Маховичные накопители А.Г. Уфимцева.
Помните, мы говорили, что ученые разрабатывают проекты гигантских накопителей энергии на основе сверхпроводящих катушек – четверть километра диаметром и 50. 70 метров высотой. И накапливать они должны десятки миллионов мегаджоулей энергии. Такие накопители нужны для аккумулирования энергии в период ночных недогрузок электростанций и для выделения ее при перегрузках в часы «пик». Наиболее чувствительны к недогрузкам и перегрузкам атомные электростанции, на долю которых с каждым годом будет приходиться все большая и большая часть электроэнергии, вырабатываемой как у нас в стране, так и во всем мире.
А пригодны ли супермаховики для накопления столь огромных количеств энергии и что они будут представлять собой в этом случае?
Применение маховичных накопителей на электростанциях тесно связано с именем известного русского изобретателя-самоучки А.Г. Уфимцева, которого Горький назвал «поэтом техники». Изобретения Уфимцева были необычайно широкого диапазона – от керосиновых ламп до самолетов. Тщательно проанализировав различные способы накопления энергии для ветроэлектростанций, в том числе «водородное» и тепловое аккумулирование, он пришел к выводу, что маховичный накопитель подходит для этих целей лучше других.
Первый маховичный аккумулятор был построен Уфимцевым в 1920 году из паровозного буфера. Маховик имел массу всего 30 килограммов и вращался в вакуумной камере с давлением около 5 гектопаскалей, делая 12 тысяч оборотов в минуту. Вывод мощности из камеры осуществлялся электрическим путем с помощью мотор-генератора.
Электромаховичный накопитель Уфимцева: 1 — маховик; 2 — вал; 3 — упругий подвес; 4 — шаровой шарнир; 5 — подшипник; 6 — кожух; 7 — электродвигатель-генератор.
Более крупную модель накопителя с маховиком массой 320 килограммов Уфимцев создал в 1924 году. После зарядки маховик обеспечивал равномерное горение нескольких электроламп по 1000 свечей в течение часа. Этот накопитель Уфимцев применил на ветроэлектростанции, которая существует в городе Курске и сейчас. Все куряне знают «ветряк Уфимцева» и гордятся им.
Маховик Уфимцева, как и сверхпроводящие накопители, аккумулировал электроэнергию в периоды ее избытка, во время порывов ветра, а затем равномерно распределял ее даже при полном отсутствии ветра. Крутиться он мог без подзарядки около 14 часов, однако, по словам старожилов, еще не было такого случая, чтобы ветер за это время ни разу не подул.
Идеи одаренного русского самоучки воплощены сегодня в любом маховичном накопителе для электростанций. Например, американский изобретатель Аллан Милнер разработал супермаховичный накопитель для солнечной электростанции. Известно, что солнечный свет, преобразованный в электроэнергию, может питать потребителей только днем, да и то в безоблачную погоду. А для того, чтобы использовать эту энергию ночью и в пасмурные дни, ее необходимо предварительно накапливать, и по возможности с минимальными потерями.
Накопитель Милнера состоит из супермаховика диаметром около метра, массой 2 тонны, вращающегося со скоростью 15 000 оборотов в минуту. Супермаховик подвешен на шести магнитных подшипниках, причем подвеска подстрахована обычными шарикоподшипниками. Разгон супермаховика и отбор энергии от него осуществляются мотор-генератором с постоянными магнитами, наиболее экономичным из известных машин подобного типа. Накопитель аккумулирует почти 150 мегаджоулей энергии, при этом потери составляют всего около 12 процентов. Плотность энергии такого накопителя в полтора раза превышает этот показатель у свинцово-кислотных аккумуляторов, а долговечность – во много раз.
В 1918 году русский изобретатель-самоучка А.Г. Уфимцев получил патент на маховичный накопитель – инерционный аккумулятор. А в 20-х годах он предложил использовать маховик для приведения в движение трамвая в своем родном городе Курске. Из-за разрухи в народном хозяйстве в те годы проект этот не был осуществлен.
Эпоха современного применения маховиков на транспорте начинается с разработки маховичных тележек для внутризаводских перевозок. В цехах ездить на грузовиках нельзя, мешают выхлопные газы, а электрокары невелики, грузоподъемность их мала. Вот умельцы на заводах и стали делать грузовые тележки с приводом от маховика. В Казани на компрессорном заводе до сих пор работает такая маховичная тележка грузоподъемностью до 10 тонн.
Еще важнее для промышленности оказались маховичные локомотивы, работающие в шахтах и рудниках. Атмосфера некоторых подземных выработок настолько насыщена взрывоопасными газами, что там становится невозможным использование обычных электровозов. Только один вид транспорта – маховичный – дает полную гарантию от искры или пламени, могущих вызвать взрыв.
И вот у нас в стране начался выпуск маховичных локомотивов, способных проходить с одной раскрутки маховика массой 1,5 тонны несколько километров, таща за собой состав вагонеток. Раскручивается маховик от сжатого воздуха, а с колесами локомотива его соединяет механическая передача, полностью гарантирующая от искр.
