Для чего нужен маховик как накопитель энергии? Энергия маховикаМаховичный накопитель | Журнал Популярная МеханикаСегодня ученые со всего мира безуспешно пытаются создать недорогой, легкий, компактный и невероятно емкий аккумулятор. А между тем такой накопитель энергии уже существует.  Николай Корзинов 23 ноября 2008 12:00 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 миллионЧем 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. Профессор Гулиа тоже времени зря не терял: создал очень удобную маховичную дрель, разработал первый в мире гибридный маховичный автомобиль на базе УАЗ-450Д — он оказался вдвое экономичней обычной машины. Но главное — профессор постоянно совершенствует разные элементы своей маховичной концепции, чтобы сделать ее по-настоящему конкурентоспособной. Чудо-махомобилиМожно ли вывести супермаховик на уровень самых емких аккумуляторов? Оказывается, это не проблема. Если вместо стали использовать более прочные материалы, то пропорционально вырастет и энергоемкость. Причем, в отличие от электрохимических аккумуляторов, здесь практически нет потолка. Супермаховик из кевлара на испытаниях при той же массе накапливал в четыре раза больше энергии, чем стальной. Супермаховик, навитый из углеволокна, может в 20−30 раз превзойти стальной по плотности энергии, а если использовать для его изготовления, например, алмазное волокно, то накопитель приобретет фантастическую энергоемкость — 15 МДж/кг. Но и это не предел: сегодня с помощью нанотехнологий на основе углерода создаются волокна фантастической прочности. «Если из такого материала навить супермаховик, — рассказывает профессор, — плотность энергии может достичь 2500−3500 МДж/кг. А значит, 150-килограммовый супермаховик из такого материала способен обеспечить легковому автомобилю пробег в два с лишним миллиона километров с одной прокрутки — больше, чем может выдержать шасси машины». За счет того что супермаховик вращается в вакууме, а его ось закреплена в магнитной подвеске, сопротивление при вращении оказывается минимальным. Возможно, такой супермаховик может крутиться до остановки многие месяцы. Однако машина, способная работать в течение всего срока службы без заправок, пока еще не изобретена. Мощности современных электростанций определенно не хватит для зарядки таких серийных чудо-махомобилей. Но именно автотранспорт, считает профессор, самая подходящая сфера применения супермаховиков. И показатели машин проекта Гулиа, на которых он планирует использовать супермаховики, не менее удивительные. По оценке ученого, «здоровый» расход топлива у бензинового автомобиля должен составлять примерно 1,5 л на 100 км, а у дизельного — 1,2 л. Как такое возможно? «В энергетике есть неписаный закон: при одинаковых капиталовложениях всегда более экономичен привод, в котором нет преобразований видов и форм энергии, — поясняет профессор. — Двигатель выделяет энергию в виде вращения, и ведущие колеса автомобиля потребляют эту энергию тоже в виде вращения. Значит, не надо преобразовывать энергию двигателя в электрическую и обратно, достаточно передавать ее от двигателя к колесам через механический привод». www.popmech.ru Материал для маховикаМатериал для маховика —это для примера. С таким же успехом можно было задать вопрос: из какого материала делать ракеты и теннисные ракетки, лодки и шесты для прыжков, топливные баки и корпуса автомобилей? И ответить: рациональнее всего из композитов. Что такое маховикЧто такое маховик и для чего он нужен? В политехническом словаре за 1977 год сказано, что маховик — это колесо с массивным ободом, устанавливаемое на валу машины с неравномерной нагрузкой для выравнивания ее хода. Если иметь в виду только эту цель, то для изготовления маховиков целесообразно выбирать как можно более тяжелый материал, чтобы они справлялись со своей задачей при сравнительно небольших размерах.  Маховик — колесо с массивным ободомС тех пор роль маховиков в технике существенно расширилась. Во всяком случае, приведенное определение явно неполное. Сегодня повышенный интерес к маховикам связан не только и не столько с их традиционным использованием для выравнивания нагрузки на валах поршневых двигателей, компрессоров, насосов и других машин, сколько с проблемой рекуперации механической энергии, то есть использования энергии, погашаемой при торможении машин. Суть проблемы состоит в следующем. Движущиеся поезда, автомобили, трамваи, троллейбусы, автобусы периодически (и довольно часто) нужно останавливать. Для этого, как известно, служат тормоза. Но при каждом торможении кинетическая энергия транспортного средства переходит в тепло, нагревая тормозные колодки, диски и безвозвратно рассеиваясь в окружающей среде. При современном энергетическом кризисе такое расточительство недопустимо. Как показывают подсчеты, примерно половина энергии, развиваемой двигателями, теряется при торможении. Маховик — аккумулятор механической энергииВот маховики-то и могут помочь резко снижать эти потери. Маховик — аккумулятор механической энергии, то есть устройство, позволяющее накапливать механическую энергию, хранить ее и при необходимости опять выделять. Если массивный маховик заставить вращаться с большой скоростью, он может за счет своей инерции развить мощность, достаточную для того, чтобы привести в движение автобус или поезд. Это его свойство и навело на мысль: вместо того, чтобы тратить кинетическую энергию машины на нагрев тормозов, ее нужно расходовать на раскручивание маховика, установленного на машине.  