Маховичный накопитель энергии очень соблазнительно использовать на транспорте. Это логично обосновал советский и российский учёный и изобретатель Нурбей Гулиа в своей книге “В поисках «энергетической капсулы»” (1984) и других публикациях, а также доказал рядом опытов в этой сфере.
Особенно заметно работы по таким накопителям продвинулись после изобретения профессором Гулиа супермаховика (1964 год). Это маховик, полученный путём намотки множества слоёв из гибких и прочных материалов: стальной ленты или проволоки, стекло- или углеволокна. Он обладает высокой прочностью, что позволяет сильнее его раскручивать и запасать больше энергии на единицу массы.
А также он безопаснее, чем маховик, сделанный из сплошного материала. При обрыве ленты или волокна освободившийся конец начинает тормозить за счёт трения о корпус накопителя, тогда как сплошной маховик при разрушении разлетается крупными кусками, как шрапнель. Самые передовые версии супермаховиков, на основе углеродных материалов, по удельной ёмкости могут спорить с литиево-ионными батареями. Но мы забежали вперёд.
Вообще идея маховичного накопителя на транспортном средстве — очень давняя. Достаточно вспомнить “самокатку” Ивана Кулибина (1791 год). Этот аппарат приводился в движение мускульной силой водителя (по сути это был веломобиль), но для повышения плавности хода и преодоления подъёмов под сиденьем пассажиров располагалось маховое колесо. Будучи разогнано заранее, оно помогало “вознице” при движении в гору.
С примитивным вариантом маховичного двигателя многие сталкивались в детстве. Помните инерционные игрушки? Но там маховик и колёса связаны через простую пару шестерён и зависимость скорости маховика и колёс — прямая. Раскрутили за счёт движения машинки вперёд, отпустили — она проедет несколько метров за счёт инерции маленького маховика.
В реальном транспорте зависимость нужна обратная: маховик замедляется — транспорт набирает ход или на торможении — машина замедляется, а маховик за счёт этого раскручивается. Тут выхода два: или механический вариатор (любого подходящего типа, с лентами, ремнём, цепью, торами и так далее) или электрическая трансмиссия, при которой колёса и маховик механически не связаны. Тут у маховика имеется мотор-генератор, а колёса приводятся в движение от своего электродвигателя.
Именно такой вариант установки применялся в первом практическом маховичном автотранспорте — гиробусах. (Имеем в виду именно автомобили, так как в начале XX века были известны маховичные внутризаводские тележки и маховичные локомотивы). Гиробус (Gyrobus) разработала швейцарская фирма Oerlikon в 1945 году, а их серийный выпуск начался в 1953-м. На линиях в нескольких странах такие автобусы проработали двадцать лет.
Заряжался гиробус на конечных станциях и некоторых промежуточных остановках от трёхфазной электрической сети — поднимал “рога” на крыше. Электромотор раскручивал маховик до 3000 об/мин. Сам маховик, стальной кованый, весил примерно 1,5 тонны (!) и в диаметре насчитывал полтора метра. Он накапливал примерно 9 кВт-ч, которые, однако никогда не использовались полностью.
Далее мотор маховика становился генератором и питал тяговый двигатель на ведущей оси. При торможении следовала рекуперация, так что маховик набирал обороты не только при внешней зарядке. Номинальный запас хода гиробуса составлял 5-6 км (при этом маховик терял половину оборотов), но в некоторых случаях машина проезжала и 10 км, хотя уже с большим трудом.
Зарядка гиробуса занимала от 30 секунд до трёх минут, что сочли всё же долгим временем. Ещё один минус — расход энергии на километр пути был выше, чем, например, у трамвая. Хотя в сравнении с автобусом, оснащённым ДВС, гиробус был существенно экономичнее (если считать по теплотворной способности топлива). Сетовали водители и на гироскопический эффект, из-за которого усложнялось управление машиной, и который также приводил к высокой нагрузке на подшипники маховика и высокому их износу.
Различные опыты с маховичным транспортом в пятидесятые и шестидесятые не привели ни к какой революции. Но по мере появления новых материалов и технологий про маховики-накопители вспомнили в автоспорте и в деле создания концептов. Почему материалы так важны? Энергия, запасённая в маховике, зависит от его момента инерции и от угловой скорости (читай — оборотов).
Момент инерции определяется массой, размерами и геометрией (как именно распределена масса, какой формы маховик). Увеличивать размер очень неудобно, массу тоже желательно иметь поменьше — всё же речь про автомобиль. Ту же лишнюю массу вы разгоняете в горизонтальном направлении. А вот от оборотов энергия маховика зависит в квадрате, что очень выгодно. Если бы не одно но — колоссальная скорость на ободе, соответственно, огромное центростремительное ускорение. Тут и нужны материалы, чтобы выдержать высокие перегрузки. Так что далее — своего рода рейтинг по оборотам.
Porsche 918 RSR (2011 год). Опытный гибрид, идейный преемник ранее испытанного 911 (997) GT3 R Hybrid (2010 год). Особенность обоих — маховичный накопитель кинетической энергии KERS, разработанный Williams, взамен общепринятых для гибридов литиево-ионных батарей.
Как и в гиробусах, маховичный накопитель в Porsche был связан с остальной системой чисто электрически. На торможении энергия от моторов направлялась на мотор-генератор маховика, а при разгоне маховик становился генератором, выдавая ток для двух электромоторов передней оси. В частности, в 918 RSR водитель мог нажатием кнопки получить от маховика-генератора 150 кВт в течение восьми секунд. Это соответствует запасу энергии в 0,333 кВт-часа, неплохо для компактного устройства. Хотя тут намного интереснее именно отдаваемая мощность. Суммарная же мощность гибрида 918 RSR достигала 767 “лошадок”.
