Самый прекрасный способ накопления энергии стар как мир

Когда заходит речь про то, что нужно как-то собрать энергию, многие сразу начинают думать об аккумуляторной батарее. Разумеется, что же это может быть еще.
Все таки, существует еще один способ, который применяется не достаточно часто, но имеет при этом очень хорошие перспективы. Тем более, на фоне развития иных технологий.

Испытание маховика

Такие разработки даже использовались во время изготовления общественного и транспорта для перевозки грузов. Их начало берет собственные корни еще во времена СССР, однако в последнее время технология начинает использоваться очень часто. Пару лет назад, когда позволял регламент, это применялось даже в Формуле-1.
Откроем тайную завесу и расскажем, как работает это довольно простое, но гениальное открытие, и о человеке, который посвятил этому жизнь.

Маховик как накопитель энергии

Старинный маховик тоже был своего рода аккумулятором.

Что такое маховик?

Говорить мы сегодня будем о супермаховиках и об их создателе Нурбее Гулиа. Хотя и кажется, что маховик это что-то устаревшее и чисто техническое, но также и в новом электрическом мире ему есть место.

Маховик (маховое колесо) — массивное вращающееся колесо, применяющееся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии либо для создания инерционного момента, как это применяется на космических аппаратах.
Сами маховики были изобретены достаточно давно и даже удачно использовались в промышленности тех лет. Бывают даже находки в Междуречье и древнем Китае, которые подтверждают применение таких устройств.
Правда, тогда они делались из обожженной глины или из древесины и делали другие функции.

Где используются маховики?

Благодаря собственной громоздкости и законам физики, которые сопровождают движение маховика, он отыскал использование во многих современных механизмах — от транспорта до промышленности.
Очень простое использование состоит в сохранении частоте вращения вала, на котором поставлен маховик. Это может понадобиться в ходе работы какого-либо станка.
Особенно, в те моменты, когда он испытует резкие нагрузки и нужно не позволить падения скорости вращения. Выходит такой своего рода амортизатор.
Пожалуй, самым частым местом, где встречаются маховики, считается мотор внутреннего сгорания автомобиля.
Он дает возможность сохранить частота вращения мотора при выключении сцепления. Таким образом уменьшается действие на трансмиссию, так как переключение передачи происходит В то время, когда мотор работает на оборотах выше оборотов хода в холостую. Помимо прочего, так достигается высокий комфорт и плавность движения.
Правда, на гоночных машинах маховик довольно сильно становится легче для уменьшения веса и увеличения скорости, с которой раскручивается мотор.

Маховик как накопитель энергии

Маховик легкового автомобиля.

Также маховики часто применяются для стабилизации движения. Происходит это благодаря тому, что колесо, которым и считается маховик, во время вращения создаёт гироскопический эффект. Он создаёт сильное сопротивление при попытке наклонить его.
Данный эффект легко почувствовать, к примеру, раскрутив колесо велосипеда и попытавшись его наклонить, или взяв в руки работающий жесткий диск.
Такая сила мешает при управлении мотоциклом, вынуждая склоняться к контррулению, особенно на высокой скорости, но сильно помогает, допустим, для стабилизации корабля во время качки. Также подвесив такой маховик и если учесть, что он всегда находится в одном положении относительно горизонта, можно фиксировать его отклонения от корпуса объекта и понимать его положение в пространстве.
Использование подобных параметров маховика важно в авиации. Собственно крутящийся маховик позволит найти положение фюзеляжа самолета в пространстве.

Супермаховик Гулиа

Теперь, после достаточно долгого введения и предысторий, побеседуем конкретно о супермаховиках и про то, как они помогают хранить энергию, не имея в составе каких-нибудь химических соединения для этого.

Маховик как накопитель энергии

Нурбей Гулиа — создал и продвигает идею супермаховика, как накопителя энергии.
Супермаховик собой представляет один из типов маховиков, который предназначен для накопления энергии. Он специально выполнен таким образом, чтобы собирать побольше энергии без надобности использования по иному назначению.

Такие маховики тяжёлые и довольно быстро крутятся. В виду того, что частота вращения достаточно высокая, появляется риск разрежения конструкции, однако это тоже продумано.
Сам маховик состоит из намотанных витков стальной гибкой ленты или из материалов на композитной основе. Помимо того, что подобная конструкция крепче монолитной, она еще рушиться понемногу. Другими словами, при отслоениях маховик просто будет тормозиться и запутается в собственных же частях.
Думаю, не необходимо объяснять, что разрыв маховика, который крутится со скоростью в десятки тысяч оборотов за минуту и весит минимум десятки килограмм, чреват очень серьезными результатами.
Помимо прочего, для обеспечения еще большей безопасности можно поместить систему с подобным маховиком в бронекапсулу и закопать ее на пару метров в землю. В данном варианте двигающиеся детали точно совсем не смогут причинить вред человеку.

Еще одним преимуществом применения бронекапсулы будет создание в ней вакуума, который даст возможность значительно уменьшить действие внешних сил на движение. Говоря проще, так можно свести до минимума или полностью убрать сопротивление газовой среды (в обыкновенном случае воздуха).