Маховик — аккумулятор механической энергииПри торможении маховик накапливает энергию, а когда возникнет необходимость снова тронуться с места, эта энергия будет передаваться с помощью специальных механизмов на ведущие колеса. Иными словами, разгон будет осуществлять энергия, накопленная при торможении. Это позволит на 30— 50 % сэкономить горючее, значительно уменьшить количество токсичных выхлопных газов, повысить проходимость. В наше время все это настолько важно, что имеет прямой смысл заняться разработкой транспортных средств, снабженных маховиками, которые играют роль дополнительных источников энергии. И во всем мире такими разработками усиленно занимаются. Основное требование, предъявляемое к маховику, вытекает из его назначения: он должен накапливать при вращении как можно больше энергии. Если маховик представить в виде тонкого кольца, величина этой энергии Е оценивается формулой: Е=0,5 mV2, (1) где m— масса кольца, V — линейная скорость его вращения. Из этой формулы следует, что для увеличения энергоемкости маховик следует делать как можно тяжелее и вращать с максимально возможной скоростью. Какой применить материал для маховикаВозникает вопрос, какой применить материал для маховика? Нужно взять материал с максимально высокой плотностью γ, чему соответствует вольфрам, плотность которого 19 300 кг/м3. Большую плотность имеют только осмий (γ=22 500 кг/м3), иридий (γ=22 400 кг/м3) и платина (γ=21 450 кг/м3), но это очень дорогие металлы. Рассмотрим вариант применения вольфрама. До какой скорости можно раскручивать маховик? Ясно, что не до бесконечно большой. Предельная скорость вращения ограничена прочностью материала. Известно, что при достижении определенной скорости вращения маховик может разорваться. Поскольку эти скорости составляют десятки и сотни метров в секунду, от такого разрушения ничего хорошего ждать не приходится. В лучшем случае дело кончится поломкой вала и ходовой части машины. Но при разрыве маховика разлетающиеся с огромной скоростью обломки могут разрушить близлежащие постройки и, что самое страшное, привести к человеческим жертвам. Так что допускать разрушения ни в коем случае нельзя. Какие силы разрывают маховикЗнаете ли вы, какие силы разрывают маховик? Часто можно услышать ответ: силы инерции или центробежные силы. Ничего подобного. Таких сил просто-напросто не существует. Вернее, они существуют на бумаге или в нашем воображении — так легче и удобнее проводить расчеты, но в маховике их нет. А есть силы связи между отдельными частями маховика (силы упругости), которые в результате стремления частей двигаться по инерции (то есть равномерно и прямолинейно) при вращательном движении приводят к деформации маховика. Возникающие при деформации силы обеспечивают всем частям вращающегося тела ускорения, необходимые для движения по окружности. Если для обеспечения вращения нужны силы, превышающие прочность связи отдельных частей тела, оно разрушается. Таким образом, непосредственной причиной разрушения маховика является не его вращение и не действие воображаемых центробежных сил, а его деформация. Для тонкостенного кольца, которым мы моделируем маховик, величину напряжений σ, возникающих в нем, можно оценить соотношением: σ=γv2, (2) где γ — плотность материала, v — линейная скорость вращения маховика. Из этого уравнения можно рассчитать предельную допустимую скорость vпред, которая приводит к разрушению. Оно произойдет, когда величина напряжения σ достигнет предела прочности σв материала, из которого маховик изготовлен. При этом скорость v будет равна предельной скорости vпред которая рассчитывается из выражения vпред = √σв / γ= √σуд (3) Отношение прочности σв к плотности γ называется удельной прочностью σуд материала. Следовательно, предельно допустимая скорость вращения маховика равна корню из его удельной прочности. Формула (1) определяет величину всей энергии, запасаемой маховиком. А удельная энергия, запасаемая единицей массы маховика (например, одним килограммом), составляет: е=Е/m=0,5v2. (4) Предельную величину удельной энергии епред, которую в состоянии накопить каждый килограмм массы маховика, можно рассчитать из уравнения (4), где вместо v следует поставить значение vпред из формулы (3), то есть: епред=0,5σв/γ=0,5σуд (5) Таким образом, максимальная удельная энергия, которую можно «накачать» в маховик, однозначно определяется удельной прочностью материала, из которого он изготовлен. При одинаковой прочности двух материалов большую удельную прочность имеет более легкий из них. Значит, чтобы сделать маховик максимально энергоемким, его нужно делать не из тяжелого, а из легкого, но прочного материала. Итак, супермаховики, то есть маховики, способные запасать очень большое количество энергии, нужно делать из сверхпрочных и легких материалов. Из каких именно? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте сопоставим значения удельной прочности некоторых традиционных машиностроительных материалов (сталей, алюминиевых, титановых, вольфрамовых сплавов) и некоторых композитов. Эти значения приведены в таблице.
