Супермаховики — новые аккумуляторы энергии
Их не нужно будет в морозы заносить на ночь в тепло. Они будут гораздо дешевле обычных, ведь пластик дешевле цветных металлов. Срок их службы будет превышать срок службы самой машины. Заряжаться они будут от электродвигателей, от энергии рекуперации при торможении, от стационарных источников энергии.
Это инерциоиды, или маховики. Они накапливают энергию и потом по мере надобности отдают их потребителям. С большим маховиком и двигатель внутреннего сгорания не нужен. Энергию можно запасать и на энергозаправках, мощными электродвигателями разгоняя один или несколько маховиков. Они находятся в герметичном безвоздушном пространстве, и подвешены на мощных магнитах.
Их называют супермаховиками, так как они запасают энергии в тысячи раз больше обычных маховиков. Изобрёл их 50 лет назад русский учёный Н. Гулиа, но массово они не применялись. Только единичные кустарные разработки – тележки, заменявшие электрокары.
И вот теперь в промышленном масштабе это изобретение воспроизвели в Америке. Там супермаховики устанавливают в контейнеры по 17 тонн. И они могут запасать и отдавать энергию в 1,7 мегаватта! Они используются для стабилизации скачков напряжения энергосети. В России единая энергосистема не нуждается в таких стабилизаторах, так как работает по более надёжной схеме.
Однако если использовать супермаховики в транспорте, строительстве, и везде, где необходимо, можно сэкономить почти половину используемой нефти и газа! Не будет необходимости прогревать холодные двигатели в зимнее время, просто сел и поехал.
Ветряки даже небольшой мощности могут давать большую мощность, запасая её в таких аккумуляторах энергии. Просто поменял маховик на автомобиле, или перезарядил – раскрутил остановившиеся маховики и опять можно ехать. Далеко и долго.
В сравнении с электроаккумуляторами супермаховики выигрывают по всем показателям. Они долговечнее, проще и дешевле в изготовлении, и, что самое главное – экологически чище. И запасают гораздо большую энергию за в разы меньшее время. Также и отдают.
Ещё маховики могут отдавать мощность, не перенося инерцию на корпус. Например, электродрель большой мощности старается вырваться из рук за счёт инерции от сверла. Если вместо электромотора установить маховик – он будет сверлить с любой силой и чуть ли не сам держаться на заданном месте. Причём гироскопический эффект будет способствовать сверлению идеально ровного отверстия, как на станке. Раскрученный маховик дрели не даст её вибрировать в Ваших руках.
В-общем, ждут Вас невиданное энергетическое удобство и прочие блага цивилизации. Только вот кому – то сделать надо, ну или как всегда «оттуда» закупать придётся.
Автор: Виталий Жуков
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Интересные электротехнические новинки
Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика
Поделитесь этой статьей с друзьями:
§ 8.3 Энергия электрического тока
Под действием сил электрического поля или меняющегося магнитного поля положительно и отрицательно заряженные частицы начинают упорядоченно двигаться. Это движение заряженных частиц называется электрическим током (рис. 8.5, а).
Рис. 8.5. Электрический ток:
а — движение заряженных частиц в электрическом поле; б — направление электрического тока; в — возникновение тока в проводнике под действием меняющегося магнитного поля
Отрицательно заряженные частицы движутся к положительному полюсу, а положительно заряженные — к отрицательному полюсу. Условно принято считать, что направление электрического тока — это движение зарядов от положительного полюса к отрицательному полюсу (рис. 8.5, б).
Движущиеся заряженные частицы (или электрический ток) несут энергию.
Чем больше заряженных частиц каждую секунду будут упорядоченно двигаться, тем больше энергии они перенесут.
Например, во время грозы в облаках скапливается огромное число заряженных частиц. За 1/1000 секунды все они устремляются к земле. Энергия этих движущихся зарядов такова, что молния может разрушить даже дом.
Энергию движущихся электрических зарядов, или энергию тока, называют электрической энергией.
Для получения электрической энергии нужны источники электрического тока. В источнике тока под действием внутренних или сторонних сил происходит разделение зарядов. На его разных полюсах (электродах) скапливаются противоположные по знаку заряды.
Для разделения зарядов в источниках тока используют энергию химических реакций взаимодействия некоторых веществ. Такие источники называются химическими.
Самым простым химическим источником тока является элемент (рис. 8.6), состоящий из двух металлов — цинка и меди — и какой-нибудь кислоты.