Маховик как накопитель энергии

Так устроен супермаховик Гулиа.
В качестве дополнительных сил, мешающих вращению, еще выступает сопротивление подшипников, на которых поставлен маховик. Но его можно поставить на магнитный подвес.
В данном варианте силы воздействия сведены к такому минимуму, которым можно пренебречь. Собственно благодаря этому такие маховики способны крутиться месяцами. Помимо прочего, магнитный подвес дает возможность не задумываться об износе системы.
Снашивается только генератор.
Собственно генератор и считается тем элементом, который дает возможность выработать электричество.
Он просто подсоединяется к маховику, и получая переданное им вращение формирует электричество. Выходит аналог привычного генератора, исключительно для этого не нужно сжигать горючее.
Чтобы получать намного больше познавательной информации из мира новых технологий, подписывайся на наш новостной канал в Telegram.

Для накопления энергии В то время, когда нет нагрузки, маховик раскручивается и благодаря этому “держит заряд”. Собственно, возможен и комбинированный способ по аналогичности с традиционными аккумуляторами, которые одновременно могут отдавать энергию и заряжаться сами.
Для раскрутки маховика применяется мотор-генератор, который может как раскручивать маховик, так и забирать энергию его вращения.
Подобные конструкции важны для накопления энергии в домохозяйствах и в системах зарядки.
К примеру, такая система по задумке инженеров Skoda должна применяться для зарядки автомобилей. Днем маховик раскручивается, а вечерами отдает заряд в электромобили, не нагружая городскую сеть в вечернее и ночное время.
При этом можно заряжаться плавно от одного маховика или быстро от нескольких, с которых будет “сниматься” больше электричества.

Результативность супермаховиков

Результативность супермаховиков при всей их кажущейся архаичности может достигать предельно высоких значений. Их КПД доходит до 98 процентов, что даже не снилось традиционным аккумуляторным батареям.
Кстати, саморазряд подобных батарей тоже происходит быстрее, чем потеря скорости хорошо созданного маховика в вакууме и на магнитном подвесе.
Можно припомнить давние времена, когда люди начали запасать энергию при помощи маховиков. Самым обычным примером являются гончарные круги, которые раскручивались и крутили, пока ремесленник работал над очередным сосудом.

Мы уже определись, что конструкция супермаховика очень проста, он имеет большой коэффициэнт полезного действия и при этом стоит сравнительно недорого, однако у него есть один минус, который проявляется на эффективности его применения и стоит на пути массового внедрения. Точнее, подобных минусов два.

Маховик как накопитель энергии

Основным из них будет тот самый гироскопический эффект. Если на кораблях это полезное второстепенное свойство, то на автомобильном транспорте это будет довольно сильно мешать и нужно будет применять непростые системы подвеса.
Вторым минусом будет пожароопасность в случае разрушения. Из-за высокой скорости разрушения даже композитные маховики будут выделять огромное количество тепла за счёт трения о внутреннюю часть бронекапсулы. На неподвижном объекте это не будет существенной проблемой, так как можно создать систему пожаротушения, но на транспорте может создать слишком много сложностей.
Особенно, на транспорте риск разрушения выше за счёт вибрации при движении.

Где используются супермаховики?

Первым делом, Н.В. Гулия хотел применять собственное открытие собственно на транспорте. Даже было выстроено несколько образцов, которые проходили проверки.
Не обращая внимания на это, системы дальше испытаний не пошли. Зато использование этому методу накопления энергии нашлось в другой сфере.

Так в Америке во второй половине 90-ых годов двадцатого века компания Beacon Power сделала большой шаг в создании супермаховиков для использования их в электрических станциях на промышленном уровне. Эти супермаховики могли запасать энергию до 25 кВт?ч и имели мощность до 200 кВт.
Строительство станции мощностью 20 МВт настало в 2009 году. Она обязана была убрать пики нагрузки на электросеть.

В Российской Федерации тоже есть аналогичные проекты. К примеру, под научным руководством самого Н. В. Гулиа компания Kinetic Power создала свою версию неподвижных накопителей кинетической энергии на базе супермаховика. Один накопитель может запасать до 100 кВт?ч энергии и обеспечивать мощность до 300 кВт.
Система подобных маховиков способен обеспечивать разравнивание суточной неоднородности электрической нагрузки целого региона. Так можно вообще отказаться от более дорогих гидроаккумулирующих электростанций.

Возможно применение супермаховиков и на объектах, где необходима независимость от электро сетей и резервное питание. Данные системы имеют очень большую скорость отклика. Она составляет буквально доли секунд и дает возможность обеспечить на самом деле бесперебойное питание.

Маховик как накопитель энергии

Такая идея «не зашла».
Может выйдет с поездами?
Дополнительным местом, где есть возможность применение Супермаховик, считается ЖД транспорт. На торможение составов тратится слишком много энергии и, если не расходовать ее напрасно, нагревая тормозные механизмы, а раскрутить маховик, накопившуюся энергию потом можно потратить на набор скорости.
Вы скажете, что система на подвесе будет очень хрупкой для транспорта и будете правы, Но тогда можно говорить и о подшипниках, так как запасать энергию надолго попросту нет надобности и потери от подшипников будут не такими большими на подобном этапе времени. Зато этот способ дает возможность экономить 30 процентов энергии потребляемой поездом для движения.

Как можно заметить, системы на супермаховиках имеют слишком много достоинств и очень мало минусов. Отсюда вывод, что они будут набирать востребовательность, становиться более недорогими и массовыми.
Это именно тот случай, когда свойства вещества и законы физики, знакомые людям с древности, дают возможность выдумать что-нибудь новое. В конце концов вы получили поразительным симбиозом механики и электрики, потенциал которого до конца еще не раскрыт.