«Транспортом пороховых складов» прозвали маховичный транспорт за его пожаро- и взрывобезопасность.
И, наконец, применение маховиков на автомобилях началось с изготовления швейцарской фирмой «Эрликон» маховоза-гиробуса, опытный образец которого был построен в 1945 году. Уже в 1953 году фирма выпустила серию гиробусов, добросовестно проработавших 20 лет в самой Швейцарии, в Бельгии и в Африке.
Масса гиробуса была 11 тонн, а с пассажирами – 16 тонн. Его тяговые электродвигатели питались от генератора, приводимого во вращение маховиком. Маховик, выкованный из прочной стали, имел диаметр 1,5 метра и массу 1,5 тонны. Скорость его вращения составляла в начале движения 3000 оборотов в минуту, а по прошествии 4. 6 километров пути снижалась вдвое. Из накапливаемых маховиком 33 мегаджоулей энергии использовалось 75 процентов.
Подзаряжался маховик на остановках через 1,2. 2 километра в течение 40 секунд. Для этого штанги гиробуса поднимались до соприкосновения с контактами на высокой мачте. Генератор начинал работать в режиме двигателя и разгонял маховик. Хотя КПД гиробуса был невысок – всего 50 процентов, он показал себя очень экономичным транспортом. Расход энергии составлял 1,5 кВт·ч, или 5,5 мегаджоуля на километр пробега. Для сравнения напомню, что автобус того же класса, что и гиробус, расходует на пробег 1 километра не менее 400 граммов бензина, что в переводе на механическую работу в три раза больше – 17 мегаджоулей.
Гиробус на станции подзарядки
Гиробус совершенно не загрязнял окружающую среду. А ведь даже электроаккумулятор выделяет в атмосферу водород и пары, которые содержат в себе такие вредные вещества, как свинец, кадмий, хлор и другие. Гиробус не требовал, как троллейбус, для своего движения контактных проводов, уродующих вид города и создающих опасность поражения током. Он ехал совершенно бесшумно, его штанги не терлись и не искрили при движении.
И все же, несмотря на все эти преимущества, гиробус проиграл соревнование с дорогим, дымящим и шумным автобусом. Это произошло в основном потому, что гиробус приходилось часто подзаряжать. Он мог пройти на энергии маховика в идеальном случае 8 километров, а в действительности – около 6 километров, после чего останавливался. Для городского транспорта это слишком мало.
Я прикинул, что маховику гиробуса, чтобы стать «энергетической капсулой», нужно «похудеть» раз в десять и во столько же раз увеличить количество накапливаемой энергии.
Иначе говоря, требуется повысить плотность энергии маховика ни мало ни много – в сто раз! Это будет, конечно, меньше, чем у «метеорига на привязи», но гораздо больше, чем у самых совершенных аккумуляторов.
Итак, задача ясна. Если мне удастся «закачать» в маховик столько энергии, то проблему создания «энергетической капсулы» можно считать решенной.
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов
Источник
Супермаховик Нурбея Гулиа – механический накопитель энергии
Началом своих исследований Нурбей Гулиа называет задачу, поставленную им самим перед собой в пятнадцать лет – создание «энергетической капсулы»: энергоемкого накопителя безвредной для человека и окружающей среды энергии. С тех пор он изучил множество способов решения, пока не остановился на маховике, известном с начала времен – гончарный круг, что как не маховик?
.
Нурбей Гулиа и один из его супермаховиков
Гибридный автомобиль Гулиа. Передние колеса имели привод от ДВС, а задние от вариатора и маховика
Первые испытания супермаховика Гулиа показали, что даже первая не самая совершенная конструкция, способна обогнать по плотности энергии свинцово-кислотные аккумуляторы при достаточной безопасности: разрыв ленты наступал при разгоне обода до 500 м/с (плотность составляла 100 кДж/кг). Тогда же было выдвинуто предложение использовать его на автомобиле и разработан первый гибрид на базе УАЗ-450Д.
.
За рубежом так же разрабатывают супермаховики с 60-х годов XX века, а позже (в 80-х) находят им применение и довольно успешно – в авиации и в космических аппаратах, в автомобильной промышленности, а также в качестве возможных источников бесперебойного питания для зданий. В этом случает супермаховик накапливает энергию во время избыточной, «пиковой» выработки станцией электричества, а во время увеличения потребления — отдает. Потери в такой установке составляют меньше двух процентов.
Такими установками занимается, например, Beacon Power, где разработаны большие стационарные супермаховики. От модели зависит запасаемая энергия (от 6 до 25 кВт⋅ч) и мощность (от 2до 200 кВт). КПД, как уже говорилось – 98%. Нурбей Гулиа так же не стоит на месте: под его руководством российская компания Kinetic Power разрабатывает свой стационарный накопитель кинетической энергии на базе супермаховика, который может запасти до 100 кВт⋅ч и обеспечить до 300 кВт.
.
