Найефективніший спосіб накопичення енергії старий як світ

Feb 07 22:00 2020 Друк цієї статті

Звичайно, що ж це може бути ще. Тим не менш, є ще один спосіб, який використовується не дуже часто, але при цьому має дуже хороші перспективи. Особливо, на тлі розвитку інших технологій. Такі розробки навіть застосовувалися при виробництві громадського та вантажного транспорту. Їх початок бере свої коріння ще в Радянському Союзі, але останнім часом технологія починає застосовуватися все частіше. Кілька років тому, коли дозволяв регламент, це використовувалося навіть у Формулі-1. Відкриємо завісу таємниці і розповімо, як працює це досить просте, але геніальний винахід, і про людину, який присвятив цьому життя.Стародавній маховик теж був свого роду акумулятором.

Зміст

  • 1 Що таке маховик?
  • 2 Де застосовуються маховики?
  • 3 Супермаховик Гуліа
  • 4 Ефективність супермаховиков
  • 5 Де застосовуються супермаховики?

Що таке маховик?

Говорити ми сьогодні будемо про супермаховиках і про їх творця Нурбее Гуліа. Хоч і здається, що маховик це щось застаріле і суто технічне, але і в новому електричному світі йому є місце.

Маховик (махове колесо) — масивне обертове колесо, що використовується в якості накопичувача (інерційний акумулятор) кінетичної енергії або для створення інерційного моменту, як це використовується на космічних апаратах.

Самі маховики були винайдені дуже давно і навіть успішно застосовувалися в промисловості тих років. Є навіть знахідки в Межиріччі та стародавньому Китаї, які підтверджують використання подібних пристроїв. Правда, тоді вони робилися з обпаленої глини або з дерева і виконували інші функції.

Де застосовуються маховики?

Завдяки своїй масивності та законам фізики, які супроводжують рух маховика, він знайшов застосування в багатьох сучасних механізмах - від транспорту до промисловості.

Найпростіше застосування полягає у збереженні швидкості обертання вала, на якому встановлений маховик. Це може стати в нагоді під час роботи якого-небудь верстата. Особливо в ті моменти, коли він відчуває різкі навантаження і треба не допустити падіння частоти обертання. Виходить такий свого роду демпфер.

Напевно, найбільш частим місцем, де зустрічаються маховики, є двигун внутрішнього згоряння автомобіля. Він дозволяє зберегти швидкість обертання двигуна при вимиканні зчеплення. Тим самим знижується вплив на трансмісію, так як перемикання передачі відбувається в той час, коли двигун працює на обертах вище оборотів холостого ходу. Крім цього, так досягається більший комфорт і плавність руху. Правда, на гоночних машинах маховик дуже сильно полегшується для зниження ваги і збільшення швидкості, з якою двигун розкручується.Маховик легкового автомобіля.

Також маховики часто використовуються для стабілізації руху. Відбувається це за рахунок того, що колесо, яким і є маховик, при обертанні створює гіроскопічний ефект. Він створює сильний опір при спробі нахилити його. Цей ефект легко відчути, наприклад, розкрутив колесо велосипеда і спробувавши його нахилити, або взявши в руки працює жорсткий диск.

Така сила заважає при керуванні мотоциклом, змушуючи вдаватися до контррулению, особливо на великій швидкості, але дуже допомагає, наприклад, для стабілізації корабля під час хитавиці. Також підвісивши такий маховик і враховуючи, що він завжди знаходиться в одному положенні відносно горизонту, можна фіксувати його відхилення від корпусу об'єкта і розуміти його положення в просторі. Застосування таких властивостей маховика актуально в авіації. Саме обертовий маховик дозволить визначити положення фюзеляжу літака в просторі.

Супермаховик Гуліа

Тепер, після досить довгого введення і передісторію, поговоримо безпосередньо про супермаховиках і про те, як вони допомагають зберігати енергію, не маючи в складі яких-небудь хімічних з'єднання для цього.Нурбей Гуліа - створив і просуває ідею супермаховика, як накопичувача енергії.

Супермаховик являє собою один з типів маховиків, призначений для накопичення енергії. Він спеціально зроблений так, щоб накопичити якомога більше енергії, без необхідності застосування за іншим призначенням.

Такі маховики важкі і дуже швидко крутяться. З-за того, що швидкість обертання дуже висока, є ризик розрідження конструкції, але це теж продумано. Сам маховик складається з намотаних витків сталевого пластичної стрічки або з композитних матеріалів. Крім того, що така конструкція міцніше монолітною, вона ще руйнується поступово. Тобто, при відшаруваннях маховик просто буде гальмуватися і заплутається в своїх частинах. Думаю, не варто пояснювати, що розрив маховика, що обертається зі швидкістю в десятки тисяч оборотів в хвилину і важить щонайменше десятки кілограм, загрожує дуже серйозними наслідками.

Крім цього, для забезпечення ще більшої безпеки можна помістити систему з таким маховиком в бронекапсулу і закопати її на кілька метрів у землю. У цьому випадку елементи, що рухаються точно ніяк не зможуть нашкодити людині.

Додатковим плюсом використання бронекапсули буде створення в ній вакууму, який дозволить суттєво знизити вплив зовнішніх сил на рух. Простіше кажучи, так можна звести до мінімуму або взагалі прибрати опір газового середовища (у звичайному випадку повітря).Так влаштований супермаховик Гуліа.

