Диски высокой энергии: маховичный накопитель
Мир электроники и электричества наступает! Милые поклонникам механики устройства все чаще уступают место машинам с электромоторами и электронными схемами. Однако мир будущего станет более механическим! Так считает профессор Нурбей Гулиа. За последние десятилетия механические накопители энергии заметно прибавили в энергоемкости, и именно их, по мнению ученого, будут использовать во многих устройствах вместо привычных электрохимических аккумуляторов.
Пружина, резина, конденсатор.
Во всем мире вряд ли найдется человек, который посвятил себя разработке маховичных накопителей энергии в большей мере, чем Нурбей Гулиа. Ведь делом своей жизни изобретатель начал заниматься в 15 лет. Тогда советский школьник Нурбей решил изобрести «энергетическую капсулу» — так он назвал 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.
Резиновый аккумулятор 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. Один из прохожих, очарованный самоходной коляской, посоветовал разработчику подать заявку в Комитет по изобретениям и даже помог ее составить. Так Гулиа получил первое авторское свидетельство на изобретение.
Вскоре резину сменил сжатый воздух. И опять Нурбей разработал инновационное устройство — относительно компактный гидрогазовый аккумулятор. Однако, как выяснилось в ходе работы над ним, при использовании сжатого газа энергетический «потолок» был невысок. Но изобретатель не сдался: вскоре им был построен пневмокар с подогревом воздуха горелками. Эта машина получила высокую оценку у его друзей, но по своим возможностям была еще далека от того, чтобы конкурировать с автомобилем.
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. Нурбей Гулиа поставил своей задачей вырваться из этого замкнутого круга, и в один памятный день он испытал момент внезапного прояснения. На глаза изобретателю попался тросик, свитый 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.
Ученый принялся за работу: сначала поэкспериментировал с тросом, скатав из него маховик, а потом заменил проволочки тонкой стальной лентой такой же прочности — ее намотка была плотнее, а для надежности можно было склеить витки ленты между собой. Разрыв такого маховика уже не представлял опасности: при превышении предельной скорости первой должна была оторваться наиболее нагруженная внешняя лента. Она прижимается к корпусу и автоматически затормаживает маховик — никаких несчастных случаев, а оторванную ленту можно приклеить снова.
Первое испытание, когда ленточный маховик Гулиа раскручивался от скоростного электромотора пылесоса, прошло успешно. Маховик вышел на максимальную частоту вращения без разрыва. А затем, когда ученому удалось испытать этот маховик на специальном разгонном стенде, выяснилось, что разрыв наступал только при скорости обода почти 500 м/c или плотности энергии около 100 кДж/кг. Изобретение Гулиа в несколько раз превзошло по плотности энергии самые передовые на то время маховики и оставило позади свинцово-кислотные аккумуляторы.
В мае 1964 года Гулиа первым в мире подал заявку на изобретение супермаховика, но из-за бюрократизма советской патентной системы получил необходимый документ только через 20 лет, когда срок его действия уже истек. Но приоритет изобретения за СССР сохранился. Жил бы ученый на Западе — давно бы стал мультимиллионером.
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.
Альтернативный накопитель энергии с уникальными характеристиками
Не только источники энергии могут быть альтернативными, но способы накопления/хранения энергии. Более полувека назад, в СССР разработали концепцию супермаховика для аккумулирования энергии, который в стационарном исполнении практически не имеет недостатков. По эксплуатационным характеристикам они превосходят самые лучшие современные АКБ в несколько раз.
Принципиальная схема аккумулятора энергии
Заскорузлые представления о сохранении энергии, вызывают из памяти автомобильный аккумулятор. Однако энергия может быть электрической, тепловой, механической, кинетической и т.д. Для хранения, энергию одного вида, переводят в другой. Например, фотоэлементы вырабатывают электрическую энергию, но для хранения в АКБ, её преобразовывают в химическую.
Перевод энергии одного типа в другой, всегда сопровождается частичной потерей. КПД свинцово-кислотного аккумулятора в лучшем случае достигает 70%.
Супермаховик как аккумулятор электроэнергии
В 1964 году, советский учёный Н.В. Гулиа обратил внимание на обычный маховик.
Его используют уже тысячи лет. Самый древний маховик, гончарный круг. Он продолжает вращаться после разгона некоторое время, значит, в нём запасена кинетическая энергия.
После ряда опытов и расчётов, изобретатель пришёл к выводу, что:
- Скорость вращения маховика имеет большее значение для энергоёмкости накопителя, нежели масса. Доказательство E=mc 2 , т.е. энергия пропорциональная квадрату скорости, а масса учитывается только в первой степени.
- Отказ от цельных (литых, кованых) конструкций. Они обязательно должны быть составными. Дело в том, что запас кинетической энергии был настолько велик, что в случае разрушения монолитного супермаховика, килограммовые осколки разлетались со скоростью пули!
