Применимость маховиков для накопления и преобразования энергии принято оценивать следующими показателями:
e = W / m (м2/c2)
- удельная энергоемкость - отношение накопленной энергии Wмаховика к его массе m; варьировать величину удельной энергоемкости можно путем выбора материала, изменением линейной скорости вращения маховика и выбором рациональной формы маховика;
ex=Wex/ M ( м2/c2)
- удельная эксергия, отношение той части энергии маховика Wex, которая может быть использована в данном техническом решении, к полной массе гироаккумулятора, включая все конструкции, связанные с его работой;
ev = Wex / V (кгћ м-1с-2)
- объемная эксергия, то есть отношение эксергии к объему гироаккумулятора V;
n = Wex / W0
- КПД гироаккумулятора, то есть отношение эксергии к энергии, необходимой для "подзарядки" маховика, восстановления его энергетического запаса. Определяется качеством и совершенством конструкции устройств разгона и рекуперации маховика, явлениями трения и магнитных потерь в маховике;
P* = P/M ( Джћ кг-1)
- удельная мощность; для маховиков практически ничем не ограничена, может доходить до мощности удара. Ограничивается лишь кратковременной мощностью генераторных устройств
Важным фактором для конструкторских решений является также относительная стоимость - стоимость одного Джоуля эксергии, а также величина Psto - мощность,необходимая для поддержания гироаккумулятора на постоянном уровне энергии без ее полезного использования, например, на стоянке.
Приведенные параметры могут относиться также к методам накопления и преобразования энергии на других физических принципах. В таблице 1 дан сравнительный перечень различных видов накопления энергии. ( Меньшая цифра означает бо' льшие преимущества).
Таблица1
Таблица1| Параметр | |||||
| Вид накопителя | e | ex | eV | h | P* |
| Электрохимические аккумуляторы | 1(2?) | 1 | 1 | 3 | 4 |
| Конденсаторные батареи | 3 | 3 | 4 | 2 | 3 |
| Сверхпроводящие соленоиды | 4 | 4 | 3 | 1 | 2 |
| Гироаккумуляторы | 2(1?) | 2 | 2 | 1 | 1 |
Гироаккумуляторы получат приоритет в тех случаях, когда на объектах с независимым источником питания имеются большие колебания мощности потребителя или мощности источника энергии. Такое требование выполняется на транспортных установках, в установках на космических станциях, в установках электромагнитного и лазерного оружия. Гироаккумуляторы получают приоритет и в тех случаях, когда недопустимо внезапное отключение энергии или когда энергия системы имеет взрывной характер.
Наш опыт расчета, проектирования и испытаний энергетических аккумуляторов привел к необходимости соблюдения некоторых принципов, позволяющих гироаккумулятору выйти на "передовые рубежи" в таблице приоритетов ( Таблица 1 ):
Ограничение размеров, в первую очередь, радиуса маховика, вместе с условиями ограничения (задания) частоты питания и скорости вращения заставляют отказаться от классической экспоненциальной формы маховика и заменить его цилиндрической формой со слоистым размещением материалов (многослойная намотка). В идеале возможно было бы значение удельной энергоемкости поднять до значений
e = 0,5v2max = 0,5 ( Ob / p ) ,
где Ob - предел прочности материала на разрыв (Таблица 2). Последний столбец таблицы показывает, до какой линейной скорости можно было бы раскрутить в вакууме тонкое кольцо из выбранного материала до его разрыва центробежными силами.
| Материал | Ob * ,109 (Н/м2) |
r, 103 ( кг/м3) |
e , 105(м2/с2) | vmax (м/с) |
| Стальная проволока | 3,1 | 7,8 | 2,0 | 632 |
| Стекловолокно | 2,1 | 2,1 | 5,0 | 1000 |
| Угольное волокно | 1,22 | 1,1 | 5,5 | 1049 |
| Борное волокно | 5,9 | 2,0 | 14,0 | 1673 |
Так как генератор и двигатель гироаккумулятора никогда не будут действовать одновременно, то выбирается такой их тип, чтобы генератор и двигатель использовали одни и те же обмотки статоров.
Большинству конструкций энергетических маховиков задаются ограничения не только по массе, но и по линейным размерам. Пространство около обода маховика имеет наибольшую "энергетическую ценность". Торцевая электрическая машина в этом случае будет наиболее предпочтительна с точки зрения рационального размещения статора и ротора. Она позволяет всю установку гироаккумулятора превратить в компактный цилиндр, причем торцевые стенки вакуумной камеры выполняются заодно с индукторами электрической машины .(Рис.1)
Рис.1 Гироаккумулятор с торцевым размещением электрических машин:
1,2 - магнитопроводы,
3 - ось, 4 - обмотка,
5 - массив маховика,
6 - корпус,
7 - заливка алюминием роторов на маховике.