Рис. 8.6. Гальванические элементы
Энергия химической реакции серной кислоты с цинком разделяет в таком источнике заряды, распределяя их по электродам. Получается химический источник тока, называемый гальваническим элементом. Кроме кислоты, в гальванических элементах используются и другие химические вещества.
Химическим источником тока является также водородно-кислородный топливный элемент. В водородно-кислородном элементе газообразный водород поступает на поверхность одного электрода. Он при работе будет заряжаться отрицательно и станет катодом. Газ кислород подаётся на поверхность другого электрода, который будет положительно заряженным анодом. Эти газы от баллонов доставляются к электродам по трубкам. Водород в процессе реакции окисления кислородом образует обычную воду. Энергия этой химической реакции разделяет заряды на электродах и передаётся в виде электрической энергии. Эти батареи могут быть достаточно мощными и стать источниками энергии для транспортных средств.
Источником тока служат также солнечные батареи (рис. 8.7). В них заряды разделяются энергией солнечного излучения.
Рис. 8.7. Солнечные батареи а фермерском хозяйстве
Существуют электроэнергетические устройства, в которых заряды разделяются под действием подводимого к ним тепла. Это так называемые биметаллические термопары и полупроводниковые теплоэлектрические элементы.
Теплоэлектрические элементы имеют очень низкий коэффициент полезного действия и используются там, где нет электрических энергосетей. Чаще всего это бытовые термоэлектрические установки малой мощности, в которых элементы собраны в батарею. Они служат обычно для подзарядки аккумуляторов сотовых телефонов, планшетов, подключения светодиодных ламп небольшой мощности. Их используют в удалённых районах, где затруднительно найти другие источники электрической энергии.
В промышленных масштабах электрическую энергию получают с помощью электрогенераторов (рис. 8.8). В них электрические заряды разделяют с помощью очень сильного магнитного поля.
Рис. 8.8. Электрогенератор: 1, 2 — концы обмоток электромагнита; 3, 4 — выходные клеммы
Если проводник поместить в изменяющееся магнитное поле, то в нём будет происходить движение зарядов. На одном конце будут скапливаться отрицательные заряды, а на другом — положительные.
Если взять много проводников и создать очень сильное магнитное поле, то можно получить большое количество электрической энергии. Такие устройства называют генераторами электрической энергии. С помощью больших генераторов можно получать огромные объёмы электрической энергии.
Электрическая энергия легко преобразуется в другие виды энергии.
При прохождении тока через любое вещество в нём выделяется тепловая энергия. В специальных тепловых приборах при прохождении тока тепловая энергия выделяется более интенсивно.
Электрическая энергия может легко преобразовываться в энергию потока света. Свет испускается сильно нагретыми током телами, например спиралью в лампочке накаливания. Световые потоки создаются люминесцентными лампами при прохождении тока через пары ртути, которыми наполнены эти лампы. Световой лоток излучают полупроводниковые светодиоды при пропускании через них электрического тока. Мощные потоки световой энергии под действием электрического тока создаются лазерами.
Электрический ток, проходя через проводники, создаёт вокруг них магнитное поле. Это поле обладает магнитной энергией. Тем самым электрическая энергия преобразуется в магнитную энергию. О её применении говорилось в первом параграфе этой главы.
На основе взаимодействия магнитных полей, созданных электрическим током, работают электромоторы. Ротор электродвигателя представляет собой электромагнит. Статор может быть как постоянным магнитом, так и электромагнитом.
В электромоторах электрическая энергия преобразуется в механическую энергию.
Электрическими искрами осуществляется резание металлов и обработка поверхностей сложной конфигурации (рис. 8.9). Можно, например, выполнять художественную гравировку на поверхности металлического изделия.
Рис. 8.9. Электроискровая обработка материалов:
1 — скользящий электрод; 2 — область искровой обработки; 3 — обрабатываемая деталь; 4 — источник тока
Электрическая энергия может преобразовываться в химическую энергию.
Так, с помощью электрического тока воду разлагают на кислород и водород.
При химической реакции их соединения выделяется большое количество энергии. Чистая вода очень плохо проводит электрический ток. Поэтому для разложения воды в неё добавляют серную кислоту. Её водный раствор хорошо проводит электрический ток.
Электрическая энергия хорошо аккумулируется, т. е. накапливается для сохранения впрок и последующего использования.
Существует три технологии аккумулирования электрической энергии.
