Хранение энергии на маховике

Маховик НАСА G2

Накопитель энергии на маховике ( FES ) работает путем ускорения ротора ( маховика ) до очень высокой скорости и поддержания энергии в системе в виде энергии вращения . Когда энергия извлекается из системы, скорость вращения маховика снижается вследствие принципа сохранения энергии ; добавление энергии в систему соответственно приводит к увеличению скорости маховика.

Большинство систем ФЭС используют электричество для ускорения и замедления маховика, но устройства, напрямую использующие механическую энергию . разрабатываются

Усовершенствованные системы FES имеют роторы, изготовленные из высокопрочных композитов из углеродного волокна, подвешенные на магнитных подшипниках и вращающиеся со скоростью от 20 000 до более 50 000 об/мин в вакуумной камере. Такие маховики могут набрать скорость за считанные минуты, достигая своей энергетической емкости гораздо быстрее, чем некоторые другие формы хранения.

Основные компоненты

Основные компоненты типичного маховика

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

В системах накопления энергии с маховиком первого поколения используется большой стальной маховик, вращающийся на механических подшипниках. В новых системах используются из углеродного волокна композитные роторы , которые имеют более высокую прочность на разрыв, чем сталь, и могут хранить гораздо больше энергии при той же массе .

Для уменьшения трения используются подшипники вместо механических подшипников иногда магнитные .

Возможное будущее использование сверхпроводящих подшипников

Расходы на охлаждение привели к раннему отказу от использования низкотемпературных сверхпроводников в магнитных подшипниках. Однако подшипники из высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) могут быть экономичными и, возможно, могут продлить время экономичного хранения энергии. Гибридные подшипниковые системы, скорее всего, будут использоваться в первую очередь. Подшипники из высокотемпературного сверхпроводника исторически имели проблемы с обеспечением подъемной силы, необходимой для более крупных конструкций, но могут легко обеспечить стабилизирующую силу. Поэтому в гибридных подшипниках нагрузку поддерживают постоянные магниты, а для ее стабилизации используются высокотемпературные сверхпроводники. Причина, по которой сверхпроводники могут хорошо стабилизировать нагрузку, заключается в том, что они являются идеальными диамагнетиками . Если ротор пытается отклониться от центра, восстанавливающая сила, возникающая из-за закрепления магнитного потока, восстанавливает его. Это известно как магнитная жесткость подшипника. Вибрация оси вращения может возникать из-за низкой жесткости и демпфирования, которые являются присущими сверхпроводящим магнитам проблемами, что не позволяет использовать полностью сверхпроводящие магнитные подшипники для маховиков.

Поскольку пиннинг флюса является важным фактором обеспечения стабилизирующей и подъемной силы, ВТСП гораздо проще изготовить для ФЭС, чем для других целей. Порошкам ВТСП можно придавать произвольную форму при условии сильного закрепления флюсом. Постоянной проблемой, которую необходимо решить, прежде чем сверхпроводники смогут обеспечить полную подъемную силу для системы FES, является поиск способа подавить уменьшение силы левитации и постепенное падение ротора во время работы, вызванное ползучестью потока сверхпроводящего материала.

Физические характеристики

См. Также: Маховик § Физика

Общий

По сравнению с другими способами хранения электроэнергии, системы FES имеют длительный срок службы (десятки лет при минимальном обслуживании или вообще без него); Срок службы полного цикла, указанный для маховиков, варьируется от более 10 ⁵ , до 10 ⁷ , циклы использования), высокая удельная энергия (100–130 Вт·ч/кг или 360–500 кДж/кг), и большая максимальная выходная мощность. Энергоэффективность ) ( отношение выходной энергии к энергии, поступающей маховиков, также известная как эффективность туда и обратно, может достигать 90%. Типичные мощности варьируются от 3 до 133 кВтч. Быстрая зарядка системы происходит менее чем за 15 минут. Высокие значения удельной энергии, часто упоминаемые в случае маховиков, могут немного вводить в заблуждение, поскольку построенные коммерческие системы имеют гораздо более низкую удельную энергию, например, 11 Вт·ч/кг или 40 кДж/кг.