Сегодня супермаховик — это барабан из композитных материалов помещенный в кожух, где создается вакуум для уменьшения трения. В теории такое устройство может хранить до 500 Втч (1,8 МДж) на кг массы. Использование современных материалов способно творить чудеса: навитый не из стали, а из углеволокна, маховик повышает энергоемкость в двадцать раз, а если научиться применять алмазное волокно, то энергоемкость составит 15 МДж/кг!
.
Нанотехнологии еще больше увеличивают возможности сумпермаховиков, ведь теоретически дают возможность достичь фантастической плотности энергии: до 2500−3500 МДж/кг. Представьте, на минутку, – на одной раскрутке 150-кг супермаховика, обычный легковой автомобиль будет способен проезжать два миллиона километров.
.
Технологии супермаховика, по совершенно непонятной причине так и не могут заинтересовать крупных инвесторов. Нурбей Гулиа по-прежнему работает над улучшением своего изобретения, разрабатывает возможность изготовления графенового супермаховика (энергоемкость составит 1,2 кВт*ч/кг).
.
Источник
Супермаховик — Супераккумулятор?
Краткое описание работы тут .
До сих пор ни одному специалисту не удалось восстановить работоспособность этой электростанции, пытались очень многие, в основном зарубежные специалисты.
Одним из наиболее проработанных решений в области аккумуляции электроэнергии, является маховичный накопитель кинетической энергии.
Первые исследования в этой области начал проводить изобретатель супермаховика – профессор Нурбей Владимирович Гулиа, еще в 1960-х годах.
Чтобы Вы понимали, этой идеи практически столько же лет, сколько «Токамаку». Фактически, что Токамак – это Святой Грааль термоядерной энергетики, то и маховик — идеал для универсального аккумулирования энергии. По факту, ни того, ни другого нет, хотя исследования идут до сих пор.
Из открытых источников ясно, что маховики серьёзно рассматривались как универсальный накопитель энергии, ими даже «NASA» занималось.
Инженерам NASA удалось создать установку мощностью 1 кВт и ёмкостью 525 А•ч на основе супермаховика массой 113 килограммов. Предназначен он был для установки на космические аппараты.
Пик исследовательских работ над супермаховиками начался в 1980-х, проводили эксперименты с маховиками мощностью от 0,5 до 133 кВт•ч.
Первые испытания давали обнадёживающие результаты, маховичный накопитель превосходил электрохимические аккумуляторы того времени по ёмкости и эксплуатационным характеристикам. Вот-вот, и мир получит невероятную технологию хранения энергии.
Время шло, настал 2019 год, а «воз и ныне там». В чём же проблема?
А проблем у супермаховика не меньше, чем достоинств.
Самая большая проблема с которой столкнулись исследователи – гигантская потеря мощности при использовании механических подшипников. Маховик терял до 20% мощности за 1 час.
Но первоначально в расчётах это не фигурировало, и маховик даже с механическими подшипниками должен был работать сутками.
Оказалось, дело в сохранении гироскопического момента, он оказался настолько большим, что даже вращение Земли оказывало сильную нагрузку на сам маховик и его подшипники, тем самым не только увеличивая силу трения, но и износ подшипников.
Эту проблему решили путём применения электромагнитных подшипников.
Но их нужно не только запитать электрической энергией, но и ещё и охлаждать. Потому образ современного супермаховика – это цилиндр, обвитый какими-то трубочками и проводами, с торчащей компрессорной установкой.
Всё это значительно увеличило массу конечного продукта. Однако, теперь маховик был подвешен в электромагнитном поле, в вакуумной камере, и не имел физического контакта, а следовательно — износа.
Но это требовало дополнительных энергетических затрат, которые фактически и обеспечивал сам маховик, при этом постепенно «разряжаясь». Из-за этого ни одна рабочая модель автономно не проработала больше суток.
А кому нужен аккумулятор, пусть с неограниченным циклом зарядки/разрядки, который саморазряжется за сутки?
Как только ни пытались решить эту проблему учёные с инженерами, ничего у них не получилось.
И нет, нельзя создать устойчивую безопорную магнитную левитацию, применяя постоянные магниты — это физически невозможно, из-за свойств магнитного поля. (Смотри Теорему Ирншоу, вот тут довольно понятно всё показано ).
Это самый главный недостаток аккумулятора на основе супермаховика.
Все остальные – это мелкие косяки, которые мы даже рассматривать не будем.
Вся проблема, сдерживающая применение маховика как накопителя энергии в промышленном масштабе, — это его подвеска, есть два типа которой: механическая и электромагнитная.
Чтобы вы понимали, какая это большая проблема, приведу в пример Российские компании, занимающиеся этим направлением. Куратором данных компаний является сам создатель супермаховика Нурбей Владимирович Гулиа. Под его контролем они не придумали ничего лучше, чем просто использовать обычные механические подшипники. « Инновационная компания Кинемак », и ещё один ресурс , а тут вообще своё видение .
В отличие от Российских, зарубежные компании используют исключительно электромагнитный подвес.
Но несмотря на полное фиаско маховиков в качестве промышленного аккумулятора, они нашли применение в другом направлении. Более того, маховики не желают сдаваться и компании США и Германии пытаются с ними экспериментировать.
Источник