Инерционные накопители энергии (маховики и супермаховики)

Инерционные (динамические) накопители энергии (ИНЭ) работают по схеме: «двигатель раскручивает маховик — маховик накапливает энергию — генератор, вращаемый маховиком, производит электрическую энергию». Их практическое применение в весьма ограниченных масштабах началось ещё в конце XIX — начале XX вв. для кратковременного получения энергии в самых разнообразных технических системах (морские торпеды, прокатные станы, плавильные печи). С середины XX в. масштабы их применения существенно возросли в связи с разработкой новых типов оружия (лучевого, пучкового, электрокинетического), развитием физики высоких энергий [52]. В разных странах, включая СССР, были созданы ИНЭ поистине циклопических размеров с характерными параметрами: диаметр маховика (стального) — 3−5 м, длина — до 6 м, масса — около 200−250 т., выходная («разрядная») мощность — несколько десятков мегаватт, энергоемкость — до 10 МВт-ч, скорость вращения маховика — 1000−1500 об/мин.

Работы, но совершенствованию ИНЭ привели к нескольким оригинальным решениям по уменьшению потерь энергии: маховик размещают в среде легкого газа (водорода, гелия) или в вакууме; используют газостатические, газодинамические или магнитные опоры (подшипники и подпятники); используют маховики сложной конструкции, а в качестве материала маховика не стали, а композиционные волокнистые материалы, 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).

Такие маховики получили название супермаховиков, поскольку обладают рядом преимуществ перед стальными — прежде всего, большой удельной энергоёмкостью (5−15 МДж/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 изготавливаются с применением неметаллических волокон с малой плотностью и высокой механической прочностью (органоволокно — кевлар, стекловолокно и углеродное волокно). Волокнистые материалы удлиняются под растягивающим действием инерционных сил во вращающемся маховике 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 электрической машиной, смонтированной на общем валу с маховиком. Электрическая 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 маховиком 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 10³ МВт ч;
• 2) удельные капиталовложения менее 1000 долл/кВт;
• 3) срок службы около 30 лет;
• 4) удельная энергоёмкость не менее 3,5 кВтч/м" ;
• 5) КПД не ниже 80−85%.

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 дополнительные потери энергии. Такие же эффекты вызовет использование не одного огромного маховика (его масса доходила бы до 1000 т), а нескольких десятков маховиков меньших размеров и более технологичных. Должны также приниматься специальные защитные меры от возможного разрушения (разрыва) маховика.