Во-первых, это преобразование электрической энергии в химическую энергию.
Можно разложить воду на кислород и водород и накопить эти газы в баллонах, лотом при необходимости с помощью водородно-кислородного топливного элемента снова получить электрическую энергию.
Во-вторых, устройствами, в которых электрическая энергия для накопления и сохранения преобразуется в энергию химических связей веществ, являются кислотные и щелочные аккумуляторы. Такие аккумуляторы очень распространены как на производстве, так и в быту. Аккумуляторы устанавливают на автомобилях, самолётах, ракетах, подводных лодках, внутрицеховых погрузчиках, ноутбуках, планшетах, сотовых телефонах и ещё многих других машинах, приборах и устройствах.
В-третьих, способом накопления (аккумулирования) электрической энергии является её преобразование в энергию электрического поля в суперконденсаторе. В настоящее время созданы экспериментальные электрические автобусы, в которых источником энергии служат суперконденсаторы или ультраконденсаторы. Они полностью подзаряжаются энергией на остановках за то короткое время, пока пассажиры выходят из автобуса или входят в него. На одной подзарядке такой автобус-электробус может проехать до 35 км.
Электрическую энергию можно аккумулировать, преобразуя её в механическую энергию супермаховиков. С их устройством вы познакомились на уроках технологии в 5 классе. Маховик — это массивный диск, помещённый в кожух, из которого выкачан воздух, чтобы уменьшить потери энергии на трение о него. Чтобы не касаться ничего, маховик подвешивается с помощью отталкивающихся друг от друга магнитов. Практически супермаховик ничего не касается и может после раскручивания вращаться очень долго, несколько недель.
В супермаховиковом аккумуляторе электрическая энергия, предназначенная для запасания, с помощью электромотора раскручивает супермаховик до очень большой скорости. Тем самым накапливается большое количество кинетической энергии. Электрический мотор служит одновременно и электрическим генератором (рис. 8.10).
Рис. 8.10. Супермаховик с электрическим мотором-генератором:
1 — супермаховик; 2 — магнитная подвеска; 3 — подшипник; 4 — вал: 5 — мотор-генератор; 6 — кожух
Тем самым при необходимости супермаховиковый аккумулятор может отдавать потребителям накопленную электрическую энергию.
Профессии и производство
Существует множество профессий, которые тем или иным образом связаны с электричеством. Всё потому, что множество современных профессий связано с техникой, которая требует особых навыков в электрике. Однако есть стандартный набор профессий, в названиях которых есть тот же корень, что и в слове «электричество»: электрик, электромонтёр, электрослесарь, электротехник и т. п.
Электрики следят за работой электрооборудования и поддерживают его в безопасном состоянии. Их работа связана с бытовым и промышленным электрооборудованием.
В их должностные обязанности входит настройка и монтаж электрооборудования, устройств и систем управления, непосредственно связанных с электроникой и электричеством.
Электрик (рис. 8.11, а) должен знать прикладную механику, элементы электроники, основы автоматики, электротехнику.
Рис. 8.11. Электрик (а); электромонтёр (б)
Электромонтёр (рис. 8.11, б) устанавливает и обслуживает электрические сети, следит за работоспособностью электрических сетей и электроустановок.
Профессио-нальные качества электромонтёра: хорошее зрение и цветовосприятие, технические знания, внимательность и осторожность.
Электрослесарь отвечает за демонтаж, ремонт, испытание и монтажное обслуживание механических и электрических машин и механизмов, средств освещения и установленной сигнализации. В его обязанности входит установка и проверка телефонных и кабельных сетей, установка заземления.
Электротехник занимается ремонтом и обслуживанием электротехники.
В его должностные обязанности входит: сбор систем и устройств энергоснабжения, управления, автоматизации и коммуникации. Электротехник запускает устройства и поддерживает их производительность.
Перечисленные профессии опасные и очень ответственные, поскольку от работы электриков зависит производительность предприятия. Представители таких профессий имеют разряды, указывающие на уровень сложности и спектр выполняемых работ.
Проверьте себя:
1. От чего зависит количество электрической энергии, которую несёт электрической ток?
2. Как получают электрическую энергию с помощью энергии химических реакций?
3. Как работает водородно-кислородный топливный элемент?
4. Во что можно преобразовать электрическую энергию?
5*. Как с помощью супермаховика можно запасти электрическую энергию?