Итак обороты. У маховика-накопителя спорткара GT3 R Hybrid они достигали 40 000 об/мин, а у 918 RSR — 36 000 об/мин. Это практически используемая, штатная величина. Некоторые источники говорят, что те маховики можно было разгонять и до 50 000 об/мин, хотя уже с опаской. Можно грубо оценить скорость обода маховика в последнем случае как 1 км/с (три скорости звука). Маховик сделан из углеволокна, а также в нём есть слой композита с неким магнитным материалом, чтобы играть роль ротора мотор-генератора. Конечно, всё помещено в вакуумированный кожух.
Похожую систему от Williams Hybrid Power, первоначально спроектированную для болидов Формулы-1, немцы применили в спорткаре класса Le Mans Prototype (LMP) Audi R18 e-tron quattro, представленном в 2012 году. Заднюю ось этого гибрида приводил 510-сильный дизель V6 3.7, а вот спереди стояли два электромотора с общей отдачей в 148 кВт. Энергия для них собиралась в миниатюрном маховичном накопителе, установленном на полу рядом с пилотом.
Этот композитный маховик раскручивался до 45 000 об/мин и на фазе разгона болида мог за несколько секунд отправить на передние колёса 500 килоджоулей энергии (0,139 кВт-ч). Объём энергии от KERS, передаваемый за одно ускорение, в промежутках между фазами торможения, был ограничен техническим регламентом.
В 1990-х годах компания Rosen Motors разработала гибридную систему с небольшим газотурбинным двигателем и накопителем энергии на основе маховика, который раскручивался до 55 000 оборотов в минуту. Маховик был скрыт в вакуумированном корпусе и состоял из титановой ступицы с цилиндром из углеродного волокна. Он был установлен на карданном подвесе, чтобы свести к минимуму неблагоприятное гироскопическое воздействие на управляемость автомобиля. Прототип автомобиля прошёл дорожные испытания в 1997 году, на чём всё и закончилось.
Chrysler Patriot Concept (1993 год). Этот гибрид был построен Reynard Motorsport и SatCon Technology Corporation, а разрабатывали его инженеры Крайслера. Прототип был оснащён газовой турбиной, вращающий генератор. Турбина питалась сжиженным природным газом и раскручивалась до 100 000 об\мин. Энергия торможения накапливалась в композитном маховике, смонтированном в вакуумированной камере, который весил 66,6 кг и раскручивался до 58 000 об/мин. Ну а привод был смешанный — от тягового электромотора и двигателя V4.
Volvo S60 T5 Flybrid KERS (2012-2014). Эксперимент шведов совместно с компанией Flybrid Automotive (она проектировала маховичную систему рекуперации для Формулы-1, но там после ряда опытов прижились электрические системы). На основе S60 партнёры построили гибрид, у которого вместо тяговой батареи — супермаховик. Интересно, что он был соединён с задней осью, тогда как на долю ДВС остался привод передних колёс.
Примечательно, что у Volvo система рекуперации была полностью механической. Маховик соединялся с задним дифференциалом через вариатор Torotrack. За восемь секунд торможения с высокой скорости тот разгонял маховик до 60 000 оборотов в минуту, при этом запасалось 0,15 кВт-ч энергии. Кажется немного, но учитывая малое время “заряда” и “разряда” маховичного накопителя, это отличный импульс для последующего разгона.
На разгоне машины маховик в течение нескольких секунд выдавал на заднюю ось мощность до 80 л.с., это позволило сократить время ускорения с нуля до ста до 6,07 с, против 7,68 с с выключенным “керсом”, когда трудился лишь ДВС (258 “лошадок”). Но главное, средний расход топлива упал на 25%.
Чуть ранее (в 2010 году) практически такую же установку испытывала компания Jaguar. Это был совместный проект с уже упомянутой Flybrid Systems, а также компаниями Torotrak, Xtrak, Prodrive и Ricardo. Тут аналогично — механическая система рекуперации, установленная на задней оси седана Jaguar XF, содержала композитный маховик и трансмиссию с бесступенчатым вариатором, благодаря которой маховик мог раскручиваться до 60 000 об/мин.
При ускорении автомобиля маховик на несколько секунд выдавал на заднюю ось 60 кВт мощности (около 82 сил). Систему назвали FHSPV (flywheel hybrid system for premium vehicles). Основные её бонусы — улучшение динамики, снижение расхода топлива (Jaguar рапортовала о 20% экономии) и относительная дешевизна, а также низкий вес.
В Формуле-1 механические системы рекуперации кинетической энергии KERS от разных разработчиков тестировались в 2008-2009 гг. Но, мы уже упоминали, в итоге все команды перешли на электрические версии “керса” (с литиево-ионными батареями или суперконденсаторами). Между тем, в опытных накопителях достигались интересные параметры. Так система от Flybrid весила всего 24 кг при объёме 13 л. В ней использовался углеволоконный маховик на стальной ступице, заключённый в вакуумированный кожух. Диаметр маховика равнялся 240 мм, а вес — 5 кг. С трансмиссией болида он соединялся через вариатор.
Раскручивался маховик от Flybrid до 64 500 об/мин. А на фазе ускорения болида мог в течение примерно семи секунд выдать мощность в 60 кВт (что соответствует запасённой и переданной энергии в 0,111 кВт-ч). Собственно запас энергии регламентировался правилами и были основания нарастить его в последующем в разы. К слову, по некоторым источникам, маховики в подобных установках могли раскручиваться и до 80 000 об/мин.
Между тем в начале 2010-х Flybrid придумала второе поколение своей системы рекуперации. Вместо вариатора появился набор шестерён и высокоскоростные сцепления. Такая установка была названа Clutched Flywheel Transmission (CFT KERS). При той же мощности (60 кВт номинал и 100 кВт — пиковая), и той же запасаемой энергии в 0,111 кВт-часа новая система весила всего 18 кг, а не 24 кг как прежде.
