of the center which developed the robot, on all matters concerning cooperation can write to the post office [email protected]
2018-10-03 17:19:46Victor PotekhinDenssik, Write pzhl about any work in question?
2018-10-03 19:10:33DS-SurferIf anyone there interested in “COMPLEX WATER BY hydrowave”, I beg to contact me: [email protected] Sergei.
The settings are made and implemented.
good afternoon.
I am interested in the technology of processing of APG.
Please send your contact information to [email protected]
To post messages in the chat you need to login
engine supermahovik Nurbiy Gulia own hands forum theory buy a battery car
supermahovika new energy batteries
drawings fulcrum axis under nitrogen for supermahovika 401
factor demand 618
comments powered by HyperCommentsxn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai
маховичный накопитель – патент РФ 2246034
Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в качестве буферного накопителя энергии, например, для транспортных электрифицированных систем, источников аварийного питания, источников бесперебойного питания для ветровых и солнечных электростанций.
Изобретение представляет собой маховик и привод с опорами, размещенные в разделенных между собой вакуумированных камерах, заполненных разреженным газом с различным уровнем вакуума в них, причем в одной из них, с низким уровнем вакуума, помещен электропривод, а в другой, с повышенным уровнем вакуума 0,1…0,01 Па, помещен маховик с размещенным на его валу турбомолекулярным насосом, поддерживающим в камере маховика повышенный вакуум путем постоянной перекачки газа из этой камеры в камеру привода. При этом число камер, в которых размещены приводы и опоры, как минимум одна, и эти камеры отделены от камеры маховика уплотнениями по числу камер, герметичными, по крайней мере, при рабочих частотах вращения маховика. Технический результат заключается в обеспечении низких аэродинамических потерь в камере маховика одновременно с эффективным охлаждением привода без использования отдельных систем охлаждения. 6 з.п.ф-лы, 3 ил.
Рисунки к патенту РФ 2246034
Область техники
Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в качестве буферного накопителя энергии, например, для транспортных электрифицированных систем, источников аварийного питания, источников бесперебойного питания для ветровых и солнечных электростанций.
Уровень техники
Известны маховичные накопители энергии, имеющие маховик и электропривод с их опорами, размещенные в двух разделенных между собой вакуумированных камерах, заполненных разреженным газом с различным уровнем вакуума в них, причем в одной из них, с низким уровнем вакуума, помещен электропривод, а в другой, с повышенным уровнем вакуума, 0,1… 0,01 Па, помещен маховик с размещенным на его валу турбомолекулярным насосом, поддерживающим в камере маховика повышенный уровень вакуума путем постоянной перекачки газа из этой камеры в камеру привода (см. Джента Дж. “Накопление кинетической энергии”, Москва, Мир, 1998, с.178-180, рис.3.10). Данное устройство принято за прототип.
Недостатком устройства-прототипа является главным образом то, что турбомолекулярные насосы любых типов имеют максимальное выпускное давление, менее 1… 10 Па – давление, относящееся к граничному между средним и высоким вакуумом (Розанов Л.Н. Вакуумная техника, Москва, Высшая школа, 1987, стр.93 и 196, табл. П4). Это означает, что в камере, где расположен электропривод, должно поддерживаться именно это, весьма низкое давление, при котором газ имеет достаточно низкую теплопроводность, и поэтому не обеспечивающее эффективное охлаждение электромашины. При большем давлении, относящемся уже к другому уровню вакуума – низкому или форвакууму, при котором условия охлаждения благоприятны, невозможна работа турбомолекулярного насоса. Поэтому-то в прототипе предусмотрена отдельная система охлаждения электромашины, существенно усложняющая устройство. Другим недостатком прототипа является то, что при пониженных частотах вращения маховика, что может иметь место в практике, турбомолекулярный насос неработоспособен.
