Как с помощью супермаховика можно запасти электрическую энергию
Перейти к содержимому

Как с помощью супермаховика можно запасти электрическую энергию

  • автор:

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.

Самый эффективный способ накопления энергии стар как мир. Древний маховик тоже был своего рода аккумулятором. Фото.

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.

Где применяются маховики? Маховик легкового автомобиля. Фото.

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.

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

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).

Супермаховик Гулиа. Так устроен супермаховик Гулиа. Фото.

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.

Эффективность супермаховиков. Ленточный маховик. Фото.

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.

Где применяются супермаховики? Такая идея «не зашла». Может получится с поездами? Фото.

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.

Супермаховики — новые аккумуляторы энергии

Супермаховики - новые аккумуляторы энергии

Их не нужно будет в морозы заносить на ночь в тепло. Они будут гораздо дешевле обычных, ведь пластик дешевле цветных металлов. Срок их службы будет превышать срок службы самой машины. Заряжаться они будут от электродвигателей, от энергии рекуперации при торможении, от стационарных источников энергии.

Это инерциоиды, или маховики. Они накапливают энергию и потом по мере надобности отдают их потребителям. С большим маховиком и двигатель внутреннего сгорания не нужен. Энергию можно запасать и на энергозаправках, мощными электродвигателями разгоняя один или несколько маховиков. Они находятся в герметичном безвоздушном пространстве, и подвешены на мощных магнитах.

Их называют супермаховиками, так как они запасают энергии в тысячи раз больше обычных маховиков. Изобрёл их 50 лет назад русский учёный Н. Гулиа, но массово они не применялись. Только единичные кустарные разработки – тележки, заменявшие электрокары.

И вот теперь в промышленном масштабе это изобретение воспроизвели в Америке. Там супермаховики устанавливают в контейнеры по 17 тонн. И они могут запасать и отдавать энергию в 1,7 мегаватта! Они используются для стабилизации скачков напряжения энергосети. В России единая энергосистема не нуждается в таких стабилизаторах, так как работает по более надёжной схеме.

Однако если использовать супермаховики в транспорте, строительстве, и везде, где необходимо, можно сэкономить почти половину используемой нефти и газа! Не будет необходимости прогревать холодные двигатели в зимнее время, просто сел и поехал.

Ветряки даже небольшой мощности могут давать большую мощность, запасая её в таких аккумуляторах энергии. Просто поменял маховик на автомобиле, или перезарядил – раскрутил остановившиеся маховики и опять можно ехать. Далеко и долго.

В сравнении с электроаккумуляторами супермаховики выигрывают по всем показателям. Они долговечнее, проще и дешевле в изготовлении, и, что самое главное – экологически чище. И запасают гораздо большую энергию за в разы меньшее время. Также и отдают.

Ещё маховики могут отдавать мощность, не перенося инерцию на корпус. Например, электродрель большой мощности старается вырваться из рук за счёт инерции от сверла. Если вместо электромотора установить маховик – он будет сверлить с любой силой и чуть ли не сам держаться на заданном месте. Причём гироскопический эффект будет способствовать сверлению идеально ровного отверстия, как на станке. Раскрученный маховик дрели не даст её вибрировать в Ваших руках.

В-общем, ждут Вас невиданное энергетическое удобство и прочие блага цивилизации. Только вот кому – то сделать надо, ну или как всегда «оттуда» закупать придётся.

Автор: Виталий Жуков

  • Алюмомедные провода
  • Индигирка — дровяной электрогенератор или новая русская печь
  • Как устроены и работают сетевые фильтры

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Интересные электротехнические новинки

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика

Поделитесь этой статьей с друзьями:

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ ЗАПАСАНИЯ ЭНЕРГИИ

Современные тенденции развития многих областей науки и техники, таких как электроэнергетика, электротранспорт, электрораспределительные сети, а также возобновляемые источники энергии, ставят новые задачи по улучшению как количественных, так и качественных характеристик энергосистем. Одной из таких задач является задача запасания электроэнергии для улучшения показателей эффективности, качества и стабильности источников электроэнергии. Методы запасания энергии различаются по многим параметрам, таким как выходная мощность, количество запасаемой энергии, время хранения, количество циклов заряд/разряд, стоимость, массогабаритные показатели, а также по специфике внедрения. Все это ограничивает области их применения, а также требует внимания при проектировании энергосистем на их основе. Современной энергоэффективной и высокотехнологичной альтернативой перечисленным способам хранения энергии является устройство запасания кинетической энергии – супермаховик. Возможность использования маховиков в качестве конкурентоспособного устройства хранения энергии появилась сравнительно недавно благодаря разработкам в областях композитных материалов, магнитных подшипников, электрических машин и полупроводниковой электроники. Все перечисленные методы хранения энергии имеют свои достоинства и недостатки, которые необходимо учитывать при разработке и внедрении систем запасания энергии для решения конкретных задач. По причине многих специфических особенностей супермаховиков, а также других представленных методов задача выбора оптимальной системы хранения энергии является нетривиальной и требует особого внимания. Целью настоящей работы является сравнение супермаховиков с другими методами запасания энергии по различным параметрам и аспектам использования, а также определение оптимальных областей применения супермаховиков.