Приведенные данные говорят: лучше всего для изготовления супермаховиков подходят композиты, в частности органопластики. Они обладают наибольшей удельной прочностью из всех известных конструкционных материалов. А вольфрам, который мы хотели использовать, оказался самым неподходящим материалом, поскольку у него самая низкая удельная прочность. Каждый килограмм маховика из огранопластика способен накопить в 14 раз больше энергии, чем из вольфрама. Это связано с тем, что большая прочность и малая плотность органопластика позволяют раскручивать изготовленные из него маховики до огромных скоростей, тогда как вольфрамовые маховики сами себя разрывают при сравнительно низких скоростях вращения. Но не во всех случаях удается реализовать возможности, заложенные в органопластиковых маховиках. Не будем забывать, что, хотя удельная энергия не зависит от массы маховика, абсолютная величина накапливаемой энергии пропорциональна его массе, поэтому маховик должен быть достаточно тяжелым, а при небольших размерах нужную массу из органопластика набрать трудно. Но если особых ограничений на размеры маховика нет и можно обеспечить максимально допустимые (из соображений прочности) скорости вращения, органопластики находятся вне конкуренции. Из таблицы видно, что по удельной энергоемкости к органопластикам приближаются углепластики. Хотя они имеют несколько меньшую удельную прочность, их модуль Юнга, (подробнее: Армированные композиты) намного выше, а это означает, что маховики из углепластиков испытывают меньше деформации. Обстоятельство немаловажное. Дело в том, что маховики из органопластиков склонны к расслоению, и одна из главных причин этого — их низкая жесткость. Супермаховики не только помогают экономить энергию, теряемую при торможении, они могут сами выполнять роль двигателя машины. Подсчитано, что супермаховик из органопластика массой 127 кг и энергоемкостью 30 квт • ч, раскрученный в течение 5 минут мощным внешним двигателем, может обеспечить движение легкового автомобиля со скоростью 96 км/ч на расстояние 320 км. Электромобилю с аналогичными техническими характеристиками нужна батарея аккумуляторов массой 1 т. Как видим, 1 кг маховика может запасать намного больше энергии, чем современный электрический аккумулятор такой же массы. ОрганопластикиОрганопластики — это композиты, состоящие из полимерной матрицы и органических волокон. Если раньше органические волокна (капроновые, нейлоновые и др.) не могли конкурировать по прочности с лучшими образцами стеклянных, металлических и керамических волокон, то сегодня картина резко изменилась. Сверхпрочные и очень легкие органические волокна — наиболее перспективные армирующие элементы для полимерных матриц. Большую популярность приобрели волокна, которые называются у нас СВМ, а за рубежом — Кевлар. Они имеют прочность при растяжении 3000—4000 МПа, легко подвергаются переработке, с ними удобно работать, и их выпуск постоянно растет. Однако в тяжелонагруженных конструкциях применение органопластиков вследствие их низкого модуля Юнга приводит к большим деформациям, что сказывается на работоспособности конструкций. Чтобы этого не происходило, к органическим волокнам добавляют более жесткие углеродные и получают так называемые гибридные композиты, содержащие два и более видов волокон. Если у волокон марки Кевлар-49 модуль упругости 140 000 МПа, то у углеродных волокон — 200 000—700 000 МПа при прочности 1000—3500 МПа.  Волокна кевлар как вид органопластикиВ качестве арматуры можно использовать не только отдельные волокна и нити, но и ткани, сетки, пряжу из органических и углеродных волокон. Низкая плотность органо- и углепластиков (в пять раз ниже, чем у стали и почти вдвое, чем у алюминия) наряду с высокой прочностью делает их очень привлекательными для конструкторов, занимающихся разработкой не только маховиков, но и космических кораблей, самолетов, подводных лодок, спортивного инвентаря и многих других изделий. Полимерные композиты уже широко применяются в технике. А внедрение в промышленность композитов на металлической основе отстает от полимерных. Причина этого ясна. Методы получения новых композитов с полимерными матрицами (угле-, органо-, боропластиков) принципиально не отличаются от методов получения давно известных стеклопластиков, которые разработаны еще полвека назад. Замена стеклянных волокон более совершенными проходит сравнительно безболезненно, на том же оборудовании, теми же специалистами. А опыта промышленного производства металлических композитов пока очень мало. Это совсем новые материалы, они требуют нетрадиционных для металлургии и металлообработки технологий, создания специального оборудования, они просто непривычны для металлургов. А непривычное всегда кажется ненадежным. Еще один вопрос, который хотелось бы обсудить: в каких случаях следует применять металлические, а в каких — полимерные композиты? Здесь все определяют условия работы материала. В супермаховиках, например, целесообразнее использовать полимерные композиты, поскольку у них удельная прочность выше, а нагрев при работе невелик. И вообще, при температурах, близких к комнатной, полимерные композиты обычно предпочтительнее по механическим свойствам. Но у полимеров есть серьезный недостаток — они не выдерживают высоких температур. Самые термостойкие из них разрушаются при температурах выше 600—700 К. Поэтому для конструкций, работающих в условиях интенсивного нагрева, нужны металлические композиты. Выбор матричного материала могут диктовать и такие показатели, как электросопротивление, теплопроводность, стойкость к радиации, способность накапливать статическое электричество и др. В одних случаях по этим показателям подходят полимеры, в других — металлы. Поэтому полимерные и металлические композиты не только конкурируют, но и дополняют друг друга. И чем больше различных композитов создадут ученые, тем шире станут возможности техники, тем совершеннее будут изготовленные из них изделия.
libtime.ru Маховики для маховичного накопителя
В настоящее время, существуют пять основных типов маховиков: Рис.3.1. Диск с отверстием; Рис.3.2. Обод со спицами; Рис.3.3. Диск равной прочности; Рис.3.4. Кольцевой маховик; Рис.3.5. Супермаховик.