- Если маховик подвесить на магнитные подшипники и поместить в прочный стальной корпус с разреженной атмосферой, то продолжительность вращения можно сравнивать с периодом саморазряда автомобильного аккумулятора.
В 70-х годах Гулиа изготовил несколько работающих образцов супермаховика, и некоторые из них даже устанавливал на автобусы для рекуперации энергии. Но сам маховик, учёный как-бы «наматывал», а не собирал.
Причина в том, что параметр удельной прочности материала, мешает увеличить скорость вращения для увеличения энергоёмкости. Проблема решалась только использованием материалов с одноосной прочностью, как-то: ленты, металлические нити и волокна, проволока. Дополнительно это делало устройство безопасным. Ведь при аварийном разрушении, маховик запутывался в этих обрывках и легко восстанавливался.
Сравнение химических аккумуляторов и супермаховика
| Супермаховик | Химический аккумулятор | |
| Энергетическая ёмкость | Теоретически 500 Вт*ч/кг, реально выпускаемые образцы 450 Вт*ч/кг | Свинцово-кислотный АКБ ≈ 42 Вт*ч/кг,Литий-ионный аккумулятор ≈ 160 Вт*ч/кг |
| Количество циклов/ срок службы | Срок службы не менее 25 лет, количество циклов не имеет значения | Не более 1000 циклов для лучших образцов при жёстком соблюдении условий эксплуатации. Разряжать ниже 70% не рекомендуется |
| КПД | 98% | 70-78% |
При интеграции в энергосистему, супермаховик гораздо проще и неприхотливее любых аккумуляторов. Бронекапсулу можно закопать в грунт на глубину нескольких метров, и наверху останутся только несколько проводов для управления и использования.
Современное состояние
Удивительно, но этот вариант сохранения электроэнергии вообще не освещается в прессе. Тем временем в Канаде уже 5 лет функционируют 2 аккумулирующие станции, хранящих по 5 мВт/ч электроэнергии.
На каждой из них установлено по 5 супермаховиков, массой 3 тонны, вращающихся со скоростью около 18000 оборотов в минуту.
В США построили более серьёзные накопители. В Пенсильвании, недалеко от солнечных электростанций и полей с ветрогенераторами, фирма Beacon Power собрала аккумуляторную подстанцию, работающую на супермаховиках.
Суммарная мощность запасаемой энергии 40 мВт. На объекте установлены «небольшие» супермаховики весом около 2 тонн, в количестве 200 шт. Каждый из них может запасать до 0,2 мВт/ч электроэнергии.
Аналогичная подстанция стоит около Нью-Йорка уже 9 лет и до сих пор работает без поломок.
Изобретатель кинетического аккумулятора Н. В. Гулиа, нашёл инвесторов и открыл в России фирму, которая выпускает супермаховики нескольких типоразмеров. Почти все покупатели из Европы.
Использование супермаховика в частном домовладении
В России несколько фирм выпускают супермаховики небольших типоразмеров. Например, этот накопитель может хранить около 20 кВт электроэнергии.
Но в конструкции супермаховика есть и опасность. Ротор вращается со скоростью 1500-1700 об/сек! Это позволяет сохранить колоссальный запас электроэнергии, но собирать его в домашней мастерской затруднительно.
Но нет ничего невозможного! Патенты на изобретение находятся в открытом доступе. Есть умельцы, которые уже сделали супермаховик для своей системы автономного энергообеспечения. Пусть не с такими фантастическими характеристиками, но всё равно они в 4-6 раз более энергоёмкие, нежели стандартные АКБ.
А можно и купить такой супермаховик у самого изобретателя. Кинетический накопитель энергии собранный в промышленных условиях будет стоить не дороже, чем система свинцово-кислотных аккумуляторов, но в эксплуатации она гораздо надёжнее и долговечнее.
Спасибо, что дочитали до конца! Не забывайте подписываться на канал, Если статья Вам понравилась!
Делитесь с друзьями, оставляйте ваши комментарии
Добавляйтесь в нашу группу в ВК:
и предлагайте темы для обсуждений, вместе будет интереснее.
Электричество надо хранить, как сыр.
