Аккумуляторы энергии инерционный аккумулятор

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Инерционный аккумулятор

Инерционные аккумуляторы ( рис. 83, к) применяют в самоходных машинах, работающих с меняющейся нагрузкой. Запасенная в маховике энергия при малых нагрузках рабочего органа реализуется затем — при повышенных нагрузках. Гидростатическая трансмиссия позволяет осуществлять зарядку инерционного аккумулятора при езде под уклон и затем использовать запасенную энергию при движении по горизонтальному участку пути или на подъеме. [1]

Инерционный аккумулятор , основанный на инерционном вращении маховика, в отличие от тела, движущегося равномерно и прямолинейно, может легко менять показатель инертности — момент инерции. Такие маховики переменного момента инерции позволяют регулировать угловую скорость вращения, что определяет многие полезные свойства инерционного аккумулятора. [2]

Чтобы инерционный аккумулятор максимально эффективно проявил свое свойство сохранять накопленную кииет-аческую энергию, движение маховика должна быть возможно ближе к инерционному вращательному движению. А для этого нужно, чтобы сопротивление вращению маховика было исчезающе мало и не оказывало заметного влияния па равномерность его движения. Нужно также, чтобы линейная скорость движения большей части массы маховика была максимально высокой — тогда при одной и той же инерционности маховика в ней будет накоплено большее количество кинетической энергии. Для нормальной работы инерционного аккумулятора необходимо, чтобы маховик был статически и динамически отбалансирован — иначе, кроме инерционного вращательного движения, маховик будет участвовать еще и в вибрационном движении, отнюдь не способствующем эффективному сохранению энергии. [3]

В инерционном аккумуляторе Уфимцева ( 1918 г.) для ветроэлектрических станций стальной диск вращается в глубоком вакууме, делая 20 000 об / мин. Предоставленный самому себе, он продолжает вращаться в течение двух недель. [4]

В инерционном аккумуляторе Уфимцева ( 1918) для ветроэлектрических станций стальной диск вращается в глубоком вакууме, делая 20000 об / мин. Предоставленный самому себе, он продолжает вращаться в течение двух недель. [5]

Стабилизирующие свойства инерционных аккумуляторов используются в так называемых однорельсовых экипажах, равновесие которых поддерживается помещенным в них стабилизирующим гироскопическим устройством. Это свойство гироскопов было использовано для стабилизации двухколесного экипажа русским инженером П. П. Шиловским, а еще ранее — англичанином Бренаном. [6]

Недостатком автомобилей с инерционными аккумуляторами является тс что для создания компактных и легких маховиков, способных выдерживат огромные окружные скорости, нужны специальные формы и материалы, зна чительно удорожающие изготовление. С целью повышения энергоемкости ма ховика и сохранения его относительно небольших габаритов сплошной метаг лический диск заменяют стальной пружинной намотанной лентой. Такой махе вик в 6 раз превосходит обычные маховики по плотности запасенной энерги. Разрывы ленточных маховиков не так разрушительны, как монолитных. Зат скорости вращения растут, а вместе с ними увеличивается запасенная кинети ческая энергия. [8]

Мощность потерь в инерционных аккумуляторах зависит от плотности окружающей среды. Зазор между маховиком и кожухом для обеспечения минимальных потерь должен составлять от 1 до 3 % диаметра маховика. При большем зазоре в движение вовлекается много газа и растут потери, а при очень малых зазорах пограничные слои газа начинают влиять один на другой. В водородной среде потери снижаются почти в 10 раз, а в гелиевой — в 7 раз по сравнению с воздушной. Даже температура окружающей среды влияет на потери энергии, например. [9]

Для компенсации таких длительных затиший инерционный аккумулятор явно непригоден. Поэтому для компенсации длительных затиший Ветчинкин и Уфимцев рекомендуют запасать энергию в других формах — химической, тепловой или потенциальной. К сожалению, их рекомендации пока не воплотимы в жизнь. [10]

Для реальных частот вращения маховиков инерционных аккумуляторов даже сравнительно малая неуравновешенность может вызвать большую центробежную силу. Отсюда видно, как тщательно должны быть отбалансированы маховики инерционных аккумуляторов, вращающиеся с весьма высокой скоростью, чтобы не могли возникнуть опасные динамические реакции, равные по величине центробежным силам инерции. [11]

Если такой метод будет разработан, инерционные аккумуляторы фактически лишатся внутренних потерь энергии, что обеспечит им почти 100 % — ный КПД. Маховик будет вращаться практически только по инерции. [12]

