Согласно проекту инженеров Boeing, коммунальные службы будут предлагать системы в контейнерах емкостью 2 МВт-ч, состоящие из серии небольших маховиков по 100 кВт-ч каждый. Крупномасштабные хранилища для коммунальных служб будут стоить около 100 долларов за киловатт-час мощности.
Умей вертеться
Последние разработки в области нанотехнологий и других высокотехнологичных областях позволили добиться ожидаемого прогресса не только в электрохимическом хранении энергии, но и в механическом хранении энергии, например, в маховиках.
Проблема безопасности маховика была решена, по сути, более полувека назад. В 1964 году советский инженер Нурбай Гулиа предложил использовать барабан, изготовленный из композитных материалов, таких как тонкие слои стальной ленты, рулоны стекловолокна или композиты из углеродного волокна, вместо цельной конструкции, которая на большой скорости может разлететься на крупные куски и разрушить все вокруг.
Конструкция Гулиа называется супермаховиком. При превышении допустимой скорости супермаховик разрушается лишь частично. Кусочки внешних слоев отламываются и тормозят катушку, чтобы не разрушить всю конструкцию.
«Супер» и «сверх»
Супермаховик уже давно используется в качестве магнитного подвеса в эвакуированной камере. В последнее время разработчики пытаются реализовать подвеску на основе сверхпроводящих электромагнитов и изготовить накопительный барабан из нанотехнологичных материалов.
В 2015 году в Японии была разработана маховичная система хранения мощностью 300 кВт, которая может хранить 100 кВт/ч электроэнергии. Барабан диаметром 2 м имеет массу 4 тонны и скорость вращения до 6 000 об/мин. Особенностью конструкции является то, что несущий подшипник содержит две сверхпроводящие обмотки.
Накопительный элемент состоит из девяти колец толщиной 10 см, которые имеют внутренний диаметр 1,4 м и внешний диаметр 2 м. Накопительный элемент состоит из двух колец. Такая конструкция позволяет регулировать вместимость путем изменения количества колец. Кольца обмотаны специально сплетенными нитями из углеродного волокна.
Сверхпроводящие магниты, изготовленные из высокотемпературных сверхпроводников второго поколения на основе натрия, работают при температур е-223°C. В настоящее время система проходит испытания на фотоэлектрической солнечной электростанции мощностью 10 МВт в Комекураяме, префектура Яманаси, Япония.
Максимум скорости
Кинетическая энергия вращающегося тела (с фиксированной формой) пропорциональна его массе и квадрату его скорости, поэтому конструкторы маховиков не уделяют особого внимания массе, а стремятся к максимально возможным скоростям. Это требует использования самых прочных композитных материалов для намотки роторов супермаховика.
Компания Boeing уже давно работает над сверхпроводящими электромагнитами, подвешенными на маховиках. В 2012 году инженерам удалось достичь линейной скорости 800 м/с на краю супермаховика. В то время мировой рекорд для небольших испытательных систем составлял 1405 м/с. Не менее важно, что инженеры Boeing смогли замедлить «саморазряд» накопителя до скорости, характерной для электрохимических систем с использованием сверхпроводящих электромагнитов (см. рис. 1).
Согласно проекту инженеров Boeing, коммунальные службы будут предлагать системы в контейнерах емкостью 2 МВт-ч, состоящие из серии небольших маховиков по 100 кВт-ч каждый. Крупномасштабные хранилища для коммунальных служб будут стоить около 100 долларов за киловатт-час мощности.
Что такое маховик?
Сегодня мы поговорим о супермаховиках и их изобретателе Нурбее Гулиа. Хотя маховик кажется чем-то устаревшим и чисто техническим, он также имеет свое место в новом электрическом мире.
Маховик — это огромное вращающееся колесо, используемое для накопления кинетической энергии или создания инерции, как, например, в космических кораблях.
Сами маховики были изобретены давно и успешно использовались в промышленности в то время. Существуют даже находки в Месопотамии и древнем Китае, подтверждающие использование таких устройств. Однако в то время они изготавливались из обожженной глины или дерева и выполняли другие функции.
Где применяются маховики?
Благодаря своей массе и законам физики, сопровождающим движение маховика, он используется во многих современных машинах, от транспорта до промышленности.