Обзор характеристик и специфики супермаховиков.

Долгое время использование маховиков имело целью лишь обеспечение плавной работы машин и механизмов. Новейшие разработки последних лет позволили создать супермаховики – сложные высокотехнологичные устройства, главным назначением которых является запасание энергии. Супермаховик запасает энергию в виде кинетической энергии вращения. Количество энергии пропорционально инерции вращающегося тела J и квадрату угловой скорости вращения ω, согласно формуле Ek= 1 /2 J w 2 .

Кинетическая энергия передается на маховик и от маховика при помощи мотор-генератора – обратимой электрической машины, чаще всего встроенной в конструкцию маховика. При работе в режиме двигателя электрическая энергия, подводимая к обмоткам статора, создает вращающий момент и увеличивает скорость вращения маховика. В режиме генератора имеет место обратный процесс – превращение кинетической энергии вращения в генераторный момент на валу и впоследствии в электрическую энергию. Для двустороннего обмена энергией мотор-генератор подключен к сети посредством обратимого преобразователя. Общий вид типичной конструкции супермаховика со встроенным мотор-генератором, подключенного к звену постоянного тока через инвертор напряжения, представлен на схеме (рисунок).

До недавнего времени определенный круг технических проблем не позволял супермаховикам конкурировать с другими способами запасания энергии. Прежде всего, это было связано с недостаточной энергоэффективностью, удельной энергоемкостью и максимальным временем хранения энергии. Все вышеперечисленное являлось причиной для неоправданного увеличения массогабаритных показателей, стоимости изготовления и эксплуатации, ограничения областей применимости и т.д. Из формулы (Ek= 1 /2 J w 2 ) видно, что запасаемая в маховике кинетическая энергия имеет линейную зависимость от момента инерции вращающейся массы и квадратичную зависимость от скорости вращения. Соответственно при росте скорости вращения, даже если масса и момент инерции маховика будут пропорционально уменьшаться, количество запасаемой энергии будет расти. Это утверждение позволяет сделать вывод о том, что материал для изготовления маховика с высокой энергоемкостью должен иметь высокий предел прочности при низкой плотности для работы при высоких скоростях вращения. До недавнего времени самыми распространенными материалами для изготовления маховиков являлись конструкционные стали, которые при высокой плотности не обеспечивают достаточной прочности на разрыв для сохранения структурной целостности при высоких скоростях вращения. Внедрение современных композитных материалов для изготовления маховиков, таких как стекловолокно и карбоновое волокно, предел прочности которых превышает сталь до пяти раз, позволило значительно увеличить скорости вращения и энергоемкость системы. Сравнение композитных материалов с металлами представлено в табл. 1