Накопитель CFT KERS присоединялся к основной трансмиссии гоночного автомобиля таким образом, что получалась 21 фиксированная передача между маховиком и колёсами (три передачи были в установке CFT и семь — в самой машине, что давало комбинацию в 21). Это позволяло оптимально использовать раскрученный маховик для ускорения машины в разных частях трассы.
В автоспорте механические системы рекуперации не получили должного развития. В общественном транспорте тоже, хотя попыток было несколько. Так своего рода переосмысление гиробуса на новый лад показали английские инженеры в 2011-м. Совместный проект Flybus фирм Optare, Allison Transmission и Ricardo предусматривал установку на британский автобус Optare Solo механической маховичной системы рекуперации Ricardo Kinergy.
Система была подобна формульной: очень небольшой, но быстрый маховик, плюс вариатор тороидального типа от компании Torotrak. Система была подсоединена к “автомату” Allison, располагаясь между дизелем и ведущей осью. За одно торможение маховик мог накопить 0,111 кВт-ч, а при последующем ускорении автобуса на несколько секунд добавить к мощности ДВС свои 82 “лошадки”. Говорят, что систему можно было масштабировать до 0,28 кВт-ч хранимой энергии и 110 кВт пиковой мощности.
По оценке разработчиков, такой рекуператор должен был экономить 20% горючего, но испытания реально построенного “флайбаса” показали что расход снизился всего на 8%, хотя и это немало.
Из не автомобильного мира стоит добавить британскую же компанию Parry People Movers, которая в двухтысячных годах построила несколько экземпляров маховичных трамваев и пассажирских самоходных вагонов. Их даже испытывали и применяли в опытной эксплутатации.
Маховик у них был, вопреки времени, очень простой: диск из стали в несколько слоёв с диаметром около одного метра и весом в 500 кг. Рабочая скорость вращения тоже скромная — 2500 об/мин. Маховик располагался под салоном горизонтально и соединялся с ведущими колёсами при помощи переменной гидростатической трансмиссии (гидронасос и гидромотор). Трансмиссия могла передавать мощность в обе стороны: на торможении раскручивать маховик, а при ускорениях — раскручивать колёса от маховика.
Конечно, маховик нужны было как-то раскрутить с самого начала. Для этого задумывались либо электромотор небольшой мощности, подключённый к контактной сети, либо маленький ДВС (на пропане или дизельном горючем). Вариант с электромотором можно было использовать примерно также, как гиробусы — без контактной сети. Достаточно было на каждой станции поставить контакты для быстрой подзарядки маховика, которой бы хватало на бросок с следующей остановке. На практике всё же применяли небольшие ДВС.
Почему всё же маховики не вытеснили тяговые аккумуляторы в автомобилях? Причин, пожалуй, несколько. Маховик прекрасно справляется с режимом работы “торможение-разгон-торможение”, как система рекуперации (вот автобусы в режиме от остановки до остановки, с небольшой подпиткой на каждой — идеальный случай). Или, в стационарном варианте, это хороший буфер энергии для регулирования частоты тока в энергосетях, мгновенной реакции на пики потребления (она быстрее, чем с другими системами).
Однако, долго хранить энергию в маховике — не получится. Даже в вакуумированном кожухе и с хорошим подвесом (в том числе и магнитным) маховик потеряет львиную долю своей энергии за несколько дней, в лучшем случае недели за полторы, или вообще остановится. А литиево-ионный аккумулятор будет терять на саморазряде по два-три процента за месяц. Ну по четыре может быть. “Зарядить” маховичную машину, оставить её на стоянке и придя через две недели обнаружить, что она “села” — такое себе удовольствие.
Второй момент — затраты. В 1960-х маховик, сделанный из стальной ленты или проволоки, или из стекловолокна, являл собой довольно дешёвую альтернативу хорошему аккумулятору. Но с тех пор удельная ёмкость батарей выросла существенно, а себестоимость, например, серийных литиево-ионных ячеек за последние двадцать лет упала в разы. Лучшие же маховики — это углепластик — не самое дешёвое удовольствие.
И всё же сообщения о новых маховичных накопителях в той или иной области поступают время от времени, а значит, изобретатели не теряют надежду сделать подобные системы более массовыми.
Из всех зол самое большее для чипмейкера отсутствие электричества требуемого качества и достаточного количества. В среднем потребление 10 квт/часов в день состоит из пиков когда запускаются электродвигатели, работает сварка и другие потребители и пауз, когда мгновенное потребление только на освещение, вентиляцию ну и ещё на кой-какие мелкие потребы чипмейкера. Если сеть хорошая, 3 фазы в наличии и лампочки у соседей не мигают тогда беспокоиться не о чем. А если нет…вот если нет тогда есть такое решение- накапливать энергию 16 часов понемногу, допустим по 3 квт/час и расходовать за 2-3 часа когда потребление мгновенное достигает 20-30 кВт. Какие схемы могут обеспечить такую мощность…:
1. Аккумуляторы+инвертор…дорого, ресур акумов небольшой (хотя в стационарном режиме гораздо больше). КПД преобразования точно не скажу, зависит от комплектующих, но около 60%. Хотя выделяемая мощность мгновенная довольно большая может быть.
2. Гидроаккумулятор типа водонапорной башни или пруда, закачка воды в нерабочее время и расходование в рабочее…башня надо ого-го и пруд тоже, КПД к 90% но ещё дороже чем п.1 и МЧС настучит по ж_опе. Мгновенная мощность огромна в сравнении с п.1, но тут у нас не экватор, и морозы бывают.
3. Пневмоаккумулятор высокого давления…тема тут рассматривалась, КПД никакой, оборудование не дешевле чем в пп.1 и 2. Мгновенная мощность так себе, а опасность бабаха мастерской с содержащимся в ней чипмейкером высокая.