* Подумайте, какие аккумуляторы в будущем будут использоваться в качестве привода легковых автомобилей.
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ ЗАПАСАНИЯ ЭНЕРГИИ
Современные тенденции развития многих областей науки и техники, таких как электроэнергетика, электротранспорт, электрораспределительные сети, а также возобновляемые источники энергии, ставят новые задачи по улучшению как количественных, так и качественных характеристик энергосистем. Одной из таких задач является задача запасания электроэнергии для улучшения показателей эффективности, качества и стабильности источников электроэнергии. Методы запасания энергии различаются по многим параметрам, таким как выходная мощность, количество запасаемой энергии, время хранения, количество циклов заряд/разряд, стоимость, массогабаритные показатели, а также по специфике внедрения. Все это ограничивает области их применения, а также требует внимания при проектировании энергосистем на их основе. Современной энергоэффективной и высокотехнологичной альтернативой перечисленным способам хранения энергии является устройство запасания кинетической энергии – супермаховик. Возможность использования маховиков в качестве конкурентоспособного устройства хранения энергии появилась сравнительно недавно благодаря разработкам в областях композитных материалов, магнитных подшипников, электрических машин и полупроводниковой электроники. Все перечисленные методы хранения энергии имеют свои достоинства и недостатки, которые необходимо учитывать при разработке и внедрении систем запасания энергии для решения конкретных задач. По причине многих специфических особенностей супермаховиков, а также других представленных методов задача выбора оптимальной системы хранения энергии является нетривиальной и требует особого внимания. Целью настоящей работы является сравнение супермаховиков с другими методами запасания энергии по различным параметрам и аспектам использования, а также определение оптимальных областей применения супермаховиков.
Обзор характеристик и специфики супермаховиков.
Долгое время использование маховиков имело целью лишь обеспечение плавной работы машин и механизмов. Новейшие разработки последних лет позволили создать супермаховики – сложные высокотехнологичные устройства, главным назначением которых является запасание энергии. Супермаховик запасает энергию в виде кинетической энергии вращения. Количество энергии пропорционально инерции вращающегося тела J и квадрату угловой скорости вращения ω, согласно формуле Ek= 1 /2 J w 2 .
Кинетическая энергия передается на маховик и от маховика при помощи мотор-генератора – обратимой электрической машины, чаще всего встроенной в конструкцию маховика. При работе в режиме двигателя электрическая энергия, подводимая к обмоткам статора, создает вращающий момент и увеличивает скорость вращения маховика. В режиме генератора имеет место обратный процесс – превращение кинетической энергии вращения в генераторный момент на валу и впоследствии в электрическую энергию. Для двустороннего обмена энергией мотор-генератор подключен к сети посредством обратимого преобразователя. Общий вид типичной конструкции супермаховика со встроенным мотор-генератором, подключенного к звену постоянного тока через инвертор напряжения, представлен на схеме (рисунок).
До недавнего времени определенный круг технических проблем не позволял супермаховикам конкурировать с другими способами запасания энергии. Прежде всего, это было связано с недостаточной энергоэффективностью, удельной энергоемкостью и максимальным временем хранения энергии. Все вышеперечисленное являлось причиной для неоправданного увеличения массогабаритных показателей, стоимости изготовления и эксплуатации, ограничения областей применимости и т.д. Из формулы (Ek= 1 /2 J w 2 ) видно, что запасаемая в маховике кинетическая энергия имеет линейную зависимость от момента инерции вращающейся массы и квадратичную зависимость от скорости вращения. Соответственно при росте скорости вращения, даже если масса и момент инерции маховика будут пропорционально уменьшаться, количество запасаемой энергии будет расти. Это утверждение позволяет сделать вывод о том, что материал для изготовления маховика с высокой энергоемкостью должен иметь высокий предел прочности при низкой плотности для работы при высоких скоростях вращения. До недавнего времени самыми распространенными материалами для изготовления маховиков являлись конструкционные стали, которые при высокой плотности не обеспечивают достаточной прочности на разрыв для сохранения структурной целостности при высоких скоростях вращения. Внедрение современных композитных материалов для изготовления маховиков, таких как стекловолокно и карбоновое волокно, предел прочности которых превышает сталь до пяти раз, позволило значительно увеличить скорости вращения и энергоемкость системы. Сравнение композитных материалов с металлами представлено в табл. 1