Типичные механические характеристики материалов маховика Помимо этого, высокие скорости увеличивают нагрузки и создают повышенные требования к подшипниковым узлам конструкции. Для решения этой проблемы в качестве элемента опоры ротора супермаховика используются активные магнитные подшипники, что позволяет поддерживать ротор по принципу магнитной левитации. Развитие более прогрессивных алгоритмов управления, а также микропроцессорной техники позволяет в реальном времени стабилизировать ротор при любых скоростях вращения и добиться полного отсутствия соприкосновения ротора с другими элементами конструкции и свести механическое трение к нулю. Помимо решения уже упомянутой проблемы высоких скоростей вращения, магнитные подшипники обладают другими достоинствами, особенно важными для супермаховиков. Следствием полностью бесконтактной работы являются устранение механического износа и необходимости регулярного технического обслуживания, что увеличивает рентабельность и надежность системы. Другой мерой уменьшения потерь и последним шагом к долговременному хранению энергии является помещение ротора в безвоздушное пространство. Это достигается созданием специальной оболочки, способной выдержать атмосферное давление снаружи и поддерживать определенный уровень вакуума внутри. Поддержание сверхнизкого давления в камере требует вакуумного насоса, что несколько увеличивает сложность и стоимость системы, но необходимо для устранения аэродинамических потерь и запасания энергии на длительный срок. Работа магнитных подшипников и электрической машины в вакуумной среде требует отдельного внимания при проектировании со стороны, во-первых, используемых материалов, а во-вторых – отвода тепловых потерь. Высокие скорости вращения и требования эффективности также подразумевают создание эффективных высокоскоростных электрических машин и высокочастотных преобразователей. Исследования последних лет в области электрических машин позволяют создавать бесколлекторные машины на постоянных магнитах и реактивные электродвигатели, коэффициент полезного действия (КПД) которых достигает 95% в номинальном режиме. Использование таких типов машин требует высокочастотного инвертора. Коммерческие модели инверторов в настоящее время поддерживают частоты до 500 Гц, что позволяет обеспечивать работу двухполюсных машин на скоростях до 30000 об/мин, а также имеют достаточно высокое быстродействие для компенсации пульсаций и скачков сетевого напряжения. Это свойство составляет важную особенность супермаховика и является одним из главных преимуществ по сравнению с аккумуляторами. КПД преобразования инвертора, использующегося для питания супермаховика, может достигать 95–98%. При создании специализированных моделей инверторов частота питания может быть увеличена, а КПД доведен до верхней границы указанного диапазона. Общий КПД, с учетом потерь при хранении энергии и эффективности преобразования, превосходит 85% и в некоторых случаях может достигать максимальных значений в 97%. Предельная энергоемкость современных супермаховиков достигает 300 Вт·ч/кг. По прогнозам развития композитных материалов и увеличения их предела прочности, показатель энергоемкости может быть увеличен до 800 Вт·ч/кг в ближайшие 5 лет, а долговременный прогноз теоретического максимума достигает значения 2700 Вт·ч/кг.

Краткий обзор других способов запасания энергии.

Для сравнения супермаховиков с другими способами запасания энергии необходимо рассмотреть характерные параметры и особенности современных способов хранения энергии, использующихся на практике в различных областях. Электрохимические аккумуляторы. Являются одним из самых известных способов хранения энергии и широко используются в этом качестве в различных приложениях. Аккумуляторы являются модульным, бесшумным и относительно дешевым устройством. Привлекательным вариантом их также делает неприхотливость к рабочей среде, удобство и быстрота установки. Крупные аккумуляторные системы используют инвертор для преобразования постоянного тока аккумулятора в переменный ток поддерживаемой сети. Общая эффективность такой системы обычно находится в диапазоне 60–80%. Относительно низкая эффективность преобразования объясняется тем, что аккумуляторы запасают энергию при помощи электрохимического процесса. Каждый цикл преобразования энергии неизбежно сопровождается выделением тепла, что уменьшает КПД преобразования и требует контроля температуры для предотвращения уменьшения долговечности или термического повреждения аккумулятора. Другой проблемой является ограниченный жизненный цикл аккумулятора. Он определяется как число циклов заряда/разряда, которое батарея может обеспечить, и является фиксированной величиной для каждого типа аккумуляторов. Более того, жизненный цикл зависит от типичной глубины разряда, которой аккумулятор подвергается при работе. При относительно невысоких показателях глубины разряда жизненный цикл не изменяется, но может ухудшиться при глубоком разряде. Электрохимические аккумуляторы также имеют строго ограниченную скорость разряда или выходную мощность, превышение которой может повредить аккумулятор. Это значение может составлять 10–25% от общей емкости аккумулятора, в зависимости от типа, что значительно ограничивает применимость аккумуляторных батарей в приложениях большой мощности. Суперконденсаторы. Суперконденсаторы или ионисторы являются электрохимическим устройством, совмещающим достоинства аккумуляторных батарей и конденсаторов. Такой тип устройств запасания энергии известен примерно с 1960-х г.г.. Механизм запасания энергии суперконденсатором не включает химических реакций, что делает цикл заряд/разряд более быстрым, надежным, отличающимся от аккумуляторов значительно бόльшим жизненным циклом – до сотен тысяч циклов заряд/разряд. Суперконденсатор также отличается устойчивостью к внешним воздействиям – температурным диапазоном от –40°C до +65°C, вибрационной и ударной стойкостью. Главным недостатком и ограничительным фактором применения суперконденсаторов является относительно низкая плотность энергии. По сравнению с электрохимическими аккумуляторами, типичная плотность энергии может быть на порядок меньше. При этом суперконденсаторы при тех же параметрах могут иметь на порядок большую выходную мощность, что позволяет использовать их вместе с аккумуляторами, объединяя их достоинства и компенсируя недостатки. Самостоятельно суперконденсаторы часто используются для кратковременного запасания небольших количеств энергии, улучшения качества электроэнергии и стабильности небольших сетей. Суперконденсаторы являются многообещающей альтернативой аккумуляторов при длительном жизненном цикле, быстром цикле заряд/разряд и эффективностью около 95% и выше. Главными проблемами суперконденсаторов остаются низкая плотность энергии и высокая стоимость. Гидроаккумулирующие электростанции. Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) используются во всем мире в течение более чем 70 лет. Эти крупномасштабные системы хранения энергии являются наиболее широко применяемой технологией хранения энергии, использующейся сегодня. Примерно 280 проектов ГАЭС работают по всему миру, обеспечивая генерируемую мощность около 90 ГВт, что составляет около 3% мировой генерации электроэнергии. Такой тип электростанций работает по тому же принципу, что и обычные ГЭС, с той лишь разницей, что их генераторы могут также работать в режиме двигателя. Во время низкого потребления электроэнергии вода закачивается из нижнего резервуара в верхний, а во время высокого энергопотребления вращает турбину и производит электроэнергию по принципу гидрогенератора. Такие системы способны запасать большое количество энергии на длительное время при эффективности полного цикла около 70–80%. Количество запасаемой энергии зависит только от вместимости резервуара. Главным недостатком такого способа хранения энергии является использование больших площадей для создания резервуаров и необходимый перепад высот. Большинство подходящих участков земли уже использованы, а освоение новых сопряжено с нанесением большого вреда экологии региона. Также такие системы требуют длительного времени на создание и сопряжены с большими расходами на проектирование и реализацию.