Маховик, накопитель энергии, расчеты и требования к ротору

В статье расскажем про маховик — накопитель энергии, расчеты и требования к ротору, типы маховиков, его плюсы минусы и использование.
Техника накопления энергии с применением маховика исчисляет много лет. Просто берите пример колеса Поттера и стоит подумать, что оно выполняет.
Он просто применяет инерцию колеса и продолжает вращаться с минимум усилий. Идея маховика, который станет применяться в качестве устройства накопления энергии, применяется с 1950-х годов.
Их можно было легко заметить на автобусных остановках для зарядки общественного автотранспорта. Впрочем такая идея не может быть широко принята ввиду ее массивности и лишнего веса.

Маховик как накопитель энергии

Расчет накопления энергии в маховике

Запас энергии в Маховике можно проссчитать:
E = ? I? 2
E = ? (kMr 2 )? 2

  • I ратуют за момент инерции махового колеса
  • ? означает вращающуюся скорость. Он измеряется в радианах в секунду.
  • M означает масса маховика
  • R означает Радиус Маховика
  • K означает инерционную постоянную

Примечание. Значение «k» зависит от формы маховика. К примеру, если маховик крутится вокруг собственной оси (к примеру, велосипедное колесо или пустотелый цилиндр), значение k будет равно 1. Впрочем, если колесо маховика имеет сплошную форму в виде цилиндра, то значение k будет ? .

Условие маховика (ротор)

Понемногу с появлением технологий маховики стали намного совершеннее. Сейчас современные маховики содержат кинетическую энергию в быстро двигающемся, вращающемся барабане, который функционирует как ротор генератора. В то время, когда добавочная энергия остается неизрасходованной, она применяется для увеличения скорости крутящегося барабана.
Постоянно, когда есть необходимость в энергии, этот барабан приводит в движение генератор.

Маховик как накопитель энергии

Роторы таких супер маховиков сделаны из материала с максимальной прочностью и плотностью, к примеру, из углеродного волокна. Для ротора требуется высокой прочности материал, так как он в большинстве случаев крутится со средней скоростью 100000 оборотов за минуту и ??должен держать действие высокой центробежной силы.
Эти роторы установлены в вакуумной пустоты, чтобы уменьшить потери из-за трения воздуха. Эти потери на трение могут быть дополнительно сведены на нет при помощи подшипников с магнитной левитацией.

Вид маховиков

На рынке есть два типа маховиков в зависимости от их функций и областей использования. Плюсы маховика выполняют их жёсткими соперниками в приложениях электрической сети.
Есть по большей части два типа маховиков, доступных на рынке.
Дальше мы будем рассматривать их

Высокоскоростной маховик

Угловая скорость маховиков данного типа находится в диапазоне от 30000 до 60000 оборотов в минуту, что может быть увеличено до 100000 оборотов в минуту. Они содержат подшипники с магнитной левитацией и просят меньшего ухода.
Они легче по весу, если сопоставлять размер/мощность с маховиками с невысокой скоростью. Они очень дорогие если сравнивать с маховиками с невысокой скоростью.

Маховик с невысокой скоростью

Угловая скорость данного типа маховиков может достигать 10000 оборотов в минуту. Они большие и тяжелые и тяжёлые если сравнивать с высокоскоростными маховиками.
У них есть потребность периодическом обслуживании и не применяют подшипники с магнитной левитацией. Их установка требует специализированной конструкции бетона, чтобы выдерживать ее вес.
Они доступнее если сравнивать с высокоскоростными маховиками.

Маховик как накопитель энергии

Плюсы маховика

Данные типы маховиков очень продуктивны, чем обыкновенные батареи (только если мы пренебрегаем стоимостью установки), и благодаря этому им отдают предпочтение перед традиционными батареями. Вот перечень немногих положительных качеств Маховика перед аккумуляторами:

  • Большая способность сохранять энергию
  • Большая длительность жизни
  • Способность хранения не зависит от цикла зарядки/разрядки
  • Меньше техобслуживания
  • Меньшие потери тепла
  • Более большая эффективность в два конца
  • Больше высокой нагрузки
  • Легкость эксплуатации

Использование маховиков

  • в ветряных турбинах
  • вместе с двигателем с приводом от генератора для хранения энергии
  • в двигателях автомобиля
  • в электромобилях для ускорения (на экспериментальной стадии)
  • В современных локомотивах
  • В новых технологиях транзитных автобусов
  • В спутниках контролировать направление
  • В Большие электросети для защиты от перебоев

Вспомогательный маховик
Маховичный накопитель кинетической энергии

«Основные фонды» заканчивают публикацию серии материалов о главных разновидностях добавочных приводов, устанавливаемых на серийных образцах автотранспортных средств для уменьшения потребности постоянного применения мотора внутреннего сгорания. Напомним, небольшой обзор таких решений, охватывающих аккумуляторы, генераторы на дизеле и емкостные накопители (конденсаторы), также обозначивший ряд прочих существующих подходов к данному вопросу, и также рассказ о вспомогательном гидроприводе.
Сегодня мы будем рассматривать маховичный накопитель.

Предыстория

Заодно уточним, что запасной жидкостный и воздушный приводы – «близнецы-братья», потому как хранящееся в баке масло и в пневмоцилиндре азот хорошо восполняют друг друга. Собственно в паре их применяет компания PSA Peugeot Sitroen, чьи средства транспортировки – очень знаменитый пример серийного применения гидропневмонакопителя как дополнительного источника тяги. Под воздействием кинетической энергии масло сжимает который находится в цилиндре азот.
При вытеснении азотом масла совмещённый с колесами гидропневмонакопитель прибавляет им крутящего момента. «Чистый» пневмопривод, напомним, рассматривался «ОС» в статье с выразительным наименованием «Взамен бензина – воздух».
Почему, к слову, в сказанных материалах обойдена вниманием гидрообъемная передача?
А дело все в том, что, по сообщениям отраслевых СМИ, работа гидрообъемной передачи, обеспечивающей привод колес полуприцепа тягача КамАЗ-44108 (т. н. «автопоезд с активным прицепом») требует «Независимой насосной станции» (с ДВС).