Общеизвестно, что энергия каждого килограмма маховика зависит от его формы и прочности. Если сравнивать вышеуказанные типы маховиков по этим критериям, то сразу отпадает маховик в виде диска с отверстием как наиболее неэффективный. Как правило, это малая прочность материала, из которого он обычно изготавливается, т.е. стальные поковки или отливки. А крупные отливки или поковки даже из лучших сортов стали не слишком прочны. В таких изделиях невозможно избежать мельчайших дефектов, сильно уменьшающих прочность всего маховика. Чем прочнее литой или кованый маховик, тем опаснее его разрыв, если он приключится, и тем больший запас прочности понадобится, чтобы уберечь маховик от разрыва. Далее по эффективности накопления энергии идет маховик в виде обода со спицами. Такой маховик накапливал энергии в каждом килограмме своей массы раза в полтора больше. Однако потом точные расчеты показали, что выгоднее помещать массу не дальше от центра, а, наоборот, ближе к центру, вследствие чего появились маховики, тонкие по краям и утолщающиеся к середине, - диски «равной прочности». Энергии они могут накопить в два раза больше, чем обод со спицами, и в три раза больше, чем диск с отверстием, при той же массе маховика. Рассмотрим следующий вариант из нашего списка. Это супермаховик. Простейший пример, это кусок троса, зажатый в кольцевом зажиме – оправке, которая в свою очередь посажена на вал. В чем преимущества такого супермаховика? Если вращать вал с оправкой и тросом в ней, то трос, как и обычный маховик, накопит кинетическую энергию. При этом частицы троса, стремясь двигаться по инерции, будут все сильнее растягивать его, пытаясь разорвать. Наибольшая нагрузка тут приходится на середину троса. При увеличении скорости сверх меры трос начнет рваться, но рваться по частям, по одной проволочке, а тоненькие проволочки не способны пробить даже легкий защитный кожух, т.е. разрыв супермаховика происходит безопасно. Так как прочность проволоки (стальной струны) выше прочности монолитного стального куска примерно в пять раз, то супермаховик из струны при прочих равных условиях накопит энергии во столько же раз больше, чем обычный маховик стой же массой. Благодаря же большей безопасности, супермаховику не нужен слишком большой запас прочности, и его следует уменьшить примерно вдвое по сравнению с маховиком. Следовательно, супермаховик из троса может накопить в каждом килограмме массы в десять раз больше энергии, чем обычный стальной маховик. Большие перспективы сулят так называемые кольцевые супермаховики. Такой супермаховик представляет собой кольцо, навитое из высокопрочного волокна и помещенное в вакуумную камеру в форме бублика – тора. Поскольку кольцевой супермаховик лишен центра, в нем наиболее полно реализуются прочностные свойства волокон. Кольцевой супермаховик удерживается в камере в подвешенном состоянии с помощью магнитных опор, размещенных в нескольких местах по окружности. Само кольцо служит ротором мотор - генератора, а те места, в которых стоят обмотки магнитов, - статором. Это упрощает отбор энергии и зарядку супермаховика. Если сравнивать кольцевой супермаховик со стальным маховиком из самой прочной стали, плотность энергии кольцевого супермаховика в 2 – 3 раза больше и достигает 0,5 мегаджоуля на килограмм массы. Потери на вращение у него в 50 – 100 раз меньше, чем у стального. Так как отсутствуют самые большие потери – потери на трение в подшипниках. К сожалению, в нашем случае кольцевые маховики мы вынуждены исключить из рассмотрения по двум причинам: сложность подвесной системы и дороговизна изготовления. С учетом всего вышеизложенного из всех вариантов выбираем супермаховик. Опыт показал, что для супермаховиков, кроме прочности и размеров решающее значение имеет их масса. Как ни парадоксально, но чем легче супермаховик, тем лучше. Плотность энергии маховика определяется удельной прочностью, то есть отношением прочности к удельному весу материала. Поэтому в качестве материала маховика выберем борное волокно, как наиболее выгодное по показателю удельной прочности. Таблица 3.1.
Известно, что емкость супермаховика определяется частотой вращения, массой и его геометрическими размерами (внешним и внутренним радиусом). Энергия, запасенная супермаховиком, определяется по формуле:
W=E/3600, Вт*ч где Е определяется по формуле:
E=J/2*(w12-w22), Дж
где w12 – максимальная угловая скорость вращения супермаховика, рад/с; w22 – минимальная угловая скорость вращения супермаховика, рад/с; J – момент инерции, кг*м2; Момент инерции определяется по формуле:
J=M/2*(R2+r2), кг*м2;
где М – масса, определяется по формуле:
M=(p*(R2-r2)*h*g)/2, кг
где R – внешний радиус супермаховика, м; r – внутренний радиус супермаховика, м; h – толщина, м; g - плотность материала, из которого изготовлен супермаховик, кг/м3; Отсюда энергию, запасенную супермаховиком, можно определить по формуле:
W=(p*(R4-r4)*h*g*(w12-w22))/(8*3600), кВт*ч;
Супермаховик из борного волокна конструктивно представляет собой обод со ступицей, на который определенным образом намотано борное волокно (Рис.3.6.). Основной проблемой в данном случае является то, что на высоких оборотах предъявляются высокие требования к качеству и точности изготовления.