Наличие тяжелого быстро вращающегося маховика в инерционном аккумуляторе требует тщательной балансировки, так как в случае неуравновешенности маховика могут наступить опасные вибрации. [13]

В зависимости от вида накапливаемой энергии различают гидравлические аккумуляторы, инерционные аккумуляторы , пневматические аккумуляторы, тепловые аккумуляторы и электрические аккумуляторы. [14]

Так как выбег обычно длится гораздо дольше, чем работа или зарядка инерционного аккумулятора , снижение потерь при выбеге очень важно. Если отбор мощности осуществляется гидро — или электросистемой либо каким-нибудь из низкомоментных устройств вывода мощности ( описанных ниже), то зарядку инерционного аккумулятора удобно производить приводом весьма высокой мощности ( например, крупным электродвигателем) за очень короткое время. В этом случае описанная конструкция очень удобна, так как позволяет раскручивать маховик непосредственно за вал и откачивать воздух одновременно с зарядкой. [15]

Источник

ТЕХНОЛОГИИ, ИНЖИНИРИНГ, ИННОВАЦИИ

Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ

Альтернативные способы хранения энергии: от энергии воды, до инерционного аккумулятора

Мы так привыкли к аккумуляторам и батарейкам, что уже не представляем как еще можно запасаться энергией. Но, на самом деле, есть много интересных способов. Зачем вообще думать о других способах, если аккумулятор в вашем телефоне отлично справляется с задачами? Затем, что современные батареи и аккумуляторы не идеальны. Во-первых, их производство не экологично, во-вторых, емкость имеет предел, в третьих, для их производства используются редкоземельные металлы запасы которых не безграничны. А зачем что-то хранить, если можно просто взять и использовать, электричество ведь не портится? Благодаря нерегулярности использования электроэнергии людьми (день и ночь, например) лишнюю энергию нужно где-то запасать, пока она не понадобится снова. Так что проблема аккумулирования энергии не надумана. Энергия — это мера для форм движения и взаимодействия. В обычной батарейке, мы запасаем химическую энергии, которая при необходимости превращается в электрическую. Но есть и другие, альтернативные методы хранения энергии. Можно вообще обойтись без химии, ведь старая-добрая механика все еще работает.

Самая большая ГАЭС в мире

Альтернативные способы хранения энергии

Энергия воды

Наверное, древнейший способ известный человечеству. Потенциальная энергия воды запасается при помощи простого перегораживания русла и создания водохранилища (или любого другого накопления воды, включая вариант с водонапорной башней).

Когда нужно, открывается шлюз и потенциальная энергия превращается в кинетическую.

Крупнейшая гидроаккумулирующая станция в мире называется Bath County и расположена в США. Ее установленная мощность 3000 Мегаватт.

Кстати! Еще более древний способ — это использование упругости ветки. Согнутая ветка с веревкой превращается в лук — самое древнее оружие использующее не только физическую силу человека.

Ничто не мешает использовать в качестве накопителя любую другую массу, не обязательно воду. Можно понять на высоту любой груз, а когда понадобится — отпустить. Это гравитационный аккумулятор. И он был построен пока что в виде прототипа. Компания Advanced Rail Energy Storage построила систему потенциально подсобную хранить от 0,2 до 3 Гигаватт часов энергии.

Устройство состоит из железнодорожных вагонеток с грузом, которые могут подниматься и опускаться по наклонной траектории. Электродвигатель поднимает груз вверх, а когда он движется вниз, переключается в режим генератора. Достоинством этой идеи является то, что вода системе не нужна и построить такую установку можно где угодно.

Пневматический аккумулятор

Хранить энергию можно и в виде сжатого воздуха. Пневматический аккумулятор устроен просто. Сжатый под давлением газ, отличный способ запасти энергию, а чтобы он произвел полезную работу, достаточно открыть клапан и направить поток на турбину.

Единственным но существенным минусом, является то, что часть энергии неминуемо будет потрачена на нагрев самого газа при его сжатии, а при расширении температура будет падать вплоть до замерзания элементов системы. Производители заявляют, что КПД таких установок может достигать 50-70%.

Британская компания Energetix Group в 2009 установила две системы под названием Pnu Power способные в течение 10 часов “выдавать“ нужную мощность в электросеть. Правда, пока ни к каким особенным революционным изменениям в энергетике это не привело.

Аккумуляторы Pnu Power

Видимо сказывается низкая энергоемкость воздуха по сравнению с углеводородным топливом (плотность энергии).

Существует множество проектов, предлагающих аккумулировать энергию с помощью сжатого воздуха. Например, можно закачать воздух в пустующие шахты или в эластичные резервуары глубоко под водой (в таком случае давление воды будет работать “на систему”). Можно охладить воздух до жидкого состояния и хранить его в таком виде под землей. Идей множество.