Типичные механические характеристики материалов маховика Помимо этого, высокие скорости увеличивают нагрузки и создают повышенные требования к подшипниковым узлам конструкции. Для решения этой проблемы в качестве элемента опоры ротора супермаховика используются активные магнитные подшипники, что позволяет поддерживать ротор по принципу магнитной левитации. Развитие более прогрессивных алгоритмов управления, а также микропроцессорной техники позволяет в реальном времени стабилизировать ротор при любых скоростях вращения и добиться полного отсутствия соприкосновения ротора с другими элементами конструкции и свести механическое трение к нулю. Помимо решения уже упомянутой проблемы высоких скоростей вращения, магнитные подшипники обладают другими достоинствами, особенно важными для супермаховиков. Следствием полностью бесконтактной работы являются устранение механического износа и необходимости регулярного технического обслуживания, что увеличивает рентабельность и надежность системы. Другой мерой уменьшения потерь и последним шагом к долговременному хранению энергии является помещение ротора в безвоздушное пространство. Это достигается созданием специальной оболочки, способной выдержать атмосферное давление снаружи и поддерживать определенный уровень вакуума внутри. Поддержание сверхнизкого давления в камере требует вакуумного насоса, что несколько увеличивает сложность и стоимость системы, но необходимо для устранения аэродинамических потерь и запасания энергии на длительный срок. Работа магнитных подшипников и электрической машины в вакуумной среде требует отдельного внимания при проектировании со стороны, во-первых, используемых материалов, а во-вторых – отвода тепловых потерь. Высокие скорости вращения и требования эффективности также подразумевают создание эффективных высокоскоростных электрических машин и высокочастотных преобразователей. Исследования последних лет в области электрических машин позволяют создавать бесколлекторные машины на постоянных магнитах и реактивные электродвигатели, коэффициент полезного действия (КПД) которых достигает 95% в номинальном режиме. Использование таких типов машин требует высокочастотного инвертора. Коммерческие модели инверторов в настоящее время поддерживают частоты до 500 Гц, что позволяет обеспечивать работу двухполюсных машин на скоростях до 30000 об/мин, а также имеют достаточно высокое быстродействие для компенсации пульсаций и скачков сетевого напряжения. Это свойство составляет важную особенность супермаховика и является одним из главных преимуществ по сравнению с аккумуляторами. КПД преобразования инвертора, использующегося для питания супермаховика, может достигать 95–98%. При создании специализированных моделей инверторов частота питания может быть увеличена, а КПД доведен до верхней границы указанного диапазона. Общий КПД, с учетом потерь при хранении энергии и эффективности преобразования, превосходит 85% и в некоторых случаях может достигать максимальных значений в 97%. Предельная энергоемкость современных супермаховиков достигает 300 Вт·ч/кг. По прогнозам развития композитных материалов и увеличения их предела прочности, показатель энергоемкости может быть увеличен до 800 Вт·ч/кг в ближайшие 5 лет, а долговременный прогноз теоретического максимума достигает значения 2700 Вт·ч/кг.
Краткий обзор других способов запасания энергии.
Для сравнения супермаховиков с другими способами запасания энергии необходимо рассмотреть характерные параметры и особенности современных способов хранения энергии, использующихся на практике в различных областях. Электрохимические аккумуляторы. Являются одним из самых известных способов хранения энергии и широко используются в этом качестве в различных приложениях. Аккумуляторы являются модульным, бесшумным и относительно дешевым устройством. Привлекательным вариантом их также делает неприхотливость к рабочей среде, удобство и быстрота установки. Крупные аккумуляторные системы используют инвертор для преобразования постоянного тока аккумулятора в переменный ток поддерживаемой сети. Общая эффективность такой системы обычно находится в диапазоне 60–80%. Относительно низкая эффективность преобразования объясняется тем, что аккумуляторы запасают энергию при помощи электрохимического процесса. Каждый цикл преобразования энергии неизбежно сопровождается выделением тепла, что уменьшает КПД преобразования и требует контроля температуры для предотвращения уменьшения долговечности или термического повреждения аккумулятора. Другой проблемой является ограниченный жизненный цикл аккумулятора. Он определяется как число циклов заряда/разряда, которое батарея может обеспечить, и является фиксированной