Сущность изобретения
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание маховичного накопителя, обеспечивающего низкие аэродинамические потери в камере маховика одновременно с эффективным охлаждением привода без использования специальных систем охлаждения. Технический результат заключается в обеспечении высокого вакуума в камере маховика при низком вакууме в камерах привода, в том числе и при медленно вращающемся или неподвижном маховике, достигая тем самым высокую теплопередачу от нагревающихся элементов привода, например от ротора электромашины к стенкам камеры. В физике вакуума под низким, средним и высоким вакуумами понимается такое состояние газа, при котором соответственно критерий Кнудсена намного меньше единицы, близок к единице и намного больше единицы. Приближенно для технических расчетов критерий Кнудсена можно определить как L/dэф, где L – длина свободного пути молекул газа; dэф – эффективный размер вакуумированной камеры. Для камеры вращения маховика с типичным зазором между маховиком и стенками камеры, например около 0,01 м, d эф2 , т.е. 0,02 м. Длина свободного пути молекул в зависимости от давления газа Р (Па) определяется как L 0,0063/Р, м. Стало быть давление, относящееся к среднему вакууму для камер вращения маховика обычных размеров, равно Р 0,0063/0,02=0,315 Па.
Давление, существенно превышающее это значение, относится к низкому вакууму, а если существенно ниже него – к высокому (см. вышеуказанную книгу Розанова Л.Н., с.20-23). Следует отметить, что одно и тоже значение критерия Кнудсена соответствует различному давлению газа, в зависимости от размеров и конфигурации вакуумированной камеры. Так, например, давление 0,1 Па – это высокий вакуум для камеры маховика диаметром и высотой в 1 метр и зазором между маховиком и стенками 0,01 м, давление 0,315 Па – это, как было отмечено выше, средний вакуум для той же камеры. Но если из этой камеры маховик изъять, то для этого увеличенного объема давление, соответствующее среднему вакууму (если камера выполнена по форме цилиндра с диаметром 1 м), будет приближенно равно 0,0063 Па, и давление 0,1 Па, как и давление 0,315 Па, будет уже низким вакуумом. При этом такие физические свойства вакуума, как аэродинамическое сопротивление и теплопроводность, зависят именно от критерия Кнудсена, а не от абсолютного значения давления газа.
Для решения поставленной задачи и достижения технического результата в известном маховичном накопителе, содержащем маховик и привод с опорами, размещенными 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, 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 в камере маховика – относится к вакууму с критерием Кнудсена выше 0,01.
Возможны и другие варианты выполнения изобретения, согласно которым необходимо, чтобы:
– уплотнения между камерами были бы выполнены гидродинамическими;
– 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&; 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.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
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.freepatent.ru
МАХОВИЧНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ НКЭ-3Г КАК БУФЕРНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ И ИСТОЧНИК БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ
Компания «Кинемак» провела полевые испытания накопителя кинетической энергии НКЭ-3Г мощностью 180 кВт, предназначенного для использования в качестве буферного накопителя для локальных и автономных сетей энергоснабжения с резко переменным графиком нагрузки. Также были проведены завершающие испытания накопителя для работы в функции источника бесперебойного питания ответственных категорий энергопотребителей. Успешное завершение опытно-конструкторских работ позволило компании перейти к организации серийного производства накопителей энергии.
Типоряд агрегатов имеет стандартный для отечественной электротехники мощностной ряд: 55, 75, 90, 110, 150, 200 и 250 кВт.