В якості додаткових сил, що перешкоджають обертанню, ще виступає опір підшипників, на яких встановлений маховик. Але його можна встановити на магнітний підвіс. У цьому випадку сили впливу зведені до такого мінімуму, яким можна знехтувати. Саме з цієї причини такі маховики здатні крутитися місяцями. Крім цього, магнітний підвіс дозволяє не замислюватися про знос системи. Зношується тільки генератор.

Саме генератор і є тим елементом, який дозволяє виробити електрика. Він просто підключається до маховика, і отримуючи передане їм обертання виробляє електрику. Виходить аналог звичайного генератора, тільки для цього не треба спалювати паливо.

Для накопичення енергії в той час, коли немає навантаження, маховик розкручується і тим самим "тримає заряд". Власне, можливий і комбінований варіант за аналогією зі звичайними акумуляторами, які можуть одночасно віддавати енергію і заряджати самі. Для розкручування маховика використовується мотор-генератор, який може як розкручувати маховик, так і забирати енергію його обертання.

Такі системи актуальні для накопичення енергії в домогосподарствах і в системах зарядки. Наприклад, подібна система за задумом інженерів Skoda повинна використовуватися для зарядки автомобілів. Вдень розкручується маховик, а ввечері віддає заряд в електромобілі, не навантажуючи міську мережу у вечірній і нічний час. При цьому можна заряджатися повільно від одного маховика або швидко від кількох, з яких буде "зніматися" більше електрики.

Ефективність супермаховиков

Ефективність супермаховиков при всій їх архаїчній досягає дуже високих значень. Їх ККД доходить до 98 відсотків, що навіть не снилося звичайним акумуляторним батареям. До речі, саморозряд таких батарей теж відбувається швидше, ніж втрата швидкості добре зробленого маховика у вакуумі і на магнітному підвісі.

Можна згадати старі часи, коли люди почали запасати енергію за допомогою маховиків. Найпростішим прикладом є гончарні круги, які розкручувалися й крутили, поки ремісник працював над черговим посудиною.

Ми вже визначся, що конструкція супермаховика досить проста, він має високий ККД і при цьому коштує відносно недорого, але є у нього один мінус, який позначається на ефективності його використання і стоїть на шляху масового впровадження. Точніше, таких мінусів два.Стрічковий маховик.

Головним з них буде той самий гіроскопічний ефект. Якщо на кораблях це корисне побічна властивість, то на автомобільному транспорті це буде дуже сильно заважати і треба буде використовувати складні системи підвісу. Другим мінусом буде пожежонебезпека в разі руйнування. З-за великої швидкості руйнування навіть композитні маховики будуть виділяти велику кількість тепла за рахунок тертя об внутрішню частину бронекапсули. На стаціонарному об'єкті це не буде великою проблемою, так як можна зробити систему пожежогасіння, але на транспорті може створити дуже багато труднощів. Тим більше, на транспорті ризик руйнування вище за рахунок вібрацій під час руху.

Де застосовуються супермаховики?

В першу чергу, Н.В. Гулія хотів використовувати свій винахід саме на транспорті. Навіть було побудовано декілька зразків, які проходили випробування. Незважаючи на це, системи далі випробувань не пішли. Зате застосування такого способу накопичення енергії знайшлося в іншій сфері.

Так в США в 1997 році компанія Beacon Power зробила великий крок у розробці супермаховиков для застосування їх в електростанціях на промисловому рівні. Ці супермаховики могли запасати енергію до 25 кВт⋅год і мали потужність до 200 кВт. Будівництво станції потужністю 20 МВт почалося в 2009 році. Вона повинна була нівелювати піки навантаження на електричну мережу.

В Україні теж є подібні проекти. Наприклад, під науковим керівництвом самого Н. Ст. Гуліа компанія Kinetic Power створила власну версію стаціонарних накопичувачів кінетичної енергії на базі супермаховика. Один накопичувач може запасати до 100 кВт⋅год енергії і забезпечувати потужність до 300 кВт. Система таких маховиків може забезпечувати вирівнювання добової неоднорідності електричного навантаження цілого регіону. Так можна повністю відмовитися від дуже дорогих гідроакумулюючих електростанцій.

Можливе використання супермаховиков і на об'єктах, де потрібна незалежність від електричних мереж і резервне живлення. Ці системи мають дуже високу швидкість відгуку. Вона становить буквально частки секунди і дозволяє забезпечити дійсно безперебійне живлення.Така ідея «не зайшла». Може вийде з поїздами?

Ще одним місцем, де можливе застосування Супермаховик, є залізничний транспорт. На гальмування складів витрачається дуже багато енергії і, якщо не витрачати її даремно, нагріваючи гальмівні механізми, а розкрутити маховик, накопичену енергію потім можна витратити на набір швидкості. Ви скажете, що система на підвісі буде дуже крихкою для транспорту і будете праві, але у такому разі можна говорити і про підшипниках, так як запасати енергію надовго просто немає необхідності і втрати від підшипників будуть не такими великими на такому проміжку часу. Зате такий спосіб дозволяє економити 30 відсотків споживаної енергії поїздом для руху.

Як бачимо, системи на супермаховиках мають багато плюсів і зовсім небагато мінусів. З цього можна зробити висновок, що вони будуть набирати популярність, ставати дешевшими та масовими. Це той самий випадок, коли властивості речовини і закони фізики, знайомі людям з давніх часів, дозволяють придумати щось нове. В результаті ви отримали дивним симбіозом механіки і електрики, потенціал якого до кінця ще не розкрито.