Сжатый воздух можно использовать и в транспортной сфере. Например, такие автопроизводители как Peugeot, Citroën, Tata уже продемонстрировали концепт кары движущиеся за счет сжатого воздуха. Такие воздухомобили предлагаются как “в чистом виде” так и в виде гибридных систем.

Гибрид Citroen Cactus Airflow будет расходовать всего 2 литра топлива на 100 км

Инерционный аккумулятор

Еще один интересный способ аккумулирования энергии. Идея состоит в том, чтобы раскрутить маховик в виде колеса, а когда энергия понадобится отбирать ее преобразовывая кинетическую энергия вращения в электрическую или, на худой конец, в такую же кинетическую. Конечно, чтобы сократить потери на трение, такие маховики должны быть подвешены в магнитном поле и, по возможности, в вакууме.

И это не просто идея. На ее воплощение можно взглянуть “в металле”. Инерционные аккумуляторы только кажутся простыми устрйосвами.

Например, компания Beacon Power сообщает, что уже построила 3 коммерческие “регулирующие электростанции”, которые в общей сложности насчитывают более 400 колес.

Непросто, зато на 100% экологично. Да и КПД такого устройства достигает 98%.

В 2011 году компания Cisco открыла в штате Техас дата центр в котором в качестве источников бесперебойного питания используются маховики.

Инерционный транспорт

В 50-60-е годы существовал еще один интересный проект — гиробус. Это электрический автобус в котором вместо аккумулятора используется именно колесо-маховик. Такие “безрогие троллейбусы” некоторое время ездили в Швейцарии, Бельгии и Конго.

Но на существовавшем в то время техническом уровне концепция себя не оправдала. Гиробус был тяжелым из-за маховика (весом в три тонны), подшипники такого “колеса” очень быстро изнашивались. К тому же раскрученный маховик, это гироскоп, который как всем известно “пытается” сохранить стабильное положение относительно оси вращения, что затрудняет маневрирование и управление. В итоге, гиробусы можно встретить только в музее.

Хотя нет, есть еще одно место на Земле, это трасса гонки Le mans 24, гибридный автомобиль Audi R18 e-tron использует маховик для аккумулирования энергии, вместо привычных химических батарей.

Гибрид Audi R18 E-tron. Внутри у него супермаховик вместо химического аккумулятора

Почему же все эти интересные идеи до сих пор не реализованы? Есть такой интересный показатель, который называется плотность энергии, он показывает, какое количество энергии можно хранить в определенном объеме или массе. Все значения ниже Вт*час/кг (Ватт-часов в 1 килограмме массы):

• Сжатый воздух — 11-28
• Литий-ионный аккумулятор — 100–243
• Супермаховик — 300-500
• Уголь — 6 700–9700
• Дизельное топливо — 12 666
• Бензин — 12 888
• Водород (газообразный) — 39 405
• Уран 238 — 1 539 842 000

Как видно из списка, наши традиционные ископаемые виды энергии просто более плотно ею набиты, чем инновационные. Привычные литий-ионные аккумуляторы , чтобы обеспечить то же количество энергии, что и бензин, должны быть более чем в 100 раз тяжелее. Ну а ядерное топливо, по этому показателю, вообще вне конкуренции. Скорее всего, это основная причина низкого интереса к таким системам в современной энергетике. Но это только пока.

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

Источник

Самый эффективный способ накопления энергии стар как мир

Когда речь заходит о том, что надо как-то накопить энергию, многие сразу начинают думать об аккумуляторной батарее. Конечно, что же это может быть еще. Тем не менее, есть еще один способ, который используется не очень часто, но при этом имеет очень хорошие перспективы. Особенно, на фоне развития других технологий. Такие разработки даже применялись при производстве общественного и грузового транспорта. Их начало берет свои корни еще в Советском Союзе, но в последнее время технология начинает применяться все чаще. Несколько лет назад, когда позволял регламент, это использовалось даже в Формуле-1. Откроем завесу тайны и расскажем, как работает это достаточно простое, но гениальное изобретение, и о человеке, который посвятил этому жизнь.

Древний маховик тоже был своего рода аккумулятором.

Что такое маховик?

Говорить мы сегодня будем о супермаховиках и об их создателе Нурбее Гулиа. Хоть и кажется, что маховик это что-то устаревшее и чисто техническое, но и в новом электрическом мире ему есть место.

Маховик (маховое колесо) — массивное вращающееся колесо, использующееся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии или для создания инерционного момента, как это используется на космических аппаратах.

