Супермаховик

Один из крупных маховиков и его изобретатель Нурбей Гулиа.

Супермахови́к — один из типов маховика, предназначенный для накопления механической энергии. Маховики как буферные устройства начали использоваться ещё во времена неолита, например, в устройстве гончарного круга.^[1] В двадцатом веке маховик претерпел ряд конструктивных изменений, позволявшим ему запасать энергию на значительное время. Так, например, в 1950-тых годах вакуумированные маховики использовались в экспериментальном общественном транспорте, в частности испытывались гиробусы.^[2]

За счёт конструктивных особенностей способен хранить до 500 ватт•часов (1,8 МДж) на килограмм веса.^[3] В частности, в 1964 году советский инженер Нурбей Владимирович Гулиа заявил авторские права на одну из конструкций, которой и дал название «супермаховик».

Современный супермаховик представляет собой барабан, изготовленный из композитных материалов, например, намотанный из тонких витков стальной, пластичной ленты, стекловолкна или углеродных композитов. За счёт этого обеспечивается высокая прочность на разрыв. Для уменьшения потерь на трение супермаховик помещается в вакуумированный кожух. Зачастую используется магнитный подвес.

Законченный вид супермаховик принимает тогда, когда он способен запасать и отдавать энергию. Для этого создаётся мотор-генератор, где статором является барабан, а ротором — ось, вокруг которой он вращается. Таким образом, при подключении в сеть он будет запасать энергию, а при подключении нагрузки — отдавать. КПД этого преобразования достигает 98 %^[4].

Преимущества и недостатки супермаховика

Супермаховик сочетает в себе долговечность и умеренную цену, безопасен^[5] при разрушении. Как уже было сказано, его КПД очень велик. Недостатком супермаховиков является большой момент импульса, который будет препятствовать изменению направления оси вращения маховика.

Дополнительным недостатком супермаховика является отсутствие отработанной простой трансмиссии, позволяющей использовать его на транспорте. В настоящий момент проводятся эксперименты по передаче энергии вращения супермаховика на колёса транспортного средства посредством супервариатора. Перспективным также является использование вакуумного супермаховика на магнитной подвеске в качестве источника электроэнергии для маршевых электродвигателей.

Практическое использование

Изобретатель супермаховика, профессор Гулиа, в первую очередь собирался применить его как накопитель энергии для автомобилей и даже построил несколько образцов такого транспорта.

Однако последние успешные достижения относятся к другим областям. Компания Beacon Power (англ.), основанная в США в 1997 году, сделала существенный шаг, разработав серию больших стационарных супермаховиков для применения в промышленных энергосетях. Супермаховики производства Beacon Power способны запасать энергию в 6 и 25 киловатт•часов в зависимости от модели и мощность в 2 и 200 киловатт соответственно.

Американская компания рассчитывает продавать их местным компаниям, а также сама оказывать услугу «регулирования частоты». Строительство регулирующей электростанции на супермаховиках мощностью 20 МВт. началось в конце 2009 года^[6]. Поскольку энергосистема США существует в условиях наличия множества местных поставщиков энергии и открытого энергетического рынка, необходимость регулирования мощности создает немало проблем. Проблем, собственно три: запасание «лишней» энергии, когда потребление снижается, восполнение недостатков во время пиков потребления, регулирование частоты тока. По расчетам Beacon Power супермаховики, объединенные в батарею по 10 накопителей, смогут обеспечивать мощность в 1 мегаватт и запасать энергию в 250 киловатт-часов. Изменение частоты в сети при этом парируется за время порядка 5 миллисекунд. Также автор считал что супермаховики при помощи специальной передачи вращения камере будут бурить глубокие подводные скважины.

Математика маховика

Возможно, эта статья содержит оригинальное исследование. Добавьте ссылки на источники, в противном случае она может быть выставлена на удаление. Дополнительные сведения могут быть на странице обсуждения. (25 мая 2011)

Оценим энергетические параметры маховика, навитого из нити в виде полого толстостенного цилиндра с внутренним радиусом r, внешним радиусом R и длиной L.

Как известно, энергия, запасенная в маховике, равна: E = J·ω² / 2

Для маховика, указанной формы, момент инерции равен: J = m·(R²-r²) / 2

Квадрат максимально допустимой угловой скорости для нити на внешнем радиусе маховика будет составлять: ω² = σ/(ρ·R²)

Тогда максимальная запасенная энергия маховика будет составлять: E = m·σ·[1-(r/R)²]/(4·ρ)

Другими словами, при сравнении маховиков равной массы и с одинаковым коэффициентом пустоты r/R наиболее энергетически емким будет маховик, навитый из нити с максимальным отношением σ/ρ.

