В прошлых статьях мы рассуждали о путях развития зелёной энергетики, и о том, что это развитие невозможно без эффективных, долговечных, доступных, безопасных и дешёвых накопителей энергии. Причём из всех рассмотренных ранее типов накопителей энергии, нет ни одного, полностью удовлетворяющего этим требованиям. Недостатки есть у всех.
Есть ли альтернатива способам хранения энергии?
Разумеется, что человечество на протяжении своей истории старалось найти оптимальные пути хранения энергии. Например, нагревая камни на костре, древний человек, затем приносил их в своё жилище для обогрева.
В наше время этот принцип лёг в основу песчаной батареи — хранилища тепловой энергии.
Однако такие хранилища пока не очень распространены и, можно сказать, что опыт по их использованию и экономической эффективности пока только собирается. То же самое можно сказать и про гравитационные хранилища энергии — дальше постройки опытных образцов дело пока не продвинулось.
Однако, ведь ещё есть и гидроаккумулирующие электрические станции. Опыт по их постройке и эксплуатации имеется, но для повсеместного применения этот принцип непригоден. Ведь для работы ГАЭС нужен подходящий рельеф местности.
Также несмотря на мощную рекламу, одни из самых распространённых, литий-ионные аккумуляторы, оказываются очень дорогими, выделяющими вредные вещества, да вдобавок ко всему, очень пожароопасными и взрывоопасными.
Даже там, где безопасность должна быть на самом высоком уровне - тоже бывают неприятные инциденты:
Мы говорили об этом в статье:
Скажу больше — все перечисленные системы имеют общий недостаток. При сохранении полученной энергии требуется её преобразовать. Например, при работе ветровых или солнечных электростанций образуется электроэнергия. В накопителях, в зависимости от его конкретного типа, электроэнергия будет преобразована в механическую, тепловую или химическую.
Нужно учитывать, что при этом некоторая часть энергии будет потеряна безвозвратно. Ведь коэффициент полезного действия (КПД) при преобразовании не может быть равен 1. Хорошим показателем будет КПД, равный 0,8. Однако если, мы полученную энергию преобразуем для хранения, а затем, сохранённую энергию преобразуем обратно, то при таком двойном переходе, КПД будет уже меньше и составит 0,64.
Механизмы с маховиком
Логика подсказывает, что для повышения эффективности, преобразовывать полученную энергию не стоит. Но как же эффективно хранить механическую энергию? Есть один способ, притом весьма старый — использовать маховик. При помощи маховика теоретически можно накапливать значительно большее количество энергии.
Такие устройства накопления механической (кинетической) энергии называются гироаккумуляторами.
В качестве такого примера можно привести изобретение И.П. Кулибина. В 1791 году он изготовил коляску с педальным приводом и маховиком — «самокатку». Это транспортное средство, кроме водителя ещё и перевозило двух пассажиров.
Маховик при помощи педалей раскручивался до требуемой скорости, а затем, посредством механической передачи, движение передавалось на колёса. Именно, накопленная в маховике энергия, позволяла «самокатке» без труда преодолевать подъёмы.
Различные изобретатели постоянно экспериментировали с устройствами, в которых применялись маховики. Одним из таких изобретений стала разработка в 1883 году торпеды американским изобретателем Дж. Хауэллом.
Боевая торпеда была оснащена маховичным двигателем, что позволяло ей проходить примерно полтора километра со скоростью 55 км/час. Маховик массой 160 кг и диаметром 45 см в течение одной минуты раскручивался при помощи парового двигателя. При этом частота вращения составляла 21 тысячу об/мин, а величина накопленной энергии равнялась 10 МДж. При помощи шестерёнчатой передачи энергия от маховика передавалось на валы с гребными винтами.
В 1945 году в Швейцарии фирмой «Эрликон» был разработан опытный образец гиробуса — альтернативу грязным и шумным автобусам с двигателями внутреннего сгорания. Также этот вид транспорта должен был заменить троллейбусы, которые требовали непрерывного контакта с проводами.
Гиробус приводился в движение тяговыми электродвигателями, которые получали энергию от генератора, который, в свою очередь, приводился в движение стальным маховиком. Масса маховика составляла полторы тонны, а диаметр — полтора метра.
При подзарядке генератор переключался в режим электродвигателя, а электрическую энергию он получал через специальные штанги, которые выдвигались при остановке. Для зарядки требовалось всего 40 секунд, однако из-за невысокого КПД примерно 50%, требовалось производить остановки через один-два километра.
