Накопитель энергии маховика

Маховик NASA G2

Накопитель энергии маховика ( FES ) работает, ускоряя ротор ( маховик ) до очень высокой скорости и поддерживая энергию в системе в виде энергии вращения . Когда энергия извлекается из системы, скорость вращения маховика уменьшается в результате принципа сохранения энергии ; добавление энергии к системе соответственно приводит к увеличению скорости маховика.

Большинство систем FES используют электричество для ускорения и замедления маховика, но в настоящее время разрабатываются устройства, которые напрямую используют механическую энергию . ^[1]

В усовершенствованных системах FES используются роторы, изготовленные из высокопрочного композитного углеродного волокна, подвешенные на магнитных подшипниках и вращающиеся со скоростью от 20 000 до более 50 000 об / мин в вакуумном корпусе. ^[2] Такие маховики могут набирать обороты за считанные минуты, достигая своей энергоемкости намного быстрее, чем некоторые другие формы накопителей. ^[2]

Основные компоненты [ править ]

Типичная система состоит из маховика, поддерживаемого подшипником качения, соединенного с электродвигателем-генератором . Маховик и иногда двигатель-генератор могут быть заключены в вакуумную камеру для уменьшения трения и уменьшения потерь энергии.

В системах накопления энергии с маховиком первого поколения используется большой стальной маховик, вращающийся на механических подшипниках. В более новых системах используются роторы из композитного углеродного волокна, которые имеют более высокий предел прочности, чем сталь, и могут хранить гораздо больше энергии при той же массе . ^[3]

Чтобы уменьшить трение , магнитные подшипники иногда используются вместо механических подшипников .

Возможное будущее использование сверхпроводящих подшипников [ править ]

Расходы на охлаждение привели к тому, что низкотемпературные сверхпроводники вскоре отказались от использования в магнитных подшипниках. Однако подшипники из высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) могут быть экономичными и, возможно, могут продлить время хранения энергии с экономией. ^[4] Гибридные подшипниковые системы, скорее всего, будут использоваться первыми. Подшипники из высокотемпературных сверхпроводников исторически имели проблемы с обеспечением подъемных сил, необходимых для больших конструкций, но они могут легко обеспечить стабилизирующую силу. Поэтому в гибридных подшипниках постоянные магниты поддерживают нагрузку, а высокотемпературные сверхпроводники используются для ее стабилизации. Причина, по которой сверхпроводники могут хорошо стабилизировать нагрузку, заключается в том, что они являются идеальными диамагнетиками.. Если ротор пытается сместиться от центра, восстанавливающая сила из-за закрепления флюса восстанавливает его. Это известно как магнитная жесткость подшипника. Вибрация оси вращения может возникать из-за низкой жесткости и демпфирования, которые являются неотъемлемыми проблемами сверхпроводящих магнитов, что не позволяет использовать полностью сверхпроводящие магнитные подшипники для маховиков.

Поскольку закрепление флюса является важным фактором для обеспечения стабилизирующей и подъемной силы, HTSC может быть намного легче изготовлен для FES, чем для других целей. Порошкам ВТСП можно придать произвольную форму при условии сильного закрепления флюса. Постоянная проблема, которую необходимо преодолеть, прежде чем сверхпроводники смогут обеспечить полную подъемную силу для системы FES, - это найти способ подавить уменьшение силы левитации и постепенное падение ротора во время работы, вызванное ползучестью потока сверхпроводящего материала.

Физические характеристики [ править ]

Общие [ править ]

По сравнению с другими способами хранения электроэнергии, системы FES имеют длительный срок службы (десятилетия при небольшом техническом обслуживании или без него; ^[2] срок службы полного цикла, указанный для маховиков, колеблется от более 10 ⁵ до 10 ⁷ циклов использования), ^[5] высокая удельная энергия (100–130 Вт · ч / кг или 360–500 кДж / кг), ^{[5] [6]} и большая максимальная выходная мощность. Энергетическая эффективность ( отношение энергии из за энергии в ) маховиков, также известный как эффективность туда и обратно, может достигать 90%. Типичные мощности в диапазоне от 3  кВт до 133 кВт. ^[2] Быстрая зарядка системы происходит менее чем за 15 минут.^[7] Высокие значения удельной энергии, часто указываемые для маховиков, могут вводить в заблуждение, поскольку коммерческие системы имеют гораздо более низкую удельную энергию, например 11 Вт · ч / кг или 40 кДж / кг. ^[8]