Форма хранения энергии

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

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

Удельная энергия

Максимальная удельная энергия ротора-маховика в основном зависит от двух факторов: первый - это геометрия ротора, а второй - свойства используемого материала. роторов из одного материала Для изотропных эту зависимость можно выразить как

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

где

$E$ – кинетическая энергия ротора [Дж],

$m$ - масса ротора [кг],

$K$ - коэффициент геометрической формы ротора [безразмерный],

$\sigma$ – предел прочности материала на разрыв [Па],

$\rho$ плотность материала [кг/м ³ ].

Геометрия (коэффициент формы)

Максимально возможное значение коэффициента формы ротора маховика, это $K=1$, чего можно достичь только за счет теоретической геометрии диска с постоянным напряжением . Геометрия диска постоянной толщины имеет коэффициент формы $K=0.606$, а для стержня постоянной толщины значение равно $K=0.333$. Тонкий цилиндр имеет коэффициент формы $K=0.5$. Для большинства маховиков с валом коэффициент формы ниже или примерно ${\textstyle K=0.333}$. Конструкция без вала имеет коэффициент формы, аналогичный диску постоянной толщины ( ${\textstyle K=0.6}$), что обеспечивает удвоенную плотность энергии.

Свойства материала

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

Материалы ротора

Некоторые современные роторы-маховики изготовлены из композитных материалов. Примеры включают композитный маховик из углеродного волокна от Beacon Power Corporation. и маховик PowerThru от Phillips Service Industries. Альтернативно, Calnetix использует в конструкции маховика высокопроизводительную сталь аэрокосмического класса.

Для этих роторов взаимосвязь между свойствами материала, геометрией и плотностью энергии может быть выражена с использованием средневзвешенного подхода.

Предел прочности и виды разрушения

Одним из основных ограничений конструкции маховика является предел прочности ротора. Вообще говоря, чем прочнее диск, тем быстрее он может вращаться и тем больше энергии может хранить система. (Утяжеление маховика без соответствующего увеличения прочности замедлит максимальную скорость, с которой маховик может вращаться без разрушения, и, следовательно, не увеличит общее количество энергии, которое может хранить маховик.)

Когда предел прочности внешней соединительной крышки композитного маховика будет превышен, соединительная крышка сломается, и колесо разрушится, поскольку сжатие внешнего колеса теряется по всей окружности, одновременно высвобождая всю накопленную энергию; это обычно называют «взрывом маховика», поскольку фрагменты колеса могут достигать кинетической энергии, сравнимой с энергией пули. Композиционные материалы, намотанные и склеенные послойно, имеют свойство быстро распадаться сначала на нити малого диаметра, которые перепутывают и замедляют друг друга, а затем на раскаленный порошок; литой металлический маховик отбрасывает большие куски высокоскоростной шрапнели.

Для литого металла пределом разрушения является прочность сцепления границ зерен поликристаллического маховика из формованного металла. Алюминий, в частности, страдает от усталости могут образовываться микротрещины , и в результате многократного растяжения с низкой энергией . Угловые силы могут привести к тому, что части металлического маховика выгнутся наружу и начнут тянуться за внешний защитный резервуар или полностью отделиться и беспорядочно подпрыгивать внутри. 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 в качестве меры безопасности прочных защитных сосудов, что увеличивает общую массу устройства. Выделение энергии при отказе можно ослабить студенистой или инкапсулированной жидкой внутренней облицовкой корпуса, которая будет кипеть и поглощать энергию разрушения. Тем не менее, многие клиенты крупномасштабных систем хранения энергии с маховиком предпочитают встраивать их в землю, чтобы остановить любой материал, который может выйти из защитного сосуда.