Фирмой «Эрликон» с 1953 года было выпущено несколько серий таких транспортных средств, которые работали в течении 20 лет не только в Швейцарии, но и в Бельгии и Конго. Причём в Конго были поставлены даже ещё более совершенные модели гиробусов.
Пассажирам нравился плавный ход и отсутствие выхлопных газов. Однако, опыт эксплуатации гиробусов в Конго выявил их низкую надёжность. Из-за низкого качества дорожного покрытия и высокой влажности, подшипники маховиков быстро выходили из строя. Поэтому им требовался ремонт каждый месяц.
Низкая надёжность и вследствие этого высокие затраты на перевозку пассажиров, вместе с небезопасной конструкцией, привели к прекращению эксплуатации гиробусов в 1959 году.
Пути увеличения эффективности гироаккумулятора
Разумеется, что чем больше частота вращения, тем больше и количество запасённой энергии. Вскоре однако выяснилось, что маховики разной формы при увеличении частоты вращения ведут себя по-разному. При равной прочности материала маховики определённой формы менее подвержены разрушению, чем остальные.
Поэтому различные изобретатели долго экспериментировали, пытались найти оптимальную форму.
Однако, изменение формы может дать прирост эффективности не более 30%. Дальнейшее увеличение мощности возможно только при использовании оптимального материала. Стальной маховик может накапливать гораздо больший объём энергии, но при превышении запаса прочности, произойдёт его разрушение. Причём осколки маховика будут обладать огромной энергией и смогут причинить немало проблем. Поэтому при расчётах такие накопители делают с трёхкратным запасом прочности, что конечно, снижает их эффективность.
Но как же повысить удельную прочность для того, чтобы обеспечить требуемую эффективность системы? Как найти материал, который будет безопасен при разрушении маховика? Даже при использовании лучших сортов стали и применении современных способов обработки, внутри заготовки могут образовываться микротрещины, которые неизбежно приведут к разрушению.
Решить эту проблему удалось советскому и российскому учёному Нурбей Владимировичу Гулиа. В 1964 году он подаёт заявку на изобретение маховика, состоящего из нескольких тысяч витков прочной стальной ленты. Такая конструкция супермаховика обеспечивала возможность запаса от 80 до 130 кДж/кг энергии.
Кроме того, при превышении предела скорости разрушения всего маховика не будет. Вместо этого разорвётся внешняя лента, которая будет самой нагруженной. При этом лента прижмётся к корпусу и затормозит маховик. После остановки ленту можно будет соединить и маховик будет снова пригоден для эксплуатации.
Даже первые образцы супермаховика из стальной ленты демонстрировали плотность энергии примерно 0,1 МДж/кг. Это превышало показатели свинцовых аккумуляторов. Соответственно, если стальную ленту заменить графитовым волокном, то такой маховик сможет запасти энергию от 20 до 30 раз больше.
Однако на эффективность работы такого накопителя сильное влияние будут оказывать силы трения, которые неизбежно будут возникать в подшипниках. Решение этой проблемы также было найдено Н.В. Гулиа. Он предложил использовать магнитную подвеску в качестве основной, а подшипники использовать только для фиксации всей системы.
Для решения проблемы трения изобретатель предложил использовать вакуумную камеру. Кроме того, для того чтобы передавать энергию маховику, можно поместить в камеру электромотор. Соответственно, при передаче энергии от маховика, электромотор будет работать как генератор.
Новейшие разработки
Возможность создания надёжного, эффективного и экологичного хранилища механической энергии привлекает различные компании. В США компанией Beacon Power в 1997 году были разработаны системы хранения энергии на базе супермаховиков, которые могут выдавать мощность от 2 до 200 кВт в зависимости от модели. В 2009 году в США компания завершила постройку регулирующей электростанции мощностью 20 МВт на супермаховиках.
В России также компанией Kinetic Power созданы системы накопления энергии мощностью до 300 кВт. Такая система может эффективно заменить и дополнить гидроаккумулирующие электростанции, обеспечивая выравнивание суточных пиков нагрузки.
На канале есть несколько статей про накопление и получение энергии:
------------------------------------
Статья заинтересовала? Лайк, подписка, комментарий!
Подписывайтесь на Дзен СамЭлектрик.ру и заходите на блог www.SamElectric.ru !
Внимание! Автор не гарантирует, что всё написанное на этой странице - истина. За ваши действия и за вашу безопасность ответственны только вы!
Подписывайтесь, чтобы комментировать. Пожалуйста, в комментариях будьте вежливы и уважайте мнение автора и читателей!
#зеленая энергетика #электрика #энергетика #электропитание #альтернативная энергетика