величиной для каждого типа аккумуляторов. Более того, жизненный цикл зависит от типичной глубины разряда, которой аккумулятор подвергается при работе. При относительно невысоких показателях глубины разряда жизненный цикл не изменяется, но может ухудшиться при глубоком разряде. Электрохимические аккумуляторы также имеют строго ограниченную скорость разряда или выходную мощность, превышение которой может повредить аккумулятор. Это значение может составлять 10–25% от общей емкости аккумулятора, в зависимости от типа, что значительно ограничивает применимость аккумуляторных батарей в приложениях большой мощности. Суперконденсаторы. Суперконденсаторы или ионисторы являются электрохимическим устройством, совмещающим достоинства аккумуляторных батарей и конденсаторов. Такой тип устройств запасания энергии известен примерно с 1960-х г.г.. Механизм запасания энергии суперконденсатором не включает химических реакций, что делает цикл заряд/разряд более быстрым, надежным, отличающимся от аккумуляторов значительно бόльшим жизненным циклом – до сотен тысяч циклов заряд/разряд. Суперконденсатор также отличается устойчивостью к внешним воздействиям – температурным диапазоном от –40°C до +65°C, вибрационной и ударной стойкостью. Главным недостатком и ограничительным фактором применения суперконденсаторов является относительно низкая плотность энергии. По сравнению с электрохимическими аккумуляторами, типичная плотность энергии может быть на порядок меньше. При этом суперконденсаторы при тех же параметрах могут иметь на порядок большую выходную мощность, что позволяет использовать их вместе с аккумуляторами, объединяя их достоинства и компенсируя недостатки. Самостоятельно суперконденсаторы часто используются для кратковременного запасания небольших количеств энергии, улучшения качества электроэнергии и стабильности небольших сетей. Суперконденсаторы являются многообещающей альтернативой аккумуляторов при длительном жизненном цикле, быстром цикле заряд/разряд и эффективностью около 95% и выше. Главными проблемами суперконденсаторов остаются низкая плотность энергии и высокая стоимость. Гидроаккумулирующие электростанции. Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) используются во всем мире в течение более чем 70 лет. Эти крупномасштабные системы хранения энергии являются наиболее широко применяемой технологией хранения энергии, использующейся сегодня. Примерно 280 проектов ГАЭС работают по всему миру, обеспечивая генерируемую мощность около 90 ГВт, что составляет около 3% мировой генерации электроэнергии. Такой тип электростанций работает по тому же принципу, что и обычные ГЭС, с той лишь разницей, что их генераторы могут также работать в режиме двигателя. Во время низкого потребления электроэнергии вода закачивается из нижнего резервуара в верхний, а во время высокого энергопотребления вращает турбину и производит электроэнергию по принципу гидрогенератора. Такие системы способны запасать большое количество энергии на длительное время при эффективности полного цикла около 70–80%. Количество запасаемой энергии зависит только от вместимости резервуара. Главным недостатком такого способа хранения энергии является использование больших площадей для создания резервуаров и необходимый перепад высот. Большинство подходящих участков земли уже использованы, а освоение новых сопряжено с нанесением большого вреда экологии региона. Также такие системы требуют длительного времени на создание и сопряжены с большими расходами на проектирование и реализацию.
Системы со сжатым воздухом. Сжатый воздух используется в качестве носителя для хранения энергии относительно недавно. Первая система, основанная на принципе сжатия и расширения воздуха, была построена в Huntof, Германия, в 1978 г. Энергоемкость системы составляет 290 МВт в течение 4 часов. При этом полная эффективность преобразования составляет около 85%. Это объясняется тем, что такой тип электростанций чаще всего использует сжатый воздух в сочетании с одним из различных видов топлива для работы турбогенератора. Но электростанция со сжатым воздухом использует на две трети меньше топлива, по сравнению с обычными термоэлектростанциями, и способна начать работу в течение лишь нескольких десятков минут. Основной особенностью системы запасания энергии со сжатым воздухом является герметичный и очень большой резервуар. Создание подземных резервуаров для сжатого воздуха сопряжено с большими трудностями, а небольшие резервуары, находящиеся на поверхности, как правило, ограничены в накоплении энергии лишь на несколько часов. Чтобы получить большую эффективность и создать систему, работающую без дополнительного топлива, разрабатываются новые гибридные технологии, совмещающие описанный принцип с использованием суперконденсаторов, гидравлики и пневматики.
