Маховое колесо как преобразователь и накопитель энергии

Маховик (маховое колесо) — массивное вращающееся колесо, использующееся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии. Используется в машинах, имеющих неравномерное поступление или использование энергии, накапливая энергию, когда поступление энергии выше чем расход, и отдавая её, когда потребление превышает поступление энергии. Также используется в гибридном двигателе в качестве накопителя энергии и для рекуперативного торможения. Часто функцию маховика выполняет массивный вращающийся элемент механизма-гончарный круг, массивные колеса водяной мельницы или массивные зубчатые колеса. Помимо энергии, вращающийся маховик (как и любое вращающееся тело) обладает ещё и моментом импульса , с чем связано наблюдение гироскопического эффекта, заключающегося в прецессии оси вращения вокруг своего первоначального направления при появлении внешней силы, не совпадающей с направлением оси вращения. Первым примером использования гироскопического эффекта можно считать изобретение игрушки «волчок». Одним из первых применений гироскопического эффекта стал переход от стрельбы круглыми ядрами к продолговатым снарядам, вращение которых позволило сохранять их ориентацию в пространстве, а продолговатая форма -значительно увеличить их массу (болванка) или же разрывной заряд. Маховиком является и ротор гироскопа, используемого в гирокомпасах и вообще в гироскопических устройствах ориентации в пространстве , в частности торпед (прибор Обри), ракет и космических аппаратов. Наиболее привычные примеры маховика- велосипедное колесо или вращающийся диск электро-проигрывателя виниловых пластинок. Свойство маховика сохранять направление оси вращения используется в успокоителях качки корабля.

Использование маховика в качестве аккумулятора энергии ограничивается тем, что при превышении допустимой окружной скорости происходит разрыв маховика приводящий к большим разрушениям. Это вынуждает создавать маховики с очень большим запасом прочности, что приводит к снижению их эффективности. Следствием этого является малая (по сравнению с другими видами аккумуляторов) удельная энергоёмкость. В мае 1964 года Гулия Нурбей Владимирович подал заявку на изобретение супермаховика — энергоёмкого и разрывобезопасного маховика. В отличие от классического монолитного маховика, супермаховик намотан из тонкой ленты, проволоки или синтетических волокон, которые обладают значительно большей удельной прочностью, чем монолитная деталь (отливка или поковка), поэтому энергоемкость такого маховика значительно выше (по утверждению изобретателя, до 1,8 МДж/кг). Кроме того, в случае разрыва супермаховика не образуется крупных осколков: концы разорванной ленты или волокон начинают тормозиться о кожух, и маховик постепенно останавливается.

1.Как известно, история изобретения маховика восходит к началу гончарного и мукомольного производств эпохи Неолита: он широко использовался в гончарном круге и в ветряных мельницах. С помощью маховиков стал возможен гигантский прорыв в ходе Промышленной революции (вспомните паровые двигатели). Сегодня маховики снова в центре внимания – на новой волне развития альтернативной энергетики. Энергия ветра, так же как и энергия солнца, характеризуется определенным непостоянством, поэтому человечеству для эффективного использования этих энергий требуются некоторые «средства сглаживания». До настоящего времени уже было разработано несколько способов сохранения энергии от периодических источников энергии. Что может маховик? Главная особенность функционирования маховика заключается в том, что он имеет свойство накапливать энергию для того, чтобы впоследствии отдавать ее, когда потребление энергии заметно превышает ее поступление. То есть в определенный момент времени вращение махового колеса становится относительно постоянным и практически не зависит от усилий, приложенных извне. Компания Vycon использовала этот простой принцип работы маховика для разработки усовершенствованного маховикового накопителя энергии. Запатентованная система Vycon состоит из стального сердечника на магнитных подшипниках, спаренного двигателя/генератора (двигатель используется для накопления, а генератор – для распределения энергии), высокотехнологичной системы управления и преобразователя переменного тока в постоянный. Применение маховика - Основное назначение маховых колес, разработанных Vycon, – это сохранение энергии, полученной от солнечных и ветровых установок. Также Vycon выступила с предложением использовать маховик для сбора энергии, которая вырабатывается при опускании больших подъемных судоходных кранов и обычно просто рассеивается. Технология махового колеса может быть использована для сбора энергии в горнодобывающей деятельности, а также в зданиях с лифтами. По сравнению с другими решениями для хранения энергии, такими, как расплавленная соль, маховики отличаются мобильностью и хорошими адаптационными характеристиками. Благодаря прочности и устойчивости, их уже начинают применять в некоторых областях с высокими показателями негативного воздействия на окружающую среду.

