Накопители энергии

УСТРОЙСТВА И УСТАНОВКИ НА БАЗЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ИНЕРЦИОННЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ

Производим и продаем электроприводы ЭТУ, ЭПУ для двигателей постоянного тока, тел./email +38 050 4571330 / rashid@msd.com.ua
электропривод постоянного тока 25-50 Ампер

Привод ЭПУ 25А с дросселем - 5500грн

Применение маховиков в технике известно с древних времен например в виде гончарного круга. Современные машины и механизмы во многих случаях снабжены маховиками для выравнивания хода при неравномерных нагрузках на валу, что позволяет существенно уменьшить мощность привода' Инерционные МН в настоящее время используются в раз­личных отраслях техники. Примерами транспортных накопи­тельных устройств служат: гироскопы Систем навигации и ори­ентации; маховичные двигатели для малоразмерных вертолетов, грузовых средств транспорта во взрывоопасных помещениях (пороховых складах, шахтах и т. п.), а также для пассажирского транспорта: электроинерционные стартеры самолетных двига­телей; стартовые катапультирующие установки на авианосцах для разгона самолетов при взлете [4.1] и др. Широко рас­пространены маховичные МН в различных электрофизических установках. Рассматривается крупномасштабное применение инерционных МН совместно с электрическими машинами в электроэнергетических системах [4.2]. Известно много на­ходящихся в эксплуатации НЭ с инерционными МН и большое число их перспективных проектов. В связи с ограниченным объемом изложения рассмотрим только некоторые типовые примеры накопительных установок с МН.

Автономные установки. Инерционные МН в автономных электроэнергетических установках применяются в агрегатах с электрическими генераторами, которые при разряде МН преобразуют запасенную в маховике кинетическую энергию в электрическую энергию для питания потребителей в системе электроснабжения [5.19]. Конструктивно выполненные как отдельные элементы маховики устанавливаются на общем валу с генератором. Маховик и генератор могут иметь интегральную конструкцию. Масса маховика обычно существенно превышает (на 70—80%) массу генератора. При переводе генератора в режим электродвигателя последний может использоваться для заряда инерционного МН при наличии в установке соответству­ющего источника электропитания. Подробнее электромеханичес­кие установки рассматриваются в § 5.3, где приводятся констру­ктивные схемы совмещенного исполнения МН с генератором-

Транспортные установки. Для транспортных установок харак' терны режимы с рекуперацией энергии, т. е. возвратом & зарядному устройству при движении транспортного средств под уклон или его торможении. На рис. 4.9 в качеств поясняющего примера представлена функциональная схем рекуперативной установки электромобиля. Для его движен используется комбинированный источник энергии в виде а
регата инерционного механического накопи­теля МН и химической аккумуляторной бата­реи АБ. На ось веду­щих колес ОВК вра­щающий момент пе­редается с помощью блока трансмиссии БТ, К которой энергия под­водится от валов ма­ховика МН и элект­рических машин ЭМ1? ЭМ2, связанных внутри БТ со звеньями планетарной передачи. Каждая из этих ЭМ может работать в обратимом режиме как электродвигатель или генератор. Направление потока энергии (от АБ к МН или обратно) реверсируется с помощью блока управления БУ, получающего сигналы от педалей акселератора IIA и тормоза ПТ в за­висимости от режима движения электромобиля. Например, при торможении колес К, переключениями БТ с помощью БУ переводят ЭМ1г ЭМ2 в генераторный режим, рекупериру­емая энергия направляется для заряда АБ. Разработчик установки—фирма «Гаррет» (США) [4.3].