Сверхпроводящие системы. Индуктивные сверхпроводящие накопители являются одной из самых современных и технически сложных технологий хранения энергии. Они представляют собой криогенные системы, охлаждающие электромагнитную катушку до создания эффекта сверхпроводимости, что, по сути, исключает потери энергии в проводниках. Энергия в такой системе хранится в виде магнитного поля, которое может быть высвобождено в виде постоянного тока, который, в свою очередь, преобразуется в переменный ток с частотой сети. Такой принцип позволяет добиться быстрой реакции и высокой выходной мощности, а эффективность таких устройств может достигать 95–98%. Помимо больших ГАЭС, это единственная система, которая способна сглаживать и компенсировать энергопотребление мощных систем при высоком КПД. При больших потенциальных возможностях технологии главными недостатками таких систем являются сложность охлаждения катушки до сверхпроводящих температур и крайне высокая стоимость производства и эксплуатации.
Сравнительный анализ и рекомендации по применению супермаховиков.
После краткого обзора различных способов запасания энергии выполнено количественное сравнение их параметров (табл. 2).
Рассмотрение специфических особенностей супермаховиков, их достоинств и недостатков по сравнению с другими способами запасания энергии позволяет дать некоторые рекомендации по их применению. Большая выходная мощность супермаховика позволяет использовать его в качестве буферного источника пиковой мощности в сочетании с другим устройством, не способном компенсировать пиковую мощность, например, аккумуляторами. Высокая эффективность и большой жизненный цикл супермаховика в сочетании с экологичностью делают его отличным комплиментарным устройством для возобновляемых источников энергии, таких как ветрогенераторы и солнечные батареи. Нерегулярность генерации таких источников, зависящая от внешних факторов, может быть эффективно скомпенсирована супермаховиком. Хорошая масштабируемость позволяет создавать устройства хранения энергии как для локальных источников возобновляемой энергии небольшой мощности, так и для крупных электростанций. Еще одной рекомендуемой областью применения супермаховиков являются электротранспорт и транспортные средства с гибридными электроустановками. Повышение эффективности за счет рекуперативного торможения требует устройства для сохранения энергии, способного часто работать в режиме заряд/разряд и при этом поддерживать требуемый уровень энергоемкости, надежности и эффективности. Супермаховики могут успешно использоваться для этой цели на современных электромобилях, электропоездах, общественном транспорте, метро и т.д. Более узкая ниша потенциального применения – аэрокосмическая отрасль, которая также может воспользоваться многими перечисленными достоинствами супермаховиков. Модульность, высокая эффективность, отсутствие механического трения и долгое время работы без обслуживания – важные факторы для космического применения. Малое время реакции на изменения в сети и высокая выходная мощность могут использоваться для поддержания требуемого качества электроэнергии и общей надежности сети одновременно с выполнением задачи накопления энергии.
Заключение.
В работе рассмотрены различные системы хранения энергии, а также современное устройство запасания кинетической энергии – супермаховик. Анализ их характеристик и сравнение типичных параметров и специфичных особенностей применения позволили определить оптимальные области применения супермаховиков и дать основные рекомендации по их использованию. Сделан вывод о том, что супермаховики являются перспективным способом как запасания энергии, так и улучшения качества и надежности электрораспределительных сетей. Развитие областей науки и техники, ставших основной причиной развития и распространения супермаховиков, будет способствовать дальнейшему улучшению характеристик и прогрессу в данной отрасли. Экологическая нейтральность супермаховиков также является важным преимуществом и в будущем будет все больше способствовать их распространению, вместе с возобновляемыми источниками энергии и умными сетями электроснабжения. Проведенный анализ и рекомендации по внедрению супермаховиков будут использованы при разработке устройств запасания энергии для возобновляемых источников в Лаппеенрантском технологическом университете для проектирования умной системы электроснабжения «Green Campus» (научнотехническая программа ЕС «Horizon 2020»).
М.А. Соколов, В.С. Томасов, R.P. Jastrzębski
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics 2014, № 4 (92)
Гировоз
Наша вики определяет гировоз, как локомотив с механическим аккумулятором энергии (маховиком), предназначенный для транспортирования составов вагонеток по рельсовым путям горизонтальных выработок шахт, опасных по взрыву газа или пыли.
На локомотиве установлен массивный маховик, весом более 1,5 тонн, к которому присоединен с одной стороны вала пневматический двигатель.
При подаче на этот двигатель сжатого воздуха под высоким давлением он начинает раскручивать маховик до скорости порядка 3 тысяч оборотов в минуту.
Таким образом происходит запасание кинетической энергии, эдакий механический инерциальный аккумулятор.