Форма хранения энергии [ править ]

Момент инерции :	${\displaystyle J_{m}=\int _{m}r^{2}\,\mathrm {d} m}$
Угловая скорость :	${\displaystyle \omega _{m}=2\pi \cdot n_{m}}$
Накопленная энергия вращения :	${\displaystyle W_{\text{kin}}={\frac {1}{2}}J_{m}\omega ^{2}}$

Здесь - интеграл массы маховика, а это скорость вращения (количество оборотов в секунду).${\displaystyle m}$${\displaystyle n_{m}}$

Удельная энергия [ править ]

Максимальная удельная энергия ротора маховика в основном зависит от двух факторов: первый - это геометрия ротора, а второй - свойства используемого материала. Для изотропных роторов из одного материала это соотношение может быть выражено как ^[9]

${\displaystyle {\frac {E}{m}}=K\left({\frac {\sigma }{\rho }}\right),}$

куда

${\displaystyle E}$ кинетическая энергия ротора [Дж],

${\displaystyle m}$ - масса ротора [кг],

${\displaystyle K}$ коэффициент геометрической формы ротора [безразмерный],

${\displaystyle \sigma }$ - предел прочности материала [Па],

${\displaystyle \rho }$- плотность материала [кг / м ³ ].

Геометрия (коэффициент формы) [ править ]

Максимально возможное значение коэффициента формы ^[10] ротора маховика составляет , которое может быть достигнуто только с помощью теоретической геометрии диска с постоянным напряжением . ^[11] Геометрия диска постоянной толщины имеет коэффициент формы , а для стержня постоянной толщины - . Тонкий цилиндр имеет коэффициент формы . Для большинства маховиков с валом коэффициент формы ниже или около . Конструкция без вала ^[12] имеет коэффициент формы, подобный диску постоянной толщины ( ), что позволяет удвоить плотность энергии.${\displaystyle K=1}$${\displaystyle K=0.606}$${\displaystyle K=0.333}$${\displaystyle K=0.5}$${\textstyle K=0.333}$${\textstyle K=0.6}$

Свойства материала [ править ]

Для хранения энергии желательны материалы с высокой прочностью и низкой плотностью. По этой причине композитные материалы часто используются в усовершенствованных маховиках. Отношение прочности к плотности материала может быть выражено в Втч / кг (или Нм / кг); значения более 400 Втч / кг могут быть достигнуты с помощью некоторых композитных материалов.

Материалы ротора [ править ]

Некоторые современные роторы маховиков изготавливаются из композитных материалов. Примеры включают композитный маховик из углеродного волокна от Beacon Power Corporation ^[13] и маховик PowerThru от Phillips Service Industries. ^{[14] В} качестве альтернативы, Calnetix использует в конструкции маховиков высокоэффективную сталь аэрокосмического качества. ^[15]

Для этих роторов взаимосвязь между свойствами материала, геометрией и плотностью энергии может быть выражена с помощью метода взвешенного среднего. ^[16]

Прочность на растяжение и режимы разрушения [ править ]

Одним из основных ограничений конструкции маховика является предел прочности ротора на разрыв. Как правило, чем прочнее диск, тем быстрее он вращается и тем больше энергии может хранить система.

Когда предел прочности на разрыв внешнего связующего покрытия маховика из композитного материала будет превышен, связующее покрытие будет разрушено, и колесо разобьется, поскольку внешнее сжатие колеса будет потеряно по всей окружности, высвобождая всю свою накопленную энергию сразу; это обычно называют «взрывом маховика», поскольку осколки колеса могут достигать кинетической энергии, сравнимой с энергией пули. Композитные материалы, которые намотаны и склеены слоями, имеют тенденцию быстро распадаться, сначала на нити малого диаметра, которые переплетаются и замедляют друг друга, а затем на раскаленный порошок; маховик из литого металла отбрасывает большие куски высокоскоростной шрапнели.