С сентября 2006 года вводится понижающий коэффициент от стоимости электроэнергии для электростанций, не участвующих в режиме общего первичного регулирования частоты (ОПРЧ) сети. Потери в несколько процентов (до 5% от стоимости вырабатываемой электроэнергии) очень существенны, если учесть, что станции борются за каждый процент повышения эффективности выработки электроэнергии. По мнению Гендиректора Концерна Росэнергоатом С.Обозова [15]: «Неудачная работа за одну неделю может списать все дополнительные доходы, накопленные за полгода. …Если мы не выполняем регулируемый договор и недопоставляем энергию, то автоматически покупаем ее на рынке на сутки вперед, а там цены в 4–5 раз выше, а на балансирующем рынке цена может быть больше в 12 раз». Единственным выходом может служить установка аккумуляторов энергии, которые будут выдавать энергию при пиковых нагрузках и аккумулировать электроэнергию в другое время суток при спаде нагрузки, а также участвовать в режиме регулирования частоты в сети. До последнего времени единственным приемлемым типом аккумулирования считалась гидроаккумулирующая электростанция. Однако в последнее время многие фирмы, такие как Siemens, Urenco Power Technologies (Великобритания), американская компания Beacon Power проводят исследования супермаховиков для этих целей. При этом эти фирмы используют накопленный опыт в области высокооборотных центрифуг для обогащения урана. По такому показателю, как удельная емкость энергии (кВт•час/кг) супермаховики вышли на первое место. При этом их срок службы намного больше, чем, например, у батарей. Например, в Исследовательском центре имени Гленна и Космическом центре Джонсона создана маховичная энергетическая установка для международной космической станции (МКС), заметно превосходящая использовавшиеся ранее никель-водородные аккумуляторы. Маховики могут запасать 5,5 кВт•ч энергии против 4,6 кВт•ч у электрохимических аккумуляторов, при этом срок их службы оценивается в 15 лет, а батарей – в 5–6 лет [1].
С июля 2000 г. Siemens испытывает на одной из действующих линий трамвая в Кёльне длиной 20 км опытный высокооборотный инерционный аккумулятор энергии мощностью 600 кВт [1].
Супермаховик способен запасать больше энергии на единицу массы (5–15 MДж/кг или 1,4–4,17кВт•час/кг), чем все известные накопители энергии — электрохимические аккумуляторы, конденсаторы, пружины. Это объясняется тем, что супермаховик можно разогнать до огромных скоростей, причем «зарядка» такого накопителя происходит очень быстро [2].
Cупермаховик, изготовленный еще лет десять назад из обычного углеродного волокна в Ливерморской лаборатории в США имеет удельную энергоемкость 0,5 кВт•ч/кг, что недостижимо пока для других накопителей энергии [12].
Компания «Active Power» выпускает накопители CleanSource, в которых маховики объединены с мотором/генератором в один агрегат [2]. Компания «Active Power» подписала OEM соглашение с GE в декабре 2005 года на внедрение маховиков в источники бесперебойного питания, выпускаемые GE. Накопители энергии на базе маховиков обладают рядом существенных преимуществ перед химическими аккумуляторами: они более компактны, могут работать в широком диапазоне температур, чрезвычайно надежны и не требуют ремонта в течение 15…20-летнего срока эксплуатации, имеют более высокий КПД [13].
Существуют следующие виды аккумулирующих систем [10,14]:
• Pumped hydropower – гидроаккумулирующие станции;
• Compressed air energy storage (CAES) – аккумулирование энергии с помощью сжатого воздуха;
• Superconducting magnetic energy storage (SMES) – аккумуляторы на сверхпроводниках;
Характеристики различных видов аккумулирующих устройств и материалов приведены в таблице 1.
Таблица 1 Плотность аккумулируемой энергии в различных устройствах и материалах*.
| Устройство (материал) | Плотность энергии КВт*час/кг без учета КПД и массы двигателя* | КПД, % | Плотность энергии КВт*час/кг с учетом КПД |
| Водород | 38.0 | 50-60 | 20.0-23.0 |
| Бензин | 13.0-14.0 | 25-30 | 3.25-4.2 |
| Свинцово-кислотный аккумулятор | 0.025-0.04 | 96-98 | 0.02-0.039 |
| Гидроемкость | 0.0003 | 64 | 0.0002 |
| Стальной маховик | 0.05 | 96-98 | 0.049 |
| Маховик из углеродного волокна | 0.215-0.5 | 96-98 | 0.21-0.49 |
| Маховик из кварцевого стекла | 0.9 | 96-98 | 0.88 |
| Кольцевой маховик | 1.4-4.17 | 96-98 | 1.36-4.0 |
| Сжатый воздух | 2 (на 1 м 3 ) | 30-40 | 0.6-0.8 |
* вес мотора и генератора, вес балонов и двигателей не учтен. Источник: Ristinen, R. A., and Kraushaar, J. J. (1999). Energy and the Environment, John Wiley & Sons, New York
Гидроаккумулирующие станции (ГАС) используются с 1929. ГАС состоит из 2 больших резервуаров, разнесенных по высоте. Для аккумулирования энергии вода закачивается в верхний резервуар. Для выдачи энергии вода сливается в нижний через гидротурбину с генератором.
Аккумулирование энергии с помощью ГАС:
• Требует как минимум 100 м подъема воды (разность высот резервуаров);
• Требует искусственного водохранилища значительного объема на высоте или подземного водохранилища;
• КПД гидроподъема и выработки электроэнергии относительно низкое.
ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Compressed Air Energy Storage (CAES) – аккумулирование энергии с помощью сжатого воздуха: CAES использует непиковую энергию для сжатия и хранения воздуха в воздухонепроницаемом подземном резервуаре или пещере. При пиковой нагрузке запасенный воздух выпускается из пещеры и пропускается через турбину с генератором. В 1991, первые в США CAES мощностью 110 МВТ был построен в Mclntosh, Штате Алабама, Алабамским Электрическим Обществом и EPRI. В настоящее время, изготовители могут создать CAES системы в пределах от 5–350 МВТ. EPRI оценил, что больше чем 85% пещер США имеют геологические характеристики, которые можно приспособить для CAES.
Пневмоаккумуляторы – устройства, накапливающие газ и отдающие ее в моменты наибольшего расходования с преобразованием в другие виды энергии или без этого преобразования. В ракетной технике есть почти забытый (из-за того, что само устройство давно уже не применяется) термин воздушный аккумулятор давления (ВАД). [14]
ХИМИЧЕСКИЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Химические аккумуляторы – устройства для получения электрического тока и напряжений в результате химической реакции, как правило, в группе из однотипных батарей (многоразовых гальванических элементов), соединенных электрически и конструктивно. В настоящее время широко используются в аэрокосмической технике. Попытки улучшения энергомассовых характеристик этого типа аккумуляторов ведут многие электрические, электронные и автомобильные компании мира. [14]
МАХОВИКИ И СУПЕРМАХОВИКИ:
Маховики в настоящее время используются для множества побочных применений. Для хранения энергии исследования начаты сравнительно недавно. Маховик состоит из махового колеса, которое вращается с очень высокой скоростью и имеет связь с электрическим аппаратом, который может работать или как двигатель или как генератор. Использование магнитных подшипников и вакуумной камеры позволяет уменьшить потери энергии (не более 2%). Основные проблемы в прочности материала колеса, способного выдержать сверхвысокие скорости вращения.
В развитых странах (США, Англия, Германия, Япония) развернуты обширные исследования различных устройств аккумулирования энергии с использованием супермаховиков, однако приоритет в разработках супермаховиков и вариаторов принадлежит профессору, доктору технических наук Нурбею Гулиа, заведующему кафедрой Московского государственного индустриального университета МГИА (бывший автомобилестроительный ВТУЗ ЗИЛ – МАСИ), которому принадлежат десятки патентов в этой области.
На практике маховики как аккумуляторы уже неоднократно применялись:
В 1860 году российский изобретатель, инженер-порутчик З.Шуберский опубликовал идею использования мощных маховиков на железнодорожном транспорте, новый вид транспорта назвали «маховозом» [г. «Современная летопись» 1862, июль]. [14]
В 1918 году изобретатель-самоучка Анатолий Г.УФИМЦЕВ получил патент на идею маховикового аккумулятора, в 1920-х годах предложил использовать инерционные аккумуляторы для приведения в движение трамваев в г.Курске, но проект не был воплощен в жизнь. По неподтвержденным данным, маховик Уфимцева, возможно, испытывали на Кольском полуострове. [14]
Американский ученый, изобретатель Дэвид Рабенхорст сумел даже построить и испытать 2-местный махомобиль. В 1990-х годах западные автомобилестроительные фирмы испытали, по крайней мере, еще одну модель, но на серийный выпуск никто не решился. [14]
Так или иначе, если не считать создания нескольких экспериментальных моделей маховичных автомобилей, работа по созданию и испытанию супермаховиков в мире, а тем более в России, практически не ведется, хотя это направление и обещает большие открывающиеся перед конструкторами перспективы. [14]
СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Сверхпроводящие аккумуляторы – электронакопительные системы, состоящие из бесконечно длинного (замкнутого) проводника с нулевым сопротивлением. Очевидный плюс этой системы – компактность, энергоемкость, способность хранить энергию без потерь на протяжении сколь угодно долгого времени, пока в проводнике будет сохраняться состояние сверхпроводимости. Учитывая, что в настоящее время широко производятся только холодные и теплые сверхпроводники (с хладагентами гелием и азотом соответственно), надо добавить, что при длительном использовании такого аккумулятора понадобятся дополнительные расходы энергии на охлаждение сверхпроводников. Наилучшим вариантом, конечно же, было бы создание сверхпроводящего аккумулятора из горячих сверхпроводников, сохраняющих свои свойства при температурах +100–200 и выше градусов Цельсия. Работы по созданию таких материалов в настоящее время усиленно ведутся во всем мире. [14]
КОНДЕНСАТОРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Конденсаторные аккумуляторы – системы, накапливающие электрические заряды, состоящие из двух и более подвижных или неподвижных электродов (обкладок), разделенных диэлектриком (бумагой, слюдой, воздухом и др.); самые старые из известных электрических аккумуляторов (впервые «лейденскую банку» изготовили в середине XVIII века в голландском городе Лейдене).