Сами маховики были изобретены очень давно и даже успешно применялись в промышленности тех лет. Есть даже находки в Междуречье и древнем Китае, которые подтверждают использование подобных устройств. Правда, тогда они делались из обожженной глины или из дерева и выполняли иные функции.

Где применяются маховики?

Благодаря своей массивности и законам физики, которые сопровождают движение маховика, он нашел применение во многих современных механизмах — от транспорта до промышленности.

Самое простое применение заключается в сохранении скорости вращения вала, на котором установлен маховик. Это может пригодиться во время работы какого-нибудь станка. Особенно, в те моменты, когда он испытывает резкие нагрузки и надо не допустить падения частоты вращения. Получается такой своего рода демпфер.

Наверное, самым частым местом, где встречаются маховики, является двигатель внутреннего сгорания автомобиля. Он позволяет сохранить скорость вращения двигателя при выключении сцепления. Тем самым снижается воздействие на трансмиссию, так как переключение передачи происходит в то время, когда двигатель работает на оборотах выше оборотов холостого хода. Кроме этого, так достигается больший комфорт и плавность движения. Правда, на гоночных машинах маховик очень сильно облегчается для снижения веса и увеличения скорости, с которой раскручивается двигатель.

Маховик легкового автомобиля.

Также маховики часто используются для стабилизации движения. Происходит это за счет того, что колесо, которым и является маховик, при вращении создает гироскопический эффект. Он создает сильное сопротивление при попытке наклонить его. Этот эффект легко ощутить, например, раскрутив колесо велосипеда и попытавшись его наклонить, или взяв в руки работающий жесткий диск.

Такая сила мешает при управлении мотоциклом, заставляя прибегать к контррулению, особенно на большой скорости, но очень помогает, например, для стабилизации корабля во время качки. Также подвесив такой маховик и учитывая, что он всегда находится в одном положении относительно горизонта, можно фиксировать его отклонения от корпуса объекта и понимать его положение в пространстве. Применение таких свойств маховика актуально в авиации. Именно вращающийся маховик позволит определить положение фюзеляжа самолета в пространстве.

Супермаховик Гулиа

Теперь, после достаточно долгого введения и предысторий, поговорим непосредственно о супермаховиках и о том, как они помогают сохранять энергию, не имея в составе каких-либо химических соединения для этого.

Нурбей Гулиа — создал и продвигает идею супермаховика, как накопителя энергии.

Супермаховик представляет собой один из типов маховиков, предназначенный для накопления энергии. Он специально сделан так, чтобы накапливать как можно больше энергии без необходимости применения по другому назначению.

Такие маховики тяжелые и очень быстро крутятся. Из-за того, что скорость вращения очень высокая, есть риск разрежения конструкции, но это тоже продумано. Сам маховик состоит из намотанных витков стальной пластичной ленты или из композитных материалов. Кроме того, что такая конструкция прочнее монолитной, она еще разрушается постепенно. То есть, при отслоениях маховик просто будет тормозиться и запутается в своих же частях. Думаю, не стоит объяснять, что разрыв маховика, который вращается со скоростью в десятки тысяч оборотов в минуту и весит минимум десятки килограмм, чреват очень серьезными последствиями.

Кроме этого, для обеспечения еще большей безопасности можно поместить систему с таким маховиком в бронекапсулу и закопать ее на несколько метров в землю. В этом случае движущиеся элементы точно никак не смогут навредить человеку.

Дополнительным плюсом использования бронекапсулы будет создание в ней вакуума, который позволит существенно снизить воздействие внешних сил на движение. Проще говоря, так можно свести к минимуму или вообще убрать сопротивление газовой среды (в обычном случае воздуха).

Так устроен супермаховик Гулиа.

В качестве дополнительных сил, мешающих вращению, еще выступает сопротивление подшипников, на которых установлен маховик. Но его можно установить на магнитный подвес. В этом случае силы воздействия сведены к такому минимуму, которым можно пренебречь. Именно по этой причине такие маховики способны крутиться месяцами. Кроме этого, магнитный подвес позволяет не задумываться об износе системы. Изнашивается только генератор.

Именно генератор и является тем элементом, который позволяет выработать электричество. Он просто подключается к маховику, и получая переданное им вращение вырабатывает электричество. Получается аналог обычного генератора, только для этого не надо сжигать топливо.

Чтобы получать еще больше интересной информации из мира высоких технологий, подписывайся на наш новостной канал в Telegram.