В данном случае мы имеем своего рода гироскоп — быстровращающееся массивное тело, собственно этот факт и отражен в названии локомотива.
3. песочная система
4. механизм переключения скоростей
5. двухступенчатый редуктор
6. тормозная система
7. ходовая часть
8. пневматический двигатель
На зарядной станции, расположенной либо на одном конце маршрута, либо же с двух сторон, с помощью подачи на пневмодвигатель сжатого воздуха, нагнетаемого мощным компрессором, происходит раскручивание маховика.
После машинист, выбрав соответствующую передачу, начинает движение.
Поскольку используются подобные локомотивы в основном в шахтах горнодобывающих производств, локомотив следует с порожними вагонетками по тоннелю к месту добычи порядка километра, далее вагонетки нагружают и он возвращается назад.
Проделываемый путь, как правило, составляет около двух километров.
Через фрикционную передачу маховик передает крутящий момент на колеса локомотива, отдавая запасенную энергию.
Недостатком является малый запас хода, ограниченное время стоянки, так как маховик все равно будет постепенно останавливаться из-за трения о воздух и трения в подшипниках, а также гироскопический момент от маховика.
Да и выход из под контроля полуторатонного тела, вращающегося с огромной скоростью, не сулит ничего хорошего.
С шахтами и пороховыми складами всё понятно, а были ли попытки создания гировозов для обычной железной дороги?
Впервые гировозами заинтересовались в европейских странах в 1940-е годы.
Их производство было освоено фирмой «Эрликон».
В интернете не много сведений об этом.
Мощность 200 л.с. (150 кВт), оснащён двумя маховиками.
Пишут о 3-х тонном горизонтальном маховике, заключённом в сосуд, заполненный водородом низкого давления.
Вертикально установленный трехфазный электродвигатель был непосредственно соединен с каждым валом маховика.
Электродвигатель питался от бокового источника питания на статических стойках через четырёхконтактный качающийся рычаг, который пневматически выдвигается или убирается водителем, его хорошо видно на фото и на чертеже.
Электричество можно было взять только в то время, когда локомотив стоял рядом с одним из этих столбов.
Каждый маховик работал со скоростью 3000 об / мин при полной «зарядке».
Пишут, что зарядка занимала 2,5 минуты и локомотив мог работать в течение приблизительно 30 минут.
Он весил 34 тонны и имел максимальную скорость 24 км / ч.
Локомотив работал с 1958 года неплохо, но в 1965 году был переоборудован в дизельный вариант.
Также, большие электровозы, например British Rail Class 70 , иногда оснащались маховиками, чтобы перемещать их через промежутки в контактной сети.
Пишут, что их можно было отличить по своеобразному заметному гудящему шуму от тяжелых маховиков.
И перейдём к заглавному фото.
Parry People Movers Ltd. (PPM) — британская компания, производящая лёгкие трамваи и железнодорожные мотрисы, которые используют накопитель энергии маховика (FES) для хранения энергии для тяги.
Типичный маховик PPM изготовлен из стального круга диаметром примерно 1 м и массой 500 кг, предназначенный для вращения с максимальной скоростью 2500 об / мин.
Маховик установлен горизонтально в центре агрегата под сиденьем.
Маховик приводится в движение двигателем внутреннего сгорания или электродвигателем.
Маховик позволяет улавливать энергию торможения (при замедлении или спуске с уклона) и повторно использовать ее для ускорения (так называемое рекуперативное торможение).
Когда мотриса тормозит, гидростатическая трансмиссия возвращает энергию в маховик.
Пишут о разных модификациях–с одним и с несколькими маховиками.
Вообще, использование маховиков на транспорте было достаточно обширно, например гиробус–троллейбус с автономным ходом.
Моторное отделение гиробуса.
Справа виден трёхфазный двигатель, ниже него — картер маховика.
Интересно, что управлять гиробусом сложно, так как его маховик обладает свойствами гироскопа (стремится сохранять неизменное положение в пространстве).
Недостатки: большой вес — гиробус, предназначенный для перевозки 20 человек на 20 километров, должен иметь маховик массой в 3 тонны.
Вращающийся со скоростью в 3000 оборотов в минуту маховик требует особых мер безопасности (линейная скорость обода маховика достигает 900 километров в час).
И напоследок, есть космические программы, связанные с накоплением энергии в маховике.
Но это уже, скорей всего, не просто маховик, а супермаховик–тема отдельного разговора:).