Борное волокно
Металлическая ступица
Наиболее важным моментом в изготовлении супермаховика является способ намотки борного волокна на металлическую ступицу, потому что намотка супермаховика должна начинаться со ступицы и на ней должна заканчиваться (Рис.3.7.).
Это объясняется тем, что крайние наружные витки подвергаются при вращении более сильным растягивающим усилиям, чем внутренние витки. Поэтому чтобы уменьшить вероятность разрыва волокна, намотка должна осуществляться подобным образом.
<< К оглавлению Дальше>> sersalaev.narod.ru Кинетическая энергия - маховик - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1Кинетическая энергия - маховикCтраница 1 Кинетическая энергия маховика поддерживает непрерывное движение механизма. [1] Кинетическая энергия маховика, сидящего на коленчатом валу, может быть увеличена ( при заданной производительности пресса) только при увеличении момента инерции маховика. [2] Изменение кинетической энергии маховика пропорционально площади, ограниченной кривой избыточного момента и осью абсцисс. [4] Увеличение кинетической энергии маховика можно достигнуть в первую очередь за счет увеличения числа его оборотов, так как в формулу для кинетической энергии маховика число п входит в квадрате. [5] Приравниваем кинетическую энергию маховика потенциальной энергии изгиба рамы. [6] Наибольшее изменение кинетической энергии маховика на протяжении одного оборота определяют по векторной диаграмме. [7] Необходимый запас кинетической энергии маховика подсчитывается одновременно с решением вопроса о мощности двигателя, приводящего стан. [8] При понижении скорости кинетическая энергия маховика уменьшается. Таким образом, маховик выравнивает угловую скорость в течение оборота вала. [10] В тракторных двигателях кинетическая энергия маховика должна обеспечить трогание машины с места и преодоление кратковременных перегрузок, поэтому маховики тракторных двигателей по сравнению с автомобильными имеют большую массу и размеры. [11] Запуск инерционным стартером основан на использовании кинетической энергии специального маховика, который перед запуском двигателя раскручивается до большого числа оборотов. [12] Общая высота этой диаграммы определяет предельное изменение кинетической энергии маховика на протяжении одного оборота коленчатого вала. [13] Принцип действия такого стартера основан на использовании кинетической энергии специального маховика. Этот маховик перед пуском двигателя раскручивается от руки или от электродвигателя до большого числа оборотов, после чего вращение маховика при помощи механизма включения передается коленчатому валу пускаемого двигателя. В некоторых конструкциях вместо специального маховика используют маховик пускаемого двигателя, устанавливаемый в этом случае свободно на коленчатом валу и соединяющийся с ним через фрикционную муфту. Во время пуска двигателя маховик при выключенной муфте раскручивается от руки до необходимых оборотов, после чего муфта включается и коленчатый вал с маховиком вращается как одно целое. [14] Отрезок FH изображает в масштабе ЛЕ наибольшее изменение кинетической энергии маховика в течение периода установившегося движения машины. [15] Страницы: 1 2 3 4 www.ngpedia.ru Для чего нужен маховик как накопитель энергии?Аккумулятор и генератор в одном лице — древнейшее изобретение человечества, которое претендует на звание лучшего накопителя энергии. Не так сложно получить энергию, как потом ее сохранить и использовать при необходимости. Известны десятки, если не сотни способов аккумулирования энергии. Сегодня мы окружены химическими накопителями. Это связано со множеством мелких электронных устройств, не требующих большой мощности. Всё логично, но что делать, если вам нужно запасти энергию для обеспечения целого дома? В этом случае традиционные аккумуляторы уже не так эффективны, а главное, они обходятся очень дорого, и при этом, недолговечны. Вот тут идеальным решением может стать именно вращающийся маховик. Для чего он нужен и как он функционирует в качестве накопителя энергии? Обладая самой высокой удельной мощностью на единицу массы, механические накопители способны быстро запасать и передавать энергию. Если поместить такое устройство в герметичный корпус, откачать воздух и поставить магнитные подшипники, то он будет сохранять запасенную энергию даже не месяцы, а годы. Это не фантастика. Ряд западных фирм уже серийно выпускают такие устройства для разных электростанций, промышленности и частных потребителей. А вот идеальным местом для размещения таких накопителей может стать Космос. Ведь там уже вакуум плюс невесомость, которая сама устраняет нагрузки на подшипники. Например, спутники связи сегодня питаются не только от солнечных батарей, но и от обычных аккумуляторов в то время, пока находятся в тени Земли. Однако время жизни таких аккумуляторов невелико. Вот здесь и подойдут маховики, которые в космосе могут работать практически вечно. Буквально революцию способны произвести механические накопители в колесном транспорте. Дело в том, что двигатель автомобиля почти никогда не работает на полную силу. И городе, например, средняя мощность двигателя менее одной десятой от максимальной. Потери на разгон, торможение. КПД при этом 7%, что видно по расходу топлива. Да, есть электрические гибриды. Но зачем переводить механическую энергию в электричество и обратно, если маховик решает эту проблему напрямую. Только представьте — двигатель гораздо меньшей мощности постоянно работает в оптимальном режиме, запасая энергию в маховике. И только только маховик через вариатор передает ее на колеса. На спусках и при торможении избыточная энергия не теряется в тормозах, а переходит обратно в маховик, в результате чего КПД двигателя может оказаться даже выше своего максимума. Для гоночного автомобиля такой накопитель просто подарок. Небольшой маховик массой около 10 килограмм на скорости вращения несколько тысяч оборотов в минуту может на 10-15 секунд сообщить дополнительную мощность болиду в сотни киловатт, что помогло бы в решающий момент обогнать соперников. Ну и, конечно, велосипед. Эту конструкцию может повторить каждый. Преимущество в том, что здесь не нужно долго хранить энергию, поэтому требования к механике вообще минимальные.
