Характеристики и сферы применения маховичных накопителей энергии

Аватар пользователя Ctavr

Последние достижения в нанотехнологиях и других направлениях хайтека сдвинули с места прогресс не только электрохимических накопителей энергии, чего следовало ожидать, но и механических, таких, как маховики.

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.

Константин СЕРГЕЕВ

Авторство: 
Копия чужих материалов
Комментарий редакции раздела Справочное бюро

1405 м/с !!!

Так и до первой космической скорости недалеко. Интересно - возможен ли, в физическом принципе, левитирующий аккумулятор, несмотря на короткозамкнутую траекторию вращающихся масс?

В любом случае - можно было бы ещё поэкспериментировать с ртутью, разгоняемой внутри тора-трубы МГД-насосами. Вдруг на закритических скоростных режимах при соблюдения ряда условий (температура ртути, присадки к ней, материал тора-трубы) возникнет гидравлический аналог эффекта сверхпроводимости?

Комментарии

Аватар пользователя pob_ol
pob_ol(6 лет 8 месяцев)

нижегородцы болели идеей 

превратить газовую центрифугу в накопитель

взлетело ли не знаю

Аватар пользователя AlterDraconis
AlterDraconis(9 лет 10 месяцев)

Почти хайку.

Аватар пользователя Synapse
Synapse(9 лет 2 месяца)

Тоже, первое, о чём подумал. Нижегородцы - ОКБМ что ли? Или саровские?

Тут проблема ещё в энергообеспечении. На рубиновом стержне, конечно, обороты можно развить совершенно дикие, но вопрос, какая при том нужна энергетическая подпитка?

Аватар пользователя багор
багор(7 лет 1 день)

Спасибо, очень интересно.

Аватар пользователя Антидот
Антидот(5 лет 9 месяцев)

Спасибо!

Очень интересно.

Аватар пользователя Postulat
Postulat(5 лет 7 месяцев)

Спасибо. Познавательно.

Аватар пользователя Serge R
Serge R(5 лет 2 месяца)

У Капицы есть интервью с Гулиа ,если не ошибаюсь.

Аватар пользователя Dowmont
Dowmont(9 лет 1 месяц)

Точно, вот оно, а ещё в сети можно найти популярную книгу профессора Н.В.Гулиа "В поисках энергетической капсулы" - очень рекомендую интересующимся.

 

Аватар пользователя sdra2
sdra2(5 лет 10 месяцев)

Да уж.... а когда в 93м читал - казалось, что быстрее развиваться будет))) 

Захватывающая книга)))

 

Аватар пользователя BERES
BERES(9 лет 11 месяцев)

Круто, не знал, что маховики так плотно конкурируют с суперконденсаторами. Но в конечном счете они все же проиграют. Суперконденсатор имеет преимущество в том, что это единственный накопитель электричества, не преобразующий его в другой вид энергии: потерь на это нет. А со временем  - на основе графенов  - доберутся до плотности емкости 5000 Ф/л без саморазразряда и вытеснят все остальные типы.

А вот для жиробуса может и пригодится, если зарядка от электричества, а съем энергии непосредственно на колесо. Но геморрой.

Комментарий администрации:  
*** Бывший зам Петрика - https://aftershock.news/?q=comment/7701763#comment-7701763 ***
Аватар пользователя Кесарь
Кесарь(5 лет 3 месяца)

Я бы добавил, что наибольший смысл маховики имеют для рекуперации именно что кинетической энергии в транспорте. Как раз там, где расход топлива весьма велик и неэффективен. И каковой транспорт наиболее трудно "отвязать" от углеводородов.

Комментарий администрации:  
*** Отключен (лидер бан-рейтинга, систематический срач и политота, оскорбления) ***
Аватар пользователя LLORD
LLORD(6 лет 7 месяцев)

Мне наоборот, кажется логичным на транспорте ставить суперкондесаторы. Большой маховик из-за своей инерции может мешать управлять машиной.

В тоже время маховики очень востребованы там, где важно бесперебойность - например в медицине.

Аватар пользователя NeoF
NeoF(5 лет 6 месяцев)

По-моему маховик наоборот будет увеличивать устойчивость машины.

Аватар пользователя anamitos
anamitos(9 лет 2 месяца)

Ну да. С раскрученным маховиком еще и не повернешь.

Аватар пользователя Тхе Кат
Тхе Кат(5 лет 9 месяцев)

Это смотря вокруг какой оси поворачивать :)

Аватар пользователя PeaceHaver
PeaceHaver(6 лет 8 месяцев)

Устойчивость машины, которой не надо поворачивать. При повороте с маховиком... можно не повернуть, короче говоря.

Аватар пользователя NeoF
NeoF(5 лет 6 месяцев)

Два маховика со встречным вращением.

Аватар пользователя Synapse
Synapse(9 лет 2 месяца)

Внутри себя бы не сломались. Да и ДТП будет с адскими последствиями.