Маховик как накопитель энергии

Окончание указанной подборки кратким описанием применяемого в качестве дополнительного источника тяги маховичного накопителя представляется логичным еще вот почему. А дело все в том, что второй шаг в этом направлении собой представляет «опосредованное применение добавочных приводов автотехники», назовем это так. Речь идет об оснащении ТС одновременно несколькими применяемыми для этой цели устройствами.
Дизель-генератор с аккумуляторным либо емкостным (конденсаторным) накопителем – давно знаменитое решение? Не все так банально, в связи с чем просим наших читателей усвоить предлагаемое обозначение (в значении состава новых добавочных «силовых пар» и порядка их работы) для краткого рассказа в последующем про них на примере «седельника» Iveco-Glider и умелого автопоезда Renault-Optifuel (Lab 2). Кстати, в выставочном Iveco-Glider «старшим» дополнительным приводом выступает как раз маховик.

Маховичный (раньше – также маховичковый) накопитель, который применяется в виде дополнительного источника тяги и «докручивающий» (как известно, неэкономичный при разгоне, на малых скоростях) мотор, не считая назначения имеет целый ряд прочих отличий. Во-первых, речь не идет о знакомых по предмету «Доктрина и конструкция автомобиля» маховиках коробок передач стародавних грузовиков. Рассматриваемый нами запасной, «вспомогательный» маховик (в отличии от них сделан из легких сплавов-композитов) крутится в безвоздушном пространстве, а во многих случаях размещается в горизонтальном положении (что требует конусообразной зубчатой передачи).
Маховичный накопитель в 1960-е гг. обкатывался на самых разных классах автотехники, в 1980-е к его испытаниям вернулись в составе легковой Volvo (серии 200), а позднее он «оседлал» машины гоночные. Сейчас в зарубежной печати все это направление, включая седельный тягач Glider – первый использующий его промышленно-выставочный образец подобного класса техники, проходит под обозначением KERS (Kinetic Energy Recovery System).

Маховик как накопитель энергии

Насколько далек СНГ от применения на линии маховичного накопителя это при том, что его создание и проработка в этом качестве связаны с именем профессора МГИУ Н.В. Гулиа! С легкой руки ученого такой маховик стал известным с приставкой «супер».
Среди прочего становилось ясно, что речь идет об устанавливаемом на транспортном средстве маховике иного назначения.

Конструкция

Маховик как накопитель энергии

Основная цель продвижения перечисленных накопителей – «секрет Полишинеля»: исключение расходов кинетической энергии на трение колодок о диски тормозов, возникающее при замедлении автомобиля, и ее переустройство во вращение маховика, который дальше участвует в приводе ТС.
К одной из осей ТС некоторым образом подсоединяется маховик-накопитель. При торможении он раскручивается через совмещённый с осью ТС крутящийся вал. Продолжая вращаться после остановки автомобиля, маховик «вкладывается» в его разгон при возобновлении движения.
Говоря иначе, при торможении и на спусках кинетическая энергия не исчезает в тормозных устройствах автомобиля, а скапливается рассматриваемым маховиком. Очень распространенным маховичный накопитель оказывается в «городском цикле» движения, отличающемся нередкими троганиями и торможениями. ДВС и маховичный накопитель как правило срабатывают и в отдельности, а конкретно: мотор подзаряжает маховик, который потом в одиночку разгоняет средство транспорта (но и в данном варианте энергия торможения возвращается маховичному накопителю).

Маховик как накопитель энергии

Маховичные накопители последнего поколения (например, Torqstor) выделяют композитные сплавы на основе углеродистых волокон и расположение в безвоздушной обстановке Для снижения потерь мощности. Современные маховичные накопители, осуществляемые, повторим, из углепластика, выделяющиеся навивкой из углеволокна, являются очень прочными (как и защитный корпус); сталь в виде материала их изготовления ушла в прошлое.
Во многих случаях композитный сплав маховичных накопителей наполняют магнитной пудрой, заодно сводя на нет появление вихревых токов. Более того, намагниченный подобным образом маховик способен работать в условиях очень высоких температур не в ущерб служебному сроку. В новых образцах рассматриваемых устройств механическое соединение вала, привода маховичного накопителя и главной передачи во многих случаях уступило место магнитному, исключающему проскальзывание крутящихся валов.
Согласует частоту вращения маховика и в конечном итоге вращающий момент колес, медленно меняет передаточное отношение между входным и выходным валами бесступенчатый привод, сегодня известен как Compact Variator Transmission (CVT-вариатор, тот же Torotrak, раньше – планетарный дисковый вариатор). Его наличие и хороший уровень изготовления – одно из основных требований применения маховичного накопителя.

Накопление существенной кинетической энергии подразумевает применение высоко-оборотистых маховиков. Скорость вращения их современных образцов может достигать 60 000 оборотов в минуту, масса может составлять от 6 до 100 и выше кг, а например, при мощности 100 кВт они запасают 200 кДж энергии.
Современные маховичные накопители для автотехники разных классов рекомендуют Ricardo, Williams Hybrid Power, Flybrid Automotive (с 2014 г. – Torotrak Group).