Эффективность хранения энергии

Системы накопления энергии с маховиком, использующие механические подшипники, могут потерять от 20% до 50% своей энергии за два часа. Большая часть трения, ответственного за эту потерю энергии, возникает из-за изменения ориентации маховика из-за вращения Земли (эффект, аналогичный тому, который демонстрирует маятник Фуко ). Этому изменению ориентации противодействуют гироскопические силы, создаваемые угловым моментом маховика, оказывая таким образом силу на механические подшипники. Эта сила увеличивает трение. Этого можно избежать, выровняв ось вращения маховика параллельно оси вращения Земли.

И наоборот, маховики с магнитными подшипниками и высоким вакуумом могут поддерживать механический КПД 97% и КПД туда и обратно 85%.

Эффекты углового момента в транспортных средствах

При использовании в транспортных средствах маховики также действуют как гироскопы , поскольку их угловой момент обычно того же порядка, что и силы, действующие на движущееся транспортное средство. Это свойство может отрицательно сказаться на управляемости автомобиля при поворотах или движении по пересеченной местности; въезд на склон наклонной насыпи может привести к частичному отрыву колес от земли, поскольку маховик противодействует силам бокового наклона. С другой стороны, это свойство можно использовать для поддержания баланса автомобиля и предотвращения его опрокидывания при резких поворотах.

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

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

Центральная ось маховика действует как единый подвес и, если она расположена вертикально, обеспечивает поворот на 360 градусов в горизонтальной плоскости. Однако, например, при движении в гору требуется второй подвес по наклону, а при движении по склону наклонной насыпи — третий подвес по крену.

Полноповоротные подвесы

Хотя сам маховик может иметь форму плоского кольца, для установки шарнирного подвеса со свободным перемещением внутри транспортного средства требуется сферический объем, внутри которого маховик мог бы свободно вращаться. Предоставленный самому себе, вращающийся маховик в транспортном средстве будет медленно прецессировать, следуя за вращением Земли, и прецессировать еще дальше в транспортных средствах, которые путешествуют на большие расстояния по искривленной сферической поверхности Земли.

Полноповоротный подвес имеет дополнительные проблемы с передачей мощности на маховик и обратно, поскольку маховик потенциально может полностью перевернуться один раз в день, прецессируя по мере вращения Земли. Для полного свободного вращения потребуются контактные кольца вокруг каждой оси подвеса для силовых проводников, что еще больше усложняет конструкцию.

Подвесы с ограниченным движением

Чтобы уменьшить использование пространства, система подвеса может иметь конструкцию с ограниченным движением, в которой используются амортизаторы для смягчения внезапных быстрых движений в пределах определенного количества градусов отклонения от плоскости углового вращения, а затем постепенно заставляют маховик принимать положение автомобиля. текущая ориентация. Это уменьшает пространство перемещения подвеса вокруг кольцеобразного маховика с полной сферы до короткого утолщенного цилиндра, охватывающего, например, ± 30 градусов угла наклона и ± 30 градусов крена во всех направлениях вокруг маховика.

Уравновешивание углового момента

Альтернативное решение проблемы — два соединенных маховика, вращающихся синхронно в противоположных направлениях. Они будут иметь нулевой общий угловой момент и не иметь гироскопического эффекта. Проблема с этим решением заключается в том, что, когда разница между импульсами каждого маховика отличается от нуля, корпус двух маховиков будет проявлять 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 оказывали бы суммарного воздействия на запечатанный контейнер, поэтому никакого крутящего момента не было бы замечено.

Чтобы еще больше сбалансировать силы и распределить деформацию, один большой маховик можно уравновесить двумя маховиками половинного размера с каждой стороны, или маховики можно уменьшить в размерах, чтобы они представляли собой серию чередующихся слоев, вращающихся в противоположных направлениях. Однако это увеличивает сложность корпуса и подшипников.

Приложения

Транспорт

Автомобильная промышленность

В 1950-х годах автобусы с маховиком, известные как гиробусы , использовались в Ивердоне ( Швейцария ) и Генте ( Бельгия ), и продолжаются исследования по созданию систем с маховиком, которые были бы меньше, легче, дешевле и имели большую вместимость. Есть надежда, что системы с маховиком смогут заменить традиционные химические батареи для мобильных устройств, например, для электромобилей. Предлагаемые системы маховика устранят многие недостатки существующих аккумуляторных систем питания, такие как низкая емкость, длительное время зарядки, большой вес и короткий срок службы. Маховики могли использоваться в экспериментальном Chrysler Patriot , хотя это оспаривается.