Системы со сжатым воздухом. Сжатый воздух используется в качестве носителя для хранения энергии относительно недавно. Первая система, основанная на принципе сжатия и расширения воздуха, была построена в Huntof, Германия, в 1978 г. Энергоемкость системы составляет 290 МВт в течение 4 часов. При этом полная эффективность преобразования составляет около 85%. Это объясняется тем, что такой тип электростанций чаще всего использует сжатый воздух в сочетании с одним из различных видов топлива для работы турбогенератора. Но электростанция со сжатым воздухом использует на две трети меньше топлива, по сравнению с обычными термоэлектростанциями, и способна начать работу в течение лишь нескольких десятков минут. Основной особенностью системы запасания энергии со сжатым воздухом является герметичный и очень большой резервуар. Создание подземных резервуаров для сжатого воздуха сопряжено с большими трудностями, а небольшие резервуары, находящиеся на поверхности, как правило, ограничены в накоплении энергии лишь на несколько часов. Чтобы получить большую эффективность и создать систему, работающую без дополнительного топлива, разрабатываются новые гибридные технологии, совмещающие описанный принцип с использованием суперконденсаторов, гидравлики и пневматики.

Сверхпроводящие системы. Индуктивные сверхпроводящие накопители являются одной из самых современных и технически сложных технологий хранения энергии. Они представляют собой криогенные системы, охлаждающие электромагнитную катушку до создания эффекта сверхпроводимости, что, по сути, исключает потери энергии в проводниках. Энергия в такой системе хранится в виде магнитного поля, которое может быть высвобождено в виде постоянного тока, который, в свою очередь, преобразуется в переменный ток с частотой сети. Такой принцип позволяет добиться быстрой реакции и высокой выходной мощности, а эффективность таких устройств может достигать 95–98%. Помимо больших ГАЭС, это единственная система, которая способна сглаживать и компенсировать энергопотребление мощных систем при высоком КПД. При больших потенциальных возможностях технологии главными недостатками таких систем являются сложность охлаждения катушки до сверхпроводящих температур и крайне высокая стоимость производства и эксплуатации.

Сравнительный анализ и рекомендации по применению супермаховиков.

После краткого обзора различных способов запасания энергии выполнено количественное сравнение их параметров (табл. 2).