Маховик как накопитель энергии

Собственную новейшую разработку Ricardo предоставил в 2014 г. в составе строительно-дорожной техники.
Сделанный раньше автобус среднего класса Optare (Solo Midibus), оснащенный дополнительным маховиком Ricardo, стал называться Flybus. На автобусах в столице Англии в качестве дополнительного привода испытывались маховики от компании Williams Hybrid Power (работающей с этом направлении на гоночные машины «Формула-1», и также вагоностроительным отделением многопрофильного французского объединения Alstom). Уточним, что в самом известном примере применения маховика – кстати, при маршрутных перевозках пассажиров – жиробусе «Орликон» (1950-е гг., в Швейцарии, Конго, Бельгии) он выступал в качестве главного источника тяги вагонов.
Британский FlyBrid Automotive (Torotrak Group) взаимодействует с Volvo. В открытой печати про это говорилось в разрезе легковушки, впрочем шведская фирма – всемирно проверенный производитель тяжёлых грузовиков и строительно-дорожной техники. Более того, как и в случае с Ricardo, партнерство проводится с производителем коммерческой автотехники (Ford), и также марками Jaguar, Rover.

Энергия, появляющаяся при торможении, превращается во вращение маховика и применяется для привода колес ТС. Пропорционально уменьшается необходимость применения ДВС на малоэкономичных режимах – суть рекуперация.

Маховик как накопитель энергии

Гладко было на бумажном носителе, да забыли про овраги?

За городской чертой маховик рискует остаться без «подкормки» из-за ограниченного числа торможений (выручит только движение «под гору»). В случае привода ДВС и маховичного накопителя на различные мосты (мол, вот и полный привод) возникает волнение за стойкость вагонов. Конструкция маховичного накопителя обусловливает, например, выверенность значений угловой скорости, момента инерции, передаточных чисел, электронного регулирования.
Требования к продуманности системы управления доказывает одна только возможность участия водителя в подключении (клавишей приборной доски) маховичного накопителя для добавки «мощи» при разгоне, ускорении (например, до 80 л.с. за 7 сек).

Маховик как накопитель энергии

Нужно ли овчинка выделки в значении обоснованности применения маховичных накопителей для, пожалуй, основного параметра – топливного расхода? Делайте выводы сами, говорилось о его снижении в данном варианте на 5–25% (верхняя граница, ясно, для индивидуальных режимов движения). К числу общих положительных качеств маховичных накопителей относят обещанный их производителями большой служебный срок, отсутствие потребности в редкоземельных металлах (хотя «батарейки» в наше время используются на транспорте все шире для большого количества различных задач).
Массогабаритные характеристики современных маховичных накопителей становятся все привлекательнее (сама за себя говорит возможность их установки на крыше современных трамваев). И наоборот, снижение подъемности груза (вместимости) раньше в большинстве случаев сдерживало их использование. Что ж, мы далеко ушли от приведенного на рисунке варианта расположения маховичного накопителя, но в Porsche RSR (2011 г.) гироскопический энергоаккумулятор (как его иногда именуют) занимает место рядом с водителем.
Большой момент инерции вызывает вопросы по балансу маневрирования, ведь маховик совершает десятки тысяч оборотов за минуту.
Уточним, что маховичный накопитель «дружен» как с ДВС, так и с электрическим двигателем.
Мало того, в маховичном накопителе TorqStor от Ricardo подзарядка происходит при опускании стрелы экскаватора. Среди прочего это сводит на нет аргументы об применении этой разновидности накопителей исключительно при торможении ТС.
Более того, управление дополнительным маховиком может в себя включать электрогидравлические клапаны и гидравлический насос с электрическим приводом. Необходимо добавить, что выполненное во второй половине 1980-х гг. служащими МАДИ, МАМИ, МАСИ (МГИУ), НАМИ математическое моделирование применения в составе ЛиАЗ-5256 маховичкового накопителя включало в себя однопоточную гидропередачу. Масса «маховичка» составляла 35 кг, скорость вращения – до 12 000 оборотов в минуту, что абсолютно достаточно для автобуса.

Маховик как накопитель энергии

ЖД и городской рельсовый транспорт не исключение в деле умелого использования добавочных маховиков.
Известно, что маховичный накопитель ССМ (Голландия) еще в 2004 г. обеспечил проезд многоосного трамвая Alstom через один из мостов г. Роттердама без токоприемника. Оснащенные маховичным накопителем (энергии торможения и во время движения «накатом», с дальнейшим участием в разгоне наряду с ДВС) очень легкие рельсовые автобусы Rail PPM с середины 2000-х гг. перевозят пассажиров на малодеятельной ветке г. Стоурбридж (Stourbridge) английского графства Западный Мидлендс.

Важно, что в городах США (Филадельфия и ряд др.) начато применение неподвижных маховиков (также из углеродистых волокон), установленных на подстанциях метро и запасающих энергию, появляющуюся при торможении поездов с ее следующей передачей на контактный рельс или питающий кабель. Спецификой использования рассматриваемых накопителей в данном варианте являются бесчисленные участники проекта.