Один из старых гиробусов, припаркованный в музее Антверпена.

Маховики также были предложены для использования в бесступенчатых трансмиссиях . Punch Powertrain в настоящее время работает над таким устройством.

В 1990-х годах компания Rosen Motors разработала автомобильную трансмиссию с газотурбинным приводом серийную гибридную , в которой использовался маховик со скоростью 55 000 об / мин, обеспечивающий резкое ускорение, которое не мог обеспечить небольшой газотурбинный двигатель. Маховик также накапливал энергию посредством рекуперативного торможения . Маховик состоял из титановой ступицы с цилиндром из углеродного волокна и был установлен на карданном подвесе, чтобы минимизировать неблагоприятное гироскопическое воздействие на управляемость автомобиля. Прототип автомобиля успешно прошел дорожные испытания в 1997 году, но серийно не производился.

В 2013 году Volvo анонсировала систему маховика, установленную на задней оси своего седана S60. Торможение раскручивает маховик со скоростью до 60 000 об/мин и останавливает расположенный спереди двигатель. Энергия маховика передается через специальную трансмиссию для частичного или полного привода автомобиля в движение. 20-сантиметровый (7,9 дюйма) и 6-килограммовый (13 фунтов) маховик из углеродного волокна вращается в вакууме, чтобы устранить трение. В сочетании с четырехцилиндровым двигателем он обеспечивает снижение расхода топлива до 25 процентов по сравнению с шестицилиндровым двигателем с турбонаддувом, обеспечивающим наддув на 80 лошадиных сил (60 кВт) и позволяющим ему развивать скорость до 100 километров в час (62 мили в час). ) за 5,5 секунд. Компания не объявила о конкретных планах по включению этой технологии в свою линейку продуктов.

В июле 2014 года GKN приобрела подразделение Williams Hybrid Power (WHP) и намерена в течение следующих двух лет поставить 500 из углеродного волокна операторам городских автобусов. Gyrodrive электрических маховиков Как следует из прежнего названия разработчика, они изначально были разработаны для Формулы-1 автогонок . В сентябре 2014 года компания Oxford Bus Company объявила, что представляет 14 гибридных автобусов Gyrodrive производства Александра Денниса для своей эксплуатации Brookes Bus.

Железнодорожный транспорт

Системы маховика использовались экспериментально в небольших электровозах для маневрирования или переключения , например, в гироскопическом локомотиве Sentinel-Oerlikon . Более крупные электровозы, например British Rail Class 70 , иногда оснащались ускорителями маховика, чтобы преодолевать зазоры в третьем рельсе . Усовершенствованные маховики, такие как блок мощностью 133 кВтч, установленный Техасским университетом в Остине , могут разогнать поезд с места до крейсерской скорости.

Parry People Mover — это железнодорожный вагон , приводимый в движение маховиком. Он тестировался по воскресеньям в течение 12 месяцев на ветке Стоурбридж-Таун в Уэст-Мидлендс , Англия, в 2006 и 2007 годах, и предполагалось, что железнодорожный оператор Лондон-Мидленд введет его в качестве полной услуги в декабре 2008 года после того, как будут заказаны две единицы. В январе 2010 года оба агрегата введены в эксплуатацию.