В качестве буферного накопителя энергии изделие НКЭ-3Г обеспечивает существенное повышение эффективности энергопотребления электрических и автономных кранов, экскаваторов и других агрегатов, работающих с неравномерной нагрузкой. Например, крупные портальные краны зачастую имеют собственный первичный источник энергии в виде дизель-генераторной установки. Её мощность обычно подбирается таким образом, чтобы она могла покрыть максимальное пиковое значение, что случается достаточно редко. В остальное время дизель-генератор работает с существенным недогрузом и это приводит к увеличенному расходу топлива, снижению ресурса двигателя и повышенному износу электрооборудования крана. Применение буферного накопителя в электрической системе крана позволяет взять пиковую нагрузку на себя, тем самым создав условия для более сбалансированной работы дизель-генератора. Это позволяет провести замену генератора на менее мощный, потребляющий гораздо меньший объём дизельного топлива. При этом сам накопитель питается от энергии, которая выделяется крановыми двигателями при опускании груза (в ходе рекуперации энергии груза). По результатам проведённых испытаний накопителя НКЭ-3Г установлено, что объём экономии дизтоплива может достигать 30-35%.
Техническое обслуживание накопителя энергии не отличается от обслуживания дизель-генератора, в том числе длительность межремонтного периода совпадает с таковым у ДГУ. Накопитель поставляется в контейнере типа «Север», имеет широкий диапазон климатических условий работы. Функционирование агрегата полностью автономно, он также оснащён системой дистанционного контроля и, при необходимости, управления основными параметрами.
Технические параметры накопительного агрегата:
Использование маховичного накопителя НКЭ-3Г в качестве источника бесперебойного питания представляет большой интерес для общепромышленных и других типов потребителей, имеющих оборудование первой и особой категорий энергоснабжения. Наиболее востребованы аппараты бесперебойного питания с мощностью от 80 кВт и выше, то есть как раз тот мощностной ряд, который производит компания «Кинемак». ИБП на базе маховичного накопителя включаются параллельно питающей линии и в случае просадок или пропадания напряжения в ней автоматически начинают поддерживать питание ответственных категорий оборудования потребителей. Это происходит без задержки в энергоснабжении и питание обеспечивается до тех пор, пока не выйдет на рабочую мощность резервный источник питания или не восстановится основная сеть. После появления основной линии или включения ДГУ маховичный накопитель заряжается до полной энергоёмкости в течение нескольких минут и снова включается в сеть как ИБП в полной готовности обеспечивать бесперебойность питания. Такой ре-жим работы невозможно осуществить ни с какими другими ти-пами устройств бесперебойного питания.
Стационарный буферный накопитель энергии НКЭ-3Г по-ставляется в специализированном контейнере, приспособленном для работы оборудования в широком диапазоне внешних температур от -30 до +45 оС. Оборудование работает поностью автономно под управлением автоматизированной системы управления. Для дистанционного мониторинга работы накопителя имеются два независимых канала связи. Маховичный накопитель энергии прост в эксплуатации, имеет длительный установленный срок службы до 20 лет.
Компания «Кинемак» поставляет потребителям полностью готовое решение, для чего проводит предварительный анализ проблем с энергоснабжением на объекте, определяет наиболее эффективную конфигурацию оборудования для их решения, производит накопитель, устанавливает и запускает его, проводит обучение персонала заказчика для осуществления текущего обслуживания устройства. Сервисное обслуживание, включая капитальный ремонт, также производится специалистами нашего предприятия в кратчайшие сроки на месте установки накопителя. Гарантийный срок службы НКЭ-3Г составляет 3 года.
Александр Кацай,
генеральный директор
ООО «Кинемак»
тел.: +7 (495) 969 9816
e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
www.kinemak.ru
www.to-inform.ru
Маховичный накопитель энергии с горизонтальной осью вращения маховика
Маховичный накопитель энергии с горизонтальной осью вращения маховика, включает в себя маховик (1), состоящий, по меньшей мере, из одного диска со сквозным отверстием в центре корпуса, опоры в виде подшипников качения (6) и выходной вал (10), причем часть корпуса заведена в виде трубы (5) в сквозное центральное отверстие в маховике, между цилиндрической стенкой отверстия и трубой корпуса расположены в ряд опоры качения, а выходной вал выполнен проходящим сквозь трубу корпуса и герметичное уплотнение (11) между валом и корпусом. Опоры качения выполнены каскадными, а герметичное уплотнение – магнитожидкостным.