Супермаховик Нурбея Гулиа – механический накопитель энергии

Маховик как накопитель энергии

Самим началом собственных исследований Нурбей Гулиа называет задачу, установленную им самим перед собой в пятнадцать лет – создание «энергетической капсулы»: энергоемкого накопителя невредной для человека и внешней среды энергии. С той поры он изучил очень много вариантов решения, пока не остановился на маховике, известном с начала времен – гончарный круг, что как не маховик?
.
Нурбей Гулиа и один из его супермаховиков
Гибридный автомобиль Гулиа. Передние колеса имели привод от ДВС, а задние от вариатора и маховика
Первые проверки супермаховика Гулиа показали, что даже первая не самая совершенная конструкция, способна перегнать по плотности энергии свинцово-кислотные аккумуляторы при достаточной безопасности: разрыв ленты наступал при разгоне обода до 500 м/с (плотность составляла 100 кДж/кг). Тогда же было выдвинуто предложение применять его на автомобиле и разработан первый гибрид на базе УАЗ-450Д.
.
За границей также создают супермаховики с 60-х годов 20 века, а позднее (в 80-х) находят им использование и довольно удачно – в авиации и в космических аппаратах, в автопрома, а еще в виде допустимых источников бесперебойного питания для строений. В этом случает супермаховик копит энергию во время избыточной, «высокой» выработки станцией электричества, а во время увеличения употребления — отдает.
Потери в данной установке составляют меньше 2-ух процентов.
Данными установками занимается, к примеру, Beacon Power, где разработаны большие стационарного типа супермаховики. От модели зависит запасаемая энергия (от 6 до 25 кВт?ч) и мощность (от 2до 200 кВт).
КПД, как мы говорили – 98%. Нурбей Гулиа так же на месте не стоит: под его руководством отечественная компания Kinetic Power разрабатывает собственный стационарный накопитель кинетической энергии на базе супермаховика, который может запасти до 100 кВт?ч и обеспечить до 300 кВт.
.
Сегодня супермаховик — это барабан из материалов на композитной основе помещенный в кожух, где создается вакуум Для снижения трения. В теории данное устройство способен сохранять до 500 Втч (1,8 МДж) на кг массы.
Применение новых материалов творит чудеса: навитый не из стали, а из углеволокна, маховик увеличивает энергоемкость в двадцать раз, а если обучиться использовать алмазное волокно, то энергоемкость будет составлять 15 МДж/кг!
.
Высокие технологии намного больше повышаюту возможности сумпермаховиков, ведь в теории предоставляют возможность достигнуть фантастической плотности энергии: до 2500?3500 МДж/кг. Представьте, на минутку, – на одной раскрутке 150-кг супермаховика, обыкновенный легковой автомобиль будет способен проезжать два миллиона километров.
.
Технологии супермаховика, по абсолютно непонятной причине никак не могут заинтриговать больших вкладчиков. Нурбей Гулиа также работает над улучшением собственного изобретения, разрабатывает возможность изготовления графенового супермаховика (энергоемкость будет составлять 1,2 кВт*ч/кг).
.

Диски высокой энергии: маховичный накопитель

Маховик как накопитель энергии

Мир электроники и электричества приходит!
Милые почитателям механики устройства очень часто уступают место машинам с электрическими моторами и электронными схемами. Впрочем мир грядущего станет более механическим! Так считает профессор Нурбей Гулиа.
За прошедшие десятилетия механичные накопители энергии ощутимо прибавили в энергоемкости, и собственно их, по мнению ученого, будут применять во многих устройствах взамен обыкновенных электрохимических аккумуляторов.

Пружина, резина, конденсатор…

Во всем мире наверное не найдется человек, который посвятил себя разработке маховичных накопителей энергии в значительной степени, чем Нурбей Гулиа. Ведь делом собственной жизни изобретатель начал заниматься в 15 лет.
Тогда коммунистический учащийся начальной школы Нурбей решил изобрести «энергетическую капсулу» — так он именовал накопитель энергии, который должен был стать так же энергоемким, как бак с бензином, однако при этом накапливать в себе совершенно безвредную для человека энергию. В первую очередь пытливый учащийся начальной школы опробовал аккумуляторы разных типов. Одним из очень неисправимых вариантов оказался пружинный накопитель.

маховик часть 2

Чтобы обыкновенный легковой автомобиль проехал с подобным аккумулятором 100 км пути, последний должен был весить 50 т.

Маховик как накопитель энергии

От маховиков к супермаховикам В качестве накопителей энергии маховики используют уже несколько веков, впрочем качественный скачок в области их энергоемкости случился только в 1960-е году, когда были созданы первые супермаховики. 1. Супермаховик в работе Супермаховик смотрится, как обыкновенный, но внешняя его часть свита из прочной стальной ленты.
Витки ленты в большинстве случаев склеены между собой. 2. Супермаховик после разрыва Если разрыв привычного маховика разрушителен, то в случае супермаховика лента прижимается к корпусу и автоматично затормаживает накопитель — все абсолютно безопасно.

Магнитная подвеска маховика.

Резиновый аккумулятор показался куда перспективней: накопитель с зарядом на сто километров мог весить «всего» 900 кг. Заинтересовавшись, Нурбей даже разработал резиноаккумулятор инновационной конструкции для привода детской коляски. Один из прохожих, очарованный самоходной коляской, посоветовал разработчику подать заявление в Комитет по изобретениям и даже помог ее составить.

Создание и испытания установки Чака Кэмбела, выводы.

Так Гулиа получил первое авторское свидетельство на открытие.
Вскоре резину сменил сжатый воздух.
И снова Нурбей разработал инновационное устройство — относительно небольшой гидрогазовый аккумулятор. Однако, как удалось узнать во время работы над ним, во время использования сжатого газа энергетический «потолок» был невысокий. Но изобретатель не сдался: вскоре им построили пневмокар с подогревом воздуха горелками.
Эта машина обрела хорошую оценку у его друзей, однако по своим возможностям была еще далека от того, чтобы конкурировать с автомобилем.