4. Нагрев солей до плавления+паровой двигатель…тут можно подумать, соли имеют довольно высокую теплоёмкость, а паровой двигатель высокую удельную мощность, но габариты и стоимость комплекта пугают. К тому-же иметь около себя агрессивный расплав с температурой 600 гр как-то не в кайф, но попутно решается проблема с отоплением и КПД около дела с такой мини-ТЭЦ, где то 90% надеюсь.
5. Дизель/бензин/газ-генератор…к аккумуляторам не отнести, но доступно, удобно, относительно дёшево плюс КПД в режиме мини-ТЭЦ тоже стремится к 80% если не ошибаюсь.
6. Аккумулятор на основе супермаховика-этот рассмотрим подробнее.
Идея такая-в течении 16 часов небольшой мотор-генератор раскручивает супермаховик и к моменту прихода чипмейкера в мастерню он накапливает существенную энергию, а как известно маховик может отдать мгновенную мощность сравнимую со взрывом…но взрыв нам не нужен, люди мы мирные и когда нас не трогают мы тоже никого не трогаем :rolleyes:.
Итак- чипмейкер включает свой любимый 16К20, реле щёлкнули и мотор-генератор отбирает энергию от маховика и, если принять в расчёт мощь супермаховика, мотор кашки запускается в обычном порядке, да что там…цех кашек запустит лишь бы геныч не задымил. Пик пройден и теперь наш маховичный аккумулятор работает в режиме заряда, потребляя небольшую мощность, но, весело пощёлкивая релюшками, всегда готов выложится в случае просадки сети. Случай со сваркой полностью индентичен.
Супермаховик не так сложен как кажется, если не гонятся за высочайшей удельной мощностью на грани прочности материала это будет диск из дураля и предварительно напряжённый обод из проволоки, намотаной в нагретом состоянии. Проволока остынет и это буде преднапряжение обода, в случае разрыва обода проволока распуститься на витки, станет тормозить маховик о кожух и проволочинки не смогут его пробить в сравнении с осколками маховика обычного…ну да это всё в литературе о супермаховиках есть. Аккумулятор установлен стационарно, так что гироскопический эффект чипмейкера нисколько не колышет, не будет же он его ворочать в работающем состоянии.
Мне кажется что это самый эффективный способ накопления энергии чипмейкером, и в качестве бонуса ещё преобразование 1Ф в 3Ф.
Если позволите каплю эмоций, я не перестаю удивляться, какие страсти разгораются каждый раз, когда разговор в этой колонке заходит о «чистой энергии». Накал прошлонедельной дискуссии об эффективности солнечных батарей (см. «Домашняя энергонезависимость») оказался таким, что, посмотрев со стороны, можно подумать, будто обсуждают большую политику или как минимум сравнивают операционные системы! И лично для меня это лучшее доказательство того, что тема только кажется отработанной и устоявшейся, а на самом деле даже по элементарным вроде бы вопросам (вроде практической пригодности солнечных батарей в облачную погоду) существуют диаметрально противоположные точки зрения. Так что если у вас есть чем крыть, есть цифры, а тем более личный опыт, очень прошу поучаствовать в новой дискуссии. Потому что сегодня я рискну продолжить начатый в две прошедших недели разговор. Ведь энергию Солнца или ветра мало получить, её мало распределить по потребителям, её ещё жизненно важно научиться накапливать!
В самом деле, что проку от той же трёхкиловаттной икеевской солнечной электростанции, занимающей крышу частного дома, если она, способная с избытком удовлетворить потребности целого домохозяйства, работает только в светлое время суток? Идеально было бы накапливать остающийся во время генерации излишек («скушать» три киловатта — не шутка, мало какой бытовой прибор поглощает даже киловатт, и работают такие приборы, как правило, недолго: проточный нагреватель воды, духовка… У меня, правда, греет дом полуторакиловаттный биткойновый риг, но это редкость, согласитесь) и отдавать его по мере надобности ночью. Что ж, предположим, на ночь и сумерки, занимающие, скажем, 18 часов, дому нужны те же самые три киловатта. Значит, бытовой накопитель электроэнергии должен запасти, грубо, 54 киловатт-часа. Много это или мало?
Нормально. И решение этой проблемы «в лоб», установкой электрического аккумулятора приемлемых габаритов и эксплуатационных свойств, то есть литий-ионного, уже возможно. Больше того, выпускаются серийные образцы аккумуляторных батарей именно такой ёмкости: это батареи электромобилей — к примеру, знакомого вам Model S от Tesla Motors, базовая комплектация которого включает батарею с ёмкостью 60 кВт•ч. Одна проблема: стоит такое решение 10 тысяч американских долларов, то есть дороже всей солнечной электростанции от той же IKEA. И ценам Элона Маска можно верить: они хоть и собирают свои батареи из чужих элементов (основу производит Panasonic), но используют их не только в автомобилях, а и на бытовых солнечных электростанциях, устанавливаемых компанией Solar City (один из проектов Маска, входит в число крупнейших установщиков солнечных батарей в США). Поскольку спроса на такие батареи, естественно, нет, Solar City пока ограничивается установкой сравнительно небольших аккумуляторов, способных поддержать базовые электропотребности среднего дома лишь на время кратковременных перебоев энергоснабжения.
Но это ещё не все плохие новости. Цифра, которую мы получили выше, можно сказать, обывательская. А профессионалы говорят так: запас энергии в доме должен быть минимум на три (облачных) дня, а лучше — на пять (тогда аккумуляторы прослужат дольше)! Так что в существующем виде электрические аккумуляторы неприемлемы даже для домашних нужд, не говоря уже о мощных электростанциях. Но как же быть? И как выкручиваются проектировщики больших энергогенерирующих объектов?