Это надо ставить на транспорт с выделенным путепроводом, идущий по прямой или малоискривлённой линии. Струнный транспорт, например. Сейчас у Юницкого дело пошло, в Белоруссии уже есть экспериментальный участок с вагончиком. Вот туда бы, самое верное.

Аватар пользователя PeaceHaver
PeaceHaver(6 лет 8 месяцев)

В принципе, этот вариант работает в Lit C-1, но там они маленькие, и, самое главное, их ось вращается для стабильности. Если же они будут жестко закреплены - получится нелепица =/

Аватар пользователя Scahor
Scahor(5 лет 10 месяцев)

+ возимая с собой масса

Аватар пользователя Не_волшебник

А вот для жиробуса может и пригодится, если зарядка от электричества, а съем энергии непосредственно на колесо.

Проскакивала история, когда заклинило механизм подвеса маховика и автобус поехал в одну сторону, а маховик полетел в другую, вырвав добрую часть этого автобуса, понятно с какой энергией и к чему в итоге это привело.

Аватар пользователя BERES
BERES(9 лет 11 месяцев)

А еще была история про деятеля, который не дожидаясь остановки ротора большого турбомолекулярного насоса снял его с крепления, чтобы перенести. Обоих вращение Земли впечатало в стенку.

Комментарий администрации:  
*** Бывший зам Петрика - https://aftershock.news/?q=comment/7701763#comment-7701763 ***
Аватар пользователя Руслан
Руслан(9 лет 1 неделя)

Это какой редуктор должен быть?   И с какими потерями. 

Аватар пользователя BERES
BERES(9 лет 11 месяцев)

М.б. на постоянных магнитах? Однако, будет излучать ЭМ энергию :) Да, глупость. Нет шикарных перспектив у маховиков. По мелочи только.

Комментарий администрации:  
*** Бывший зам Петрика - https://aftershock.news/?q=comment/7701763#comment-7701763 ***
Аватар пользователя Виктор1690
Виктор1690(9 лет 2 месяца)

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.

 

Не расмотрена еще ниша гидроэлетроаккумуляторов ВД. При избытке ээ насос качает масло в бак/ гд аккум/линию под давлением до 400-500атм, а потом обратно снимает ээ через гидромотор.

Тож коласальное количество перезарядов. Меняй раз в год масло и в три года уплотнения.

Причем связка электродвигатель/насос и связка гидромотор/генератор может быть единой реверсивной.

Аватар пользователя MrWolf
MrWolf(5 лет 7 месяцев)

53,4 кВт-ч/кг, - охренеть. Обычный свинцовый аккумулятор имеет 1кВт-ч при 20кг массы (автомобильный), это 50 Вт-ч.кг.

Удельная теплота сгорания бензина - около 12 кВт-ч/кг.

Т.е. грубо говоря в автомобильный бак 40л можно всунуть в 4 раза больше пробега, скажем не 600км, а 2400 на одной "заправке". А если учесть еще и массу ДВС ставшего не нужным, то вобще Оо.

Аватар пользователя Виктор1690
Виктор1690(9 лет 2 месяца)

53,4 кВт-ч/кг
 

В статье четко сказано что даже не золотой а брильянтовый. Более дешевые материалы падение на порядок. 5,34кВт-ч/кг, что лучше обычного, но хуже в разы бензина.

Аватар пользователя Кот Баюн
Кот Баюн(8 лет 11 месяцев)

ДВС не нужен, а вот редуктор - очень даже. И/Или пара генератор-электродвигатель. Ну и про время зарядки и устройство зарядки не забываем.

Аватар пользователя fastor
fastor(6 лет 8 месяцев)

В обмотку ротора включить постоянный магнит - вот вам и возможность разгона и снятия мощности. :)

Аватар пользователя NikSR
NikSR(5 лет 10 месяцев)

Для сравнения с бензином, надо еще учесть КПД движка. Т.е энергоемкость бензина реально около 3-3.5 кВт-ч/кг

Аватар пользователя ga_unnamed
ga_unnamed(9 лет 10 месяцев)

А не будет ли супермаховик вести себя как супергироскоп? А то получится, что на автомобиле можно будет ездить только по прямой....

Аватар пользователя PeaceHaver
PeaceHaver(6 лет 8 месяцев)

По идее, если ставить горизонтально, то не будет. Вроде у Гулиа читал, что именно так в багажнике ставят.

Аватар пользователя Synapse
Synapse(9 лет 2 месяца)

Только не в нашем городе! У нас, что не улица, то в горку!

Вертикальные эволюции движения автомобиля ведь тоже присутствуют.

Аватар пользователя Тхе Кат
Тхе Кат(5 лет 9 месяцев)

Карданный подвес решает

Аватар пользователя Mc_Aaron
Mc_Aaron(6 лет 9 месяцев)

На главсу в ветке "А как оно тикает" вопрос о супермаховиках недавно обсуждался. Есть там ряд технических проблем, нормального решения которых пока не найдено. Плюс стоимость зашкаливает. Может использоваться только в стационарном исполнении при соблюдении требований по безопасности, аналогичных тем, что используются на пороховых заводах.

