X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Вопросы накопления, хранения и увеличения плотности накапливаемой энергии связаны с самыми передовыми и перспективными направлениями в науке и технике. От их решения зависит успех, как ряда областей физических исследований, так и большого числа самых разнообразных инженерных проек­тов.

При производстве электроэнергии неотъемлемым эвеном в цепи накопитель энергии – электрогенератор является накопитель энергии [1]. Он играет роль демпфирующего устройства, сглаживающего колебания мощности источника. Стоимость накопителя играет существенную роль в цене производимой электроэнергии.

Среди различных способов накопления и концентрации энергии маховичные, или инерционные аккумуляторы известны наиболее давно [3]. Однако, не­смотря на солидный возраст идеи и огромное количество предложений по устройству и использованию, маховичные системы все еще не нашли широкого применения в современной технике.

Успех в проектировании и изготовлении маховичной системы целиком зависит от того, насколько удачно удается объединить ее элементы, сохранив при этом высокую технико-экономическую эффективность системы. Иными слова­ми, маховичная система, в которую входят, помимо маховика, элементы подвески, устройства подвода и съема энергии, защиты, контроля, а в ряде случаев - и вакуумирования, должна проектироваться и оптимизиро­ваться в целом, с учетом взаимодействия всех ее частей, как и любая сложная техническая система.

Целью моего исследования было изучение маховичного накопителя кинетической энергии. Соответственно, передо мной стояли две задачи: 1) ознакомиться с разновидностями накопителя энергии 2) выявить преимущества использования маховичного способа накопления энергии.

1. Актуальность проектирования накопителей энергии

В последнее время в энергетике все большее внимание уделяется вопросам аккумулирования энергии. РАО ЕЭС России ввело отдельные тарифы на электроэнергию при пиковых нагрузках и в остальное время суток. По сути, речь идет о качестве вырабатываемой электроэнергии [4]. АЭС не могут конкурировать в этом вопросе с тепловыми и газовыми электростанциями, так как для АЭС имеются ограничения маневренных характеристик, в основном связанные с требованиями сохранения целостности ТВЭЛ.

Решение многих современных проблем энергетики, транспорта, сохранение чистоты атмосферы и других, связанных с производством и потреблением энергии, невозможно без таких экологически чистых источников энергии, как энергия ветра, солнечное излучение, энергия течения воды и др.

Последнее пятилетие происходят значительные изменения в автомобильной промышленности. Год от года растут продажи гибридных автомобилей. Перевод парка автомобилей на электрический привод ограничивается на сегодняшний день только низкими удельными параметрами аккумуляторов энергии, в качестве которых используются только электрохимические батареи. Если представить, что все водители авто пересядут на электромобили, это потребует примерно удвоения существующих на сегодня электрогенерирующих мощностей ТЭС и АЭС.

Таким образом, атомная энергетика заинтересована в этом процессе, так как дефицит электроэнергии подхлестнет развитие и атомной энергетики. Прямые разработки высокотехнологичными предприятиями атомной промышленности перспективных аккумуляторов энергии для электромобилей может качественно ускорить этот процесс и подстегнуть строительство новых блоков АЭС. Необходима также будет сеть заправочных станций, закачивающих электроэнергию в аккумуляторы электромобилей и гибридных автомобилей. Наиболее перспективными могут быть разработки маховиков, как наиболее эффективных аккумуляторов по удельным параметрам. В атомной промышленности накоплен большой опыт по производству высокооборотных центрифуг для обогащения урана, который может быть использован и для разработки перспективных маховиков. В этом отношении атомная отрасль имеет некоторое технологическое опережение и высокий интеллектуальный потенциал персонала по сравнению с другими отраслями, что может положительно сказаться на конкурентной способности изделий на базе маховиков.

2. Накопители кинетической энергии

2.1. Виды накопителей энергии

Существуют следующие виды аккумулирующих систем:

• гидроаккумулирующие станции;

• тепловые аккумуляторы;

• аккумулирование энергии с помощью сжатого воздуха;

• батареи;

• маховики;

• аккумуляторы на сверхпроводниках;

• суперконденсаторы;

• плазмоидные аккумуляторы.

- Гидроаккумулирующие станции (ГАС) используются с 1929. ГАС состоит из 2 больших резервуаров, разнесенных по высоте. Для аккумулирования энергии вода закачивается в верхний резервуар. Для выдачи энергии вода сливается в нижний через гидротурбину с генератором [3].

Рис. 1. Гидроаккумулирующая станция (ГАС)

Аккумулирование энергии с помощью ГАС:

• Требует как минимум 100 м подъема воды (разность высот резервуаров);

• Требует искусственного водохранилища значительного объема на высоте или подземного водохранилища;

• КПД гидроподъема и выработки электроэнергии относительно низкое.