izobreteniya.net Аккумулятор будущего – маховик?: engineering_ru Дешев. Долговечен. Экологически чист. Энергетические возможности маховика, как накопителя кинетической энергии определяются тремя параметрами: скоростью вращения, диаметром и массой. Увеличив скорость вращения можно убавить вес и размер, но возникает опасность разрыва маховика центробежной силой.В молодости я прочитал книжку в поисках "энергетической капсулы"Ее автор изобрел супермаховик, супервариатор, а если все это установить на автомобиль, то и он будет - супер!Изобретение Нурбея Гулиа заключалось в том, что он придумал маховик навитый из металлической ленты. Такой маховик выдерживал центробежную силу в пять раз большую, чем литой . А при разрыве не разлетался на части, как артиллерийский снаряд, а тормозился лентой о кожух. Супермаховик в вакуумном корпусе с магнитной подвеской и скоростным электродвигателем-генератором для отбора мощности. В общем, жил бы на западе, давно бы уже был мультимиллионером, а не обклеивал квартиру авторскими свидетельствами вместо обоев (у него их три сотни).С приходом нанотехнологий его изобретение приобрело еще большую значимость. Вот, что он пишет:>если из такого материала (карбоновое нановолокно) навить супермаховик, то его удельная энергия достигнет 1Мв-час/кг, или в тысячи раз больше, чем у самых перспективных аккумуляторов! Это значит, что на таком накопителе массой в 150 кг легковой автомобиль сможет пройти с одной зарядки свыше 2 миллионов километров — больше, чем способно выдержать шасси. То есть теоретически уже сейчас можно создавать автомобили, которые в течение всего срока службы не требовали бы никакого топлива. Удельная энергоемкость такого сверхнакопителя в 500—1000 кВт·ч/кг позволит, например, создать электромобиль, заряжаемый прямо на сборочном конвейере один раз на весь срок эксплуатации машины. Два-три десятка килограммов нового супермаховика обеспечат накопление дешевой ночной электроэнергии для огромного дома и расходование этой энергии днем. .>Фантаст, конечно, но идея красивая! Американская компания Beacon Power основанная в 1997 году, сделала большой шаг в этом направлении, создав целую линейку тяжелых стационарных супермаховиков, предназначенных для включения в промышленные энергосети. Источникиhttp://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D1%83%D0%BB%D0%B8%D0%B0,_%D0%9D%D1%83%D1%80%D0%B1%D0%B5%D0%B9_%D0%92%D0%BB%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B8%D1%87http://www.i-r.ru/show_arhive.php?year=2005&month=12&id=1133http://nurbejgulia.ru/ engineering-ru.livejournal.com Циклические испытания накопителя кинетической энергии большой мощности и энергоемкостиГулиа Нурбей Владимирович, д.т.н., проф., ООО «Русский сверхпроводник», научный руководительКацай Александр Владимирович, к.ф.н., ООО «Русский сверхпроводник», генеральный директор Летом 2012 года корпорация «Русский сверхпроводник» завершила подготовку опытной документации и изготовление экспериментального образца накопителя кинетической энергии (НКЭ) большой мощности и энергоемкости. По завершении изготовления и приемочных испытаний были проведены полноценные стендовые испытания накопителя с проверкой работоспособности всех его узлов, а также некоторых основных режимов работы. В данной статье описываются достигнутые результаты проведенных испытаний циклической работы созданного накопителя кинетической энергии большой мощности и энергоемкости. Накопитель кинетической энергииКомпанией разработан НКЭ по классической схеме, которая включает в себя маховик, находящийся в прочном корпусе. Плоскость вращения маховика – горизонтальная, что обусловило ряд принятых в данном исполнении конструктивных решений. Вал маховика выходит из корпуса в верхней крышке, к которой присоединен фланец, держащий на себе электродвигатель фланцевого исполнения. Валы маховика и электромотора расположены соосно и соединены муфтой. Примененная электромашина является обратимой, т.е. может работать как в режиме электродвигателя, так и в режиме генератора. Раскрученный до своих рабочих скоростей маховик накапливает энергию. При достижении максимальной рабочей частоты вращения, на которую рассчитан маховик, электромотор отключается от сети. После этого маховик вращается по инерции. При включении электромашины в режиме генератора благодаря тому, что ротор генератора соединен муфтой с валом маховика и вращается, вырабатывается напряжение, которое передается на нагрузку. Рис. 1. 3D-модель НКЭ По вышеописанной принципиальной схеме проводилось проектирование накопителя (см. рис. 1). В ходе конструкторской работы осуществлялся расчет прочности разных форм и материалов маховика, корпуса, анализировались способы соединения валов мотора и маховика, а также исследовались другие аспекты, в том числе в части электротехнической составляющей накопителя кинетической энергии. В ходе разработки также был создан облегченный полномасштабный макет (из пластиковых материалов), на котором проводились лабораторные исследования накопителя. В результате проведенной работы был создан прототип накопителя со следующими параметрами (см. таб. 1): Таблица 1 Характеристики накопителя