1 н.п. ф-лы, 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Область техники
Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в энергетике.
Уровень техники
Известна конструкция маховичного накопителя энергии в виде маховика с центральным отверстием, в которое на посадке с натягом посажен вал, зафиксированный в корпусе на подшипниках качения и являющийся выходным валом накопителя (см., например, книгу Дж. Джента «Накопление кинетической энергии», М., Мир, 1983, с.30, рис.1.6). Данная конструкция принята за прототип.
Прототип обладает следующими недостатками.
1. Маховик зафиксирован в корпусе на малом количестве опор, ввиду чего опоры выполнены крупными и, как следствие, с большими потерями на трение.
2. В корпусе находится воздух атмосферного давления, создающий большие аэродинамические потери, а вследствие отсутствия герметичного уплотнения среду в корпусе нельзя выполнить разреженной или заменить газом с малыми аэродинамическими потерями.
3. Опоры маховика выполнены в виде обычных подшипников качения, внутреннее кольцо которых вращается с частотой вращения маховика, а внешнее неподвижно, что создает высокое сопротивление в подшипниках.
Раскрытие полезной модели
Задачей полезной модели является снижение потерь энергии на вращение маховика, как аэродинамических, так и на трение в опорах качения. Указанная задача решается тем, что маховичный накопитель энергии с горизонтальной осью вращения маховика, включающий в себя маховик, состоящий, по меньшей мере, из одного диска со сквозным отверстием в центре корпуса, опоры в виде подшипников качения и выходной вал, характеризуется тем, что часть корпуса заведена в виде трубы в сквозное центральное отверстие в маховике, между цилиндрической стенкой отверстия и трубой корпуса расположены в ряд опоры качения, а выходной вал выполнен проходящим сквозь трубу корпуса и герметичное уплотнение между валом и корпусом.
Другое отличие предлагаемого устройства состоит в том, что опоры качения выполнены каскадными.
Еще одно отличие предлагаемого устройства состоит в том, что герметичное уплотнение выполнено магнитожидкостным.
В результате вышеуказанных отличий достигается технический результат полезной модели, заключающийся в снижении потерь энергии на вращение маховика, как аэродинамических, так и на трение в опорах качения, причем опоры качения выбраны для восприятия радиальных нагрузок, то есть ось вращения маховика в накопителе горизонтальная.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 – конструктивная схема маховичного накопителя энергии. Осуществление полезной модели
Устройство (фиг.1) состоит из маховика 1, в данном случае собранного из трех дисков со сквозным центральным отверстием, закрепленных в обойме 2. Корпус 3 накопителя включает крышку 4 и трубу 5, концентричную обойме 2, причем обойма 2 закреплена на трубе 5 с возможностью вращения на подшипниках качения любого приемлемого типа (шариковых, радиальных или радиально-упорных, роликовых и т.д.). В данном случае на фиг.1 опоры качения выполнены в виде так называемых соединенных, или чаще называемых каскадных опор качения (см. книгу Дж. Джента «Накопление кинетической энергии», М., Мир, 1983, с.204, рис.4.5 б), имеющих пониженные сопротивления качению и большую долговечность. Каскадная опора качения состоит из подшипников качения 6, например, шариковых радиальных, последовательно соединенных втулками 7 так, что внешняя обойма одного подшипника объединена с внутренней обоймой другого. Для прилегания внешних и внутренних обойм подшипников качения 6 к обойме 2 и трубе 5 соответственно, использованы втулки 8 и 9 соответственно. Между корпусом 3 и крышкой 4 находится газ (воздух, водород, гелий) при пониженном давлении, что снижает аэродинамические потери при вращении маховика 1. Выходной вал 10 накопителя энергии герметично уплотнен с корпусом 3, например, магнитожидкостным уплотнением 11 со встроенными подшипниками 12, широко применяемыми в подобных случаях (см. книгу Дж. Джента «Накопление кинетической энергии», М., Мир, 1983, с.183, рис.3.14). Отметим, что предложенный накопитель эксплуатируется с горизонтально расположенной осью маховика.
