АльтИнфоЮг

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта


Стационарные супермаховики в энергосистемах

Рейтинг пользователей: / 12
ХудшийЛучший 

маховик накопитель энергииИспользование супермаховиков для накопления энергии считается самым перспективным. В нужное время значительную часть накопленной энергии можно получить как за короткое, так и за длительное время в зависимости от потребностей. Теоретические расчёты маховика и опыты показывают, что по количеству накопленной энергии на каждый килограмм веса, по продолжительности хранения энергии, сроку службы, маховики могут опережать аккумуляторы, конденсаторы и другие накопители. Но, реально работающие маховики имеют довольно скромные характеристики и вот почему.

Исследованиями накопителей энергии, в том числе и маховиков серьёзно занимался профессор Нурбей Владимирович Гулиа. Практической реализацией его идей занималась американская компания Beacon Power. Её накопители – это емкости-цилиндры, с подвешенными на магнитных подшипниках с супермаховиками внутри.   Выполненные из углеволоконного композита, маховики раскручиваются до 22500 об/мин, вращая ротор мотор-генератора, вырабатывающего ток при подключении нагрузки. При приеме энергии машина раскручивает маховик.

По расчетам Beacon Power супермаховики, объединенные в батарею по 10 накопителей, смогут обеспечивать мощность в 1 мегаватт и запасать энергию в 250 киловатт-часов. Летом 2011г компанией Beacon Power  в городе   Stephentown  (в штате Нью-Йорк) возведен первый в мире кластер из 200 маховичных накопителей. Такой «парк» способен вырабатывать мощность 20МВт, на что был получен государственный кредит для поддержки «зелёных технологий.

Принцип работы маховичных накопителей энергии основан на постепенном раскручивании вращающегося тела за счёт внешней энергии. Использование маховиков позволяет постепенно накапливать энергию при разгоне маховика, а затем отдавать её в виде электрической или механической энергии за короткое или длительное время.

Количество запасённой энергии в маховике зависит от массы, геометрических размеров и скорости вращения. При одинаковой массе больше энергии можно накопить при большей скорости. Но, скорость вращения ограничивается механической прочностью материала. Например, литые металлические диски или цилиндры имеют некоторые внутренние неоднородности и дефекты, которые могут привести к разрушению маховика и повреждению находящихся вблизи предметов. Поэтому проводились серьёзные исследования механической прочности различных материалов.

Основные элементы конструкции супермаховика должны обеспечивать надёжную и длительную работу. Для уменьшения потерь при больших оборотах от трения маховика о воздух, маховик рекомендуется размещать в вакуумной камере. Эта камера должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать атмосферное давление около 10 кг на квадратный сантиметр, а также обеспечить надёжную фиксацию подшипников и вала маховика. Если при аварии не будет разрушений корпуса, то всё равно вся накопленная энергия выделится в виде тепла. Для безопасности при испытаниях герметичную капсулу с маховиком размещают под землёй. Если вал для передачи механической энергии проходит через корпус, то трудно поддерживать вакуум. Приходится дополнительно задействовать вакуумные насосы. Можно разместить двигатель – генератор внутри капсулы, а электричество передавать по проводам, но тогда в вакууме не будет работать воздушное охлаждение и может понадобиться дополнительная система, например, жидкостного охлаждения. С некоторыми дополнительными потерями можно передавать энергию и с помощью вращающегося магнитного поля. Для уменьшения трения в подшипниках рекомендуется использовать магнитную подвеску маховика, которая должна взять на себя всю или часть нагрузки.

маховик для накопления энергииРазработана конструкция супермаховика без механической оси вращения. Намотанный из высокопрочного материала маховик находится в подвешенном состоянии за счёт использования электромагнитов. Маховик вращается за счёт использования вращающегося магнитного поля в обмотках электромагнитов. При работе маховика в качестве генератора, обмотки электромагнитов для съёма вырабатываемой электрической энергии.

Материалы для изготовления маховиков для получения максимального выхода энергии выбираются с учётом удельной прочности материала. Это предел прочности материала, отнесённый к его плотности. Его значение показывает, насколько прочной будет конструкция при заданной массе. Оказалось, что самые распространённые конструкционные материалы как сталь, алюминий и другие, уступают лёгким материалам по способности накапливать энергию в маховиках.

Приведу таблицу по максимальному запасу энергии в маховиках изготовленных из различных материалов. Для сравнения 1 кВт.ч равен 3,6 МДж.

  • Свинец – 0,45 – 0,75 кДж/кг
  • Медь – 3 -5 кДж/кг
  • Сталь – 30 – 50 кДж/кг
  • Титан, дюралюминий, магниевые сплавы 45 – 75 кДж/кг
  • Из берёзы, осины, ели 150 – 200 кДж/кг
  • Бамбук 300 – 500 кДж/кг
  • Стальная лента 100 кДж/кг
  • Стальной трос 300 – 500 кДж/кг
  • Литой кварц 1 МДж/кг
  • Графитное волокно 1 – 1,5 кДж/кг
  • Волокна стеклянных кварцевых нитей до 5 МДж/кг
  • Алмазное волокно 15 МДж/кг
  • Плотно упакованный азот 60 МДж/кг