Чтобы ответить на этот вопрос, достаточно посмотреть на вводимые в строй суперсовременные «чистые» электростанции. Скажем, на стартовавшую на днях в Штатах станцию Solana — занимающую площадь в несколько квадратных километров и самую мощную на планете (280 МВт, 70 тысяч среднестатистических домохозяйств). Так вот: никакого нанотеха, никаких чудес электрохимии. Всё просто: часть собранного солнечного тепла пускают на нагрев здоровенного резервуара с расплавом соли (некоторые соли, скажем, глауберова, твёрдые в охлаждённом состоянии, переходят в жидкую форму при нагревании), и ночью возвращаемое солью тепло нагревает воду до пара и крутит турбину. И вот это решение (точнее, его масштабы) называют «поворотной точкой для солнечной энергетики»! Вот он, пик чистых технологий XXI века: солевая грелка за два миллиарда долларов!
Это и смешно, и грустно одновременно. Смешно — потому что в задаче аккумуляции энергии мы никак не уйдём от технологий столетней давности. Грустно — потому что решение этой задачи, насколько мне известно, существует давно, а честь открытия и разработки принадлежит нашему соотечественнику. Называется оно странным словом «супермаховик».
Должен предупредить сразу: описывая это творение инженерной мысли, я не могу быть абсолютно объективным. Потому что книга про супермаховик попала в мои руки, когда мне было что-то около десяти лет, и стала одним из кирпичиков, на которых и сформировалось моя любовь к технике. Поэтому ещё раз повторю, что буду рад любым доводам и аргументам. Но — к сути. В далёком 1986 году издательство «Детская литература» (!) выпустило книгу советского изобретателя Нурбея Гулиа «В поисках “энергетической капсулы”» (её копия, как раритетного издания, есть в Сети). С юмором и очень просто Гулиа описывает в ней своё становление инженера (так решили его знакомые: мол, если других талантов нет, дорога одна!) и выход на задачу, которая стала главной в его жизни. Это задача аккумуляции энергии — уже тогда, тридцать лет назад, стоявшая в полный рост. Перебрав механические, термические, электрические, химические решения, заглянув в то, что вскоре станет нанотехнологиями, Гулиа отверг их все по тем или иным причинам — и остановился на идее, известной с древности: массивном вращающемся теле, маховике.
Мы находим маховик везде, от гончарного круга и примитивных водяных насосов до транспортных средств XX века и космических гироскопов. Как аккумулятор энергии он замечателен тем, что его можно быстро разогнать («зарядить») и быстро же остановить (получив значительную мощность «на выходе»). Одна проблема: энергоёмкость его недостаточна, чтобы претендовать на роль универсальной «энергетической капсулы». Плотность запасаемой энергии необходимо увеличить хотя бы в сотню раз. Но как это сделать? Увеличим скорость — маховик разорвёт и запасённая энергия причинит страшные разрушения. Наращивать габариты тоже не всегда возможно. Пропуская многолетний, интереснейший пласт исследований и размышлений (очень рекомендую книгу, читается и сегодня совершенно современно!), собственно вклад Гулиа можно свести к следующему: он предложил делать маховик не монолитным, а навивать — например, из стального троса или ленты. Возрастает прочность, низводятся до ничтожных последствия разрыва, а энергоёмкость даже самодельных образцов превышает параметры промышленных разработок. Эту конструкцию он и назвал супермаховиком (и запатентовал один из первых вариантов ещё в 1964-м).
Прорабатывая идею, он пришёл к мысли навивать маховик из графитового волокна (не забывайте, что фуллерены тогда только получили, а о графене и речи не шло), а то и более экзотических материалов вроде азота. Но даже 20-килограммовый супермаховик из углеродных волокон, технически возможный уже тогда, тридцать лет назад, был способен запасти энергию, достаточную для передвижения легкового автомобиля на 500 километров, со средней стоимостью стокилометрового броска в 60 американских центов.
В случае с супермаховиками нет смысла возиться со сравнительными оценками — будь то запасаемая на единицу массы энергия или эксплуатационные характеристики: теоретически они превосходят все имеющиеся альтернативные решения. И области применения напрашивались сами собой. Помещённый в вакуум, на магнитной подвеске, с КПД выше 90%, выдерживающий невообразимое число циклов заряда-разряда, способный работать в широчайших диапазонах температур, супермаховик способен вращаться годами и обещал фантастические вещи: автомобиль от одной зарядки мог бы бегать тысячи километров, а то и весь срок службы, электростанция с упрятанным в фундамент многосотметровым супермаховиком запасала бы энергию, достаточную для освещения всей Земли, и так далее, и так далее. Но вот вопрос: прошло тридцать лет, почему мы же не видим супермаховиков вокруг себя?
Сказать по правде, я не знаю ответа. Технические сложности? Да, и конструкция супермаховика, и плавный отбор энергии — задачи с большой буквы, но они вроде бы решены. Время от времени слышно о мелких, узконишевых применениях. Но именно там, где на него возлагались главные надежды — в энергетике и автомобилестроении — супермаховик массового применения не нашёл. Пару лет назад американская компания Beacon Power ввела в строй небольшую супермаховичную энергоаккумулирующую станцию под Нью-Йорком, но сегодня о проекте ничего не слышно, а сама компания перебивается с хлеба на воду.
Нурбей Гулиа по-прежнему работает над совершенствованием своего детища и год назад отметился сообщением о возможности постройки графенового супермаховика (с расчётной удельной энергоёмкостью 1,2 кВт*ч/кг, то есть на порядок выше литий-ионных аккумуляторов). Но, если я правильно понимаю, коммерческого успеха он добился с другой своей разработкой (супервариатором, оригинальной механической передачей), а вот супермаховик почему-то остаётся под знаком вопроса.
P. S. Я попросил Нурбея Владимировича поучаствовать в дискуссии (хоть надежда, сами понимаете, слабая: на личном сайте его натурально одолевают поклонники).
Супермаховик – накопитель кинетической энергии.
Супермаховик – один из типов маховика, предназначенный для накопления механической энергии. В отличие от обычных маховиков способен сохранять больше кинетической энергии. За счёт конструктивных особенностей способен хранить до 500 Вт•ч (1,8 МДж) на килограмм веса.
Описание
Преимущества
Сравнительные характеристики
Принцип работы
Перспективы использования
Описание:
Супермаховик — один из типов маховика, предназначенный для накопления механической энергии. В отличие от обычных маховиков способен сохранять больше кинетической энергии.
За счёт конструктивных особенностей способен хранить до 500 Вт·ч (1,8 МДж) на килограмм веса.
Супермаховик впервые был изобретен в 1964 г. советским учёным Н. Гулиа.
Современный супермаховик представляет собой барабан, изготовленный из композитных материалов, например, намотанный из тонких витков стальной, пластичной ленты, стекловолокна, углеродных композитов либо графеновой бумаги. За счёт этого обеспечивается высокая прочность на разрыв и безопасность эксплуатации. При физическом разрушении супермаховик не разлетается на крупные части, как обычный маховик, а разрушается частично; при этом отделившиеся части тормозят барабан и предотвращают дальнейшее разрушение. Для уменьшения потерь на трение супермаховик помещается в вакуумированный кожух. Зачастую используется магнитный подвес.
Законченный вид супермаховик принимает тогда, когда он способен запасать и отдавать энергию. Для этого создаётся мотор–генератор, где статором является барабан, а ротором — ось, вокруг которой он вращается. Таким образом, при подключении в сеть он будет запасать энергию, а при подключении нагрузки — отдавать. Максимальное КПД этого преобразования достигает 98 %.
Преимущества:
– долговечность. Имеет большой жизненный цикл по сравнению с другими устройствами,
– безопасен при разрушении,
– высокий КПД – до 98%,
– проще и дешевле в изготовлении, чем аккумуляторы,
– экологически чище, не наносят вред окружающей среде,
– запасает гораздо большую энергию за в разы меньшее время, чем аккумуляторы. Также и отдает,
– работают при любом температурном режиме,
– может быть использован в качестве буферного источника пиковой мощности в сочетании с другими устройствами запасания энергии, такими как аккумуляторы,
– максимальное время хранения энергии в отличии от других устройств.
Сравнительные характеристики:
| Характеристики: | Аккумулятор | Суперконденсатор | Супермаховик |
| КПД, % | 70 | 95 | 90-98 |
| Энергоемкость, Вт·ч/кг | 150 | 15 | 500 |
| Количество циклов | 103 | 106 | 105 |
| Жизненный цикл, лет | 3-5 | 10 | более 20 |
| Время заряда | часы | секунды | минуты |
| Выходная мощность | средняя | высокая | высокая |
Принцип работы:
Кинетическая механическая энергия передается на супермаховик и обратно от супермаховика при помощи ротора – мотор-генератора, который также способен преобразовывать кинетическую механическую энергию обратно в электрическую.
Супермаховик работает в двух режимах: в режиме запасания энергии и режиме отдачи. При работе в режиме запасания энергии подводимая энергия создает вращающий момент на валу и увеличивает скорость вращения маховика. При обратном процессе – запасенная кинетическая энергия превращается в генераторный момент на валу мотор-генератора и впоследствии в электрическую энергию.
Заряжается супермаховик от электродвигателей, от энергии рекуперации при торможении, от стационарных источников энергии, а также от подводимой электрической энергии. В последнем случае мотор-генератор работает как электродвигатель, создает вращающий момент на валу.
Количество запасаемой энергии пропорционально инерции вращающегося тела маховика J и квадрату угловой скорости вращения ω. Оно определяется согласно формуле: Ek=1/2*J*ω2.
Из формулы видно, что запасаемая в маховике кинетическая энергия имеет линейную зависимость от момента инерции вращающейся массы тела маховика и квадратичную зависимость от скорости вращения. Соответственно при росте скорости вращения количество запасаемой энергии будет расти в геометрической прогрессии.
Перспективы использования:
Распространение автономных источников генерации энергии требует ее запасания. Методы запасания энергии различаются по многим параметрам, таким как выходная мощность, количество запасаемой энергии, время хранения, количество циклов заряд/разряд, массогабаритные показатели, энергоемкость, эффективность, стоимость.
Супермаховик является современной энергоэффективной и высокотехнологичной альтернативой различным способам запасания и хранения энергии, таким как акумуляторы, суперконденсаторы, прочие накопители энергии, а также систем со сжатым воздухом, гидроаккумулирующих электростанций.
двигатель супермаховик нурбей гулиа своими руками форум теория купить аккумулятор на автомобиле
супермаховики новые аккумуляторы энергии
чертежи точка опоры оси в азоте для супермаховика 401
Коэффициент востребованности
7 453
Революционер в мире аккумуляторов — маховичный накопитель
Сегодня ученые со всего мира безуспешно пытаются создать недорогой, легкий, компактный и невероятно емкий аккумулятор. А между тем такой накопитель энергии уже существует.