Рассмотрение специфических особенностей супермаховиков, их достоинств и недостатков по сравнению с другими способами запасания энергии позволяет дать некоторые рекомендации по их применению. Большая выходная мощность супермаховика позволяет использовать его в качестве буферного источника пиковой мощности в сочетании с другим устройством, не способном компенсировать пиковую мощность, например, аккумуляторами. Высокая эффективность и большой жизненный цикл супермаховика в сочетании с экологичностью делают его отличным комплиментарным устройством для возобновляемых источников энергии, таких как ветрогенераторы и солнечные батареи. Нерегулярность генерации таких источников, зависящая от внешних факторов, может быть эффективно скомпенсирована супермаховиком. Хорошая масштабируемость позволяет создавать устройства хранения энергии как для локальных источников возобновляемой энергии небольшой мощности, так и для крупных электростанций. Еще одной рекомендуемой областью применения супермаховиков являются электротранспорт и транспортные средства с гибридными электроустановками. Повышение эффективности за счет рекуперативного торможения требует устройства для сохранения энергии, способного часто работать в режиме заряд/разряд и при этом поддерживать требуемый уровень энергоемкости, надежности и эффективности. Супермаховики могут успешно использоваться для этой цели на современных электромобилях, электропоездах, общественном транспорте, метро и т.д. Более узкая ниша потенциального применения – аэрокосмическая отрасль, которая также может воспользоваться многими перечисленными достоинствами супермаховиков. Модульность, высокая эффективность, отсутствие механического трения и долгое время работы без обслуживания – важные факторы для космического применения. Малое время реакции на изменения в сети и высокая выходная мощность могут использоваться для поддержания требуемого качества электроэнергии и общей надежности сети одновременно с выполнением задачи накопления энергии.

Заключение.

В работе рассмотрены различные системы хранения энергии, а также современное устройство запасания кинетической энергии – супермаховик. Анализ их характеристик и сравнение типичных параметров и специфичных особенностей применения позволили определить оптимальные области применения супермаховиков и дать основные рекомендации по их использованию. Сделан вывод о том, что супермаховики являются перспективным способом как запасания энергии, так и улучшения качества и надежности электрораспределительных сетей. Развитие областей науки и техники, ставших основной причиной развития и распространения супермаховиков, будет способствовать дальнейшему улучшению характеристик и прогрессу в данной отрасли. Экологическая нейтральность супермаховиков также является важным преимуществом и в будущем будет все больше способствовать их распространению, вместе с возобновляемыми источниками энергии и умными сетями электроснабжения. Проведенный анализ и рекомендации по внедрению супермаховиков будут использованы при разработке устройств запасания энергии для возобновляемых источников в Лаппеенрантском технологическом университете для проектирования умной системы электроснабжения «Green Campus» (научнотехническая программа ЕС «Horizon 2020»).

М.А. Соколов, В.С. Томасов, R.P. Jastrzębski

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics 2014, № 4 (92)

Альтернативные способы накопления энергии

Настоящее богатство измеряется не только в денежных знаках, но и в возможности обеспечения себя необходимым количеством энергии. Последние события в мире только подтверждают эту мысль.

Все известные человечеству способы хранения энергии обладают теми или иными недостатками. Прежде всего, они довольно дороги и недостаточно эффективны. Ко всему прочему тревожит истощение запасов ископаемых источников энергии, которые использует человечество, а также их неблагоприятное влияние на экологическую обстановку. А это значит, что по прошествии некоторого времени человечеству придется задуматься над поиском альтернативы — дешевой, мощной и эффективной системы получения и накопления энергии. Ведь сама Планета подталкивает нас к этому!

Что понимают под энергоносителем, энергией и энергонакопителем

Чтобы разобраться в проблеме и найти пути ее решения, нужно разобраться в понятиях.

Энергоноситель — это любая субстанция, которая после некоторых преобразований может дать полезную энергию. Примеры, которые у всех на слуху, — нефть, уголь и газ. Менее распространенный, но становящийся более актуальным энергоноситель — дрова. Более распространенный, но не такой очевидный пример энергоносителя — еда, которую ежедневно потребляет человек.

Энергия, которая выделяется при переработке энергоносителя, обычно сразу пускается в дело и может приносить пользу — обогревать и освещать жилье, двигать автомобили и ракеты, позволяет продолжать существование живым организмам. Но получение энергии из энергоносителя — иногда сложный и высокотехнологичный процесс. Пример — генерирование электрической энергии на электростанциях. Поэтому лучшие умы человечества задумываются о том, чтобы энергию после генерации можно было накапливать, а потом в нужное время в нужном месте использовать, не тратя при этом энергоноситель.

Из накопителей электрической энергии самые известные — аккумуляторы, которые есть в любом современном гаджете. Согласитесь, идея прекрасная — зарядить от электростанции аккумулятор, а потом через некоторое время, переместившись в пространстве, использовать его энергию. Не привлекая при этом уголь, газ и ядерный распад. Все хорошо, но получить электроэнергию от аккумуляторов в приемлемом виде (220 В 50 Гц) и в достаточном количестве — до сих пор большая проблема. И 99 % электроэнергии, которой мы пользуемся, — это та энергия, которую выработал генератор на электростанции в данный момент. Никакого накопления и преобразования при этом не происходит — только трансформация (понижение уровня напряжения).