Для накопления энергии в то время, когда нет нагрузки, маховик раскручивается и тем самым “держит заряд”. Собственно, возможен и комбинированный вариант по аналогии с обычными аккумуляторами, которые могут одновременно отдавать энергию и заряжаться сами. Для раскрутки маховика используется мотор-генератор, который может как раскручивать маховик, так и забирать энергию его вращения.

Такие системы актуальны для накопления энергии в домохозяйствах и в системах зарядки. Например, подобная система по задумке инженеров Skoda должна использоваться для зарядки автомобилей. Днем маховик раскручивается, а вечером отдает заряд в электромобили, не нагружая городскую сеть в вечернее и ночное время. При этом можно заряжаться медленно от одного маховика или быстро от нескольких, с которых будет “сниматься” больше электричества.

Эффективность супермаховиков

Эффективность супермаховиков при всей их кажущейся архаичности достигает очень высоких значений. Их КПД доходит до 98 процентов, что даже не снилось обычным аккумуляторным батареям. Кстати, саморазряд таких батарей тоже происходит быстрее, чем потеря скорости хорошо сделанного маховика в вакууме и на магнитном подвесе.

Можно вспомнить старые времена, когда люди начали запасать энергию посредством маховиков. Самым простым примером являются гончарные круги, которые раскручивались и крутили, пока ремесленник работал над очередным сосудом.

Мы уже определись, что конструкция супермаховика достаточно проста, он имеет высокий КПД и при этом стоит относительно недорого, но есть у него один минус, который сказывается на эффективности его использования и стоит на пути массового внедрения. Точнее, таких минусов два.

Главным из них будет тот самый гироскопический эффект. Если на кораблях это полезное побочное свойство, то на автомобильном транспорте это будет очень сильно мешать и надо будет использовать сложные системы подвеса. Вторым минусом будет пожароопасность в случае разрушения. Из-за большой скорости разрушения даже композитные маховики будут выделять большое количество тепла за счет трения о внутреннюю часть бронекапсулы. На стационарном объекте это не будет большой проблемой, так как можно сделать систему пожаротушения, но на транспорте может создать очень много трудностей. Тем более, на транспорте риск разрушения выше за счет вибраций во время движения.

Где применяются супермаховики?

В первую очередь, Н.В. Гулия хотел использовать свое изобретение именно на транспорте. Даже было построено несколько образцов, которые проходили испытания. Несмотря на это, системы дальше испытаний не пошли. Зато применение такому способу накопления энергии нашлось в другой сфере.

Так в США в 1997 году компания Beacon Power сделала большой шаг в разработке супермаховиков для применения их в электростанциях на промышленном уровне. Эти супермаховики могли запасать энергию до 25 кВт⋅ч и имели мощность до 200 кВт. Строительство станции мощностью 20 МВт началось в 2009 году. Она должна была нивелировать пики нагрузки на электрическую сеть.

В России тоже есть подобные проекты. Например, под научным руководством самого Н. В. Гулиа компания Kinetic Power создала собственную версию стационарных накопителей кинетической энергии на базе супермаховика. Один накопитель может запасать до 100 кВт⋅ч энергии и обеспечивать мощность до 300 кВт. Система таких маховиков может обеспечивать выравнивание суточной неоднородности электрической нагрузки целого региона. Так можно полностью отказаться от очень дорогих гидроаккумулирующих электростанций.

Возможно использование супермаховиков и на объектах, где нужна независимость от электрических сетей и резервное питание. Эти системы имеют очень высокую скорость отклика. Она составляет буквально доли секунд и позволяет обеспечить действительно бесперебойное питание.

Такая идея «не зашла». Может получится с поездами?

Еще одним местом, где возможно применение Супермаховик, является железнодорожный транспорт. На торможение составов тратится очень много энергии и, если не тратить ее впустую, нагревая тормозные механизмы, а раскрутить маховик, накопленную энергию потом можно потратить на набор скорости. Вы скажете, что система на подвесе будет очень хрупкой для транспорта и будете правы, но в таком случае можно говорить и о подшипниках, так как запасать энергию надолго просто нет необходимости и потери от подшипников будут не такими большими на таком промежутке времени. Зато такой способ позволяет экономить 30 процентов энергии потребляемой поездом для движения.

Как видим, системы на супермаховиках имеют очень много плюсов и совсем немного минусов. Из этого можно сделать вывод, что они будут набирать популярность, становиться более дешевыми и массовыми. Это тот самый случай, когда свойства вещества и законы физики, знакомые людям с древних времен, позволяют придумать что-то новое. В итоге вы получили удивительным симбиозом механики и электрики, потенциал которого до конца еще не раскрыт.

Источник