Конструкция испытательного стендаДля проверки работоспособности изготовленного прототипа накопителя были определены критерии и требования к стенду для проведения экспериментальных исследований. Были изучены некоторые сохранившиеся в Москве стенды, которые были предназначены для испытаний аналогичных машин. Практически все из них оказались в разобранном или непригодном состоянии. Для проведения испытаний был выбран действующий стенд в Подмосковье (рис. 2), представляющий собой обнесенный толстыми бетонными стенами приямок. Рис. 2. Фото испытательного стенда Для проверки работоспособности накопителя кинетической энергии была составлена программа и методики проведения испытаний, были определены ключевые режимы для проверки достижения накопителем проектно заданных параметров по эффективности, надежности работы, безопасности, управляемости. На основе программы и методики испытаний сотрудниками компании был разработан и собран испытательный стенд, который включал в себя основное испытываемое и вспомогательное, в том числе измерительное оборудование. Электрическая схема подключений основного испытательного оборудования изображена на рис. 3. Рис. 3. Принципиальная схема подключения электрическая Питание всего испытательного комплекса осуществлялось от центрального щитка электропитания испытательного комплекса напряжением 380 В, 3 фазы. Питание шло на преобразователь частоты (далее ПЧ) стандартной комплектации, задача которого связана с контролем и подачей тока заданной частоты на мотор-генератор (далее МГ). Таким образом, происходил процесс управления двигателем и съема показаний с частотного регулятора. Для разгона маховика, расположенного на одном валу с мотор-генератором (рис. 4а), с преобразователя частоты подавалось напряжение 3×380 В и ток 40 А. В режиме хранения энергии происходило отключение ПЧ и МГ, при этом маховик вращался свободно. Для переключения МГ в режим генерации проводились следующие манипуляции с ПЧ: вначале, на несколько секунд (3...5 с), инвертор включал МГ в режим разгона. Это происходило для того, чтобы подключить на кроткое время энкодер электромашины, который позволял определить мгновенную частоту вращения ротора. Затем из режима электродвигателя происходил быстрый переход МГ в режим генератора ( Для снижения воздушного сопротивления вращению маховика использовался вакуумный насос «Edwards IDM-12» мощностью 300 Вт. Изменяемые параметры вакуума: 100 000 – 2 500 Па. Рис. 4. Фото накопителя кинетической энергии (а) с преобразователем частоты и тормозными резисторами (б) Проведение разгонных испытаний маховикаЦелями данных испытаний ставилась проверка работоспособности маховика при заданных частотах вращения, измерение полной и остаточной деформации маховика, возникающих при вращении, испытание работоспособности при основных режимах работы маховика. Всего в ходе испытаний было проведено 44 цикла заряд-разряд с различных начальных уровней энергии маховика. Зарядка начиналась вплоть от нулевого уровня (маховик был неподвижен), и доводилась до различных промежуточных уровней, вплоть до достижения максимального расчетного объема запасаемой энергии маховика. Так, при максимальной достигнутой скорости в 4 500 об/мин энергия составила Е = 5,04 МДж. Разрядка же производилась от различных уровней запасенной энергии, вплоть от максимального. Конечный уровень энергии маховика при испытаниях также был различным, вплоть до полной остановки маховика, т.е. выдачи всей запасенной энергии. Наличие частотного регулятора электродвигателя позволяло управлять как временем разгона маховика, так и временем работы всего агрегата в режиме генерации. увеличить изображение Рис. 5. Сводный график проведения эксперимента №18 с накопителем кинетической энергии В качестве примера разберем типовой опыт под №18, результаты которого обобщенно сведены в графике, выстроенном программным обеспечением автоматического преобразователя частоты (см. рис. 5). На графике видно, что в ходе этого опыта фиксация показаний параметров началась примерно с 12-й секунды, когда частота вращения маховика уже была порядка 500 об/мин. С этого момента и вплоть до 157-й секунды шел плавный линейный набор мощности мотором в соответствии с заданной ПЧ программой до 90% от номинальной (т.е. до 20 кВт). На моменте времени примерно 2 мин. 37 с электродвигатель был остановлен и маховик начал свободный выбег с достигнутой частоты вращения 3050 об/мин. Выбег продолжался до примерно 3 мин. 7 с. За эти 30 секунд скорость маховика практически значимо не изменилась. Торможение маховика вызывалось, в качестве самых основных, следующими факторами: воздушное трение ротора мотора, который находится при давлении 1 бар и является самым значимым фактором мощности потерь всего агрегата. Кроме того, на потери оказывали влияние (хотя и в существенное меньшей степени) трение подшипников мотора, подшипников маховика, остаточное давление в корпусе маховика, остаточное намагничивание ротора мотора и еще несколько факторов, гораздо меньших по влиянию. Оценочно, исходя из ограниченности технических возможностей оперативного измерения мгновенной скорости маховика, можно было определить мощность потерь агрегата на максимальной скорости в примерно менее 1 кВт, из них мощность потерь в самом маховике на максимальной скорости порядка 200 Вт. В указанное время 3 мин. 7 с электромашина была переведена в режим генератора. Началось такое же плавное, в соответствии с заданным для ПЧ режимом генерации, и практически линейное снижение мощности генератора до 0 кВт и скорости вращения маховика до менее 100 об/мин. Т.