Если же развернуть формулу для массы, то получим видоизмененное выражение для энергии: E = σ·L·R²·[1-(r/R)²]²/4

По этой формуле мы можем сравнивать маховики одинакового геометрического размера. И в этом случае наиболее емким будет маховик с максимальным пределом текучести на разрыв.

Как можно заметить, и в первой и во второй формуле энергии отсутствует, как таковая, частота вращения, что позволяет упростить сравнение быстроходных и тихоходных маховиков. Для мобильных применений, например в автомобилях, актуально проводить оценку по первой формуле, так как там важна масса компонентов и агрегатов. Для стационарных применений больше подходит вторая формула, которая не учитывает массу, но позволяет оценить используемый объем, что важно для создания стационарных хранилищ с максимальной объемной плотностью энергии…

Оценим численные параметры максимально возможной энергии маховика для стальной проволоки с предельной прочностью в 3000 МПа. При этом заметим еще одну особенность — маховик лучше делать не в виде полого цилиндра, а монолитным. В этом случае коэффициент пустоты r/R равен 0 и запасенная энергия на килограмм массы будет максимальна. Так какова же она? В данном случае энергия составит порядка 100 кДж на 1 кг. Если же взять графитовую нить с плотностью порядка 2..2.2 и прочностью 20 ГПа, то энергия маховика составит примерно 2500 кДж на 1 кг, что в 25 раз больше, чем у стали. Правда сталь стали рознь, так же как и графитовые волокна, но примерный диапазон мы оценили. К сожалению, до обещанных 5 МДж/кг дотянуть значение пока не получилось. С учетом коэффициента запаса, можно накопить порядка 600..1000 кДж/кг, из которых разумно снимать не более 450..750 кДж/кг. А теперь сравним это с хорошими аккумуляторами, которые запасают примерно 250 кДж/кг… И что же мы тут видим? Да, витой маховик из рекордных материалов примерно в 2..3 раза более емкий, чем АКБ той же массы…. Но какой ценой? Дешевизна?… неизвестно, сколько будут стоить километры сверхпрочной нити и ее намотка на маховик. Существенно бо’льшая емкость? тоже не слишком значительная…. Может, все это и приводит к тому, что супермаховик пока не используется там, где он предполагался изначально, а именно — на транспорте… А вот в качестве буферных накопителей стационарного типа для компенсации нагрузок на электросеть ему действительно нет равных, и вовсе не потому, что он «существенно более емкий»… все дело в двух аспектах — бесконечность циклов заряда-разряда и высокая мгновенная мощность на выходе. любого из этих параметров при прочих равных более чем достаточно для использования супермаховиков (да и просто маховиков) в энергопромышленности….

См. также

• Гиробус
• Пусковая петля

Примечания

1. ↑ Lynn White, Jr., «Theophilus Redivivus», Technology and Culture, Vol. 5, No. 2. (Spring, 1964), Review, pp. 224—233 (233)
2. ↑ Alternative Energy Storage Methods including supercapacitors, flywheel batteries, compressed air storage, springs, pumped storage, nuclear batteries and superconducting magnet…
3. ↑ Н. В. Гулиа. Супермаховики — из суперкарбона!// Изобретатель — рационализатор. — 12(672). — 2005
4. ↑ MEMBRANA — Вращающаяся армия бережёт 60 герц стабильного электричества — Статья о супермаховиках Beacon Power в интернет журнале Мембрана
5. ↑ Гулиа Н. В. Накопители энергии. — М.: Наука, 1980. — 150 с.
6. ↑ Beacon Breaks Ground on 20-MW Flywheel Storage Plant

Ссылки

• Нурбей Владимирович ГУЛИА — статья о Н. В. Гулиа и практическом применении супермаховиков в СССР.
• В поисках «энергетической капсулы» — научно-популярная книга.
• www.pentadyne.com

У этой статьи нет иллюстраций. Вы можете помочь проекту, добавив их (с соблюдением правил использования изображений). Для поиска иллюстраций можно: попробовать воспользоваться инструментом FIST: нажмите эту ссылку, чтобы начать поиск; попытаться найти изображение на Викискладе; просмотреть иноязычные варианты статьи (если они есть); см. также Википедия:Источники изображений.