Мир электроники и электричества наступает! Милые поклонникам механики устройства все чаще уступают место машинам с электромоторами и электронными схемами. Однако мир будущего станет более механическим! Так считает профессор Нурбей Гулиа. За последние десятилетия механические накопители энергии заметно прибавили в энергоемкости, и именно их, по мнению ученого, будут использовать во многих устройствах вместо привычных электрохимических аккумуляторов.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Пружина, резина, конденсатор…
Во всем мире вряд ли найдется человек, который посвятил себя разработке маховичных накопителей энергии в большей мере, чем Нурбей Гулиа. Ведь делом своей жизни изобретатель начал заниматься в 15 лет. Тогда советский школьник Нурбей решил изобрести «энергетическую капсулу» — так он назвал накопитель энергии, который должен был стать столь же энергоемким, как бак с бензином, но при этом копить в себе абсолютно безвредную для человека энергию. Первым делом любознательный школьник опробовал аккумуляторы различных типов. Одним из самых безнадежных вариантов оказался пружинный накопитель. Чтобы обычный легковой автомобиль проехал с таким аккумулятором 100 км пути, последний должен был весить 50 т.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
От маховиков к супермаховикам
В качестве накопителей энергии маховики применяют уже несколько столетий, однако качественный скачок в области их энергоемкости произошел только в 1960-е году, когда были созданы первые супермаховики. 1. Супермаховик в работе Супермаховик выглядит, как обычный, но внешняя его часть свита из прочной стальной ленты. Витки ленты обычно склеены между собой. 2. Супермаховик после разрыва Если разрыв обычного маховика разрушителен, то в случае супермаховика лента прижимается к корпусу и автоматически затормаживает накопитель — все совершенно безопасно.
Резиновый аккумулятор показался куда перспективней: накопитель с зарядом на 100 км 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 заявку в Комитет по изобретениям и даже помог ее составить. Так Гулиа получил первое авторское свидетельство на изобретение.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Вскоре резину сменил сжатый воздух. И опять Нурбей разработал инновационное устройство — относительно компактный гидрогазовый аккумулятор. Однако, как выяснилось в ходе работы над ним, при использовании сжатого газа энергетический «потолок» был невысок. Но изобретатель не сдался: вскоре им был построен пневмокар с подогревом воздуха горелками. Эта машина получила высокую оценку у его друзей, но по своим возможностям была еще далека от того, чтобы конкурировать с автомобилем.
Маховики на транспорте можно использовать как в качестве аккумуляторов энергии, так и в виде гироскопов. На фотографии изображен маховичный концепт-кар Ford Gyron (1961), а впервые гиро-кар был построен в 1914 году русским инженером Петром Шиловским.
Особенно тщательно будущий профессор отнесся к проработке варианта «электрической капсулы». Нурбей оценил возможности конденсаторов, электромагнитов и, разумеется, собрал всю возможную информацию об электрохимических аккумуляторах. Был даже построен электромобиль. В качестве аккумулятора для него конструктор использовал батарею МАЗа. Однако возможности тогдашних электрохимических аккумуляторов Гулиа не впечатлили, не было и оснований ожидать, что в области энергоемкости произойдет прорыв. Поэтому из всех накопителей энергии наиболее перспективными Нурбею Владимировичу показались механические аккумуляторы в виде маховиков, несмотря на то что в то время они ощутимо проигрывали электрохимическим накопителям. Тогдашние маховики, даже сделанные из самой лучшей стали, в пределе могли накопить только 30−50 кДж на 1 кг массы. Если раскручивать их быстрее, они разрывались, приводя в негодность все вокруг. Даже свинцово-кислотные аккумуляторы с энергоемкостью 64 кДж/кг смотрелись на их фоне крайне выигрышно, а щелочные аккумуляторы с плотностью энергии 110 кДж/кг были вне конкуренции. Кроме того, уже тогда существовали страшно дорогие серебряно-цинковые аккумуляторы: по удельной емкости (540 кДж/кг) они примерно соответствовали самым емким на сегодня литий-ионным аккумуляторам. Но Гулиа сделал ставку на столь далекий от совершенства маховик…
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Маховик на миллион
Чем выше частота вращения маховика, тем сильнее его частицы «растягивают» диск, пытаясь его разорвать. Поскольку разрыв маховика дело страшное, конструкторам приходится закладывать высокий запас прочности. В результате на практике энергоемкость маховика раза в три ниже возможной, и в начале 1960-х годов самые совершенные маховики могли запасать всего 10−15 кДж энергии на 1 кг. Если же применить более устойчивые к разрыву материалы, прочность маховика станет выше, но такой скоростной маховик становится опасным. Получается порочный круг: прочность материала возрастает, а предельная энергоемкость увеличивается незначительно. Нурбей Гулиа поставил своей задачей вырваться из этого замкнутого круга, и в один памятный день он испытал момент внезапного прояснения. На глаза изобретателю попался тросик, свитый из проволок, — такие обычно применяют в тренажерах для подъема тяжестей. Тросик был примечателен тем, что обладал высокой прочностью и никогда не рвался сразу. Именно этих качеств и не хватало тогдашним маховикам.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Накопитель
Сегодня благодаря высокой энергоемкости супермаховики применяют во многих областях — от применения в спутниках связи в качестве аккумулятора энергии до использования в электростанциях для повышения их КПД. На схеме изображен маховичный накопитель, который применяют на американских электростанциях для повышения их КПД. Потери энергии в супермаховиках составляют всего 2% — это достигается, в том числе, за счет того, что он вращается 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 такой же прочности — ее намотка была плотнее, а для надежности можно было склеить витки ленты между собой. Разрыв такого маховика уже не представлял опасности: при превышении предельной скорости первой должна была оторваться наиболее нагруженная внешняя лента. Она прижимается к корпусу и автоматически затормаживает маховик — никаких несчастных случаев, а оторванную ленту можно приклеить снова.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Первое испытание, когда ленточный маховик Гулиа раскручивался от скоростного электромотора пылесоса, прошло успешно. Маховик вышел на максимальную частоту вращения без разрыва. А затем, когда ученому удалось испытать этот маховик на специальном разгонном стенде, выяснилось, что разрыв наступал только при скорости обода почти 500 м/c или плотности энергии около 100 кДж/кг. Изобретение Гулиа в несколько раз превзошло по плотности энергии самые передовые на то время маховики и оставило позади свинцово-кислотные аккумуляторы.