Маховик как накопитель энергии

Маховик как накопитель энергии

Маховики на транспорте можно применить как в качестве аккумуляторов энергии, так и в виде гироскопов. На фотографии изображен маховичный концепт-кар Ford Gyron (1961), а первый раз гиро-кар построили в 1914 году русским инженером Петром Шиловским.

Очень внимательно грядущий профессор отнесся к проработке варианта «электрической капсулы». Нурбей оценил возможности конденсаторов, электромагнитов и, конечно, собрал всю потенциальную информацию об электрохимических аккумуляторных батареях.
Был даже возведен электрический автомобиль. В качестве аккумулятора для него конструктор использовал батарею МАЗа.
Впрочем возможности тогдашних электрохимических аккумуляторов Гулиа не впечатлили, не было и оснований ждать, что в области энергоемкости случится прорыв. Благодаря этому из всех накопителей энергии наиболее перспективными Нурбею Владимировичу показались механичные аккумуляторы в виде маховиков, не обращая внимания на то что В то время они ощутимо проигрывали электрохимическим накопителям. Тогдашние маховики, даже изготовленные из самой прекрасной стали, в границе могли собрать только 30?50 кДж на 1 кг массы.
Если раскручивать их быстрее, они разрывались, приводя в непригодность все вокруг. Даже свинцово-кислотные аккумуляторы с энергоемкостью 64 кДж/кг смотрелись на их фоне очень выигрышно, а щелочные аккумуляторы с плотностью энергии 110 кДж/кг были не имеет конкурентов. Более того, уже тогда существовали страшно дорогие серебряно-цинковые аккумуляторы: по удельной емкости (540 кДж/кг) они приблизительно соответствовали самым емким на данное время литий-ионным аккумуляторам.
Но Гулиа сделал ставку на столь дальний от идеала маховик…

Маховик на миллион

Чем выше скорость вращения маховика, тем сильнее его частицы «растягивают» диск, стараясь его порвать. Потому как разрыв маховика дело страшное, конструкторам приходится залаживать большой прочностный запас. В результате в действительности энергоемкость маховика раза в три ниже предполагаемой, и в первой половине 60-х годов прошлого века самые улучшенные маховики могли запасать всего 10?15 кДж энергии на 1 кг.
Если же применить намного устойчивее к разрыву материалы, стабильность маховика станет выше, но подобный скоростной маховик становится опасным. Выходит безнравственный круг: стабильность материала увеличивается, а максимальная энергоемкость возрастает несущественно. Нурбей Гулиа поставил собственной задачей вырваться из данного замкнутого круга, и в один памятный день он испытал момент внезапного прояснения.
На глаза изобретателю попался тросик, свитый из проволок, — такие в большинстве случаев используют в тренажерах для подъема тяжестей. Тросик был примечательный тем, что обладал большей прочностью и никогда не рвался сразу.
Собственно данных качеств и не хватало тогдашним маховикам.

Маховик как накопитель энергии

Накопитель Сегодня благодаря большой энергоемкости супермаховики используют во многих областях — от использования в спутниках связи в качестве аккумулятора энергии до применения в электрических станциях для увеличения их КПД. На схеме изображен маховичный накопитель, который используют на американских электрических станциях для увеличения их КПД.
Потери энергии в супермаховиках составляют всего 2% — это можно достичь, также, благодаря тому, что он крутится в вакуумном кожухе на магнитных подшипниках.
Ученый принялся за работу: сначала поэкспериментировал с тросом, скатав из него маховик, а потом заменил проволочки тонкой стальной лентой аналогичный прочности — ее намотка была плотнее, а для верности можно было склеить витки ленты между собой.
Разрыв такого маховика уже не представлял опасности: при превышении предельной скорости первой обязана была оторваться наиболее нагруженная внешняя лента. Она прижимается к корпусу и автоматично затормаживает маховик — никаких несчастных случаев, а оторванную ленту можно наклеить опять.
Первое тестирование, когда ленточный маховик Гулиа раскручивался от скоростного электрического мотора пылесоса, прошло удачно.
Маховик вышел на самую большую частоту вращения без разрыва. А потом, когда ученому получилось испытать этот маховик на специальном разгонном стенде, стало известно, что разрыв наступал исключительно при скорости обода практически 500 м/c или плотности энергии около 100 кДж/кг. Открытие Гулиа во много раз превзошло по плотности энергии наиболее прогрессивные на то время маховики и оставило позади свинцово-кислотные аккумуляторы.

Маховик как накопитель энергии

Механический гибрид Гулиа (1966) Это реально первый в мире гибридный автомобиль. Его передние колеса приводились от ДВС, в то время как задние от вариатора и маховика.
Такой опытный образец оказался вдвое экономичней, чем УАЗ-450Д.
В мае 1964 года Гулиа первым в мире подал заявку на открытие супермаховика, однако из-за бюрократизма советской патентной системы получил специальный документ только через 2 десятилетия, когда срок его действия уже истек.
Но приоритет изобретения за СССР сохранился. Жил бы ученый на Западе — давно бы стал мультимиллионером.