2.Конструкция и регулирование инерционных накопителей. В настоящее время уже существуют такие накопители приемлемых размеров. В них применено вращающееся в вакууме маховое колесо из материала, армированного углеродным волокном. На вал маховика насажен ротор электрической машины. У накопителя предусмотрены выводы для подключения статического преобразователя, системы водяного охлаждения и вакуумного насоса. Электрическая синхронная машина имеет внутренний статор, размещенный в вакууме и рассчитанный на напряжение от 300 до 940 В, и наружный с возбуждением на постоянных магнитах. Маховик и ротор размещены в общем защитном корпусе. Статический преобразователь обеспечивает прием и отдачу энергии при полном использовании полезного диапазона частоты вращения, соответствующего интервалу между наибольшим и наименьшим значениями энергоемкости. Напряжение промежуточного звена преобразователя согласовано с уровнем напряжения в контактной сети. КПД всей системы для полного цикла энергообмена превышает 86%. Накопители этого типа уже в течение нескольких лет используются на грузовых автомобилях. При мощности около 200 кВт и энергоемкости 2 кВт•ч они имеют приблизительно в 5 раз меньшие габариты, чем накопители для системы тягового электроснабжения. Алгоритм регулирования процессов разряда и заряда должен выбираться с учетом цели использования накопителя энергии. Он может применяться для стабилизации уровня напряжения в контактной сети, экономии энергии, а также для покрытия пиков нагрузки. Необходимо, чтобы система регулирования динамично реагировала на ситуацию в движении поездов, например на изменение межпоездных интервалов и т. д. Оптимум достигается в том случае, когда система учитывает максимальное число параметров и гарантирует наибольшую экономию.

3. Соединенный с маховым колесом моторный генератор используется в Динамической Системе Аккумулирования энергии Международной Производительности компьютера. Это - кинетическая система хранения, которая обеспечивает системную поездку - через. Эти единицы могут использоваться, чтобы заменить системы резервного аккумулятора UPS в резервных машинных заявлениях генератора. Кинетическое хранение может также использоваться с существующей системой хранения батареи, чтобы предотвратить ненужную систему клеточного содержания, освобождающуюся от обязательств во время аномалий власти короткой продолжительности.

Система Statordyne использует гидравлическое хранение с резервным поколением. Система использует синхронный двигатель/генератор, который обеспечивает исправление коэффициента мощности при управлении как синхронный конденсатор, в то время как полезность поставляет власть. Это переключается на генератор, когда энергоснабжение прервано. Энергия сохранена в механическом маховом колесе, которое держит скорость генератора приблизительно в 1 777 оборотах в минуту для первых 100 - 200 миллисекунд, пока гидравлический двигатель не занят, чтобы держать шахту генератора, крутящуюся в 1 800 оборотах в минуту, пока генератор дизельного или природного газа не запускается и вступает во владение. Эти системы колеблются от 100-до 800 кВт, и стоимость приблизительно $1 000/кВт в зависимости от размера и особенностей. Система Holec также использует хранение инерции махового колеса с резервным поколением. Эта система объединяет медленную технологию махового колеса с синхронным генератором, чтобы защитить средства от отключений электричества власти 2 - 3 секунды в продолжительности с приемом в двигателя дизельного или природного газа для защиты от более длинных отключений электричества власти. Система Holec установлена приблизительно в 300 средствах во всем мире. Система использует асинхронный двигатель на 3 600 оборотов в минуту с вращающимся статором, который механически присоединен к ротору двигателя/генератора на 1 800 оборотов в минуту. Под обычными состояниями оба двигателя работают на максимальной скорости и роторе поворотов асинхронного двигателя в 3 600 + 1 800 оборотов в минуту для полной частоты вращения 5 400 оборотов в минуту. Это действует как маховое колесо аккумулирования энергии.