Другой альтернативный путь — поиск дешевых источников энергии и способов ее преобразования. Но в этой статье я не буду говорить о получении дешевой энергии из эфира или вакуума. Не стану затрагивать и мошеннические системы с КПД более 100 %. Я расскажу, какие существуют реальные альтернативные способы накопления энергии и какое у них будущее. Но сначала — что мы имеем на сегодняшний день.

Устройство проточного аккумулятора

Проблемы существующих систем накопления энергии

В системах накопления энергии большое распространение получили литий-ионные (литиевые) аккумуляторы и их разновидности. Они обладают высокой плотностью запаса энергии (удельной энергией, Вт·ч/кг) и сравнительно недороги. Но, как уже было сказано, разработанные системы накопления энергии имеют свои недостатки, которые существенно осложняют их повсеместное применение.

Для литий-ионных аккумуляторов критически важно количество циклов заряда и разряда, которые они могут выдержать. Также очень важен температурный режим, своевременное обслуживание, а вся система стоит весьма больших денег. Но самое главное — они очень хорошо горят! В качестве примера могу привести пожар в Австралии, произошедший в 2021 году. Загорелось одно из крупнейших на планете хранилищ электроэнергии — TeslaMegapack, оборудованное литий-ионными аккумуляторами, общая емкость которых составляет 450 МВт·ч.

К слову сказать, тушить водой такие пожары нельзя — это только способствует горению.

Борьба с огнем продолжалась с 30 июля по 2 августа 2021 года. После ликвидации пожара было проведено расследование, которое установило, что возгорание произошло из-за серии коротких замыканий, вызванных утечкой охлаждающей жидкости. Кроме этого инцидента, в мире произошло еще несколько подобных возгораний. В результате было решено приостановить строительство хранилищ электроэнергии промышленных масштабов на литий-ионных батареях.

Активно ведутся разработки и внедрение так называемых проточных аккумуляторов (редокс-батарей), в которых происходит прокачка электролитов на основе солей ванадия через специальный коллектор, разделенный ионоселективной мембраной. Технология держится в секрете, но ясен ее главный плюс и преимущество — абсолютная пожаробезопасность. Главный минус — низкая удельная энергия. И, конечно, как и у любой новинки, кусается цена.

Философия хранения энергии

Большинство современных систем генерации электроэнергии (даже альтернативные) имеют общий недостаток. Полученную энергию требуется преобразовать, сохранить, а затем преобразовать еще раз, чтобы использовать. Например, при работе ветровых или солнечных электростанций механическая или световая энергия преобразуется в электроэнергию, а потом в химическую энергию. Чтобы ее использовать, нужно еще минимум одно преобразование.
При преобразовании значительная часть энергии теряется, причем безвозвратно. Ведь коэффициент полезного действия (КПД) преобразователя не может быть равен 1. Хорошим показателем будет КПД, равный 0,8. Однако если мы полученную энергию преобразуем для хранения, а затем сохраненную энергию преобразуем обратно, то при таком двойном переходе КПД будет уже меньше и составит в лучшем случае 0,64.

Логика подсказывает, что для повышения эффективности преобразовывать полученную энергию не стоит. В идеале нужно использовать энергию в том виде, в котором ее получили. Например, тепловую энергию — для обогрева, механическую — для движения.

А теперь давайте посмотрим на альтернативные системы накопления энергии, разработка которых ведется по всему миру.

Гравитационные накопители энергии

Перспективные гравитационные системы хранения энергии пока только разрабатываются, к тому же реальная экономическая эффективность их находится под вопросом. Пока компанией Gravitricity в Шотландии построен прототип на 250 кВт стоимостью 1 млн фунтов.

Конструкция такой системы представляет собой два груза по 25 тонн каждый, которые подвешены на вышке, высотой в 16 метров. Для подъема их используется электромотор, а при движении грузов вниз под воздействием гравитации вырабатывается электроэнергия. Получается, что система накапливает потенциальную энергию, которая затем в любое время может быть преобразована в электричество.

Большой плюс такой системы — для накопления может быть использован маломощный мотор или другой привод, если есть время и возможность. А генератор может быть гораздо большей мощности, только выдаваться она будет непродолжительное время. Также могут использоваться опускаемые в шахту грузы. А их подъем может быть за счет других видов энергии — например, от периодического затопления шахты водой в результате приливов. Зачем пропадать такой мощной энергии зря?