Для повышения прочности вместо цельных маховиков использовали маховик намотанный из тонкой ленты. Это не только увеличило прочность, но и безопасность маховика при разрыве на предельных скоростях. Лучших характеристик удалось достичь при использовании намотки из троса. Такой маховик оказался в десять раз прочнее цельного кованного. Ещё лучше использовать в качестве материала для намотки маховиков не сталь, а волокна из стеклянных и кварцевых нитей, а также из синтетических материалов, например, кевлара. Прочность и энергоёмкость маховиков из этих материалов на единицу веса оказалась больше, чем у стали. При больших скоростях вращения запас энергии может оказаться, чем у обычных аккумуляторов. Кевлар, довольно дорогой материал, который используется для изготовления специальной защитной одежды для экстремальных видов спорта, бронежилетов. Самым лучшим и прочным материалом для намотки маховиков, со стоимостью в буквальном смысле на вес золота, в настоящее время считается суперкарбон. Теоретически маховики из этого материала могли бы накапливать до 1000 кВт.ч энергии на килограмм веса. Для уменьшения трения о воздух, предполагается размещать такой супермаховик в герметичной вакуумной камере. В интернете была информация, что использование супермаховика в автомобиле позволит накопить в нем такое количество энергии, которого должно хватить на весь срок службу автомобиля. Теоретически энергоемкость маховиков из суперкарбонового волокна может доходить до 2-3 ГДж/кг. Для сравнения килограмм тротила имеет энергоёмкость 15 МДж/кг. Значит, каждый килограмм супермаховика по энергоёмкости будет равен 200 килограмм тротила.

Мечтать, конечно, не вредно, но пора уже и спуститься на грешную землю поближе к реальности и попытаться понять, почему такие устройства не используются.

Недостатки маховиков редко анализируются в литературе. Но, если их не учитывать, то неизбежны серьёзные технические и финансовые просчёты. Поэтому перечислю некоторые основные недостатки маховиков.

  1. Прежде всего, необходимо понимать, что при аварии вся накопленная энергия выделится в лучшем случае в виде тепла, а причин для аварии больше чем достаточно.
  2. Не существует подшипников, способных долго работать при миллионах оборотов в минуту под большой нагрузкой.
  3. Обычно для использования в таких маховиках рекомендуют использовать магнитные подшипники, которые поддерживают на весу вращающийся маховик. При использовании постоянных магнитов трудно обеспечит равномерное магнитное поле по всему диаметру вращения, что приводит к биениям.
  4. Если использовать электромагниты, то даже для того, чтобы просто удерживать вес маховика в повешенном состоянии, нужен постоянно большой расход энергии.
  5. Необходима совершенная система управления электрической энергией для удержания маховика.
  6. Электромагниты обладают индуктивностью, поэтому невозможно очень быстро менять ток в них.
  7. Супермаховики, намотанные из синтетических материалов не обладают магнитными свойствами, чтобы ими можно было управлять с помощью электромагнитных полей магнитных подшипников.
  8. Волокна или ленты для супермаховиков для обеспечения жесткости необходимо наматывать на жесткий каркас, например, из цельного металла, который на разрыв во много раз слабее, чем намотка маховика.
  9. Предлагаемая конструкция супермаховика, не имеющего механической оси вращения и подвешенного в магнитном поле, обладает теми же недостатками, а кроме того, магниты на таком маховике, предназначенные для удержания его в подвешенном состоянии находятся ближе к наружному краю. На них будут действовать силы больше, чем способен выдержать цельный металл, тем более не выдержат крепления магнитов к ободу маховика.
  10. Необходимо обеспечить идельную динамическую балансировку маховика при разных оборотах.
  11. На витом маховике действующие на обмотку силы, способны растягивать волокна или ленты маховика. Должно происходить неравномерное расслоение намотки, что должно привести к разбалансировке, биениям и разрушению конструкции.
  12. Механические силы действуют не только на внешнюю намотку супермаховика, но и на обмотки магнитных подшипников и двигателя-генератора, особенно при быстром подключении нагрузки. Эти силы действуют на не очень прочную электрическую изоляцию и могут повредить её. Выход из строя магнитного подшипника способен привести к аварии с серьёзными разрушениями.
  13. Для работы магнитных подшипников постоянно надо расходовать большое количество энергии.
  14. При вращении металлических частей в магнитном поле возникает индукционный ток, который своим магнитным полем тормозит вращении е и уменьшат КПД системы.
  15. Общее количество энергии, запасенной в супермаховиках невелико по сравнению с количеством энергии, вырабатываемой электростанциями, поэтому система способна сглаживать только кратковременные пики потребления.
  16. Сложная система двигатель-генератор маховика для регулирования отбора электрической энергии из сети и с последующей отдачей энергии в сеть при пиковых нагрузках
  17. Про вес всей системы определяется общим количеством всего используемого оборудования, что снижает отношение накопленной энергии к массе всей системы.
  18. Целый ряд причин, ограничивающих применение маховиков на транспорте.

Все эти недостатки привели к тому, что система на супермаховиках для накопления в них электрической энергии и передачи её в сеть оказалась недостаточно эффективной и надёжной. Супермаховики оказались невостребованными и кампания Beacon Power, получившая государственный кредит на 43 млн. $, уже 30 октября 2011 года заявила о банкротстве.

 
Пожалуйста, зарегистрируйтесь или войдите в систему для добавления комментариев к этой статье.

Поделись с друзьями


Облако тегов




   

Copyright © 2012 Сергей Горенко | «Копирование и иное использование материалов без разрешения запрещено»