- Теплоаккумуляторы – устройства, накапливающие тепло, предназначенное для покрытия пиков тепловой нагрузки или для получения других видов энергии. Устройства такого типа эффективны в прямой зависимости от существующей в агрегате и вокруг него разницы температур. Тепловые аккумуляторы уже использовались на спускаемых аппаратах АМС «Венера-9» [3] и других автоматических зондах для охлаждения аппаратуры.

В рамках Инновационного форума Росатома предлагался проект теплового аккумулятора для блока АЭС с ВВЭР-1000. В настоящее время предлагается схема отбора пара турбины на нагрев аккумулирующего вещества в период низкого энергопотребления и производство дополнительного пара на турбину от саккумулированного тепла в период пиковых нагрузок.

- Химические аккумуляторы – устройства для получения электрического тока и напряжения в результате химической реакции, как правило, в группе из однотипных батарей (многоразовых гальванических элементов), соединенных электрически и конструктивно. В настоящее время широко используются в аэрокосмической технике. Попытки улучшения энергомассовых характеристик этого типа аккумуляторов ведут многие электрические, электронные и автомобильные компании мира.

- Маховики и супермаховики [2, 3]:

Маховики в настоящее время используются очень широко. Исследования по использованию для хранения энергии начаты сравнительно недавно. Маховик состоит из махового колеса, которое вращается с очень высокой скоростью и имеет связь с электрическим аппаратом, который может работать как двигатель или как генератор. Основные проблемы в прочности материала колеса, способного выдержать сверхвысокие скорости вращения.

В развитых странах, таких как США, Англия, Германия, Япония, развернуты обширные исследования различных устройств аккумулирования энергии с использованием маховиков. Однако приоритет в разработках маховичных накопителей и вариаторов принадлежит профессору, доктору технических наук Нурбею Гулиа [2], заведующему кафедрой Московского государственного индустриального университета МГИА (бывший автомобилестроительный ВТУЗ ЗИЛ – МАСИ), которому принадлежат десятки патентов в этой области.

- Сверхпроводящие аккумуляторы [5] – электронакопительные системы, состоящие из бесконечно длинного (замкнутого) проводника с нулевым сопротивлением. Очевидный плюс этой системы – компактность, энергоемкость, способность хранить энергию без потерь на протяжении сколь угодно долгого времени, пока в проводнике будет сохраняться состояние сверхпроводимости. Учитывая, что в настоящее время широко производятся только холодные и теплые сверхпроводники (с хладагентами гелием и азотом соответственно), при длительном использовании такого аккумулятора понадобятся дополнительные расходы энергии на охлаждение сверхпроводников. Наилучшим вариантом было бы создание сверхпроводящего аккумулятора из горячих сверхпроводников, сохраняющих свои свойства при температурах (+100…+200) и выше градусов Цельсия. Работы по созданию таких материалов в настоящее время усиленно ведутся во всем мире.

- Пневматические аккумуляторы [5] - аккумулирование энергии с помощью сжатого воздуха: использует непиковую энергию для сжатия и хранения воздуха в воздухонепроницаемом подземном резервуаре или пещере. При пиковой нагрузке запасенный воздух выпускается из пещеры и пропускается через турбину с генератором. Пневмоаккумуляторы – устройства, накапливающие газ и отдающие ее в моменты наибольшего расходования с преобразованием в другие виды энергии или без этого преобразования.

- Конденсаторные аккумуляторы [5] – системы, накапливающие электрические заряды, состоящие из двух и более подвижных или неподвижных электродов (обкладок), разделенных диэлектриком (бумагой, слюдой, воздухом и др.); самые старые из известных электрических аккумуляторов.

Один из несомненных «плюсов» конденсаторов – способность выдать всю или часть запасенной энергии в самые короткие сроки, один из «минусов» – опасность непредвиденного пробоя, который при мгновенном выделении всей запасенной энергии будет сравним со взрывом. В перспективе конденсаторные батареи вполне могут значительно повысить свои энергомассовые характеристики – настолько, что станут вполне конкурентоспособными с любыми применяющимися аккумуляторами или даже превзойти их. Все зависит от того, сумеют ли современные ученые значительно повысить емкость конденсаторов за счет применения новых технологий, материалов и конструкций.

Суперконденсаторы [5] находятся на самой ранней стадии развития в качестве технологии хранения энергии. Электрохимический конденсатор состоит из двух противоположно заряженных электродов, сепаратора, электролита и сборки. В настоящее время только маленькие суперконденсаторы в диапазоне семи – десяти ватт широко доступны для домашних электрических устройств. Развитие конденсаторов большего масштаба было сосредоточено на электрических транспортных средствах.

