Наши журналы
Опубликовать статью Вход и регистрация
Расширенный поиск
Разделы статьи

РАЗРАБОТКА НАКОПИТЕЛЯ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ МАХОВИКОВОГО ТИПА НА МАГНИТНЫХ ОСЯХ

Научная статья
Руденок А.И.
Руди Д.Ю.
Халитов Н.А.
Нурахмет Е.Е.
Шарков Н.В.
Нифонтова Л.С.
Бубенчиков А.А.
DOI:
https://doi.org/10.18454/IRJ.2016.47.078
Выпуск: № 5 (47), 2016
Опубликована:
2016/05/20
PDF

Руденок А. И.1, Руди Д.Ю.1, Халитов Н.А.1, Нурахмет Е.Е.1, Шарков Н.В.1 Нифонтова Л.С.1, Бубенчиков А.А.2

1 Магистрант, 2 Кандидат технических наук, Омский государственный технический университет

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №16-08-00243 а

РАЗРАБОТКА НАКОПИТЕЛЯ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ МАХОВИКОВОГО ТИПА НА МАГНИТНЫХ ОСЯХ

Аннотация

В данной статье автор рассматривает альтернативу повседневному источнику бесперебойного питания. Значительное внимание уделяется накопителям кинетической энергии маховикового типа на магнитных осях. В статье выяснены особенности этого вида источника бесперебойного питания. Также был проведён сравнительный анализ накопителя относительно электрохимического типа хранения энергии. Прослеживается процесс разработки данного типа, источника бесперебойного питания, и прогресс нескольких компаний работающих в этом направлении.

Ключевые слова: Кинетический накопитель, маховик.

 

Rudenok A.I.1, Rudi D.Yu.1, Khalitov N.A.1, Nurakhmet Y.Y.1, Sharkov N.V.1, Nifontova L.S.1, Bubenchikov A.A.2

1Undergraduate student, 2PhD in Engineering, Omsk State Technical University

DEVELOPMENT DRIVE KINETIC ENERGY OF THE FLYWHEEL TYPE MAGNETIC AXES

Abstract

In this article the author examines the everyday alternative to an uninterruptible power supply. Considerable attention is paid to the kinetic energy of the flywheel storage devices such as magnetic axes. The article clarified the features of this type of uninterruptible power supply. Also, a comparative analysis of the drive with respect to electrochemical energy storage type was held. The author traces the process of developing this type of uninterruptible power supply, and the progress of several companies working in this direction.

Keywords: Kinetic drive, flywheel.

В настоящее время большое распространение получают системы автономного, резервного и дополнительного питания на основе ветровой и солнечной энергии [1-3]. Одной из главных проблем, эффективной и надёжной работы, электрической системы — это хранение электрической энергии. На сегодняшний день широко используется электрохимический тип хранения, у которых присутствует весомый недостаток – недолговечность. Поэтому наиважнейшая цель найти альтернативный накопитель, который соблюдал важным требованиям – это живучесть, высоконадёжность, размеры.

Первостепенным для такой роли подходит Кинетический накопитель маховикового типа на магнитных осях, совместно с электрической машиной, работающая как двигатель, так и генератором.

Это устройство предназначено для запаса и хранения механической энергии для дальнейшего его преобразования в форме электрической энергии. Пополнение запаса происходит благодаря кинетической энергии вращательного движения маховика, который заряжаясь, раскручивается от источника механической энергии. При отключении источника запасённая механическая энергия трансформируется в электрическую благодаря электродвигателю, на рисунке 1 показана кинематический накопитель от компании VYCON [4]

image001

Рис. 1 - Кинематический накопитель от компании VYCON

Основное достоинство кинетического накопителя заключается простота технического обслуживания, высокая экологичность и живучесть (приблизительно до 10 лет), и огромной удельной мощности из всех типов аккумуляторов энергии [4]. В начале устройство не было конкурентно способно с электрохимическими аккумуляторами. За прошедшее время появились сверхпрочные и легкие материалы, повысились характеристики постоянных магнитов, магнитных подшипников, электроники. Благодаря им современные кинетические накопители наделены большой энергоёмкостью и способностью моментально отдавать запас энергии. А также у накопителя отсутствует влияние циклов заряда – разряда на срок эксплуатации и протяжённый эксплуатационный срок махового колеса. [5]

image002

Рис. 2 - Сравнительная характеристика КПД некоторых типов накопителей.