Электрификация железных дорог

FES можно использовать на периферии электрифицированных железных дорог, чтобы регулировать напряжение в сети, улучшая тем самым ускорение немодифицированных электропоездов и количество энергии, возвращаемой обратно на линию во время рекуперативного торможения , тем самым снижая счета за электроэнергию. Суды проходили в Лондоне, Нью-Йорке, Лионе и Токио. а New York MTA компания Long Island Rail Road в настоящее время инвестирует 5,2 миллиона долларов в пилотный проект на ветке LIRR в Вест-Хемпстед . Эти испытания и системы хранят кинетическую энергию в роторах, состоящих из композитного цилиндра из углеродного стекла, наполненного порошком неодима-железа-бора, который образует постоянный магнит. Они вращаются со скоростью до 37 800 об/мин, и каждый блок мощностью 100 кВт (130 л.с.) может хранить 11 мегаджоулей (3,1 кВтч) повторно используемой энергии, что примерно достаточно для ускорения веса в 200 метрических тонн (220 коротких тонн; 197 длинных тонн). от нуля до 38 км/ч (24 миль в час).

Источники бесперебойного питания

Системы накопления энергии на маховике, выпускаемые с 2001 г. имели емкость хранения, сравнимую с батареями, и более высокую скорость разряда. Они в основном используются для выравнивания нагрузки на большие аккумуляторные системы, например, источники бесперебойного питания для центров обработки данных, поскольку они экономят значительное количество места по сравнению с аккумуляторными системами.

Техническое обслуживание маховика в целом обходится примерно в половину стоимости традиционных систем ИБП с аккумулятором. Единственное техническое обслуживание — это базовое ежегодное профилактическое обслуживание и замена подшипников каждые пять-десять лет, что занимает около четырех часов. Новые системы маховиков полностью поднимают вращающуюся массу с помощью необслуживаемых магнитных подшипников , что исключает необходимость технического обслуживания и поломок механических подшипников.

Стоимость полностью установленного ИБП с маховиком (включая регулирование мощности) составляла (в 2009 году) около 330 долларов за киловатт (при полной нагрузке в течение 15 секунд).

Испытательные лаборатории

Давно сложившейся нишей на рынке энергосистем с маховиком являются предприятия, где автоматические выключатели испытываются и аналогичные устройства: даже небольшой бытовой автоматический выключатель может быть рассчитан на прерывание тока в 10 000 или более ампер, а более крупные устройства могут иметь отключающий ток 100 000 или более. 1 000 000 ампер. Огромные переходные нагрузки, создаваемые намеренным принуждением таких устройств демонстрировать свою способность прерывать моделируемые короткие замыкания, окажут неприемлемое воздействие на местную сеть, если эти испытания будут проводиться непосредственно от источника питания здания. Обычно такая лаборатория имеет несколько больших мотор-генераторных установок, которые можно раскрутить до нужной скорости за несколько минут; затем двигатель отключается перед проверкой автоматического выключателя.

Физические лаборатории

Эксперименты по термоядерному синтезу в токамаке требуют очень высоких токов в течение коротких промежутков времени (в основном для питания больших электромагнитов в течение нескольких секунд).

• JET ( Joint European Torus ) имеет два маховика массой 775 т (854 коротких тонны; 763 длинных тонны) (установлены в 1981 году), которые вращаются до 225 об/мин. Каждый маховик хранит 3,75 ГДж и может развивать мощность до 400 МВт (540 000 л.с.).
• В эксперименте со спиральной симметрией в Университете Висконсин-Мэдисон используются 18 однотонных маховиков, которые раскручиваются до 10 000 об/мин с помощью перепрофилированных двигателей электропоездов.
• ASDEX Upgrade имеет 3 генератора-маховика.
• DIII-D (токамак) в General Atomics
• Принстонский большой тор (PLT) в Принстонской лаборатории физики плазмы

Также не токамак: синхротрон Нимрода в лаборатории Резерфорда Эпплтона имел два 30-тонных маховика.

Пусковые системы для самолетов

Авианосец «Джеральд Р. Форд» класса будет использовать маховики для накопления энергии от электропитания корабля для ее быстрого выброса в электромагнитную систему запуска самолетов . Корабельная энергосистема не может сама по себе обеспечить переходные процессы высокой 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. Плотность энергии маховика составляет 28 кДж/кг (8 Вт·ч/кг); с учетом статоров и корпусов это значение составляет 18,1 кДж/кг (5 Вт·ч/кг), без учета моментной рамы.