- Плазмоаккумуляторы [5] для хранения большого количества энергии используют, свойства и способность плазмы создавать долгоживущие сгустки энергии в виде шаровой молнии.

2.2. Преимущества накопителя кинетической энергии

Наиболее характерной чертой маховичных накопителей энергии является их высокая удельная мощность. Эти устройства могут накапливать и отдавать энергию с очень большой скоростью; развиваемая ими мощность ограничивается лишь характеристиками передачи и предельным крутящим моментом, который выдерживает сам маховик.

Эта особенность маховичных накопителей наиболее полно используется в устройствах, предназначенных для получения кратковременных импульсов большой мощности, в частности в экспериментальных установках для осуществления ядерного синтеза. По аналогии с применявшимися ранее для этой цели электрическими конденсаторами, маховичные накопители энергии часто называют «механическими конденсаторами». Для превращения импульсов механической энергии в электрические применяют генераторы, которые при работе в течение коротких периодов времени могут выдерживать очень большие перегрузки.

Рис. 2. Накопитель кинетической энергии [6]

Использование маховичных накопителей во многих других областях техники не связано со столь жесткими режимами. Типичным примером являются инерциальные стартеры. Для запасания сравнительно небольшого количеств энергии нет необходимости применять высокоэффективные маховики современных конструкций, поскольку обычный недорогой маховик в виде стального диска оказывается вполне приемлемым как по массовым характеристикам, так и по безопасности.

Максимальная окружная скорость в этом случае невысока, и, как правило, можно обойтись даже без вакуумирования корпуса.

Если наряду с низким требуемым уровнем запасаемой энергии достаточен невысокий КПД передачи, то маховик можно связать с приводимым в движение устройством через простую муфту сцепления. Получающаяся при этом легкая, компактная и дешевая система работает с низким, но зачастую вполне достаточным КПД. Однако если маховичный накопитель энергии предназначается для систем, требующих сочетания высокой удельной мощности с довольно высоким КПД передачи и удовлетворительной массовой энергоемкостью, то конструкция накопителя усложняется. В этих случаях необходимо применить современные маховики из новых высокопрочных материалов, несмотря на то, что окружные скорости на периферии таких маховиков очень высоки и приходится использовать сложные вакуумные системы.

Практически полное отсутствие какого бы то ни было загрязнения окружающей среды — химического, термического и, при правильном монтаже системы, акустического — является еще одним достоинством маховичных накопителей энергии. Однако при сравнении маховичных накопителей с аккумуляторами энергии других типов следует принимать во внимание возможность загрязнения, связанную не только с эксплуатацией накопителя, но и с его конструктивными особенностями. Так, при использовании маховика из армированных пластиков возможно выделение вредных для здоровья веществ в процессе его изготовления или при разрушении в результате аварии.

Несмотря на то, что потери энергии в накопителе увеличиваются пропорционально времени ее хранения, КПД собственно маховика очень высок и при эксплуатации в режиме кратковременных импульсов приближается к 100% [2] .

Накопители энергии на базе маховиков обладают рядом существенных преимуществ перед другими видами аккумуляторов: они достаточно компактны, могут работать в широком диапазоне температур, чрезвычайно надежны и не требуют ремонта в течение 15-20-летнего срока эксплуатации, имеют более высокий КПД.

Заключение

Среди различных способов накопления и концентрации энергии маховичные накопители известны давно. Однако не­смотря на солидный возраст идеи и огромное количество предложений по устройству и использованию, маховичные системы все еще не нашли широкого применения в современной технике. Поэтому имеет смысл изучать далее этот вид накопления механической энергии.

Список литературы

Фисенко О. Б. Обзор накопителей (аккумуляторов) энергии. URL: file:///C:/Documents%20and%20Settings/%D0%90%D0%B4%D0%BC%D0%B8%D0%BD/%D0%9C%D0%BE%D0%B8%20%D0%B4%D0%BE%D0%BA%D1%83%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82%D1%8B/Downloads/obzor-nakopiteley-akkumulyatorov-energii%20(1).pdf (дата обращения 31.01. 2018);

Гулиа Н.В. Накопители энергии – М.: Наука, 1980. – 257с.

Джента Д.Ж. Накопление кинетической энергии. – М.: Мир, 1988. – 425 с.

Гидроэлектроэнергия.URL: http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=print&sid=811 (дата обращения 31.01. 2018).

Новая жизнь центрифуги или аккумулирование энергии. URL: http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=print&sid=811 (дата обращения 31.01. 2018).

Испытания накопителя кинетической энергии большой мощности и энергоемкости. URL: https://sohabr.net/post/200186/(дата обращения 31.01. 2018).

Код для цитирования: Скопировать