Работа устройства
Работа устройства происходит следующим образом. Маховик 1 раскручивается (разгоняется) внешним источником энергии за выходной вал 10 и вращается в корпусе 3 с крышкой 4, с находящейся между ними средой с пониженным аэродинамическим сопротивлением (разреженный воздух, водород, гелий). Герметичное уплотнение 11, например, магнитожидкостное, уплотняет вращающийся выходной вал 10 с корпусом 3. Маховик 1 посажен на неподвижной трубе 5 с помощью опор качения, в данном случае каскадных, где подшипники 6 последовательно объединены друг с другом втулками 7 и 8. В результате частота вращения подшипников 6 падает вдвое по сравнению с частотой вращения маховика 1 в опорах, что резко снижает потери энергии на вращение маховика 1 в опорах и повышает долговечность этих опор (подтверждение этого описано в книге Дж. Джента «Накопление кинетической энергии», М., Мир, 1983, с.204).
Таким образом достигается технический результат.
1. Маховичный накопитель энергии с горизонтальной осью вращения маховика, включающий в себя маховик, состоящий, по меньшей мере, из одного диска со сквозным отверстием в центре корпуса, опоры в виде подшипников качения и выходной вал, отличающийся тем, что часть корпуса заведена в виде трубы в сквозное центральное отверстие в маховике, между цилиндрической стенкой отверстия и трубой корпуса расположены в ряд опоры качения, а выходной вал выполнен проходящим сквозь трубу корпуса и герметичное уплотнение между валом и корпусом.
2. Маховичный накопитель энергии по п.1, отличающийся тем, что опоры качения выполнены каскадными.
3. Маховичный накопитель энергии по п.1, отличающийся тем, что герметичное уплотнение выполнено магнитожидкостным.
poleznayamodel.ru
Маховичный накопитель
Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в качестве буферного накопителя энергии, например, для транспортных электрифицированных систем, источников аварийного питания, источников бесперебойного питания для ветровых и солнечных электростанций.
Изобретение представляет собой маховик и привод с опорами, размещенные в разделенных между собой вакуумированных камерах, заполненных разреженным газом с различным уровнем вакуума в них, причем в одной из них, с низким уровнем вакуума, помещен электропривод, а в другой, с повышенным уровнем вакуума 0,1…0,01 Па, помещен маховик с размещенным на его валу турбомолекулярным насосом, поддерживающим в камере маховика повышенный вакуум путем постоянной перекачки газа из этой камеры в камеру привода. При этом число камер, в которых размещены приводы и опоры, как минимум одна, и эти камеры отделены от камеры маховика уплотнениями по числу камер, герметичными, по крайней мере, при рабочих частотах вращения маховика. Технический результат заключается в обеспечении низких аэродинамических потерь в камере маховика одновременно с эффективным охлаждением привода без использования отдельных систем охлаждения. 6 з.п.ф-лы, 3 ил.
Область техники
Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в качестве буферного накопителя энергии, например, для транспортных электрифицированных систем, источников аварийного питания, источников бесперебойного питания для ветровых и солнечных электростанций.
Уровень техники
Известны маховичные накопители энергии, имеющие маховик и электропривод с их опорами, размещенные в двух разделенных между собой вакуумированных камерах, заполненных разреженным газом с различным уровнем вакуума в них, причем в одной из них, с низким уровнем вакуума, помещен электропривод, а в другой, с повышенным уровнем вакуума, 0,1… 0,01 Па, помещен маховик с размещенным на его валу турбомолекулярным насосом, поддерживающим в камере маховика повышенный уровень вакуума путем постоянной перекачки газа из этой камеры в камеру привода (см. Джента Дж. “Накопление кинетической энергии”, Москва, Мир, 1998, с.178-180, рис.3.10). Данное устройство принято за прототип.