Маховик NASA G2 для хранения энергии космических кораблей

Этот проект финансировался Исследовательским центром Гленна НАСА и предназначался для тестирования компонентов в лабораторных условиях. Он использовал обод из углеродного волокна с титановой ступицей, рассчитанной на вращение со скоростью 60 000 об / мин и установленной на магнитных подшипниках. Вес был ограничен 250 фунтами (110 килограммами). Емкость накопителя составляла 525 Втч (1,89 МДж), и его можно было заряжать или разряжать при мощности 1 кВт (1,3 л.с.), что приводило к удельной энергии 5,31 Вт⋅ч/кг и плотности мощности 10,11 Вт/кг. Рабочая модель, показанная на фотографии вверху страницы, 2 сентября 2004 года работала со скоростью 41 000 об/мин.

Аттракционы

Американские горки «Месть Монтезумы» на ферме Ноттс-Берри-Фарм были первыми в мире американскими горками, запускаемыми с помощью маховика, и последним аттракционом такого типа, который все еще работает в Соединенных Штатах. В аттракционе используется маховик массой 7,6 тонны, который разгоняет поезд до 55 миль в час (89 км/ч) за 4,5 секунды.

на Американские горки «Невероятный Халк» островах приключений Universal отличаются быстро ускоряющимся подъемом в гору, а не типичным падением под действием силы тяжести. Это достигается за счет мощных тяговых двигателей , которые подбрасывают машину по трассе. Чтобы достичь кратковременного очень высокого тока, необходимого для разгона поезда с каботажным судном до полной скорости в гору, в парке используются несколько мотор-генераторов с большими маховиками. Без этих энергоблоков парку пришлось бы инвестировать в новую подстанцию ​​или рисковать обесточиванием местной энергосистемы каждый раз, когда аттракцион запускается.

Импульсная мощность

Системы хранения энергии с маховиком (FESS) используются в самых разных приложениях: от управления электроэнергией, подключенной к сети, до источников бесперебойного питания. С развитием технологий применение FESS быстро обновляется. Примеры включают оружие большой мощности, силовые агрегаты самолетов и корабельные энергосистемы, где система требует очень высокой мощности в течение короткого периода времени, порядка нескольких секунд и даже миллисекунд.Компенсированный импульсный генератор переменного тока (компульсатор) является одним 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, который обычно предназначен для ФЭСС. Компульсаторы (генераторы переменного тока с низкой индуктивностью) действуют как конденсаторы. Их можно раскручивать, чтобы обеспечить импульсную мощность для рельсотронов и лазеров. Вместо отдельного маховика и генератора энергию накапливает только большой ротор генератора. См. также Униполярный генератор .

Мотоспорт

Основная статья: Система рекуперации кинетической энергии

Система рекуперации кинетической энергии Flybrid Systems, созданная для использования в Формуле-1.

При использовании бесступенчатой ​​трансмиссии (CVT) энергия рекуперируется из трансмиссии во время торможения и сохраняется в маховике. Эта накопленная энергия затем используется во время ускорения путем изменения передаточного числа вариатора. В автоспорте эта энергия используется для улучшения ускорения, а не для снижения выбросов углекислого газа, хотя ту же самую технологию можно применить и к дорожным автомобилям для повышения топливной эффективности .

Автомобильный клуб de l'Ouest , организатор ежегодных соревнований «24 часа Ле-Мана» и серии Ле-Ман , в настоящее время «изучает конкретные правила для LMP1 , который будет оснащен системой рекуперации кинетической энергии».

Williams Hybrid Power, дочерняя компания команды Williams F1 Racing, поставили Porsche и Audi гибридную систему на базе маховика для Porsche 911 GT3 R Hybrid. и Audi R18 e-Tron Quattro. Победа Audi в гонке «24 часа Ле-Мана» 2012 года стала первой для гибридного (дизель-электрического) автомобиля.

Сетевое хранилище энергии

Основные статьи: Система хранения энергии с маховиком и сетевое хранилище энергии.