Электросиловая часть гироаккумулятора может быть выполнена, например, в следующих вариантах:
- двигатель асинхронного типа, генератор - индукторного типа с подмагничиванием от аккумулятора электрохимического типа малой мощности;
- двигатель асинхронного типа от источника питания переменной частоты, генератор - асинхронный;
- двигатель шагового типа, генератор -индукторный.
Гироаккумулятор может найти широкое применение в различного рода транспортных устройствах: автомобилях, автобусах( а особенности, в двухэтажных), гирокарах и т.д.
Рассмотрим использование гироаккумулятора в гирокаре, оставив подробное описание использование гироаккумулятора в автомобиле для статьи в N 1(3) журнала ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ ( Электронная версия).
ГИРОКАР
Предлагается замена электрохимического аккумулятора электрокара болгарской фирмы БАЛКАНКАР на гироаккумулятор. Превращение электрокара в "гирокар". (Рис.2)
Рис.2
Схема размещения гироаккумулятора и зарядного устройства
на электрокаре типа ЕП 006.2 производства БАЛКАНКАР ( Болгария)
1 -грузовая платформа, 2 - ходовой двигатель, 3 - гироаккумулятор, 4 - индукторный генератор, 5 - статор разгонного торцевого двигателя, 6 - преобразователь частоты, 7 - подъемный механизм.
Статор торцевого двигателя, разгоняющего маховик, размещен на подъемном устройстве, установленном на месте постоянной стоянки гирокара. Ниже приведены конструкционные и расчетные параметры гирокара ( Рис. 1, 2 )
| Размеры маховика | |
| - Внешний радиус,мм | 396 |
| - Внутренний радиус,мм | 208 |
| - Толщина, мм | 300 |
| Масса маховика, кг | 480,7 |
| Максимальное число оборотов, об/мин | 12510 |
| Минимальное число оборотов, об/мин | 6255 |
| Эксергия маховика, Дж | 3,7 х 107 |
| Удельная эксергия маховика, Дж/кг | 6,4 х 104 |
| Вакуум в кожухе маховика, мм.рт.ст. | 0,005 |
| Потери на аэродинамическое трение, Вт | 887 |
| Потери на трение в подшипниках, Вт | 1,4 |
| Время сохранения работоспособности после зарядки, час | 23,4 |
| Момент опрокидывающего усилия, Н х м | 40000 |
Гирокар практически не может опрокинуться во время вращения маховика.
Длина пробега при грузе 3000 кг и скорости 15 км/час составляет 35,8 км.
Для генератора гирокара выбрана схема индукторной машины с намагничиванием от внешнего аккумулятора легкового автомобиля ВАЗ-2105. Цепь намагничивания состоит из коммутатора напряжений по ступеням 6, 8, 12 Вольт, элементов для ограничения наводки переменного тока, цепи подпитки аккумулятора в процессе разгона маховика. Генератор рассчитывается на диапазон ЭДС - 80 / 110 Вольт, то есть согласуется с тяговым двигателем постоянного тока электрокара, рассматриваемого типа.
Гироаккумулятор может использоваться как стабилизирующее средство при движении транспортного устройства (Рис.3)
Рис.3 Схема гироскопической стабилизации корпуса автомобиля гироаккумулятором.
1-корпус автомобиля (поперечный разрез), 2-направление вращения при аварийнойситуации, 3-гироаккумулятор 4-направление его вращения, 5 - направление силы гироскопической реакции.
Можно показать (что и будет сделано в статье в N1(3) за 1998 год журнала ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ ( электронная версия)), что отдельный маховик с вертикальной осью, установленный на автомобиле, при наличии момента, опрокидывающего его на бок, вызывает силу, момент которой противоположен опрокидывающему моменту и имеет по порядку ту же величину. Другими словами можно сказать, что автомобиль сможет двигаться на одной паре колес над пропастью или канавой. Произойдет перераспределение нагрузки между передней и задней колесными парами. При спуске с горы или при подъеме на нее при нескомпенсированности гироскопического эффекта маховика проявится "отрицательный" эффект использования маховика в автомобиле - самопроизвольный разворот вправо или влево. Однако этот эффект может быть легко скомпенсирован рулевым управлением.
В том случае, если гироаккумулятор будет выполнен в виде двух синхронно вращающихся в противоположные стороны маховиков с параллельными осями или на одной общей оси, проблема влияния маховиков на движение транспортного средства отпадает. Колебания, повороты и линейные ускорения будут влиять только на износ подшипников маховиков. При вертикальном расположении осей маховиков нарушение синхронизма маховиков ( передаче энергии от одного к другому) может служить заменой рулевого устройства у кораблей малого и среднего водоизмещения. Эта идея была выдвинута нами совместно с академиком Л.И.Седовым. При расчетах такой системы оказалось, что потери энергии для питания этих маховиков в десятки раз меньше, чем средняя энергия, рассеиваемая на трение в рулевом устройстве.
Дата создания: 30 ноября 1998 год.
Седов Л.И., Кирко И.М. Рулевое устройство судна, А/с 1439929, 22.07.1988 год
Дата публикации: Прочитано: 33870 раз