Солнечная панель

Песчаная батарея

Очень часто решение сложных проблем лежит у нас буквально перед носом, ну или под ногами. Нужно только уметь это увидеть. Энергию может накапливать обычный песок. Все просто — такие материалы, как камень или песок, обладают высокой теплоемкостью, то есть они способны много раз нагреваться до значительных температур, а затем медленно остывать.

Если создать аккумулятор тепловой энергии, где в качестве рабочей среды будет применен песок, в длительной перспективе такой способ хранения будет намного эффективнее химических аккумуляторов. Ведь песок не будет деградировать, а значит, количество циклов заряд-разряд неограниченно. Песок — экологически безопасный ма-териал, и его просто утилизировать. Ну и ко всему прочему песок очень дешев, он повсюду.

Недавно финская компания PolarNightEnergy построила первое коммерческое хранилище энергии на основе песка. Хранилище представляет собой стальной бункер диаметром 4 метра и высотой 7 метров, внутрь которого помещен обычный низкосортный песок в количестве 100 тонн.

Схема работы системы хранения тепловой энергии

При помощи продуваемого по трубам горячего воздуха песок может нагреваться до температуры 400-600 °С. Энергию для нагрева получают от возобновляемых источников энергии (солнечный свет и ветер) и от системы охлаждения сервера для обработки данных.

Такая система может накапливать и выдавать до 8 МВт·ч тепловой энергии при номинальной мощности 100 кВт. Хранить запасенную энергию можно в течение нескольких месяцев. Хранилище уже обеспечивает работу централизованной системы городского теплоснабжения, а также муниципального бассейна.

Нужно отметить, что такой накопитель обладает очень высоким КПД, поскольку преобразования энергии не происходит — тепловая энергия накапливается по мере возможности и отдается по мере необходимости. Кроме того, радует невысокая цена системы, минимальное количество обслуживания и расходных материалов, а также экстремально высокая долговечность. Система может быть размещена в заброшенных шахтах и бункерах и легко масштабируется.

Для Финляндии, зима в которой очень продолжительная и холодная, такая система является чрезвычайно важной. Ведь применение таких аккумуляторов тепла позволяет эффективно использовать возобновляемые источники энергии, а из-за последних событий важность этой технологии для Финляндии трудно переоценить.

Несомненно, система имеет и минусы, среди которых — необходимость применения контроллера. Система должна отслеживать множество датчиков и регулировать уровни теплообмена.

Механизмы с маховиком

Как эффективно хранить механическую энергию? Есть один способ, притом весьма старый — использовать маховик. При помощи маховика теоретически можно накапливать очень большое количество энергии. Устройства накопления меха-нической (кинетической) энергии называются гироаккумуляторами.

В качестве примера можно привести изобретение И. П. Кулибина. В 1791 году он изготовил коляску с педальным приводом и маховиком — «самокатку». Это транспортное средство кроме водителя еще и перевозило двух пассажиров. Маховик при помощи педалей раскручивался до требуемой скорости, а затем посредством механической передачи движение передавалось на колеса. Накопленная в маховике энергия позволяла «самокатке» без труда преодолевать подъемы.

Различные изобретатели постоянно экспериментировали с устройствами, в которых применялись маховики. В 1945 году в Швейцарии фирмой «Эрликон» был разработан опытный образец гиробуса — альтернатива грязным и шумным автобусам с двигателями внутреннего сгорания. Также этот вид транспорта должен был заменить троллейбусы, которые требовали непрерывного контакта с проводами. Гиробус приводился в движение тяговыми электродвигателями, которые получали энергию от генератора, который, в свою очередь, приводился в движение стальным маховиком. Масса маховика составляла полторы тонны, а диаметр — полтора метра. При подзарядке генератор переключался в режим электродвигателя, а электрическую энергию он получал через специальные штанги, которые выдвигались при остановке.

Фирмой «Эрликон» с 1953 года было выпущено несколько серий таких транспортных средств, которые работали в течение 20 лет не только в Швейцарии, но и в Бельгии и Конго. Причем в Конго были поставлены даже еще более совершенные модели гиробусов. Пассажирам нравился плавный ход и отсутствие выхлопных газов. Для зарядки требовалось всего 40 секунд, однако из-за невысокого КПД, примерно 50 %, требовалось производить остановки через один-два километра. Кроме того, опыт эксплуатации гиробусов в Конго выявил их низкую надежность.