Для металлического литого маховика, предел неудачи связывания прочности границ зерен в поликристаллическом формовании металла. В частности, алюминий страдает от усталости и может образовывать микротрещины в результате повторяющегося низкоэнергетического растяжения. Угловые силы могут привести к изгибу частей металлического маховика наружу и их волочению за внешний защитный сосуд или к полному разделению и случайному отскоку от внутреннего пространства. Остальная часть маховика теперь сильно разбалансирована, что может привести к быстрому выходу подшипника из строя из-за вибрации и внезапному ударному разрушению больших сегментов маховика.

Традиционные системы с маховиком требуют наличия прочных защитных емкостей в качестве меры предосторожности, что увеличивает общую массу устройства. Выделение энергии в результате разрушения может быть смягчено гелеобразной или инкапсулированной жидкой внутренней облицовкой корпуса, которая закипает и поглощает энергию разрушения. Тем не менее, многие заказчики крупномасштабных систем накопления энергии с маховиком предпочитают встраивать их в землю, чтобы остановить любой материал, который может выскользнуть из контейнера.

Эффективность хранения энергии [ править ]

Системы накопления энергии с маховиком, в которых используются механические подшипники, могут терять от 20% до 50% своей энергии за два часа. ^[17] Большая часть трения, ответственного за эту потерю энергии, возникает из-за изменения ориентации маховика из-за вращения Земли (эффект, подобный тому, который демонстрирует маятник Фуко ). Этому изменению ориентации противодействуют гироскопические силы, создаваемые угловым моментом маховика, таким образом воздействуя на механические подшипники. Эта сила увеличивает трение. Этого можно избежать, выровняв ось вращения маховика параллельно оси вращения Земли. ^{[ необходима цитата ]}

И наоборот, маховики с магнитными подшипниками и высоким вакуумом могут поддерживать 97% механический КПД и 85% КПД в оба конца. ^[18]

Влияние углового момента в транспортных средствах [ править ]

При использовании в транспортных средствах маховики также действуют как гироскопы , поскольку их угловой момент обычно такого же порядка величины, как силы, действующие на движущееся транспортное средство. Это свойство может отрицательно сказаться на управляемости автомобиля при поворотах или движении по пересеченной местности; движение по наклонной насыпи может привести к частичному отрыву колес от земли, поскольку маховик противодействует силам бокового наклона. С другой стороны, это свойство можно использовать для удержания автомобиля в равновесии, чтобы предотвратить его опрокидывание во время крутых поворотов. ^[19]

Когда маховик используется исключительно для его воздействия на положение транспортного средства, а не для хранения энергии, его называют колесом реакции или гироскопом управляющего момента .

Сопротивление угловому наклону можно почти полностью устранить, установив маховик в правильно установленный комплект карданов , что позволяет маховику сохранять свою исходную ориентацию, не влияя на транспортное средство (см. Свойства гироскопа ). Это не позволяет избежать усложнения блокировки карданного подвеса , поэтому необходим компромисс между количеством подвесов и угловой свободой.

Центральная ось маховика действует как одиночный кардан и, если выровнена по вертикали, обеспечивает угол рыскания на 360 градусов в горизонтальной плоскости. Однако, например, для движения в гору требуется второй карданный подвес, а для движения по наклонной насыпи требуется третий карданный вал.

Полнодвижущиеся стабилизаторы [ править ]

Хотя сам маховик может иметь форму плоского кольца, для установки кардана со свободным движением внутри транспортного средства требуется сферический объем, чтобы маховик мог свободно вращаться внутри. Сам по себе вращающийся маховик в транспортном средстве будет медленно прецессировать вслед за вращением Земли и прецессировать еще дальше в транспортных средствах, которые путешествуют на большие расстояния по изогнутой сферической поверхности Земли.

У полноповоротного подвеса есть дополнительные проблемы, связанные с передачей мощности на маховик и от него, поскольку маховик потенциально может полностью перевернуться один раз в день, прецессируя при вращении Земли. Для полного свободного вращения потребуются контактные кольца вокруг каждой оси кардана для силовых проводов, что еще больше усложняет конструкцию.

Подвесы с ограниченным движением [ править ]

Чтобы уменьшить занимаемое пространство, карданная система может иметь конструкцию с ограниченным движением, с использованием амортизаторов для смягчения внезапных быстрых движений в пределах определенного количества градусов углового вращения вне плоскости, а затем постепенного принуждения маховика к движению автомобиля. текущая ориентация. Это уменьшает пространство для перемещения кардана вокруг кольцевого маховика от полной сферы до короткого утолщенного цилиндра, охватывающего, например, ± 30 градусов по тангажу и ± 30 градусов по крену во всех направлениях вокруг маховика.

