Как устроены и работают маховичные (кинетические) накопители энергии

FES – аббревиатура, обозначающая «Flywheel energy storage», то есть хранение энергии с применением маховика. Имеется ввиду, что механическая энергия накапливается и хранится в кинетической форме, в процессе вращения на высокой скорости массивного колеса.

Аккумулированная таким способом механическая энергия может быть позже преобразована в электричество, для этого маховичную систему совмещают с обратимой электрической машиной, способной работать и в двигательном, и в генераторном режимах.

Когда энергию необходимо накопить, электрическая машина служит двигателем и раскручивает маховик до требуемой угловой скорости, потребляя при этом электрическую энергию от внешнего источника, по сути — преобразуя энергию электрическую — в энергию механическую (кинетическую). Когда же накопленную энергию нужно отдать в нагрузку, электрическая машина переходит в генераторный режим, и механическая энергия отдается, маховик при этом замедляется.

Самые современные накопители энергии на базе маховиков обладают достаточно высокими показателями удельной мощности, и вполне могут конкурировать с традиционными системами накопления энергии.

Особенно перспективными в этом плане считаются кинетические аккумуляторные установки на базе супермаховиков, где вращающееся тело изготавливается из высокопрочной графеновой ленты. Такие накопители способны накапливать до 1200 Вт*ч (4,4 МДж!) энергии НА 1 КИЛОГРАММ массы.

Новейшие наработки в сфере супермаховиков уже позволили разработчикам отказаться от идеи применения монолитных накопителей в пользу менее опасных ленточных систем.

Дело в том, что монолитные системы представляли опасность в случае аварийного разрыва, да и энергии могли накопить меньше. Ленточные же при разрушении не разлетаются на крупные осколки, а разрушаются лишь частично; при этом отделившиеся части ленты тормозят маховик трением о внутреннюю поверхность корпуса и предотвращают дальнейшее его разрушение.

Высокая удельная энергоемкость супермаховиков, изготавливаемых методом навивки ленты или волокна с натягом, достигается благодаря ряду вспомогательных факторов.

Во-первых, маховик эксплуатируется в вакууме, что сильно снижает трение по сравнению с воздухом. Для этого вакуум в корпусе постоянно должен поддерживаться системой создания и поддержания вакуума.

Во-вторых, система обязана уметь автоматически балансировать вращающееся тело. Для демпфирования вибраций и гироскопических колебаний принимаются специальные технические меры. Словом, маховичные системы весьма требовательны с точки зрения проектирования, посему их разработка — сложнейший инженерный процесс.

Казалось бы, в качестве подшипников лучше подойдут магнитные (в т.ч. сверхпроводящие) подвесы. Однако от низкотемпературных сверхпроводников в подвесах инженерам пришлось отказаться, поскольку они требуют много энергии. Куда лучше для средних скоростей вращения подошли гибридные подшипники качения с керамическими телами. Что же касается высокоскоростных маховиков, то здесь оказалось экономически приемлемым и весьма экономичным применение в подвесах высокотемпературных сверхпроводников.

Одно из главных преимуществ систем хранения FES, после высокой удельной энергоемкости, – их сравнительно продолжительный строк эксплуатации, который может достигать 25 лет. Кстати, КПД маховичных систем на основе лент графена доходит до 95%. Далее стоит отметить скорость зарядки. Она, конечно, зависит от параметров электрической установки.

Для примера, маховичный рекуператор энергии в метро, работающий при разгоне и торможении поезда, заряжается и разряжается за 15 секунд. Считается, что для получения высокой эффективности от маховичной системы хранения, номинальное время ее зарядки и разрядки не должно превышать одного часа.

Применимость систем FES довольно широка. Они могут с успехом применяться на различных грузоподъемных устройствах, давая выигрыш в энергозатратах до 90 % при погрузке-разгрузке. Данные системы могут эффективно применяются для быстрой зарядки аккумуляторов электротранспорта, для стабилизации частоты и мощности в электросетях, в источниках бесперебойного электропитания, в гибридных установках автотранспорта и т.п.

При всем этом у маховичных систем хранения есть примечательные особенности. Так, если применяется материал с высокой плотностью, то удельная энергоемкость накопителя понижается из-за снижения номинальной частоты вращения.

Если же применяется материал низкой плотности, то энергоемкость повышается благодаря повышению частоты вращения, однако при этом усиливаются требования к вакууму, а также к опорам и уплотнениям, кроме того усложняется электрический преобразователь.

Лучше всего в качестве материалов для супермаховиков подходят высокопрочные стальные ленты и волокнистые материалы, такие как кевлар и углеволокно. Наиболее же перспективным материалом, как отмечалось выше, остается графеновая лента в силу не только приемлемых прочностных и плотностных показателей, но главным образом — благодаря безопасности при разрыве.

Возможность разрыва — главное препятствие для создания высокоскоростных маховичных систем. Композитные материалы, которые намотаны и склеены слоями, распадаются быстро, сначала расслаиваясь на нити малого диаметра, которые мгновенно переплетаются и замедляют друг друга, а затем на раскаленный порошок. Контролируемый разрыв (в случае аварии) без повреждений корпуса — одна из главных задач инженеров.

Выделение энергии в результате разрыва можно смягчить с помощью инкапсулированной жидкой или гелеобразной внутренней облицовки корпуса, которая примет на себя энергию в случае разрушения маховика.

Один из способов защиты при разрыве заключается в том, чтобы разместить маховичный накопитель под землей, дабы остановить любые фрагменты, которые в случае аварии разлетятся со скоростью пули. Тем не менее известны случаи когда вылет фрагментов получается вверх из под земли, с разрушением не только корпуса, но и прилегающих построек.

Рассмотрим, наконец, физику процесса. Кинетическая энергия вращающегося тела определяется формулой:

где I – момент инерции вращающегося тела

угловая скорость может быть представлена так:

Например, для СПЛОШНОГО ЦИЛИНДРА момент инерции равен:

и тогда кинетическая энергия для сплошного цилиндра через частоту f получается равна:

где f – частота (в оборотах в секунду), r – радиус в метрах, m – масса в килограммах.

Рассмотрим для понимания грубый пример. Чайник мощностью 3 кВт кипятит воду за 200 секунд. С какой скоростью должен вращаться сплошной цилиндрический маховик весом 10 кг и радиусом 0,5 метров, чтобы в процессе его остановки энергии хватило бы на то, чтобы вода успела закипеть? Пусть КПД нашего генератора-преобразователя (способного работать при любых оборотах) равен 60%.

Решение. Общее количество энергии, необходимое для закипания чайника 200*3000 = 600000 Дж. С учетом КПД, требуется 600000/0,6 = 1000000 Дж. Применив приведенную выше формулу, получим значение 201,3 оборота в секунду.