Недостатком устройства-прототипа является главным образом то, что турбомолекулярные насосы любых типов имеют максимальное выпускное давление, менее 1… 10 Па – давление, относящееся к граничному между средним и высоким вакуумом (Розанов Л.Н. Вакуумная техника, Москва, Высшая школа, 1987, стр.93 и 196, табл. П4). Это означает, что в камере, где расположен электропривод, должно поддерживаться именно это, весьма низкое давление, при котором газ имеет достаточно низкую теплопроводность, и поэтому не обеспечивающее эффективное охлаждение электромашины. При большем давлении, относящемся уже к другому уровню вакуума – низкому или форвакууму, при котором условия охлаждения благоприятны, невозможна работа турбомолекулярного насоса. Поэтому-то в прототипе предусмотрена отдельная система охлаждения электромашины, существенно усложняющая устройство. Другим недостатком прототипа является то, что при пониженных частотах вращения маховика, что может иметь место в практике, турбомолекулярный насос неработоспособен.
Сущность изобретения
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание маховичного накопителя, обеспечивающего низкие аэродинамические потери в камере маховика одновременно с эффективным охлаждением привода без использования специальных систем охлаждения. Технический результат заключается в обеспечении высокого вакуума в камере маховика при низком вакууме в камерах привода, в том числе и при медленно вращающемся или неподвижном маховике, достигая тем самым высокую теплопередачу от нагревающихся элементов привода, например от ротора электромашины к стенкам камеры. В физике вакуума под низким, средним и высоким вакуумами понимается такое состояние газа, при котором соответственно критерий Кнудсена намного меньше единицы, близок к единице и намного больше единицы. Приближенно для технических расчетов критерий Кнудсена можно определить как L/dэф, где L – длина свободного пути молекул газа; dэф – эффективный размер вакуумированной камеры. Для камеры вращения маховика с типичным зазором δ между маховиком и стенками камеры, например около 0,01 м, dэф≈2δ , т.е. 0,02 м. Длина свободного пути молекул в зависимости от давления газа Р (Па) определяется как L≈ 0,0063/Р, м. Стало быть давление, относящееся к среднему вакууму для камер вращения маховика обычных размеров, равно Р≈ 0,0063/0,02=0,315 Па.
Давление, существенно превышающее это значение, относится к низкому вакууму, а если существенно ниже него – к высокому (см. вышеуказанную книгу Розанова Л.Н., с.20-23). Следует отметить, что одно и тоже значение критерия Кнудсена соответствует различному давлению газа, в зависимости от размеров и конфигурации вакуумированной камеры. Так, например, давление 0,1 Па – это высокий вакуум для камеры маховика диаметром и высотой в 1 метр и зазором между маховиком и стенками 0,01 м, давление 0,315 Па – это, как было отмечено выше, средний вакуум для той же камеры. Но если из этой камеры маховик изъять, то для этого увеличенного объема давление, соответствующее среднему вакууму (если камера выполнена по форме цилиндра с диаметром 1 м), будет приближенно равно 0,0063 Па, и давление 0,1 Па, как и давление 0,315 Па, будет уже низким вакуумом. При этом такие физические свойства вакуума, как аэродинамическое сопротивление и теплопроводность, зависят именно от критерия Кнудсена, а не от абсолютного значения давления газа.
Для решения поставленной задачи и достижения технического результата в известном маховичном накопителе, содержащем маховик и привод с опорами, размещенными 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, 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 в камере маховика – относится к вакууму с критерием Кнудсена выше 0,01.
Возможны и другие варианты выполнения изобретения, согласно которым необходимо, чтобы:
– уплотнения между камерами были бы выполнены гидродинамическими;
– 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
Добавить комментарий