Уравновешивание углового момента [ править ]

Альтернативным решением проблемы является синхронное вращение двух соединенных маховиков в противоположных направлениях. У них будет нулевой полный угловой момент и не будет гироскопического эффекта. Проблема с этим решением заключается в том, что, когда разность между импульсом каждого маховика не равна нулю, корпуса двух маховиков будут демонстрировать крутящий момент. Оба колеса должны поддерживать одинаковую скорость, чтобы угловая скорость оставалась равной нулю. Строго говоря, два маховика будут оказывать огромный крутящий момент в центральной точке, пытаясь согнуть ось. Однако, если бы ось была достаточно прочной, никакие гироскопические силы не имели бы общего воздействия на герметичный контейнер, поэтому крутящий момент не был бы замечен.

Для дальнейшего уравновешивания сил и распределения деформации один большой маховик может быть уравновешен двумя маховиками половинного размера с каждой стороны или маховики могут быть уменьшены в размере, чтобы они представляли собой серию чередующихся слоев, вращающихся в противоположных направлениях. Однако это увеличивает сложность корпуса и подшипников.

Приложения [ править ]

Транспорт [ править ]

Автомобильная промышленность [ править ]

В 1950-х годах автобусы с маховиком, известные как гиробусы , использовались в Ивердоне ( Швейцария ) и Генте ( Бельгия ), и в настоящее время ведутся исследования по созданию систем с маховиком, которые будут меньше, легче, дешевле и обладают большей вместимостью. Есть надежда, что системы с маховиком могут заменить обычные химические батареи для мобильных приложений, например для электромобилей. Предлагаемые системы с маховиком устранили бы многие недостатки существующих систем питания от батарей, такие как низкая емкость, длительное время зарядки, большой вес и короткий срок службы. Маховики могли быть использованы в экспериментальном Chrysler Patriot , хотя это оспаривается. ^[20]

Маховики также предлагались для использования в бесступенчатых трансмиссиях . В настоящее время Punch Powertrain работает над таким устройством. ^[21]

В течение 1990 - х годов, Розен двигатели разработали газовой турбины питание серии гибридных автомобильной трансмиссии с использованием 55 000 оборотов в минуту маховик , чтобы обеспечить всплески ускорения , которые малый газотурбинный двигатель не может обеспечить. Маховик также накапливал энергию за счет рекуперативного торможения . Маховик состоял из титановой ступицы с цилиндром из углеродного волокна и устанавливался на карданном подвесе, чтобы минимизировать неблагоприятные гироскопические воздействия на управляемость автомобиля. Опытный образец автомобиля прошел успешные дорожные испытания в 1997 году, но серийного производства так и не был. ^[22]

В 2013 году Volvo анонсировала установку маховика на заднюю ось своего седана S60. При торможении маховик раскручивается со скоростью до 60 000 об / мин и останавливается передний двигатель. Энергия маховика передается через специальную трансмиссию для частичного или полного привода автомобиля. 20-сантиметровый (7,9 дюйма) и 6-килограммовый (13 фунтов) маховик из углеродного волокна вращается в вакууме, чтобы исключить трение. В сочетании с четырехцилиндровым двигателем он обеспечивает снижение расхода топлива до 25 процентов по сравнению с шестицилиндровым турбонаддувом с такими же характеристиками, обеспечивая прирост в 80 лошадиных сил (60 кВт) и позволяя развивать скорость до 100 километров в час (62 миль в час). ) за 5,5 секунды. Компания не объявила о конкретных планах по включению этой технологии в свою линейку продуктов. ^[23]

В июле 2014 года GKN приобрела подразделение Williams Hybrid Power (WHP) и намеревается поставить 500 электрических маховиков Gyrodrive из углеродного волокна операторам городских автобусов в течение следующих двух лет ^[24]. Как следует из прежнего названия разработчика, они изначально были разработаны для двигателей Формулы-1. гоночные приложения. В сентябре 2014 года Oxford Bus Company объявила, что внедряет 14 гибридных автобусов Gyrodrive от Александра Денниса для своей компании Brookes Bus. ^{[25] [26]}