Один из несомненных «плюсов» конденсаторов – способность выдать всю или часть запасенной энергии в самые короткие сроки, один из «минусов» – опасность непредвиденного пробоя, который при мгновенном выделении всей запасенной энергии будет сравним со взрывом. В перспективе конденсаторные батареи вполне могут значительно повысить свои энергомассовые характеристики – настолько, что станут вполне конкурентоспособными с любыми применяющимися аккумуляторами или даже превзойти их. Все зависит от того – сумеют ли современные ученые значительно повысить емкость конденсаторов за счет применения новых технологий, материалов и конструкций. [14]
Суперконденсаторы находятся на самой ранней стадии развития в качестве технологии хранения энергии. Электрохимический конденсатор состоит из двух противоположно заряженных электродов, сепаратора, электролита и сборки. В настоящее время только маленькие суперконденсаторы в диапазоне семи – десяти ватт широко доступны для домашних электрических устройств. Развитие конденсаторов большего масштаба было сосредоточено на электрических транспортных средствах [24]. В настоящее время, для мощностей smal-масштаба (<250 kW), суперконденсатор является одним из самых многообещающих аккумуляторов.
ТЕПЛОВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Теплоаккумуляторы – устройства, накапливающие тепло, предназначенное для покрытия пиков тепловой нагрузки или для получения других видов энергии. Устройства такого типа эффективны в прямой зависимости от существующей в агрегате и вокруг его разницы температур. Тепловые аккумуляторы уже использовались на спускаемых аппаратах АМС «Венера-9» и других автоматических зондах для охлаждения аппаратуры. [14]
В рамках Инновационного форума Росатома предлагался проект теплового аккумулятора для блока АЭС с ВВЭР-1000. В настоящее время предлагается схема отбора пара турбины на нагрев аккумулирующего вещества в период низкого энергопотребления и производство дополнительного пара на турбину от саккумулированного тепла в период пиковых нагрузок.
ПЛАЗМОИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Плазмоаккумуляторы для хранения большого количества энергии используют, по мнению авторов разработок, свойства и способность плазмы создавать долгоживущие сгустки энергии в виде шаровой молнии. [14]
В 1991 году физик В.П.Яковлев совместно с В.И.Андриановым, основываясь на собственных исследованиях природы шаровой молнии, подал заявку и получил патент СССР N 1831977 на «безотказный способ синтеза шаровых плазмоидов». Как явствует из документов, в 1994 году они также подали заявку и на «Способ аккумуляции энергии в шаровом плазмоиде и плазменном аккумуляторе» номинальной энергией 85 МДж (около 23 кВт/ч), габаритами 50х50х80 см, массой 50 кг. Несмотря на возможно многообещающие перспективы этого способа аккумуляции, до сих пор не было выделено финансирования для широкомасштабных исследований в этом направлении. [14]
Последнее пятилетие происходят значительные изменения в автомобильной промышленности. Год от года растут продажи гибридных автомобилей. По оценкам специалистов, через 10 лет на гибридные автомобили будет приходиться 37% мировых продаж автомобилей. Автомобильные гиганты тратят громадные средства для разработок электромобилей и водородных топливных ячеек. General Motors обещает переворот в автомобильной индустрии уже совсем скоро. Перевод парка автомобилей на электрический привод ограничивается на сегодняшний день только низкими удельными параметрами аккумуляторов энергии, в качестве которых на сегодняшний день используются только электрохимические батареи. Однако, если представить на секунду, что все водители авто пересядут на электромобили, это потребует примерно удвоения существующих на сегодня электрогенерирующих мощностей ТЭС и АЭС. Таким образом, атомная энергетика, заинтересована в этом процессе, так как дефицит электроэнергии подхлестнет развитие и атомной энергетики. Прямые разработки высокотехнологичными предприятиями атомной промышленности перспективных аккумуляторов энергии для электромобилей может качественно ускорить этот процесс и подстегнуть строительство новых блоков АЭС. Необходима также будет сеть заправочных станций, закачивающих электроэнергию в аккумуляторы электромобилей и гибридных автомобилей. Наиболее перспективными могут быть разработки супермаховиков, как наиболее эффективных аккумуляторов по удельным параметрам. В атомной промышленности накоплен большой опыт по производству высокооборотных центрифуг для обогащения урана, который может быть использован и для разработки перспективных супермаховиков. В этом отношении атомная отрасль имеет некоторое технологическое опережение и высокий интеллектуальный потенциал персонала по сравнению с другими отраслями, что может положительно сказаться на конкурентной способности изделий на базе супермаховиков.