Маховики иногда используются в качестве краткосрочных вращающийся резерв сети для мгновенного регулирования частоты и балансировки внезапных изменений между поставками и потреблением. Отсутствие выбросов углекислого газа, более быстрое время реагирования и возможность покупать электроэнергию в непиковые часы — вот преимущества использования маховиков вместо традиционных источников энергии, таких как турбины, работающие на природном газе. Работа очень похожа на аккумуляторы того же применения, их различия в первую очередь экономические.

Beacon Power открыла электростанцию ​​мощностью 5 МВтч (20 МВт за 15 минут) Завод по хранению энергии с маховиком в Стивентауне, Нью-Йорк, 2011 г. используя 200 маховиков и аналогичная система мощностью 20 МВт в Хейзл-Тауншип, штат Пенсильвания, в 2014 году.

A 0,5 МВтч (2 МВт на 15 мин) Склад маховиков в Минто , Онтарио, Канада , открылся в 2014 году. В системе маховиков (разработанной NRStor ) используются 10 вращающихся стальных маховиков на магнитных подшипниках.

Янтарная кинетика, Inc. имеет соглашение с Pacific Gas and Electric (PG&E) на маховиковое хранилище энергии мощностью 20 МВт / 80 МВтч, расположенное во Фресно, Калифорния, с четырехчасовой продолжительностью разрядки.

Ветровые турбины

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

В 2010 году компания Beacon Power начала тестирование своей системы хранения энергии с маховиком Smart Energy 25 (Gen 4) на ветряной электростанции в Техачапи, Калифорния . Система была частью демонстрационного проекта ветроэнергетики и маховика, реализуемого для Калифорнийской энергетической комиссии.

Игрушки

Фрикционные двигатели, используемые для привода многих игрушечных машинок , грузовиков, поездов, игрушек и т. д., представляют собой простые двигатели с маховиком.

Переключить нажатие на действие

В промышленности коленно-рычажные прессы по-прежнему популярны. Обычная конструкция включает в себя очень прочный коленчатый вал и прочный шатун, приводящий в движение пресс. Большие и тяжелые маховики приводятся в движение электродвигателями, но маховики поворачивают коленчатый вал только при включении сцепления.

Помимо хранения энергии

Для управления ориентацией можно использовать маховики. Также проводятся исследования по управлению движением. в основном для стабилизации систем с использованием гироскопического эффекта.

Сравнение с электрическими батареями

На маховики не так негативно влияют изменения температуры, они могут работать в гораздо более широком диапазоне температур и не подвержены многим типичным отказам химических аккумуляторных батарей . Они также менее потенциально вредны для окружающей среды, поскольку в основном сделаны из инертных или безвредных материалов. Еще одним преимуществом маховиков является то, что путем простого измерения скорости вращения можно узнать точное количество запасенной энергии.

В отличие от большинства батарей, которые работают только в течение ограниченного периода времени. (например, примерно 10 лет в случае литий-железо-фосфатных батарей ), маховик потенциально имеет неопределенный срок службы. Маховики, построенные в составе Джеймса Уатта паровых машин , непрерывно работают уже более двухсот лет. Рабочие образцы древних маховиков, используемых в основном в фрезеровании и гончарном деле, можно найти во многих местах Африки, Азии и Европы.

Большинство современных маховиков, как правило, представляют собой герметичные устройства, требующие минимального обслуживания на протяжении всего срока службы. Маховики с магнитными подшипниками в вакуумных камерах, такие как модель NASA, изображенная выше, не требуют никакого обслуживания подшипников и, следовательно, превосходят батареи как с точки зрения общего срока службы, так и с точки зрения энергоемкости, поскольку их эффективный срок службы до сих пор неизвестен. Системы маховиков с механическими подшипниками имеют ограниченный срок службы из-за износа.

Высокопроизводительные маховики могут взорваться, убивая прохожих осколками на высокой скорости. Чтобы снизить этот риск, маховики можно установить под землей. Хотя батареи могут загореться и выделить токсины, у прохожих обычно есть время сбежать и избежать травм.

