Современные технологии в области транспорта и робототехники лимитируются рядом факторов, один из главных - удельная ёмкость и эксплуатационные характеристики аккумуляторов. Сейчас практически бесспорными лидерами во множестве областей являются литиевые аккумуляторы (Li - Ion, Li - Pol, LiFePo4). Однако и они не обладают необходимой удельной емкостью и эксплуатационными свойствами, достаточными чтобы строить роботов, работающих сутками и в экстремальных условиях. Из недостатков лития основные хорошо известны:
🏴☠️ Узкий диапазон рабочих температур. Для хороших литиевых батарей это -20..+60 гр.
🏴☠️ Опасность возгорания. Несмотря на значительный прогресс в области повышения безопасности технологии - электросамокаты периодически всё равно горят(
🏴☠️ Сравнительно низкий ресурс - ёмкость батареи электросамоката mi pro 2 снижается до 70% после 500 циклов заряда/разряда согласно документации
🏴☠️ Эффективный заряд возможен только токами более определённой величины, соответственно улавливать свободную энергию напрямую в АКБ не так просто.
Любая технология развивается по спирали - достигнув эксплуатационных пределов в одном направлении, мы ищем в архивах старых идей. Одной из старейших концепций в области хранения энергии является маховиковый аккумулятор - FES (Flywheel Energy Storage). Это чисто механическое устройство из детства - волчок.
Энергия идеализированного FES считается очень просто:
Где ω угловая скорость вращения FES, I - его момент инерции. Про момент инерции наверное стоит сказать пару слов.
Это характеристика которая показывает насколько сильно тело сопротивляется изменению скорости вращения вокруг какой либо оси и зависит от геометрического распределения массы тела относительно этой оси. Например для диска момент инерции относительно главной оси симметрии равен
Где m - масса диска, r - его радиус. Тут стоит отметить, что меняя геометрию маховика так, чтобы сосредоточить всю его массу как можно дальше от оси вращения можно добиться увеличения момента инерции практически не меняя его общей массы и габаритов.
Несмотря на примитивность конструкции, для того чтобы сделать FES эффективным хранилищем энергии, необходимо преодолеть лишь несколько основных проблем
🚩 Потери при трении о воздух
🚩 Потери от трения в подшипниках
🚩 Дисбаланс маховика
🚩 Необходимая высокая прочность материала маховика на растяжение
🚩Возникновение гироскопического момента, препятствующего перемещению оси вращения FES
Первая проблема как нетрудно догадаться решается вакуумированием. Вторая - магнитными подшипниками. Да, в машиностроении уже активно используется магнитолевитация, но это тема для отдельной статьи. Скажу только что широко используются так называемые активные магнитные подшипники, которые требуют внешнего электропитания и системы управления. Однако потери энергии на управление кратно меньше потерь в обычных подшипниках качения.
Решения третьей и четвертой проблем определяются современными технологическими возможностями создания и обработки материалов. Дисбаланс маховика увеличивает механические напряжения в материале что приводит к повышению требований прочности маховика. Также большой дисбаланс может привести к разрушительным величинам радиального биения, поэтому требования к точности обработки маховика очень высоки.
Четвертая проблема возникает вследствие возникновения растягивающих усилий в материале маховика при больших скоростях вращения
Из (1) мы видим что энергия маховика пропорциональна квадрату скорости вращения, поэтому мы хотим достигать максимальных скоростей для увеличения плотности энергии. Например FES , разработанный NASA, вращается со скоростью 41000 rpm.
Прочность целиком зависит от используемых материалов и технологии изготовления маховика Таблица 1.
Последняя проблема, к сожалению, является фундаментальной особенностью технологии, с ней можно только смириться. При попытке установки FES на подвижную платформу (например шасси робота) FES будет развивать момент, пропорциональный по модулю скорости поворота его оси в любом направлении кроме вращения вокруг самой оси. Поэтому для обеспечения эффективного движения такой робототехнической платформы, необходимо либо учитывать эту особенность в системе управления движением робота, либо разместить FES на карданном подвесе (как например делали в так называемых гиробусах, транспорте, запасающем энергию в FES).
Первым изобретателем, запатентовавшим FES (супермаховик) в 1964 г. стал советский ученый Н. В. Гулиа, предполагавший использовать их в качестве накопителей энергии для автомобилей и электротранспорта. Позднее при его участии были основаны такие компании - производители FES как KEST и Kinetic Power. В настоящее время FES активно используются для запасания энергии ветряков и других альтернативных источников энергии (BeaconPower, Amber Kinetics), в системах KERS (Kinetic Energy Recovery System) ЖД, автомобильного, велосипедного и другого транспорта (Kinetic Power, Volvo и т.д.), в серверных системах UPS (Active Power).
В завершении приведу ориентировочную сравнительную таблицу основных параметров FES и литиевых АКБ Таблица 2. (источники 1,2,3,4,5,6,7).
Сравнивая FES с лидирующим типом аккумуляторов на рынке，можно предположить что данная технология хранения энергии очень перспективна, главное преодолеть проблемы мобильности и миниатюризации.