Аккумуляторы энергии на базе супермаховиков могут быть использованы для:
• аварийного электропитания систем безопасности АЭС и других промышленных объектов, требующих надежного резервирования электропитания;
• покрытия пиковых нагрузок электросетей, участия в общем первичном регулировании частоты (ОПРЧ) сети;
• источника электропитания электромобилей;
• источника электропитания электропоездов;
• источника электропитания водных судов и других транспортных средств;
• источников бесперебойного электропитания в быту и промышленности.
Американская компания Beacon Power, основанная в 1997 году, создала целую линейку тяжелых стационарных супермаховиков, предназначенных для включения в промышленные энергосети [12].
Расчетный срок службы этой конструкции – 20 лет, диапазон рабочих температур – от минус 40 до плюс 50 по Цельсию. Заявленная устойчивость системы к землетрясениям – 40 секунд без повреждений при силе толчков до 7,6 по шкале Рихтера.
Рис. 1. Устройство маховика
Beacon Power сообщает, что потеря энергии, закачанной и позднее забранной из этих накопителей, составляет 2%, что заметно лучше, чем у систем хранения энергии, основанных на иных принципах (химические аккумуляторы, гидроаккумулирующие станции). Аккумуляторы предназначены для работы в качестве буфера, компенсирующего резкие пики и спады потребления в течение суток. В США, например, уже действует многомиллионный рынок регулирования частоты тока в сети. Специализированные компании предлагают генерирующим компаниям услуги по регулированию частоты в сети. Энергокомпании, испытывающие проблемы с наличием и мгновенным подключением резервных мощностей в пики нагрузки и с проблемой «лишней» энергии в моменты спада потребления, заключают контракты с небольшими компаниями на услугу «регулирование частоты». Для АЭС и ТЭС гонять то «вверх», то «вниз» мощности энергетически невыгодно, а если говорить буквально о секундной оперативности в изменении мощности, то и попросту – невозможно. Для таких услуг Beacon Power предлагает применять целые кластеры маховичных накопителей с соответствующей управляющей электроникой, которые обладают высокой пиковой мощностью и могут очень быстро реагировать на скачки частоты в подключенной к ним сети. Этот проект Beacon Power называется Smart Energy Matrix. В конечном виде он будет представлять собой 18-тонный контейнер (морской, 30-футовый), содержащий 10 маховичных накопителей Smart Energy 25, с суммарной продолжительной мощностью в 1 мегаватт (на короткое время, в несколько минут, и до 2 мегаватт), и с накапливаемой энергией – до 250 киловатт-часов. Время реакции всей этой системы на уход частоты в подшефной сети – порядка 5 миллисекунд. Уже в следующем году компания намерена построить полноразмерный образец Smart Energy Matrix. В планах компании – строительство целых стационарных комплексов по регулированию частоты сети (и поставке мощностей в пик нагрузки сети). Причем фирма намерена не только предложить такой продукт клиентам, но сначала построить в разных частях страны такие заводы для собственного владения. Beacon Power станет не только поставщиком оборудования, но и сама выйдет на рынок регулирования частоты сети. 20-мегаваттный (по максимальной мощности, выдаваемой или, наоборот, впитываемой в течение 15 минут) регулирующий завод будет состоять из 200 супермаховиков. Их суммарный запас энергии составит 5 мегаватт-часов. Поглощая или выдавая по первому требованию эти самые 20 мегаватт мощности, такое сооружение (занимающее, к слову, площадь всего в 20 соток, включая все сопутствующее оборудование) способно обеспечивать 40-мегаваттную «вилку» в реагировании той или иной электрической сети на колебания в потреблении энергии. При этом время полной реакции, то есть, время, требуемое на подключение в сеть всей своей пиковой мощности, у данного завода составит менее 4 секунд.
Не надо также забывать, что в случае использования подобных аккумуляторов для ОПРЧ блок будет работать в базовом режиме, а следовательно, с наивысшим коэффициентом использования установленной мощности (КИУМ). Установка 500МВт аккумулирующих мощностей эквивалентна строительству нового блока АЭС в 1000МВт, а стоимость одного блока колеблется в диапазоне 1,5–1,6 млрд долларов США по данным Гендиректора концерна Росэнергоатом С.Обозова [15]. Стоимость аккумуляторов оценивается на уровне 400-500 $/кВт установленной мощности [17], и это при сроке монтажа не более 3–4 месяцев.