Через некоторое время после Гулиа супермаховик изобрели и на Западе, и спустя десятилетия ему находят много применений. В самых разнообразных государствах разрабатываются проекты маховичных машин. Американские профессионалы делают беспилотный вертолет, в котором взамен мотора применяют супермаховики.
Отсылают супермаховики и в космос. Там для них особенно благоприятная среда: в космическом вакууме нет аэродинамического сопротивления, а невесомость ликвидирует нагрузки на подшипники.
Благодаря этому на отдельных спутниках связи используются супермаховичные накопители — они долговечнее электрохимических аккумуляторов и могут длительное время снабжать аппаратуру спутника энергетикой. Не так давно в Америке стали рассматривать возможность использования супермаховиков в качестве источников бесперебойного питания для строений. Там уже работают электростанции, которые во время пика энергопотребления повышаюту мощность за счёт маховичных накопителей, а при спаде, в большинстве случаев ночью, направляют избытки энергии на раскручивание маховиков.
В конце концов у электростанции существенно увеличивается КПД работы. Более того, потери энергии в супермаховиках составляют всего 2% — это меньше, чем у любых иных накопителей энергии.

Маховик как накопитель энергии

Профессор Гулиа тоже времени напрасно не терял: создал супер удобную маховичную дрель, разработал первый в мире гибридный маховичный автомобиль на базе УАЗ-450Д — он оказался вдвое экономичней обыкновенной машины.
Но основное — профессор регулярно совершенствует различные детали собственной маховичной концепции, чтобы выполнить ее по-настоящему конкурентоспособной.

Чудо-махомобили

Можно ли вывести супермаховик на уровень самых емких аккумуляторов? Оказывается, это не проблема.
Если взамен начали применять очень крепкие материалы, то пропорционально вырастет и энергоемкость. Причем, в отличии от электрохимических аккумуляторов, тут фактически нет потолка.

Супермаховик из кевлара на испытаниях при такой же массе накапливал в 4-ре раза больше энергии, если сравнивать со стальным. Супермаховик, навитый из углеволокна, может в 20?30 раз превысить стальной по плотности энергии, а если применять для его изготовления, к примеру, алмазное волокно, то накопитель приобретет поразительную энергоемкость — 15 МДж/кг. Но и это не предел: на данныйм момент при помощи нанотехнологий на основе углерода делаются волокна фантастической прочности. «Если из подобного материала навить супермаховик, — рассказывает профессор, — плотность энергии может достигнуть 2500?3500 МДж/кг.
А это означает, 150-килограммовый супермаховик из подобного материала способен обеспечить легковому автомобилю пробег в 2 с лишним миллиона километров с одной прокрутки — больше, чем может выдерживать шасси машины».

Маховик как накопитель энергии

Маховичные машины Если соединить в одну схему супермаховик и супервариатор расход обычного автомобиля можно уменьшить ниже 2 л/100 км, считает Нурбей Гулиа. На фото приведена рабочая схема маховичной машины на топливных элементах, с правой стороны автомобиля с ДВС.

Благодаря тому что супермаховик крутится в вакууме, а его ось закреплена в магнитной подвеске, сопротивление во время вращения оказывается очень маленьким. Возможно, такой супермаховик может крутиться до остановки многие месяцы. Впрочем машина, которая может работать в течение всего рабочего срока без заправок, пока еще не изобретена.
Мощности современных электростанций точно не хватит для зарядки подобных серийных чудо-махомобилей.
Но собственно автомобильный транспорт, считает профессор, наиболее приемлемая область использования супермаховиков.
И критерии машин проекта Гулиа, на которых он думает применять супермаховики, не менее поразительные. По оценке ученого, «здоровый» топливный расход у бензинового автомобиля должен составлять приблизительно 1,5 л на сто километров, а у дизельного — 1,2 л.
Как это может быть? «В энергетике есть неписаный закон: при похожих капиталовложениях всегда более экономичный привод, в котором нет преобразований видов и форм энергии, — поясняет профессор. — Мотор выделяет энергию в виде вращения, и ведущие автомобильного колеса потребляют эту энергию тоже в виде вращения.
Значит, не нужно преобразовывать энергию мотора в электрическую и обратно, достаточно передавать ее от мотора к колесам через механический привод».

Маховик как накопитель энергии

Подобным образом, механический гибрид оказывается максимально энергосберегающим и, как уверяет ученый, в условиях города понижает топливный расход втрое! Использование супермаховика, который запасает большое количество энергии от мотора, а потом фактически без потерь отправляет ее на колеса через супервариатор (см. «ПМ», № 3’2006), дает возможность уменьшить размер и мощность мотора. Мотор же в проекте ученого работает только в благоприятном режиме, когда его КПД наиболее высок, поэтому-то «суперавтомобиль» Гулиа столь экономичный.
Есть у профессора и проект применения топливных элементов с супермаховиком. У топливных элементов КПД в границе может быть практически вдвое больше, чем у ДВС, и будет примерно 70%.
«Но чего же при всех плюсах такой схемы она пока не применяется на автомобилях?» — задаем мы неоспоримый вопрос. «Для такой машины был нужен супервариатор, а он возник практически недавно и в настоящий момент лишь начинает выполняться, — объясняет профессор Гулиа. — Так что такой автомобиль на подходе».
Нашему журналу приятно осознавать, что если такой автомобиль возникнет, то в этом будет и наша заслуга. Как только в «Распространенной механике» возникла статья о супервариаторе Гулиа, данным проектом сразу заинтересовались изготовители приводной техники, и в настоящий момент профессор занимается разработкой и совершенствованием собственного супервариатора. А это означает, стоит рассчитывать, что ждать суперавтомобиля осталось непродолжительное время…