е., совокупный КПД накопителя кинетической энергии по выдаче накопленной механической энергии с преобразованием её в электрическую составил порядка 96,72%, что выше чем у всех других реализованных типов накопителей энергии. Вырабатываемая генератором энергия подавалась на тормозные резисторы, которые нагревались и рассеивали тепловую энергию в атмосферу. Снятие напряжения при разрядке накопителя производилось со звена постоянного тока, которое выдерживалось достаточно строго на уровне порядка 530 В с небольшим повышением в конце цикла генерации до 550 В. Всего проведенный цикл работы маховичного накопителя энергии с зарядкой, хранением энергии и разрядкой на нагрузку продлился в этом эксперименте примерно 6,5 минут (392 секунды с момента начала регистрации данных по разгону маховика). Отношение времени разгона маховика ко времени разряда составило примерно 3/4, т.е. была задана через частотный регулятор меньшая мощность генератора, чем номинальная мощность электромашины. Измерение давления в корпусе маховика показало, что с начала разгона и до окончания торможения оно практически не изменилось в пределах погрешности приборов измерения. Измерение геометрических размеров маховика линейкой и микрометром и его внешний осмотр показали, что никаких изменений по прохождении эксперимента не произошло. Также нами были проведены испытания по полному выбегу маховика совместно с ротором электромашины. Время выбега окончательно замерено не было, поскольку необходимо было освобождать испытательное помещение, а за прошедшие несколько часов с момента придания маховику максимальной установленной скорости она снизилась менее чем в два раза. ВыводыПредварительные испытания накопителя кинетической энергии показали реализуемость разработанной конструкции вертикальноосевого маховика, сопряженного на одной оси с валом обратимой электромашины, выполняющей функции мотора и генератора. Более того, уже первые испытания показали, что КПД накопителя кинетической энергии или глубина разряда с учетом двойного преобразования механической энергии в электрическую (которая также преобразовывалась из переменного напряжения в постоянное) превысила аналогичные значения всех существующих типов накопителей энергии. Максимальная энергоемкость накопителя составила 5 МДж. Примененный частотный регулятор электромашины способствовал плавному регулированию ходом привода и повышением её управляемости. Конструкция накопителя позволяет легко варьировать применяемые электромашины по мощности, поскольку они располагаются вне корпуса маховика.
Дата публикации: 4 декабря 2012 года n-t.ru |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
От маховиков к супермаховикам В качестве накопителей энергии маховики применяют уже несколько столетий, однако качественный скачок в области их энергоемкости произошел только в 1960-е году, когда были созданы первые супермаховики. 1. Супермаховик в работе Супермаховик выглядит, как обычный, но внешняя его часть свита из прочной стальной ленты. Витки ленты обычно склеены между собой. 2. Супермаховик после разрыва Если разрыв обычного маховика разрушителен, то в случае супермаховика лента прижимается к корпусу и автоматически затормаживает накопитель — все совершенно безопасно. 
Накопитель Сегодня благодаря высокой энергоемкости супермаховики применяют во многих областях — от применения в спутниках связи в качестве аккумулятора энергии до использования в электростанциях для повышения их КПД. На схеме изображен маховичный накопитель, который применяют на американских электростанциях для повышения их КПД. Потери энергии в супермаховиках составляют всего 2% - это достигается, в том числе, за счет того, что он вращается в вакуумном кожухе на магнитных подшипниках. 
Механический гибрид Гулиа (1966) Это возможно первый в мире гибридный автомобиль. Его передние колеса приводились от ДВС, тогда как задние от вариатора и маховика. Такой опытный образец оказался вдвое экономичней, чем УАЗ-450Д. 
Маховичные машины Если объединить в одну схему супермаховик и супервариатор расход привычного автомобиля можно снизить ниже 2 л/100 км, считает Нурбей Гулиа. На фото приведена схема работы маховичной машины на топливных элементах, справа автомобиля с ДВС. 
Простейший маховик способен вернуть более 50% энергии которые сегодня теряется при торможении, а также при езде с частыми подъемами и спусками. Каждый может найти свое применение кинетической энергии, запасенной в маховике. Например, светильники. В быту есть моменты, когда свет нужен буквально на пару минут. Подвалы, чердаки, подсобки. Нужно только подумать над механизмом возврата веревки. Но это ведь мелочь, правда?
Накопители представляют собой цилиндрические емкости, высотой по пояс человека или по грудь, внутри которых на активных магнитных подшипниках подвешены супермаховики, которые могут раскручиваться до штатных 22,5 тысяч оборотов в минуту.Расчетный срок службы - 20 лет, диапазон рабочих температур - от минус 40 до плюс 50 по Цельсию. Согласитесь, для химических аккумуляторов трудновато было бы обеспечить такие показатели. Полностью статья тутУ нас придумали, у них сделали. Дело привычное...Еще видео - Гулиа о патентах http://my.mail.ru/video/mail/gulia_nurbei/25/32.html#video=/mail/gulia_nurbei/25/32