Рис. 2. Проект «Beacon Power Smart Energy Matrix»
Рис. 3. Матричное расположение супермаховиков в здании. Параметры: Электрический ток постоянный. Мощность выходная – 13,5 МВт. Энергия запасаемая: 1,35 MWh при 13,5 МВт. Размер: 60 [футы] L x 42 [футы] W = 2520 [ft2]. Вес: 180 000 [фунты]
С экономической точки зрения разработка кластеров массивных супермаховиков, подобных разработкам Beacon Power, в нашей энергетике может принести значительную прибыль с учетом вводимого ограничения по тарифам для АЭС и ТЭС, не участвующих в регулировании частоты сети. Не надо забывать и о повышении надежности и безопасности оборудования АЭС и ТЭС, при условии постоянной работы в базовом режиме без колебаний мощности. Перспективы для подобных разработок у нас есть: это приоритет по патентам профессора Н.Гулиа и реальный опыт Атомпрома при создании высокооборотных центрифуг для обогащения урана. По заказу фирмы Сименс профессором Н.Гулиа испытаны магнитные подшипники для ротора весом 1.5 тоны. Российские разработки в области высокооборотных центрифуг считаются одними из лучших в мире. В ЦНИИ «Дельфин», специализирующемся на разработке гироскопов с быстровращающимся ротором для ВМФ разработан специальный виброустойчивый гидростатический подшипник скольжения, выдерживающий 300 000 оборотов в минуту. Соединение этих составляющих при соответствующем финансировании может создать условия для разработки в России супермаховика промышленного использования. Не надо забывать и о других приложениях подобных систем аккумулирования, о которых говорилось выше (источники бесперебойного питания, источники аварийного питания, транспорт и т.д.).
На базе нанотехологии разработано углеродное волокно невероятной прочности – на несколько порядков прочнее стали. Подобные разработки открывают неограниченные возможности для кольцевых супермаховиков с концентрацией энергии до 50 кВт•ч/кг и выше, что превышает показатели, например, водорода, как самого энергоемкого на сегодняшний день (См. табл. 1) материала. Доведение до подобных параметров плотности энергии совершит переворот в энергетике и транспорте. Вполне возможно, что в будущем супермаховики будут основным конкурентом водородной энергетики, которой все прочат большие перспективы. ВВС США выделили деньги на разработку стартового комплекса запуска спутника с помощью магнитной пушки и систем магнитной подвески. Предполагается построить масштабный прототип системы с кольцом диаметром около 50 метров. А в окончательном виде система должна представлять собой кольцо диаметром 2 километра с комплексом сверхпроводящих электромагнитов для удержания и разгона контейнера со спутником до скорости 10 км/с [16]. Разгонное кольцо в этой системе, по сути, может служить прототипом кольцевого супермаховика, подтверждающим фактором технической возможности создания кольцевого супермаховика. Применение больших кольцевых супермаховиков для нужд аккумулирования энергии, вырабатываемой на АЭС и ТЭС, позволит перевести весь парк АЭС на работу исключительно в базовом режиме, что, в свою очередь, позволит увеличить коэффициент использования установленной мощности (КИУМ), повысить надежность и устойчивость работы АЭС, исключить потери на балансирующем рынке и потери в виде штрафных санкций (до 5% от тарифа отпускаемой электроэнергии) за неучастие в ОПРЧ, выйти на рынок услуг по регулированию частоты сети не только в России, но и за рубежом.
Как устроены и работают маховичные (кинетические) накопители энергии
FES – аббревиатура, обозначающая «Flywheel energy storage», то есть хранение энергии с применением маховика. Имеется ввиду, что механическая энергия накапливается и хранится в кинетической форме, в процессе вращения на высокой скорости массивного колеса.
Аккумулированная таким способом механическая энергия может быть позже преобразована в электричество, для этого маховичную систему совмещают с обратимой электрической машиной, способной работать и в двигательном, и в генераторном режимах.
Когда энергию необходимо накопить, электрическая машина служит двигателем и раскручивает маховик до требуемой угловой скорости, потребляя при этом электрическую энергию от внешнего источника, по сути — преобразуя энергию электрическую — в энергию механическую (кинетическую). Когда же накопленную энергию нужно отдать в нагрузку, электрическая машина переходит в генераторный режим, и механическая энергия отдается, маховик при этом замедляется.
Самые современные накопители энергии на базе маховиков обладают достаточно высокими показателями удельной мощности, и вполне могут конкурировать с традиционными системами накопления энергии.
Особенно перспективными в этом плане считаются кинетические аккумуляторные установки на базе супермаховиков, где вращающееся тело изготавливается из высокопрочной графеновой ленты. Такие накопители способны накапливать до 1200 Вт*ч (4,4 МДж!) энергии НА 1 КИЛОГРАММ массы.
Новейшие наработки в сфере супермаховиков уже позволили разработчикам отказаться от идеи применения монолитных накопителей в пользу менее опасных ленточных систем.
Дело в том, что монолитные системы представляли опасность в случае аварийного разрыва, да и энергии могли накопить меньше. Ленточные же при разрушении не разлетаются на крупные осколки, а разрушаются лишь частично; при этом отделившиеся части ленты тормозят маховик трением о внутреннюю поверхность корпуса и предотвращают дальнейшее его разрушение.
Высокая удельная энергоемкость супермаховиков, изготавливаемых методом навивки ленты или волокна с натягом, достигается благодаря ряду вспомогательных факторов.