УСТРОЙСТВА И УСТАНОВКИ НА БАЗЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ИНЕРЦИОННЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ

Рис. 4.9. Структурная схема комбинированной установки с МН и АБ

Установки, применяемые на летательных аппаратах. Инер­ционные НЭ используются для привода движителей беспилот­ных и пилотируемых, вертолетов. Фирмой «Дорнье» (ФРГ) построен малоразмерный вертолет для подъема на высоту До 100 м фото - и телеаппаратуры [4.2]. Маховичный привод выполнен в виде двух ободов кругового поперечного сечения, вращающихся на общей оси в параллельных плоскостях. Спицами верхнего маховика служат четыре лопасти несущего винта, используемые также для осуществления взлета и посад­ки. Для выполнения бокового перемещения вертолета на четырех спицах нижнего маховика смонтированы поворотные лопасти, которые управляются с помощью электрического кабеля от передвижной наземной установки. Эта установка с°держит агрегат для заряда МН. При диаметре ободов ®*оло 1,4 м маховики раскручиваются в течение 60 с до ^00 об/мин. Запасенная энергия достаточна для подъема 6ертолета вместе с оборудованием на 100 м (высота ограничена протяженностью кабеля связи) и его полета продолжитель­ностью до 1 мин, после чего вертолет опускается на платформу ^земной установки для заряда МН.

Если общая масса ободковых маховиков составляет 50 кг то согласно оценкам [4.2] МН запасает энергию около 2 МД^ и может развить мощность до 10 кВт, которая позволяет выполнять полет с оборудованием массой 50 кг.

Достоинствами данного вертолета являются его малая стоимость и простота конструкции, бесшумность работы двигателя, быстрота запуска и взлета, отсутствие выхлопных газов. Его недостаток, состоящий в неавтономности полета при наличии кабеля, может быть устранен посредством пе­рехода на радиоуправление.

Спасательный пилотируемый вертолет с инерционными МН разработан фирмой «Локхид» (США). Его скороподъемность в 5 раз выше, чем у вертолета с двигателем традиционного1 типа. Маховик в режиме заряда разгоняется с помощью электродвигателя мощностью 1,5 кВт до 28 ■ 103 об/мин и запа­сает энергию, которая может обеспечить девять циклов «взлет - посадка» вертолета без подзарядки МН. Положитель­ное качество маховичного двигателя состоит в том, что он не нуждается в системе охлаждения и не требует наличия топлива на борту вертолета; его недостаток определяется относительно малой общей продолжительностью полета без подзарядки МН.

Инерционные двигатели для привода винтов легких само­летов разрабатываются фирмой «Юнайтед эркрафт корпо­рейшн» (США). Целесообразность применения МН на этих летательных аппаратах (ЛА) обусловлена высокой удельной мощностью, приходящейся на единицу массы маховика. Для МН этот показатель существенно лучше, чем у обычных авиадвигателей для легких самолетов, мощность которых, как правило, не превышает 120 кВт вследствие ограничений по массе двигателя [4.2].

Наряду с применением для привода винтов известно использование МН в электроинерционных стартерах для пуска авиационных газотурбинных двигателей.

Предложены установки с МН для маховичного привода планетоходов -транспортных средств, предназначенных для исследования поверхности Луны и других планет [4.20].

Представляют интерес МН для ручного технологического инструмента, используемого в условиях невесомости. Раз­работанная в СССР дрель с приводом от МН при применении на борту космического ЛА позволяет космонавту-оператору не фиксироваться относительно обрабатываемого объекта, гак как оператор не ощущает действия реактивного нращакнцего момента, который проявляется в подобных инструментах с другими тинами привода [4.20].

Установка с МН для привода катапульты. Катапульты применяются для интенсивного ускорения объектов на °т' носительно коротком стартовом пути. На рис. 4.10 приведена

УСТРОЙСТВА И УСТАНОВКИ НА БАЗЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ИНЕРЦИОННЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ

Рис. 4.10. Схема устройства катапульты с инерционным МН

Схема установки, используемой на авианосце для разгона самолетов до начальных скоростей 300—400 км/ч при длине разбега 100—150 м соответственно [4.1]. Электродвигатель 1 мощностью 0,9 МВт в режиме заряда МН раскручивает маховик 2 массой 12 т, потребляя энергию от бортовой электростанции авианосца. Запасенная механическая энергия в режиме разряда инерционного накопителя подводится к ле­бедке 3, тяговый барабан которой связан с маховиком посредством планетарной зубчатой передачи и гидромуфты 4, обеспечивающей постоянный вращающий момент на своем выходном валу при убывающей скорости маховика. Трос лебедки передает усилие стартующему самолету.

Стационарные установки. Для крупномасштабных примене­ний характерны инерционные МН больших размеров и массы. Они рассчитаны на сглаживание пиков потребляемой мощности в электроэнергетических системах и предназначены для со­вместной эксплуатации с обратимой электрической машиной, смонтированной на общем валу с маховиком. Для таких установок характерна вертикальная компоновка. Известны разработки проектов перспективных МН на энергию от 70 До 200 ГДж с диаметрами наборов дисковых маховиков 4,5—18 м и общей высотой до 6— 10 м. На рис. 4.1! приведен пример конструктивной схемы НЭ на 400 МДж, разработанного в США. Маховик 1 сборного типа состоит из нескольких дисков диаметром 1,2 м, общей высотой порядка 1 м и массой 4,35 т. В верхней части маховика находится направляющий подшипник 2, а в нижней — опорный подпятник 3. Элект­рическая машина 4 питается от системы переменного тока (/=60 Гц) через умножитель частоты и разгоняет маховик До 7200 об/мин в режиме заряда. При разряде МН эта машина работает как генератор и отдает энергию в элект­рическую систему [4.1—4.3].

УСТРОЙСТВА И УСТАНОВКИ НА БАЗЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ИНЕРЦИОННЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ

Рис. 4.12. Ободковый супермаховик на маг­нитном подвесе, совмещенный с дуговой индукционной (асинхронной) электрической машиной

УСТРОЙСТВА И УСТАНОВКИ НА БАЗЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ИНЕРЦИОННЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ

Современные разработки имеют тенденцию к применению бесцентровых ободковых композитных маховиков, допуска­ющих высокие окружные скорости. Соответствующий пример конструктивной схемы накопительной установки приведен на рис. 4.12. Кольцевой супермаховик 1 из анизотропного волок­нистого материала (органопластик кевлар) снабжен метал­лическими вставками в виде ряда секторов 2 и смонтирован в торо­идальной глубоко вакуумированной камере. Маховик поддерживается на четырех магнитных опорах 3. Каждая опора конструктивно со-' вмещена в общем блоке с одним из четырех секторов статора дуго­вой индукционной машины, кото­рая работает в обратимом режиме (как электродвигатель при заряде и как асинхронный генератор при

Рис. 4.11. Инерционный НЭ для электроэнер­гетической системы

Разряде МН). Секторные вставки 2 выполняют роль корот - козамкнутых элементов ротора индукционной машины. Коль­Цевой супермаховик развивает окружную скорость 975 м/с, поэтому даже при большой мощности электрическая машина получается чрезвычайно легкой. Потери в МН определяются только малой мощностью вихревых токов в магнитном подвесе и незначительным аэродинамическим трением в вакуумной камере. Основные параметры МН указаны в табл. 4.3, где для сравнения приведены также показатели примерно по­добного МН со стальным диском равной прочности. В пер­спективе предполагается, что удельная мощность потерь су­пермаховика будет уменьшена в 7,2 раза. Это приведет к существенному возрастанию времени выбега, т. е. длитель­ному инерционному хранению энергии (соответствующие улучшенные параметры приведены в табл. 4.3 в скобках) [4.2, 4.3].

Таблица 4.3. Параметры инерционных МН с высоким использованием свойств материала маховиков соизмеримой энергии [4.3 ]

Параметр МН

Кольцевой маховик (кевлар)

Дисковый маховик (сталь)

Запасенная энергия W, МДж Масса маховика М, кг Удельная энергия Wsa, кДж/кг Момент потерь трения Мл, Н ■ м Удельный момент трения Л/,, уд, Нм/кг Удельная мощность потерь Ра, уд, Вт/кг Время выбега до полной остановки tB, ч

1,95 4,12 475

3,26 ■ 10~3 7,9- Ю-4 0,175(0,011) 750(12- Ю3)

5,4 54 100

16-Ю"2 29 ■ Ю-4 0,815 34

Накопитель энергии с использованием плазмы. Устройство, получившее название «гомополярник», состоит из двух коаксиальных цилиндрических электродов, скрепленных по торцам дисками из термостойкого диэлек­трика. Внутренняя полость цилиндрической камеры между электродами и торцевыми дисками заполнена ионизированным газом — плазмой. Гомопо - ляриик размещен в неизменяющемся во времени равномерном магнитном поле Bz электромагнита, которое направлено параллельно центральной оси симметрии z. Если электроды подключить к источнику постоянного Напряжения, то через плазму потечет радиально направленный ток I. Его взаимодействие с полем Bz приведет к появлению объемной плот­ности электромагнитных сил f3V = JrBz, ориентированных в окружном направ­лении. Плотность тока в плазме Jr = /j2nrb, где b—осевой размер электродов. Под влиянием плазма вращается вокруг оси z и запасает кинетическую энергию

V

Где V—объем полости, занятой плазмой; уср—усредненная по V плотность плазмы; V=V(R)—окружная скорость плазмы, являющаяся функцией от радиуса г.

I

Магнитное поле Вг наводит во вращающейся плазме ЭДС

Е= { B2v(r)dr,

Где гш, гп—радиусы центрального и периферийного электродов.

Если отключить от источника питания электроды гомополярника и замкнуть их на внешнее сопротивление нагрузки, то в цепи электродов под влиянием ЭДС е будет протекать ток разряда. При этом плазма будет тормозиться вследствие электромеханического преобразования энергии fV3 в электроэнергию.

Достоинст ва гомополярника состоят в высоком быстродействии и большой удельной энергии, приходящейся на единицу массы плазменного накопителя (без учета массы электромагнита). Недостаток гомополярника в том, что абсолютное значение энергии Wt мало.

Накопители энергии с использованием ускоренных элементарных частиц. Эти НЭ по физической природе примыкают к МН, поскольку запасают кинетическую энергию в потоке ускоренно движущихся элементарных частиц (электронов, протонов). Исследования фундаментальных свойств материи проводятся в физических экспериментах со встречными пучками элементарных частиц, имеющих одноименные или разноименные заряды. Для повышения эффективности взаимодействия частиц (увеличения вероятности их столкнове­ния) требуется: усилить ток в пучке, т. е. поднять интенсивность потока частиц; обусловить многократное возвращение не испытавших столкновения, частиц к месту встречи пучков. Оба эти приема реализуются в установках типа накопительных колец [4.13].

Сталкивать между собой можно, например, встречные электронные пучки или встречные протонные пучки. Предварительно ускоренные в линейных или циклических (орбитальных) ускорителях частицы направляются в нако­пительное кольцо.

Ускорение частиц осуществляется переменным или постоянным продоль­ным электрическим полем, ориентированным по касательной к траектории движения частиц. Поле создается соответствующей электрической установкой высокого напряжения, питающей ускорительное устройство.

Накопительное кольцо (рис. 4.13,А) выполняется в виде вакуумной торо­идальной камеры, размещенной между полюсами N, S электромагнита постоянного тока. Вследствие глубокого вакуума (до 10~7—Ю-8 Па) рассеяние заряженных частиц на молекулах остаточного газа в камере практически отсутствует. Поток частиц вводят в камеру по касательному направлению с помощью каналов 1, идущих от линейного или орбитального ускорителя. Постепенно заполняют НЭ частицами, увеличивая их концентрацию в кольие, т. е. электрический ток. Время заряда НЭ составляет несколько часов. При движении по кольцевой орбите поток частиц теряет некоторую часть энергии за счет электромагнитного излучение. С целью компенсации потерь вакуумную полость кольца разделяют на несколько секторных камер 2, в промежутка" между которыми устанавливают объемные резонаторы 3 высокочастотных

УСТРОЙСТВА И УСТАНОВКИ НА БАЗЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ИНЕРЦИОННЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ

4 - зона столкновения); в — ускорительно-накопительный комплекс (/ — кольцо, 2—инжек­тор, 3— камера ускорителя, 4, 5—поворотные электромагниты, 6 - неподвижная мишень,

7, 8—магнитные линзы)

Электромагнитных колебаний. Энергия резонаторов используется для пери­одического ускорения частиц электрическим полем. Магнитное поле полюсов A', S обусловливает движение частиц под действием центростремительной силы Лоренца F.^/vxB по круговым траекториям в плоскостях, ортогональ­ных к направлению магнитного поля. Для частицы с массой т и модулем заряда q период обращения T—2nmjqB обратно пропорционален магнитной индукции ноля 5 и не зависит от скорости v, а радиус траектории составляет R=mvjqB.

Если установка предназначена для столкновения одноименно заряженных Частиц (например, электронов), она должна содержать два накопительных

Кольца, сопряженных в виде восьмерки (рис. 4.13,6). В каждом из колец электроны вращаются по часовой стрелке. Управляя электромагнитными отклоняющими устройствами, осуществляют соударение пучков в зоне 4, где расположена измерительная и регистрирующая аппаратура.

Столкновение частиц и античастиц можно организовать посредством одного общего кольца 1 (рис. 4.13,в), поскольку разноименно заряженные частицы закручиваются в противоположные стороны магнитным полем заданного направления.

Кроме кольца 1 ускорительно-накопительный комплекс (УНК) встречных электронных и позитронных пучков (ВЭПП) содержит инжектор 2, из которого с помощью промежуточных устройств (поворотного магнита и фокусирующих линз) пучок электронов вводят в ускорительную камеру синхротрона 5., Ускоренные электроны направляют в кольцо 1 по вакуумному каналу, проходящему через поворотные магниты 4 и 5.

Для получения позитронов часть ускоренных в синхротроне электронов сталкивают с вольфрамовой мишенью-конвертором 6. Далее позитроны вводят в накопительное кольцо I навстречу потоку электронов. Заданные поперечные размеры пучков в каналах обеспечиваются фокусирующими магнитными линзами 7, 8. Соударение пучков осуществляется по сигналу воздействия на систему, управляющую их отклонением внутри кольца 1.

В мощных установках ВЭПП, имеющих радиус орбиты накопительного кольца 6—18 м, запасенная каждым из пучков кинетическая энергия составляет 2—20 ГэВ, ток в пучке достигает 0,1 — 1 А. Более высокий уровень энергии (порядка 270 ГэВ в пучке) получают в протонных установках. Здесь в качестве накопительного кольца используют камеру синхротрона, предварительный разгон протонов осуществляют в линейном ускорителе. Подобный УНК создан в Европейском центре ядерных исследований ЦЕРН (Женева) [4.13]. Заметим, что 1 ГэВ= 109 эВ« 1,6 10 10 Дж.

Накопители энергии

Накопители энергии

Д. А. Бут, Б. J1. Алиевский, С. Р. Мизюрин, П. В. Васюкевич; Производство и потребление различных видов энергии в .мире растет быстрыми темпами, определяя прогресс во всех областях жизнедеятельности человека. …

ВРАЩАЮЩИЙСЯ ПЛОСКИЙ ДИСК БЕЗ ОТВЕРСТИЯ

В сплошном диске (Do = 0) толщиной b — const и диаметром D = 2R при наличии на его периферии растягивающей Нагрузки р=const компоненты напряжения в материале на расстоянии г …

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АБ — аккумуляторная батарея БТЭ — батарея топливных элементов ВАХ — вольт-амперные характеристики ВГ — вентильный генератор ВСУ — вспомогательная силовая установка ГАУ — гидроаккумулирующая установка ГАЭС — гидроаккумулирующая электростанция …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.