|
12.2.3. Инерционные накопители энергии
(маховики и супермаховики)
Инерционные (динамические) накопители энергии (ИНЭ) рабо-
тают по схеме: «двигатель раскручивает маховик – маховик накапливает
энергию – генератор, вращаемый маховиком, производит электриче-
скую энергию». Их практическое применение в весьма ограниченных
масштабах началось ещё в конце XIX – начале XX вв. для кратковре-
менного получения энергии в самых разнообразных технических систе-
мах (морские торпеды, прокатные станы, плавильные печи). С середины
XX в. масштабы их применения существенно возросли в связи с разра-
305
боткой новых типов оружия (лучевого, пучкового, электрокинетическо-
го), развитием физики высоких энергий [52]. В разных странах, включая
СССР, были созданы ИНЭ поистине циклопических размеров с харак-
терными параметрами: диаметр маховика (стального) – 3–5 м, длина –
до 6 м, масса – около 200–250 т., выходная («разрядная») мощность –
несколько десятков мегаватт, энергоёмкость – до 10 МВт·ч, скорость
вращения маховика – 1000–1500 об/мин.
Работы по совершенствованию ИНЭ привели к нескольким ори-
гинальным решениям по уменьшению потерь энергии: маховик разме-
щают в среде легкого газа (водорода, гелия) или в вакууме; используют
газостатические, газодинамические или магнитные опоры (подшипники
и подпятники); используют маховики сложной конструкции, а в качест-
ве материала маховика не стали, а композиционные волокнистые мате-
риалы, рис. 12.6.
Рис. 12.6. Конструкции супермаховиков:
а – ленточный (1 – металлическая
лента; 2 – кожух; 3 – лёгкий диск); б – стержневой (1 – волоконные стержни;
2 – обойма); в – ободковый (1 – волоконный обод; 2 – бандаж; 3 – лёгкий диск);
г – дисковый (квазиизотропная композитная конструкция из волокон);
д – ободково-дисковый (1 – волоконный обод; 2 – ленточные спицы)
306
Такие маховики получили название супермаховиков, поскольку
обладают рядом преимуществ перед стальными – прежде всего, боль-
шой удельной энергоёмкостью (5–15 MДж/кг, или 1,40–4,17 кВт·ч/кг),
недостижимой практически для всех известных накопителей энергии,
[53]. Обеспечивается это в основном за счёт двух факторов: а) высокой
механической прочности маховика, позволяющей раскручивать его до
7000 об/мин и более и накапливать большое количество кинетической
энергии, б) возможности накапливать потенциальную энергию в виде
упругой деформации маховика. Современные супермаховики изготав-
ливаются с применением неметаллических волокон с малой плотностью
и высокой механической прочностью (органоволокно – кевлар, стекло-
волокно и углеродное волокно). Волокнистые материалы удлиняются
под растягивающим действием инерционных сил во вращающемся ма-
ховике и запасают кроме кинетической энергии ещё и потенциальную.
Величина последней определяется относительной деформацией волокон
и теоретически может быть соизмерима с кинетической энергией при
большом отношении допустимого напряжения к модулю упругости
(модулю Юнга) материала маховика. Такой маховик может выделять
значительную часть суммарной запасённой энергии при сравнительно
небольшом изменении угловой скорости в процессе торможения, т. е. в
режиме «разряд».
ИНЭ, рассчитанные на применение в ЭЭС для сглаживания пиков
потребляемой мощности, должны работать совместно с обратимой элек-
трической машиной, смонтированной на общем валу с маховиком. Элек-
трическая машина в режиме «заряд» питается от системы переменного
тока (50 или 60 Гц) через умножитель частоты и раскручивает маховик
до номинальной скорости. В режиме «разряд» эта машина вращается ма-
ховиком и работает как генератор электрической энергии, отдаваемой в
ЭЭС. Время реверса мощности – переход от режима «заряд» к режиму
«разряд» – составляет десятые доли секунды. Разработаны проекты ИНЭ
(как правило, вертикальной компоновки) на энергии от 70 до 200 ГДж, с
набором дисковых маховиков диаметром от 4,5 до 18 м, общей высотой
от 6 до 10 м, со скоростями вращения до 7200 об/мин [48].
Согласно [49], применение ИНЭ в ЭЭС будет целесообразным,
если они будут иметь следующие характеристики:
1)
энергоёмкость более 10
3
МВт
ч;
2)
удельные капиталовложения менее 1000 долл/кВт;
3)
срок службы около 30 лет;
4)
удельная энергоёмкость не менее 3,5 кВт·ч/м
3
;
5)
КПД не ниже 80–85 %.
307
Пока они слишком дороги из-за высокой стоимости материалов и
сложности сооружения такой накопительной системы. Например,
вследствие того что угловая скорость маховиков много больше, чем
электрогенераторов, необходимы устройства трансмиссии, которые не
только усложняют и удорожают конструкцию, но и вызывают дополни-
тельные потери энергии. Такие же эффекты вызовет использование не
одного огромного маховика (его масса доходила бы до 1000 т), а не-
скольких десятков маховиков меньших размеров и более технологич-
ных. Должны также приниматься специальные защитные меры от воз-
можного разрушения (разрыва) маховика.
Do'stlaringiz bilan baham: |
