В детстве у меня была небольшая библиотека из научной и познавательной литературы. Что-то от нее осталось и сейчас и актуально по сей день. Например, журналы «Юный техник». В одной из книг было описание системы накопления кинетической энергии вращения для автомобиля.
Нашел ее название: Н.В. Гулиа «В поисках энергетической капсулы». В грузовик был установлен маховик в корпусе и при торможении энергия передавалась для разгона маховика, а при движении – от него.
В советское время этой темой занимался автор той книги — Нурбей Гулиа:
С 1946 года в Европе делали гиробусы, которые запасали энергию в маховиках на остановках:
Разработка инженера Бьярне Сторсанда. Маховик массой 1,5 т развивал 3000 об/мин. Пробег гиробуса тогда составлял до 6-10 км на одной зарядке. Время подзарядки – до 3 минут. Гиробусы использовали на городских маршрутах в Швейцарии, Бельгии и даже в Конго.
Принцип похож на современные гибридные установки для автомобилей. Но в них накопление энергии происходит в АКБ, а привод от них – от электромотора.
За многие годы наука в системах механического накопления энергии немного продвинулась. Были разработаны супермаховики. Это системы не с монолитными телами вращения, которые опасны при разрушении. А супермаховики – системы с ленточной, волоконной или проволочной навивкой высокой плотности. При возможном разрушении не происходит подобия взрыва с разлетом частей, а система тормозится возникшими силами трения от мелких частей.
Конечно же, для уменьшения сил трения, маховик вращается в вакуумном корпусе. Идеально использование подшипников из высокотемпературных сверхпроводников. Но это сильно повысит стоимость и необходимо постоянный отъем энергии на охлаждение.
Сколько энергии можно запасти? У монолитных маховиков – это значение 2,5 Вт*ч/кг. Выше не получится в целях безопасности. Центробежные силы рвут любой металл. Реальные показатели супермаховиков в наше время: 450 Вт*ч/кг. А вот в графеновых супермаховиках — до 1200 Вт*ч/кг у перспективных моделей. Представляете, в 50 кг супермаховике можно накопить до 60 кВт*ч энергии. Этого хватит до 400 км пробега небольшого по массе автомобиля. Причем КПД преобразования системы – до 95-98%. Фантастика какая-то.
Для сравнения, у литий-ионных АКБ плотность запасенной энергии – 0,15 Вт*ч/кг (540 кДж/кг)
Где можно применить такие супермаховики. Там, где происходит гашение механической энергии движения. Т.е. при торможении. Ее расходовать не на стирание колодок, а в такие накопители. Автомобили, поезда, составы метро (где особо часты торможения). Можно запасти энергию при торможении и ее использовать при разгоне. Это позволит сэкономить как минимум 50% энергии.
Использование в автомобилях в пробках – превосходное решение. При торможении раскручивается маховик, а при движении с малыми скоростями – маховик раскручивает электрогенератор и тот питает электродвигатель на оси авто. Получается электромобиль, но с запасенной энергией в супермаховике.
Еще одна трудность – это возникающий гироскопический эффект в супермаховике. Он может сказываться при поворотах. Т.е. маховик будет поддерживать то положение, при котором его раскрутили. Вопрос решается плавающим подвесом, где маховик остается в своем положении на раме, а транспортное средство поворачивает. Если раскрутка происходит тем же генератором в режиме электродвигателя, то вопрос с приводом к такой раме тоже решается.
Так же накопители на супермаховиках можно применить в лифтах и кранах. Да, и в частном доме тоже можно использовать такие системы. Например, у Вас есть солнечные панели. За день энергия накапливается в маховике (через электропривод), а вечером и ночью или в пасмурные дни – тратится. Не нужны АКБ, которые имеют малый срок эксплуатации. Система из супермаховика может работать по 20-30 лет. Либо накапливать энергию ночью (по ночному тарифу), а днем обогревать дом.
Что бы максимально обезопасить себя и дом от разрушения – систему можно установить в бетонное кольцо, закопанное в землю.
Кто-то скажет, что это все заброшенная теория и из-за того, что технология имеет множество недостатков – к ней нет смысла возвращаться. Это не так. Вот уже как 50 лет в Голландии производятся кинетические системы накопления энергии для резервного электроснабжения на ответственных объектах: военных, медицинских, информационных (дата-центры).
В маховике, который по центру — между дизель-генератором и электрогенератором запасается кинетическая энергия. Далее электродвигателем от электросети поддерживается вращение. При отключении центрального эленктроснабжения, установка моментально выдает электроэнергию. Нет паузы в течении 15-30 секунд, которые необходимы для запуска дизельного агрегата и выхода его на номинальную пощность. Здание на эти секунды не обесточивается.
Схема имеет большую эффективность при мощностях от 1 МВт. Меньше масса по сравнении с накопителями на АКБ такой же мощности. Срок работы – до 30 лет (при обслуживании). Тогда как АКБ нужно менять каждые 5-10 лет (до 5 млн. руб стоимость замены на такую мощность). Раньше делали такие установки. Последние устанавливали на Байконуре. А сейчас голландцы лидеры. За 50 лет они установили 1600 таких резервных кинетических накопителей.
Еще примеры:
В Канаде с 2015 года работают две накопительные электростанция по 5 МВт каждая. На каждой – по 5 супермаховиков весом по 3 тонны каждый. Их скорость вращения – 18 тыс. об/мин.
В США существует еще более серьезный накопитель:
В Пенсильвании установлен накопитель электроэнергии от солнечной электростанции и ветрогенераторов. 200 супермаховиков весом по 2 т запасают суммарно 40 МВт энергии. И подобный проект в Нью-Йорке (на втором слайде) работает уже 9 лет.
Судя по этой фотографии, и NASA разрабатывают компактные системы накопления кинетической энергии:
Возможно, запасенной в супермаховике из углеволокна энергии хватит на весь срок службы небольшого спутника. Как считаете, имеет ли перспективы эта технология?
***
Подписывайтесь на канал, добавляйте его в закладки браузера (Ctrl+D). Впереди много интересной информации.