Подшипники маховиков быстро выходили из строя, и им требовался ремонт каждый месяц. Низкая надежность и вследствие этого высокие затраты на перевозку пассажиров вместе с небезопасной конструкцией привели к прекращению эксплуатации гиробусов в 1959 году.

Такой печальный опыт не прекратил попытки изобретателей повысить надежность и эффективность гироаккумуляторов. Главная проблема — при увеличении массы маховика и его скорости разрушались подшипники и сам маховик. Причем осколки маховика будут обладать огромной неуправляемой кинетической энергией и смогут причинить немало проблем. Поэтому при расчетах такие накопители делают с трехкратным запасом прочности, что, конечно, снижает их эффективность. Даже при использовании лучших сортов стали и применении современных способов обработки внутри заготовки могут образовываться микротрещины, которые неизбежно приведут к разрушению.

Найти решение этой проблемы удалось советскому и российскому ученому Н. В. Гулиа. В 1964 году он подает заявку на изобретение маховика, состоящего из нескольких тысяч витков прочной стальной ленты.

При превышении предела скорости разрушения всего маховика не будет. Вместо этого разорвется внешняя лента, которая будет самой нагруженной. При этом лента прижмется к корпусу и затормозит маховик. После остановки ленту можно будет соединить, и маховик будет снова пригоден для эксплуатации. Но будьте осторожны — маховик будет очень горячим! Ведь кинетическая энергия никуда не исчезнет, а превратится в тепловую.

Даже первые образцы супермаховика из стальной ленты демонстрировали плотность энергии примерно 0,1 МДж/кг. Это превышало показатели свинцовых аккумуляторов. Расчеты показали, что если стальную ленту заменить графитовым волокном, такой маховик сможет запасти энергию в 20-30 раз больше.

Н. В. Гулиа предложил использовать магнитную подвеску в качестве основной, а подшипники — только для фиксации всей системы. Для решения проблемы трения изобретатель предложил использовать вакуумную камеру. Кроме того, для того чтобы передавать энергию маховику можно поместить в камеру электромотор. Соответственно, при передаче энергии от маховика, электромотор будет работать как генератор. Но как часто бывает, развитие эти идеи получили только за рубежом.

Например, в США компанией BeaconPower в 1997 году были разработаны системы хранения энергии на базе супермаховиков, которые могут выдавать мощность до 200 кВт в зависимости от модели. В 2009 году в США компания завершила постройку регулирующей электростанции мощностью 20 МВт на супермаховиках.

В мире создано множество прототипов движущихся механизмов на основе гироаккумуляторов — от игрушек до квадрокоптеров. Особенно эффективно накопление энергии на основе гироаккумуляторов работает на космических аппаратах, где минимизируются проблемы, связанные с трением. Прекрасно работают гибридные автомобили, которые «возят зарядку» с собой, «подзаряжая» маховик от двигателя внутреннего сгорания.

Поскольку гироаккумулятор обладает гироскопическим эффектом, который затрудняет изменение направления движения, перспективно использовать подобный вид накопителя на железнодорожном и крупном морском транспорте. Заметьте важный момент — как и в аккумуляторе тепловой энергии на песке, в аккумуляторе механической энергии на маховике не происходит преобразования энергии из одного вида в другой. Например, в случае с автомобилями вращательное движение от маховика передается через вариатор на колеса без всяких преобразований. Как и с «песчаным» аккумулятором, маховик имеет огромное количество циклов заряда-разряда, особенно если использовать магнитную подвеску вместо самого слабого звена — подшипников.

Что дальше?

Чтобы освоить новые виды энергии и ее накопления, одного желания и инвестиций мало. Нужна перестройка парадигмы получения и использования энергии. Нужно осваивать новые материалы и технологии, создавать новые устройства и системы. Но сегодня, когда рынок нефти и газа — отлаженный механизм, приносящий миллиарды долларов в день, никто всерьез не станет рассматривать альтернативные системы.

Тем не менее жизнь стремительно меняется. 100 лет назад никто не думал, что вместо шумных и грязных паровозов по железным дорогам будут «порхать» электрические «Ласточки». С большой долей вероятности могу предсказать, что мы станем свидетелями больших перемен. Кто сможет внедрить новые технологии получения и хранения энергии в массовое производство, сделав их дешевыми и популярными, — тот будет, без преувеличения, управлять миром.

Источник: Александр Ярошенко, автор блога SamElectric.ru. Опубликовано в журнале «Электротехнический рынок» № 6 (108), 2022 год

�� Подписывайтесь на Elec.ru. Мы есть в Телеграм, ВКонтакте и Одноклассниках

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *