Маховиковий накопичувач енергії для її тривалого зберігання

Реферат: Винахід належить до засобів накопичення енергії і може бути використаний замість невідновлюваних енергоносіїв в більшості сфер їх застосування. Маховиковий накопичувач енергії складається з металічного диска, на осі обертання якого з двох сторін розміщені ротори з короткозамкненою обмоткою, причому діаметр диска більше ніж в 10 раз перевищує діаметр роторів, який розміщено в вакуумному корпусі, причому для виключення великих інерційних навантажень кріплення корпусу виконано з можливістю забезпечення його вільного обертання в будь-якій площині, в корпусі відповідно роторам розміщено статори, а для керування обмотками статорів в маховиковий накопичувач енергії введено датчики кута повороту роторів, що приводить до зменшення втрат енергії. UA 112759 C2 (12) UA 112759 C2 UA 112759 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до засобів накопичення енергії і може бути використаний замість невідновлюваних енергоносіїв в більшості сфер їх застосування. Існує багато видів маховикових накопичувачів енергії, але для тривалого зберігання енергії вони промислового значення не мають через такі недоліки: 1) великі втрати на тертя в підшипниках 2) великі втрати на здійснення приводу від електродвигуна при розкручуванні маховика 3) великі втрати на здійснення приводу від маховика до генератора 4) нестабільність потоку енергії від маховика в міру її використання 5) невелике питоме накопичення енергії на одиницю ваги через загрозу поломки. Пропонується маховиковий накопичувач енергії, який не має перелічених недоліків. Це металічний диск, на осі обертання якого з двох сторін розміщені ротори з короткозамкненою обмоткою, причому діаметр диска більше ніж в 10 раз перевищує діаметр роторів. Також в пристрої розміщені датчики кута повороту роторів, через які (за допомогою тиристорів, які керуються датчиками кута повороту) вмикаються і вимикаються обмотки статорів, розміщених відповідно роторам. При зміні положення роторів на 180° обмотки статорів вмикаються в протилежному напрямку. Для запасання енергії маховиком обмотки статора включаються на його прискорення, а для використання енергії маховика він тормозиться імпульсом з обмотки і в цій обмотці наводиться ЕДС, викликана реакцією ротора. Таке технічне рішення дає можливість не втрачати енергію на нагрівання ротора, а використовувати її лише для прискорення маховика. Звичайно один ротор з обмоткою використовується для запасання енергії, інший для використання енергії маховика; але це залежить від режиму роботи накопичувача. Для забезпечення необхідної потужності імпульсу, що подається в обмотку статора, в електричну схему перед тиристорами необхідно включити конденсатор достатньо великої ємності. Взагалі електрична схема накопичувача досить стандартна: спочатку випрямляч електроенергії, далі блок конденсаторів, потім - тиристори, які подають напругу на обмотки статора, відрізняється вона лише тим, що тиристори керуються через датчики кута повороту роторів. Це дає можливість використовувати для приводу маховика енергію будь-якої якості з максимально можливим ККД, який перевищує ККД електрохімічних акумуляторів. Досить привабливо використовувати маховиковий накопичувач в комплекті з вітрогенераторами, вартість яких в даному випадку може бути значно нижча звичайної через невибагливість накопичувача до якості вхідної електроенергії. Дуже перспективне використання маховикових накопичувачів в транспорті, навіть в авіаційному. Оскільки маховиком енергія запасається в вигляді кінетичної енергії, доцільніше збільшувати не масу маховика, а його швидкість. Наприклад, досягнута міцність якісних сплавів і композиційних матеріалів дозволяє використовувати маховик діаметром 0,1 м при кутовій швидкості 500 000 об/сек. При такій швидкості 1 кг. маховика накопичує 6,13 ГДж енергії, що приблизно відповідає 200 літрам бензину, а з урахуванням ККД двигунів внутрішнього згоряння енергія 1 кг такого маховика відповідає близько 600 літрам бензину. Як відомо, втрати на тертя в підшипниках кочення обумовлені деформацією поверхні кочення під тілами кочення, яка зростає із збільшенням маси. Тому доцільніше використовувати найміцніші матеріали для маховика і збільшувати його швидкість, ніж збільшувати його масу. Щоб виключити зайві втрати, маховиковий накопичувач необхідно розмістити в вакуумному корпусі; для виключення великих інерційних навантажень кріплення корпусу повинно забезпечувати вільне його обертання в будь-якій площині. Великі інерційні навантаження можуть виникати навіть в стаціонарних маховикових накопичувачах внаслідок обертання Землі. Для їх уникнення вісь обертання маховика може бути розміщена паралельно осі обертання Землі, але в такому випадку матеріал маховика безперервно піддається знакоперемінним навантаженням, що небажано. Наполовину менше такі навантаження виникають, якщо вісь обертання корпуса накопичувача паралельна осі обертання Землі і перпендикулярна осі обертання маховика. Корпус накопичувача буде робити один оберт за добу. Якщо між корпусом накопичувача і опорою осі його обертання розмістити редуктор і електрогенератор, то стає можливим використовувати кінетичну енергію обертання Землі. Система таких пристроїв теоретично може викликати зміщення літосферних плит і, таким чином, призвести до дестабілізації земної кори. Тому все-таки краще, щоб корпус маховикового накопичувача вільно міг обертатись в будь-якій площині. В транспортних засобах такий маховиковий накопичувач можливо застосовувати і як гіроскоп. Тривалість економічно доцільного зберігання енергії в такому маховиковому накопичувачі значно більша, ніж в акумуляторі. При використанні підшипників, втрати в яких на 1 кг. маховика складають близько 1 кДж за годину роботи, половина його енергії буде втрачена на тертя в підшипниках приблизно за 350 років, а за рік втрати енергії будуть близько 0,14 %. Досить велика потужність такого накопичувача енергії: якщо обмотки статора за один оберт ротора можуть зняти всього 1 Дж енергії, то при кутовій 1 UA 112759 C2 швидкості обертання ротора 500000 об/сек. потужність буде близько 500 кВт. Маховиковий накопичувач може бути джерелом живлення для електромагнітної чи лазерної зброї. Широке використання запропонованих маховикових накопичувачів в перспективі дозволить повністю перейти на вітрову та сонячну енергію. 5 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 Маховиковий накопичувач енергії, що складається з металічного диска, на осі обертання якого з двох сторін розміщені ротори з короткозамкненою обмоткою, причому діаметр диска більше ніж в 10 раз перевищує діаметр роторів, який розміщено в вакуумному корпусі, причому для виключення великих інерційних навантажень кріплення корпусу виконано з можливістю забезпечення його вільного обертання в будь-якій площині, в корпусі відповідно роторам розміщено статори, який відрізняється тим, що для керування обмотками статорів в маховиковий накопичувач енергії введено датчики кута повороту роторів. 15 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 2