Железнодорожный транспорт [ править ]

Системы с маховиком экспериментально использовались в небольших электровозах для маневрирования или переключения , например, в гироскопических локомотивах Sentinel-Oerlikon . Большие электровозы, например British Rail Class 70 , иногда оснащались усилителями маховиков, чтобы перемещать их через щели в третьем рельсе . Усовершенствованные маховики, такие как блок 133 кВтч Техасского университета в Остине , позволяют поезду с места стартовать до крейсерской скорости. ^[2]

Parry People Mover является железнодорожным вагоном , который питается от маховика. Он был испытан по воскресеньям в течение 12 месяцев на ветке Stourbridge Town в Уэст-Мидлендсе , Англия, в 2006 и 2007 годах, и предполагалось, что оператор поезда London Midland в декабре 2008 года представит его в качестве полной услуги после того, как будут заказаны два блока. В январе 2010 года оба блока находятся в эксплуатации. ^[27]

Электрификация железных дорог [ править ]

FES может использоваться на обочине электрифицированных железных дорог, чтобы помочь регулировать напряжение в сети, тем самым улучшая ускорение неизмененных электропоездов и количество энергии, возвращаемой обратно в линию во время рекуперативного торможения , тем самым снижая счета за электроэнергию. ^[28] Испытания были проведены в Лондоне, Нью - Йорке, Лионе и Токио, ^[29] и Нью - Йорк MTA «s Long Island Rail Road в настоящее время инвестирует $ 5,2 млн в рамках пилотного проекта по LIRR в West Hempstead отделения линии. ^[30]Эти испытания и системы хранят кинетическую энергию в роторах, состоящих из композитного цилиндра из углеродного стекла, заполненного порошком неодима, железа и бора, который образует постоянный магнит. Они вращаются со скоростью до 37800 об / мин, и каждый блок мощностью 100 кВт может хранить 11 МДж повторно используемой энергии. ^[29]

Источники бесперебойного питания [ править ]

Системы аккумулирования энергии с маховиком, производимые с 2001 года, ^[update]имеют емкость, сопоставимую с аккумуляторными, и более высокую скорость разряда. Они в основном используются для обеспечения выравнивания нагрузки для больших аккумуляторных систем, таких как источники бесперебойного питания для центров обработки данных, поскольку они экономят значительное пространство по сравнению с аккумуляторными системами. ^[31]

Обслуживание маховика в целом обходится примерно в половину стоимости традиционных аккумуляторных систем ИБП. Единственное техническое обслуживание - это базовое ежегодное профилактическое обслуживание и замена подшипников каждые пять-десять лет, что занимает около четырех часов. ^[7] Новые системы маховиков полностью левитируют вращающуюся массу с помощью необслуживаемых магнитных подшипников , что исключает необходимость технического обслуживания и отказов механических подшипников. ^[7]

Стоимость полностью установленного ИБП с маховиком (включая систему кондиционирования) составляет (в 2009 г.) около 330 долларов за киловатт (для 15 секунд полной нагрузки). ^[32]

Испытательные лаборатории [ править ]

Давний нишевый рынок для систем питания с маховиком - это объекты, на которых тестируются автоматические выключатели и аналогичные устройства: даже небольшой домашний автоматический выключатель может быть рассчитан на прерывание тока10 000 или более ампер, и большие блоки могут иметь прерывающие рейтинги из100 000 или1 000 000 ампер. Огромные переходные нагрузки, возникающие в результате намеренного принуждения таких устройств к демонстрации их способности прерывать моделируемые короткие замыкания, имели бы неприемлемые последствия для местной электросети, если бы эти испытания проводились непосредственно от электросети здания. Обычно такая лаборатория имеет несколько больших мотор-генераторных установок, которые можно раскручивать за несколько минут; затем двигатель отключается перед испытанием автоматического выключателя.

Физические лаборатории [ править ]

Для термоядерных экспериментов на токамаках требуются очень высокие токи в течение коротких промежутков времени (в основном для питания больших электромагнитов в течение нескольких секунд).

• JET ( Joint European Torus ) имеет два 775-тонных маховика (установлены в 1981 году), которые вращаются до 225 об / мин. ^[33] Каждый маховик вмещает 3,75 ГДж и может обеспечить мощность до 400 МВт. ^[34]
• Эксперимент Спирально Симметричный в Университете штата Висконсин-Мэдисон имеет 18-тонные один маховики, которые вращают до 10000 оборотов в минуты с помощью электрического поезда Обезвреженных двигателей.
• ASDEX имеет 3 генератора маховика.
• DIII-D (токамак) в General Atomics
• Princeton Large Torus (PLT) в Принстонской лаборатории физики плазмы

Также нетокамак: синхротрон Нимрод в лаборатории Резерфорда Эпплтона имел два 30-тонных маховика.

Системы запуска самолетов [ править ]

Авианосец класса « Джеральд Р. Форд » будет использовать маховики для аккумулирования энергии от источника питания корабля для быстрого выпуска в электромагнитную систему запуска самолета . Судовая система питания не может сама обеспечивать переходные процессы большой мощности, необходимые для запуска самолета. Каждый из четырех роторов будет хранить 121 МДж (34 кВтч) при 6400 об / мин. Они могут накопить 122 МДж (34 кВтч) за 45 секунд и высвободить их за 2–3 секунды. ^[35] Плотность энергии маховика составляет 28 кДж / кг (8 Вт · ч / кг); включая статоры и корпуса, это составляет 18,1 кДж / кг (5 Вт · ч / кг), без учета крутящего момента. ^[35]

Маховик NASA G2 для хранения энергии космического корабля [ править ]

Это был проект, финансируемый Исследовательским центром Гленна НАСА и предназначенный для тестирования компонентов в лабораторных условиях. В нем использовался обод из углеродного волокна с титановой ступицей, рассчитанный на вращение со скоростью 60 000 об / мин, установленный на магнитных подшипниках. Вес был ограничен 250 фунтами. Хранение составляло 525 Вт-ч (1,89 МДж) и могло заряжаться или разряжаться при 1 кВт. ^[36] Рабочая модель, показанная на фотографии вверху страницы, 2 сентября 2004 г. работала со скоростью 41 000 об / мин. ^[37]

Аттракционы [ править ]

В Revenge горки Montezooma в в Berry Farm Нотт были первыми Маховик запущены горками в мире , и это последняя поездка такого рода до сих пор действующем в Соединенных Штатах. В поездке используется 7,6-тонный маховик, который разгоняет поезд до 55 миль в час (89 км / ч) за 4,5 секунды.

Американские горки « Невероятный Халк» на «Островах приключений компании Universal» имеют быстро ускоряющийся подъем в гору, в отличие от типичного падения силы тяжести. Это достигается за счет мощных тяговых двигателей, которые подбрасывают автомобиль по трассе. Для достижения кратковременного очень высокого тока, необходимого для разгона полного каботажного поезда до полной скорости при подъеме в гору, парк использует несколько мотор-генераторных установок с большими маховиками. Без этих блоков накопленной энергии парку пришлось бы вкладывать средства в новую подстанцию ​​или рисковать отключением местной энергосистемы каждый раз, когда начинается поездка.

Импульсная мощность [ править ]

Системы накопления энергии с маховиком (FESS) используются во множестве приложений, начиная от управления энергопотреблением, подключенного к сети, и заканчивая источниками бесперебойного питания. С развитием технологий приложение FESS подвергается быстрому обновлению. Примеры включают в себя оружие большой мощности, силовые агрегаты самолетов и судовые энергетические системы, где система требует очень высокой мощности в течение короткого периода времени, порядка нескольких секунд и даже миллисекунд. Компенсированный импульсный генератор переменного тока (компрессор) - один из наиболее популярных вариантов импульсных источников питания для термоядерных реакторов, мощных импульсных лазеров и сверхскоростных электромагнитных пусковых установок из-за его высокой плотности энергии и плотности мощности, которые, как правило, предназначены для FESS. ^[38] Компульсаторы(генераторы с низкой индуктивностью) действуют как конденсаторы, их можно раскручивать для обеспечения импульсной мощности для рельсотрона и лазеров. Вместо отдельного маховика и генератора только большой ротор генератора переменного тока накапливает энергию. См. Также Униполярный генератор . ^[39]

Автоспорт [ править ]

При использовании бесступенчатой ​​трансмиссии (CVT) энергия восстанавливается от трансмиссии во время торможения и сохраняется в маховике. Эта накопленная энергия затем используется во время ускорения путем изменения передаточного числа вариатора. ^[40] В автоспорте эта энергия используется для улучшения ускорения, а не для снижения выбросов углекислого газа - хотя та же технология может быть применена к дорожным автомобилям для повышения эффективности использования топлива . ^[41]

Автомобильный клуб de l'Ouest , организатор ежегодного мероприятия « 24 часа Ле-Мана» и серии Ле-Ман , в настоящее время «изучает особые правила для LMP1, который будет оснащен системой рекуперации кинетической энергии». ^[42]

Williams Hybrid Power, дочерняя компания команды Williams F1 Racing ^[43] , поставила Porsche и Audi гибридную систему на основе маховика для Porsche 911 GT3 R Hybrid ^[44] и Audi R18 e-Tron Quattro. ^[45] Победа Audi в 2012 году «24 часа Ле-Мана» стала первой для гибридного (дизель-электрического) автомобиля. ^[46]

Сетевое хранилище энергии [ править ]

Маховики иногда используются в качестве краткосрочного вращающегося резерва для мгновенного регулирования частоты сети и уравновешивания внезапных изменений между поставкой и потреблением. Отсутствие выбросов углерода, более быстрое время отклика и возможность покупать электроэнергию в непиковые часы являются одними из преимуществ использования маховиков вместо традиционных источников энергии, таких как газовые турбины. ^[47] Работа очень похожа на аккумуляторы в одном и том же приложении, их различия в первую очередь экономические.

Beacon Power открыла в 2011 году ^[48] электростанцию ​​с маховиком в Стефентауне, штат Нью-Йорк, мощностью 5 МВт / ч (20 МВт за 15 минут) ^{[ 48]} с использованием 200 маховиков ^[49] и аналогичной системы мощностью 20 МВт в Хазл-Тауншип, штат Пенсильвания, в 2014 году. ^[50]

В 2014 году открылось хранилище маховиков мощностью 2 МВт (в течение 15 минут) ^[51] в Минто , Онтарио, Канада . ^[52] В системе маховиков (разработанной NRStor ) используется 10 вращающихся стальных маховиков на магнитных подшипниках. ^[52]

Эмбер Кинетикс, Инк . имеет соглашение с Pacific Gas and Electric (PG&E) на маховиковый накопитель энергии мощностью 20 МВт / 80 МВт-ч, расположенный во Фресно, Калифорния, с четырехчасовой продолжительностью разряда. ^[53]

Ветровые турбины [ править ]

Маховики могут использоваться для хранения энергии, вырабатываемой ветровыми турбинами в непиковые периоды или при высоких скоростях ветра.

Beacon Power начала испытания своей системы накопления энергии с маховиком Smart Energy 25 (Gen 4) на ветряной электростанции в Техачапи, Калифорния . Система является частью демонстрационного проекта ветроэнергетики / маховика, выполняемого для Энергетической комиссии Калифорнии. ^[54]

Игрушки [ править ]

Фрикционные двигатели используются для питания многих игрушечных автомобилей , грузовиков, поездов, игрушек действия и такие, простые маховики двигатели.

Переключить действие нажимает [ править ]

В промышленности по-прежнему популярны прессы с переключателем . Обычная конструкция включает очень прочный коленчатый вал и сверхмощный шатун, который приводит в движение пресс. Большие и тяжелые маховики приводятся в движение электродвигателями, но маховики вращают коленчатый вал только при включении сцепления.

Сравнение с электрическими батареями [ править ]

На маховики не так сильно влияют изменения температуры, они могут работать в гораздо более широком диапазоне температур и не подвержены многим из обычных отказов химических аккумуляторных батарей . ^[55] Они также менее потенциально опасны для окружающей среды, поскольку в основном сделаны из инертных или безвредных материалов. Еще одно преимущество маховиков заключается в том, что путем простого измерения скорости вращения можно узнать точное количество сохраненной энергии.