Механический гибрид Гулиа (1966)
Это возможно первый в мире гибридный автомобиль. Его передние колеса приводились от ДВС, тогда 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 изобретение супермаховика, но из-за бюрократизма советской патентной системы получил необходимый документ только через 20 лет, когда срок его действия уже истек. Но приоритет изобретения за СССР сохранился. Жил бы ученый на Западе — давно бы стал мультимиллионером.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Через какое-то время после Гулиа супермаховик изобрели и на Западе, и спустя годы ему находят множество применений. В разных странах разрабатываются проекты маховичных машин. Американские специалисты создают беспилотный вертолет, в котором вместо двигателя используют супермаховики. Отправляют супермаховики и в космос. Там для них особенно благоприятная среда: в космическом вакууме нет аэродинамического сопротивления, а невесомость устраняет нагрузки на подшипники. Поэтому на некоторых спутниках связи применяются супермаховичные накопители — они долговечнее электрохимических аккумуляторов и могут долгое время снабжать аппаратуру спутника энергией. Недавно в США стали рассматривать возможность применения супермаховиков в качестве источников бесперебойного питания для зданий. Там уже работают электростанции, которые во время пика потребления энергии увеличивают мощность за счет маховичных накопителей, а при спаде, обычно в ночное время, направляют избытки энергии на раскручивание маховиков. В итоге у электростанции значительно повышается КПД работы. Кроме того, потери энергии в супермаховиках составляют всего 2% — это меньше, чем у любых других накопителей энергии.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Профессор Гулиа тоже времени зря не терял: создал очень удобную маховичную дрель, разработал первый в мире гибридный маховичный автомобиль на базе УАЗ-450Д — он оказался вдвое экономичней обычной машины. Но главное — профессор постоянно совершенствует разные элементы своей маховичной концепции, чтобы сделать ее по-настоящему конкурентоспособной.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Чудо-махомобили
Можно ли вывести супермаховик на уровень самых емких аккумуляторов? Оказывается, это не проблема. Если вместо стали использовать более прочные материалы, то пропорционально вырастет и энергоемкость. Причем, в отличие от электрохимических аккумуляторов, здесь практически нет потолка.
Супермаховик из кевлара на испытаниях при той же массе накапливал в четыре раза больше энергии, чем стальной. Супермаховик, навитый из углеволокна, может в 20−30 раз превзойти стальной по плотности энергии, а если использовать для его изготовления, например, алмазное волокно, то накопитель приобретет фантастическую энергоемкость — 15 МДж/кг. Но и это не предел: сегодня с помощью нанотехнологий на основе углерода создаются волокна фантастической прочности. «Если из такого материала навить супермаховик, — рассказывает профессор, — плотность энергии может достичь 2500−3500 МДж/кг. А значит, 150-килограммовый супермаховик из такого материала способен обеспечить легковому автомобилю пробег в два с лишним миллиона километров с одной прокрутки — больше, чем может выдержать шасси машины».
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Маховичные машины
Если объединить в одну схему супермаховик и супервариатор расход привычного автомобиля можно снизить ниже 2 л/100 км, считает Нурбей Гулиа. На фото приведена схема работы маховичной машины на топливных элементах, справа автомобиля с ДВС.
За счет того что супермаховик вращается в вакууме, а его ось закреплена в магнитной подвеске, сопротивление при вращении оказывается минимальным. Возможно, такой супермаховик может крутиться до остановки многие месяцы. Однако машина, способная работать в течение всего срока службы без заправок, пока еще не изобретена. Мощности современных электростанций определенно не хватит для зарядки таких серийных чудо-махомобилей.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Но именно автотранспорт, считает профессор, самая подходящая сфера применения супермаховиков. И показатели машин проекта Гулиа, на которых он планирует использовать супермаховики, не менее удивительные. По оценке ученого, «здоровый» расход топлива у бензинового автомобиля должен составлять примерно 1,5 л на 100 км, а у дизельного — 1,2 л.
Как такое возможно? «В энергетике есть неписаный закон: при одинаковых капиталовложениях всегда более экономичен привод, в котором нет преобразований видов и форм энергии, — поясняет профессор. — Двигатель выделяет энергию в виде вращения, и ведущие колеса автомобиля потребляют эту энергию тоже в виде вращения. Значит, не надо преобразовывать энергию двигателя в электрическую и обратно, достаточно передавать ее от двигателя к колесам через механический привод».
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Таким образом, механический гибрид оказывается максимально энергосберегающим и, как уверяет ученый, в условиях города снижает расход топлива в три раза! Применение супермаховика, который запасает огромное количество энергии от двигателя, а затем практически без потерь отправляет ее на колеса через супервариатор (см. «ПМ», № 3’2006), позволяет снизить размер и мощность двигателя. Двигатель же в проекте ученого работает только в оптимальном режиме, когда его КПД наиболее высок, поэтому-то «суперавтомобиль» Гулиа столь экономичен. Имеется у профессора и проект использования топливных элементов с супермаховиком. У топливных элементов КПД в пределе может быть почти вдвое выше, чем у ДВС, и составляет около 70%.
«Но почему же при всех достоинствах такой схемы она пока не используется на автомобилях?» — задаем мы очевидный вопрос. «Для такой машины был необходим супервариатор, а он появился сравнительно недавно и сейчас только начинает производиться, — объясняет профессор Гулиа. — Так что такой автомобиль на подходе». Нашему журналу приятно сознавать, что если такой автомобиль появится, то в этом будет и наша заслуга. После того как в «Популярной механике» появилась статья о супервариаторе Гулиа, этим проектом сразу заинтересовались производители приводной техники, и сейчас профессор занимается созданием и совершенствованием своего супервариатора. А значит, стоит надеяться, что ждать суперавтомобиля осталось недолго…