В таблице 1 приведены значения удельного энергосодержания некоторых современных накопителей энергии [5]/

Таблица 1 - Удельное энергосодержание накопителей энергии

Накопитель энергии Удельная энергосодержание, Вт*час/кг
Электрические конденсаторы До 5
Кислотно-свинцовые аккумуляторы 40
Никелевые металл-гидридные аккумуляторы 80
Жидкий азот 100-200
Литые стальные маховики До 15
Супермаховики из углепластиков, стальных лент 100-200

Уже сегодня кинематические накопители нашли применение в разных отраслях начиная от космических технологиях заканчивая автономным электроснабжением потребителя. Ни для кого не секрет, что возобновляемые источники энергии, такие как энергия солнца и ветра, неустойчивы по величине и по времени. Следовательно, есть смысл накопить энергию во время  её выработки, и потом использовать для бесперебойного питания потребителей, когда выработка отсутствует. Такое применение очень хорошо себя проявит в автономных электроснабжениях, где потребитель находится далеко от основного источника питания.

Компанией ENERCON была приведена схема системы автономного электроснабжения, показанная на рисунке 3 [6].

image003

Рис. 3 - Схема системы автономного электроснабжения.

Принцип работы такой схемы прост. Избыток электроэнергии подаётся на электродвигатель накопителя, который раскручивает маховик, в котором запасается энергия. После того, как потребитель возобновил способность потреблять полученную энергию, генератор преобразовывает энергию вращения обратно в электроэнергию [6].

image004 image005
Рис. 4 - POWERBRIDGE 110 Рис. 5 - MLC 200

На сегодняшний день появилось много компаний которые уже изготавливают кинетические накопители. Компания Piller разработала накопитель POWERBRIDGE 110 кВт/4,6 кВт (рисунок 4), являющимся последовательным звеном при переходе потребителя большой мощности от сетевого питания к дизель-генератору. Масса равна 6000 кг, скорость вращения 1800-3600 об/мин [7]ю Также Williams Advanced Engineering создала систему MLC 200 High Power (рисунок 5), которая может выработать от 500 кВт до 6 МВт параллельно с несколькими маховиками [8]. Сильным конкурентом этой системы стала компактный кинетический накопитель энергии (КНЭ) (рисунок 6) от немецкой компании ATZ. По их данным аппарат может запасать энергию до 20 МДж и выдавать мощность 250 кВт, при этом размеры накопителя составляют порядка 1,5 м. [9] На рынке также присутствует отечественный КНЭ от компании КИНЕМАК совместно с корпорацией «Русский сверхпроводник». Данный накопитель может выработать мощность от 22 до 350 кВт. Также накопитель несёт дополнительные функции при работе в сети потребителя, а именно:

  • возможна реализация полной гальванической развязки от сети
  • обеспечивает качество энергоснабжения по ГОСТ 13109-97
  • фильтрует искажения гармоник и скачки напряжения
  • устраняет микро-перебои тока длительностью менее 50 мсек
  • способен выдерживать повторяющиеся пропадания сети [10].

image006

Рис.6 - КНЭ от ATZ

С каждым годом КНЭ становится наиболее актуальной заменой аккумуляторным ИБП. Особенно это доказала компания Beacon Power, установив завод по хранению энергии из 200 КНЭ на основе маховика. Данная компания на 2015 год установила 3 завода: Tyngsboro, Massachusetts; Stephentown, New York; Hazle Township, Pennsylvania. [11] (дата обращения: 10.04.2016.) В одной из выставок проведённые в России был представлен КНЭ от корпорации «Русский сверхпроводник», где он использовался как накопитель регенерационной энергии при торможении железнодорожного транспорта. [10]

При всех преимуществах данного ИБП есть значительный минус – цена. Да на сегодня КНЭ моховидного типа является очень дорогим удовольствием, тем более с использование магнитных подшипников. Но эта цена окупается на середине сроке службы (около 10 лет), при этом затраты на ремонтные работы минимальны. Также можно выделить ещё один недостаток. Мощность накопителя зависит от размеров и массы маховика. Пока невозможно чтоб один накопитель выработал больше 1 МВт. Однако в 2012 году F. Wie и коллеги Университета Цинхуа, в Китае, вырастили углеродную нано трубку, которая позволяет хранить механическую энергию с плотностью выше, чем 1125 Вт/кг и плотностью энергии 144 МВт/кг. Следовательно, дальнейшее развитие углеродных нанотрубок поможет увеличить мощность установки при том же весе. [12]

В заключении можно подвести итог. Кинетический накопитель энергии на основе маховикового типа с использованием магнитных осей является одним их основных альтернатив аккумуляторным источникам бесперебойного питания. В будущем накопитель будет очень сильно распространён с системами, работающими от возобновляемых источников энергии, так как они очень хорошо сказываются на качестве электроэнергии, выработанные от источников ветра и солнца.