Самое простое применение — поддержание скорости вращения вала, на котором установлен маховик. Это может быть полезно при работе на станке. Это особенно полезно, когда машина находится под высоким давлением и необходимо предотвратить падение скорости. Это своего рода демпфер.
Маховики, вероятно, чаще всего встречаются в двигателях внутреннего сгорания автомобилей. Он позволяет поддерживать обороты двигателя при выключенном сцеплении. Это снижает воздействие на трансмиссию, поскольку переключение передач происходит при работе двигателя на оборотах выше холостых. Она также обеспечивает больший комфорт и более плавный ход. Однако в гоночных автомобилях маховик значительно облегчают для экономии веса и увеличения ускорения двигателя.
Маховик для легковых автомобилей.
Для стабилизации также часто используются маховики. Это происходит потому, что колесо, маховик, при вращении создает гироскопический эффект. Он оказывает сильное сопротивление, когда вы пытаетесь наклонить его. Этот эффект легко ощущается, например, когда вы вращаете колесо велосипеда и пытаетесь наклонить его, или когда вы прикасаетесь к работающему жесткому диску.
Эта сила мешает езде на мотоцикле и заставляет прибегать к противоскользящему устройству, особенно на высоких скоростях, но она очень полезна, например, для стабилизации лодки при качке. Если подвесить такой маховик и предположить, что он всегда находится в одном и том же положении относительно горизонта, то можно также определить его отклонение от тела объекта и понять его положение в пространстве. Применение этих свойств маховика актуально для авиации. Вращающийся маховик можно использовать для определения положения фюзеляжа самолета в пространстве.
Супермаховик Гулиа
После этого длинного вступления и исторической справки давайте теперь поговорим непосредственно о супермаховиках и о том, как они помогают экономить энергию без использования химических соединений.
Нурбай Гулиа — разработал и продвигает идею супермаховика как устройства для хранения энергии.
Супермаховик — это тип маховика, предназначенный для хранения энергии. Он специально разработан для того, чтобы накопить как можно больше энергии, не используя ее для других целей.
Эти маховики тяжелые и вращаются очень быстро. Поскольку скорость вращения очень высокая, существует риск разбавления структуры, но это также было исследовано. Сам маховик изготавливается из намотанных катушек пластиковой стальной ленты или композитных материалов. Он не только прочнее монолитного материала, но и постепенно разрушается. То есть, маховик просто заторможен и запутывается в собственных деталях, когда освобождается. Думаю, не нужно объяснять, что маховик, вращающийся со скоростью десятки тысяч оборотов в минуту и весящий не менее десяти килограммов, сломается с очень серьезными последствиями.
Для еще большей безопасности систему с таким маховиком можно заключить в корпус и закопать в землю на глубину нескольких метров. Таким образом, движущиеся части не смогут никого поранить.
Дополнительным преимуществом бронированной капсулы будет создание вакуума внутри капсулы, что значительно снизит влияние внешних сил на движение. Проще говоря, сопротивление газовой среды (обычно воздуха) может быть сведено к минимуму или полностью устранено.
Вот как устроен супермаховик Гулиа.
Сопротивление подшипников, в которые опирается маховик, также действует как дополнительная сила, препятствующая его вращению. Однако его можно установить на магнитный подвес. В этом случае силы снижаются до ничтожного минимума. По этой причине такие маховики могут работать месяцами. Более того, благодаря магнитной подвеске, износом системы можно пренебречь. Изнашивается только генератор переменного тока.
Генератор — это элемент, который делает возможным производство электроэнергии. Он просто подключается к маховику, получает его вращение и вырабатывает электроэнергию. Он похож на обычный генератор, за исключением того, что ему не нужно сжигать топливо.
Чтобы получать еще больше интересной информации из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram.
Для накопления энергии при отсутствии нагрузки маховик вращается и таким образом «держит заряд». На самом деле, возможна и комбинация, подобно обычным батареям, которые могут одновременно подавать энергию и заряжаться. Для вращения маховика используется двигатель-генератор, который может как вращать маховик, так и получать от него энергию.
Такие системы важны для бытовых систем хранения и зарядки энергии. Такая система, разработанная инженерами Skoda, должна использоваться, например, для зарядки автомобилей. В течение дня маховик раскручивается, а вечером заряжает электромобили, не нагружая ночью городскую электросеть.