Аватар пользователя Federal
Federal(9 лет 10 месяцев)

Вопрос безопасности основной. Это тихая такая бомба. 

Аватар пользователя PeaceHaver
PeaceHaver(6 лет 8 месяцев)

На многослойных вроде безопасно это.

Аватар пользователя vitaliylipetsk
vitaliylipetsk(7 лет 5 месяцев)

при таких оборотах и при такой плотности энергии... это ж супер-мега-гироскоп...  там момент вращения просто нереальный

интересно, при таких характеристиках - вообще реально повернуть ось такого маховика ? например при том же использовании для рекуперации на транспорте... или машина будет вынуждена ехать строго в одном направлении ?))

Аватар пользователя fastor
fastor(6 лет 8 месяцев)

или машина будет вынуждена ехать строго в одном направлении ?

Вертикально в одном направлении? Ось маховика вертикальна!

Аватар пользователя PeaceHaver
PeaceHaver(6 лет 8 месяцев)

В связи с чем у меня вопрос: как реагирует подвеска такого автомобиля на неровности? Он же будет создавать сопротивление тогда в вертикальной плоскости?

Аватар пользователя fastor
fastor(6 лет 8 месяцев)

В вертикальной-то от чего. Вдоль оси сопротивления нет. Сопротивление только на увод маховика от оси т.е. наклонение маховика относительно горизонта. В остальных измерениях силы уравновешены.
В принципе маховик может служить стабилизатором поперечной устойчивости. При чём, очень мощным. Можно продавать с УТП типа "Гарантируем горизонтальность движения на 100%", и продавать как супер-люкс-класс :)
Понятно, что для движения на уклоне, надо будет обеспечить пространство для сохранения горизонтальности маховика. Но без двигателя под капотом места полно!

Аватар пользователя fastor
fastor(6 лет 8 месяцев)

Вообще, как альтернатива Маску, концепция пойдёт. Зарядка от тех-же заправок + любые розетки + любые внешние двигатели, способные разгонять маховик (хоть дизели, хоть электро, хоть голландские мельницы :)
Немного аккумуляторов для постоянного подразгона, и "Поехали".
Если технология маховика будет близка к Бошевской (график в статье), то пару дней на одной раскрутке можно промотаться.
Выгоды от такой технологии очевидны на столько, что вместо токамаков мир мог бы скинуться на разработку этой технологии. Судя по бошевским маховикам - мы близко.

Аватар пользователя orioncrew
orioncrew(6 лет 11 месяцев)

При таких оборотах, видимо, маховик сам рулит машиной =) Из за прецессии, вызванной вращением Земли.

Куда бы ты не ехал, а приедешь на Север =)

Аватар пользователя cgi
cgi(8 лет 10 месяцев)

ИМХО: Ставится 2 маховика вращающиеся в противоположных направлениях.
Остается только жестко их скрепить чтобы не разлетелись / не стукнулись.

Аватар пользователя vitaliylipetsk
vitaliylipetsk(7 лет 5 месяцев)

)))))) и что ? момент вращения куда от этого денется ?))  как был гироскоп так и останется....

Аватар пользователя Дирижёр
Дирижёр(6 лет 4 месяца)

Полагаете, что этот "эксперт" знает что такое "гироскоп"? Ну-ну...

Комментарий администрации:  
*** "Большевиков приравниваю к Геббельсу... Сам - дочь сдавшегося в плен расстрелянного петуха" (с) ***
Аватар пользователя cgi
cgi(8 лет 10 месяцев)

Не попал с развернутым продолжением - ссылка на комментарий к статье ниже чтобы не мусорить повторами.
https://aftershock.news/?q=comment/3628762#comment-3628762

Если есть что сказать - прошу.

Аватар пользователя mark.76
mark.76(4 года 10 месяцев)

статья пьяного дурака 

На транспорте система неприменима в принципе

На спецтехнике нахрен ненужна ибо там наоборот дизель работает всё время в номинальном режиме, а для пиковых нагрузок запаса мощности хватает

 

Принципиальный тупик - расходование энергии на борьбу с гравитацией. Есть способы на оборот тормозить вращение земли и получать энергию без наличия движущихся частей. Неучи этого непонимают.

Аватар пользователя orioncrew
orioncrew(6 лет 11 месяцев)

Что это за способы торможения Земли?

Аватар пользователя Просто Владимир
Просто Владимир(4 года 10 месяцев)

Для работы лифтов , самое -то. Мало того , что спуск кабины сделает плавным, так и полученного заряда хватит на треть пути вверх. Расположить можно в подвале здания. Поэтому вес и габариты не имеют значения, температура постоянная, положение постоянное.smiley

Комментарий администрации:  
*** Отключен (возбужденная политота в ассортименте) ***

Страницы