Физическое расположение батарей может быть спроектировано таким образом, чтобы соответствовать самым разнообразным конфигурациям, тогда как маховик должен занимать как минимум определенную площадь и объем, поскольку запасаемая им энергия пропорциональна инерции его вращения и квадрату его скорости вращения. По мере того как маховик становится меньше, его масса также уменьшается, поэтому скорость должна увеличиваться, а нагрузка на материалы увеличивается. Там, где размеры являются ограничением (например, под шасси поезда), маховик может оказаться нежизнеспособным решением.

См. также

• Международная база данных по хранению энергии Министерства энергетики США
• Хранение энергии
• Список энергетических тем
• «Бикон Пауэр» Компания
• Компенсированный импульсный генератор
• Электрический двухслойный конденсатор
• Инвертор
• Сетевое хранилище энергии
• Запустить цикл
• Список проектов по хранению энергии
• Подключаемый гибридный электромобиль
• Аккумуляторная батарея
• Регенеративный тормоз
• Энергия вращения
• СТАТКОМ

Дальнейшее чтение

• Beacon Power подает заявку на получение гранта Министерства энергетики для финансирования до 50% двух электростанций по хранению энергии мощностью 20 МВт, 1 сентября 2009 г. [1]
• Шихен, Т., П. (1994). Введение в высокотемпературную сверхпроводимость . Нью-Йорк: Пленум Пресс. стр. 76–78 , 425–431. ISBN  978-0-306-44793-8 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
• Эль-Вакиль, М., М. (1984). Технология силовой установки . МакГроу-Хилл. стр. 685–689 . ISBN  9780070192881 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
• Кошизука, Н.; Исикава, Ф.; Насу, Х.; Мураками, М.; и др. (2003). «Прогресс в области технологий сверхпроводящих подшипников для систем накопления энергии маховика». Физика С. 386 (386): 444–450. Бибкод : 2003PhyC..386..444K . дои : 10.1016/S0921-4534(02)02206-2 .
• Вольский, А., М. (2002). «Состояние и перспективы маховиков и МСП на базе ВТС». Физика С. 372 (372–376): 1495–1499. Бибкод : 2002PhyC..372.1495W . дои : 10.1016/S0921-4534(02)01057-2 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
• Сун, TH; Хан, Южная Каролина; Хан, Ю.Х.; Ли, Дж. С.; и др. (2002). «Проектирование и анализ систем накопления энергии маховика с использованием подшипников из высокотемпературного сверхпроводника». Криогеника . 42 (6–7): 357–362. Бибкод : 2002Крио...42..357С . дои : 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 предприятий» (PDF) . Национальные лаборатории Сандии. Архивировано из оригинала (PDF) 21 июня 2007 г.
• Ларбалестьер, Дэвид; Блаугер, Ричард Д.; Швалль, Роберт Э.; Соколовский, Роберт С.; и др. (сентябрь 1997 г.). «Маховики» . Энергетические применения сверхпроводимости в Японии и Германии . Всемирный центр оценки технологий.
• «Новый взгляд на старую идею: электромеханическая батарея» (PDF) . Обзор науки и технологий : 12–19. Апрель 1996 г. Архивировано из оригинала (PDF) 5 апреля 2008 г. Проверено 21 июля 2006 г.
• Янсе ван Ренсбург, PJ (декабрь 2011 г.). Накопление энергии в композитных роторах-маховиках (Диссертация). Университет Стелленбоша, Южная Африка. hdl : 10019.1/17864 .
• Девитт, Дрю (март 2010 г.). «Обоснование маховика для хранения энергии» . Журнал Renewable Energy World, Северная Америка.
• Ли, X., и Палаццоло, А. (2022). Обзор маховиковых систем хранения энергии: современное состояние и возможности. Журнал хранения энергии , 46 , 103576. https://doi.org/10.1016/j.est.2021.103576.

Внешние ссылки

• Федеральное технологическое предупреждение, накопитель энергии на маховике
• Технический документ Magnetal по системе хранения зеленой энергии – GESS
• Магнитный анализ гироскопических сил, вызванных накопителем энергии маховика