Литература

  1. Бубенчиков А.А., Николаев М.И., Киселёв Г.Ю., Есипович Н.В., Феофанов М.К., Шкандюк Д.О. Возможность применения солнечной энергии на территории россии и омской области // Современная наука и практика. 2015. № 4 (4). С. 85-89.
  2. Бубенчиков А.А., Артамонова Е.Ю., Р.А. Дайчман Р.А., Файфер Л.А., Катеров Ф.В., Бубенчикова Т.В. Проблемы применения ветроэнергетических установок в регионах с малой ветровой нагрузкой // Международный научно-исследовательский журнал. 2015. № 5-2 (36). С. 39-43.
  3. Бубенчиков А.А., Киселёв Г.Ю., Киселёв Б.Ю., Есипович Н.В., Николаев М.И. Целесообразность применения гелиоустановок // Современная наука и практика. 2015. № 4 (4). С. 77-80.
  4. [Электронный ресурс] http://www.calnetix.com/ (дата обращения: 10.04.2016.)
  5. [Электронный ресурс] http://eef.misis.ru/sites/default/files/lectures/1-3-6.pdf (дата обращения: 10.04.2016.)
  6. [Электронный ресурс] http://www.enercon.de/en/home/ (дата обращения: 10.04.2016.)
  7. [Электронный ресурс] http://www.piller.com/en-GB/205/energy-storage (дата обращения: 10.04.2016.)
  8. [Электронный ресурс] http://www.worldfutureenergysummit.com/Portal/ (дата обращения: 10.04.2016.)
  9. [Электронный ресурс] http://www.atz-gmbh.com/Products/HTS_bearing/Flywheel/body_flywheel.html (дата обращения: 10.04.2016.)
  10. [Электронный ресурс] http://rhsc.ru/ (дата обращения: 10.04.2016.)
  11. [Электронный ресурс] http://beaconpower.com/ (дата обращения: 10.04.2016.)
  12. [Электронный ресурс] http://www.portalchina.ru/universities/tsinghua.html (дата обращения: 10.04.2016.)

References

  1. Bubenchikov A.A., Nikolaev M.I., Kiselyov G.YU., Esipovich N.V., Feofanov M.K., SHkandyuk D.O. Vozmozhnost' primeneniya solnechnoj ehnergii na territorii rossii i omskoj oblasti // Sovremennaya nauka i praktika. 2015. № 4 (4). S. 85-89.
  2. Bubenchikov A.A., Artamonova E.YU., R.A. Dajchman R.A., Fajfer L.A., Katerov F.V., Bubenchikova T.V. Problemy primeneniya vetroehnergeticheskih ustanovok v regionah s maloj vetrovoj nagruzkoj // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal. 2015. № 5-2 (36). S. 39-43.
  3. Bubenchikov A.A., Kiselyov G.YU., Kiselyov B.YU., Esipovich N.V., Nikolaev M.I. Celesoobraznost' primeneniya gelioustanovok // Sovremennaya nauka i praktika. 2015. № 4 (4). S. 77-80. [electronic resource] http://www.calnetix.com/ (reference date: 10/04/2016.)
  4. [electronic resource] http://eef.misis.ru/sites/default/files/lectures/1-3-6.pdf (reference date: 04/10/2016.)
  5. [electronic resource] http://www.enercon.de/en/home/ (reference date: 10/04/2016.)
  6. [electronic resource] http://www.piller.com/en-GB/205/energy-storage (reference date: 10/04/2016.)
  7. [Electronic resource] http://www.worldfutureenergysummit.com/Portal/ (reference date: 10/04/2016.)
  8. [Electronic resource] http://www.atz-gmbh.com/Products/HTS_bearing/Flywheel/body_flywheel.html (reference date: 10/04/2016.)
  9. [electronic resource] http://rhsc.ru/ (reference date: 10/04/2016.)
  10. [Electronic resource] http://beaconpower.com/ (reference date: 04/10/2016.)
  11. [Electronic resource] http://www.portalchina.ru/universities/tsinghua.html (reference date: 04/10/2016.)