В отличие от большинства батарей, которые работают только в течение ограниченного периода времени (например, примерно 36 месяцев в случае литий-ионных полимерных батарей ), маховик потенциально имеет неограниченный срок службы. Маховики, построенные как часть паровых двигателей Джеймса Ватта , непрерывно работают более двухсот лет. ^[56] Рабочие образцы древних маховиков, используемых в основном в фрезеровании и гончарном производстве, можно найти во многих местах в Африке, Азии и Европе. ^{[57] [58]}

Большинство современных маховиков обычно представляют собой герметичные устройства, которые требуют минимального обслуживания в течение всего срока службы. Маховики с магнитными подшипниками в вакуумных кожухах, таких как модель NASA, изображенная выше, не нуждаются в обслуживании подшипников и поэтому превосходят батареи как по общему сроку службы, так и по емкости хранения энергии. ^{[ необходима цитата ]} Системы маховиков с механическими подшипниками будут иметь ограниченный срок службы из-за износа.

Физическое расположение батарей может быть спроектировано так, чтобы соответствовать большому количеству конфигураций, в то время как маховик, как минимум, должен занимать определенную площадь и объем, потому что энергия, которую он хранит, пропорциональна его угловой массе и квадрату его скорости вращения. По мере того, как маховик становится меньше, его масса также уменьшается, поэтому скорость должна увеличиваться, и поэтому нагрузка на материалы увеличивается. Если габариты являются ограничением (например, под шасси поезда), маховик не может быть жизнеспособным решением. ^{[ необходима цитата ]}

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Beacon Power подает заявку на гранты Министерства энергетики для финансирования до 50% двух 20-мегаватных электростанций, 1 сентября 2009 г. [1] ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
• Шихен, Т., П. (1994). Введение в высокотемпературную сверхпроводимость . Нью-Йорк: Пленум Пресс. стр.  76 -78, 425-431. ISBN 978-0-306-44793-8.
• Эль-Вакиль, М., М. (1984). Технология силовых установок . Макгроу-Хилл. стр.  685 -689.
• Koshizuka, N .; Ishikawa, F .; Nasu, H .; Мураками, М .; и другие. (2003). «Развитие технологий сверхпроводящих подшипников для маховиковых накопителей энергии». Physica C . 386 (386): 444–450. Bibcode : 2003PhyC..386..444K . DOI : 10.1016 / S0921-4534 (02) 02206-2 .
• Вольски, А., М. (2002). «Состояние и перспективы маховиков и SMES, которые включают HTS». Physica C . 372 (372–376): 1495–1499. Bibcode : 2002PhyC..372.1495W . DOI : 10.1016 / S0921-4534 (02) 01057-2 .
• Поется, TH; Хан, Южная Каролина; Хан, YH; Ли, JS; и другие. (2002). «Проекты и анализ систем накопления энергии маховика с использованием подшипников из высокотемпературного сверхпроводника». Криогеника . 42 (6–7): 357–362. Bibcode : 2002Cryo ... 42..357S . DOI : 10.1016 / S0011-2275 (02) 00057-7 .
• Ахил, Аббас; Сваминатан, Шива; Сен, Раджат К. (февраль 2007 г.). «Анализ затрат на системы хранения энергии для электроэнергетических приложений» (PDF) . Сандиа Национальные лаборатории. Архивировано из оригинального (PDF) 21 июня 2007 года.
• Ларбалестиер, Дэвид; Блаугер, Ричард Д .; Schwall, Роберт Э .; Соколовски, Роберт С .; и другие. (Сентябрь 1997 г.). «Маховики» . Энергетические приложения сверхпроводимости в Японии и Германии . Мировой центр оценки технологий.
• «Новый взгляд на старую идею: электромеханическая батарея» (PDF) . Обзор науки и технологий : 12–19. Апрель 1996. Архивировано из оригинального (PDF) 05.04.2008 . Проверено 21 июля 2006 .
• Янсе ван Ренсбург, П.Дж. (декабрь 2011 г.). «Накопитель энергии в композитных роторах маховика». Стелленбосский университет, Южная Африка. hdl : 10019,1 / 17864 . Cite journal requires |journal= (help)
• Девитт, Дрю (март 2010 г.). «Создание аргументов в пользу маховикового накопителя энергии» . Журнал «Мир возобновляемых источников энергии» Северная Америка.

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы, связанные с устройствами хранения энергии Маховик .

• Технология хранения энергии с маховиком Boeing
• Федеральное технологическое предупреждение, маховик накопителя энергии
• Magnetal Whitepaper для системы хранения зеленой энергии - GESS
• Магнитный анализ гироскопических сил, вызванных накоплением энергии маховиком