Во-первых, маховик эксплуатируется в вакууме, что сильно снижает трение по сравнению с воздухом. Для этого вакуум в корпусе постоянно должен поддерживаться системой создания и поддержания вакуума.
Во-вторых, система обязана уметь автоматически балансировать вращающееся тело. Для демпфирования вибраций и гироскопических колебаний принимаются специальные технические меры. Словом, маховичные системы весьма требовательны с точки зрения проектирования, посему их разработка — сложнейший инженерный процесс.
Казалось бы, в качестве подшипников лучше подойдут магнитные (в т.ч. сверхпроводящие) подвесы. Однако от низкотемпературных сверхпроводников в подвесах инженерам пришлось отказаться, поскольку они требуют много энергии. Куда лучше для средних скоростей вращения подошли гибридные подшипники качения с керамическими телами. Что же касается высокоскоростных маховиков, то здесь оказалось экономически приемлемым и весьма экономичным применение в подвесах высокотемпературных сверхпроводников.
Одно из главных преимуществ систем хранения FES, после высокой удельной энергоемкости, – их сравнительно продолжительный строк эксплуатации, который может достигать 25 лет. Кстати, КПД маховичных систем на основе лент графена доходит до 95%. Далее стоит отметить скорость зарядки. Она, конечно, зависит от параметров электрической установки.
Для примера, маховичный рекуператор энергии в метро, работающий при разгоне и торможении поезда, заряжается и разряжается за 15 секунд. Считается, что для получения высокой эффективности от маховичной системы хранения, номинальное время ее зарядки и разрядки не должно превышать одного часа.
Применимость систем FES довольно широка. Они могут с успехом применяться на различных грузоподъемных устройствах, давая выигрыш в энергозатратах до 90 % при погрузке-разгрузке. Данные системы могут эффективно применяются для быстрой зарядки аккумуляторов электротранспорта, для стабилизации частоты и мощности в электросетях, в источниках бесперебойного электропитания, в гибридных установках автотранспорта и т.п.
При всем этом у маховичных систем хранения есть примечательные особенности. Так, если применяется материал с высокой плотностью, то удельная энергоемкость накопителя понижается из-за снижения номинальной частоты вращения.
Если же применяется материал низкой плотности, то энергоемкость повышается благодаря повышению частоты вращения, однако при этом усиливаются требования к вакууму, а также к опорам и уплотнениям, кроме того усложняется электрический преобразователь.
Лучше всего в качестве материалов для супермаховиков подходят высокопрочные стальные ленты и волокнистые материалы, такие как кевлар и углеволокно. Наиболее же перспективным материалом, как отмечалось выше, остается графеновая лента в силу не только приемлемых прочностных и плотностных показателей, но главным образом — благодаря безопасности при разрыве.
Возможность разрыва — главное препятствие для создания высокоскоростных маховичных систем. Композитные материалы, которые намотаны и склеены слоями, распадаются быстро, сначала расслаиваясь на нити малого диаметра, которые мгновенно переплетаются и замедляют друг друга, а затем на раскаленный порошок. Контролируемый разрыв (в случае аварии) без повреждений корпуса — одна из главных задач инженеров.
Выделение энергии в результате разрыва можно смягчить с помощью инкапсулированной жидкой или гелеобразной внутренней облицовки корпуса, которая примет на себя энергию в случае разрушения маховика.
Один из способов защиты при разрыве заключается в том, чтобы разместить маховичный накопитель под землей, дабы остановить любые фрагменты, которые в случае аварии разлетятся со скоростью пули. Тем не менее известны случаи когда вылет фрагментов получается вверх из под земли, с разрушением не только корпуса, но и прилегающих построек.
Рассмотрим, наконец, физику процесса. Кинетическая энергия вращающегося тела определяется формулой:
где I – момент инерции вращающегося тела
угловая скорость может быть представлена так:
Например, для СПЛОШНОГО ЦИЛИНДРА момент инерции равен:
и тогда кинетическая энергия для сплошного цилиндра через частоту f получается равна:
где f – частота (в оборотах в секунду), r – радиус в метрах, m – масса в килограммах.
Рассмотрим для понимания грубый пример. Чайник мощностью 3 кВт кипятит воду за 200 секунд. С какой скоростью должен вращаться сплошной цилиндрический маховик весом 10 кг и радиусом 0,5 метров, чтобы в процессе его остановки энергии хватило бы на то, чтобы вода успела закипеть? Пусть КПД нашего генератора-преобразователя (способного работать при любых оборотах) равен 60%.
Решение. Общее количество энергии, необходимое для закипания чайника 200*3000 = 600000 Дж. С учетом КПД, требуется 600000/0,6 = 1000000 Дж. Применив приведенную выше формулу, получим значение 201,3 оборота в секунду.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!