Если позволите каплю эмоций, я не перестаю удивляться, какие страсти разгораются каждый раз, когда разговор в этой колонке заходит о «чистой энергии». Накал прошлонедельной дискуссии об эффективности солнечных батарей (см. « ») оказался таким, что, посмотрев со стороны, можно подумать, будто обсуждают большую политику или как минимум сравнивают операционные системы! И лично для меня это лучшее доказательство того, что тема только кажется отработанной и устоявшейся, а на самом деле даже по элементарным вроде бы вопросам (вроде практической пригодности солнечных батарей в облачную погоду) существуют диаметрально противоположные точки зрения. Так что если у вас есть чем крыть, есть цифры, а тем более личный опыт, очень прошу поучаствовать в новой дискуссии. Потому что сегодня я рискну продолжить начатый в две прошедших недели разговор. Ведь энергию Солнца или ветра мало получить, её мало распределить по потребителям, её ещё жизненно важно научиться накапливать!
В самом деле, что проку от той же трёхкиловаттной икеевской солнечной электростанции, занимающей крышу частного дома, если она, способная с избытком удовлетворить потребности целого домохозяйства, работает только в светлое время суток? Идеально было бы накапливать остающийся во время генерации излишек («скушать» три киловатта - не шутка, мало какой бытовой прибор поглощает даже киловатт, и работают такие приборы, как правило, недолго: проточный нагреватель воды, духовка… У меня, правда, греет дом полуторакиловаттный биткойновый риг, но это редкость, согласитесь) и отдавать его по мере надобности ночью. Что ж, предположим, на ночь и сумерки, занимающие, скажем, 18 часов, дому нужны те же самые три киловатта. Значит, бытовой накопитель электроэнергии должен запасти, грубо, 54 киловатт-часа. Много это или мало?
Нормально. И решение этой проблемы «в лоб», установкой электрического аккумулятора приемлемых габаритов и эксплуатационных свойств, то есть литий-ионного, уже возможно. Больше того, выпускаются серийные образцы аккумуляторных батарей именно такой ёмкости: это батареи электромобилей – к примеру, знакомого вам Model S от Tesla Motors, базовая комплектация которого включает батарею с ёмкостью 60 кВт ч. Одна проблема: стоит такое решение 10 тысяч американских долларов, то есть дороже всей солнечной электростанции от той же IKEA. И ценам Элона Маска можно верить: они хоть и собирают свои батареи из чужих элементов (основу производит Panasonic), но используют их не только в автомобилях, а и на бытовых солнечных электростанциях, устанавливаемых компанией Solar City ( , входит в число крупнейших установщиков солнечных батарей в США). Поскольку спроса на такие батареи, естественно, нет, Solar City пока ограничивается установкой сравнительно небольших аккумуляторов, способных поддержать базовые электропотребности среднего дома лишь на время кратковременных перебоев энергоснабжения.
Но это ещё не все плохие новости. Цифра, которую мы получили выше, можно сказать, обывательская. А профессионалы говорят так: запас энергии в доме должен быть минимум на три (облачных) дня, а лучше – на пять (тогда аккумуляторы прослужат дольше)! Так что в существующем виде электрические аккумуляторы неприемлемы даже для домашних нужд, не говоря уже о мощных электростанциях. Но как же быть? И как выкручиваются проектировщики больших энергогенерирующих объектов?
Чтобы ответить на этот вопрос, достаточно посмотреть на вводимые в строй суперсовременные «чистые» электростанции. Скажем, на стартовавшую на днях в Штатах станцию Solana - занимающую площадь в несколько квадратных километров и самую мощную на планете (280 МВт, 70 тысяч среднестатистических домохозяйств). Так вот: никакого нанотеха, никаких чудес электрохимии. Всё просто: часть собранного солнечного тепла пускают на нагрев здоровенного резервуара с расплавом соли (некоторые соли, скажем, глауберова, твёрдые в охлаждённом состоянии, переходят в жидкую форму при нагревании), и ночью возвращаемое солью тепло нагревает воду до пара и крутит турбину. И вот это решение (точнее, его масштабы) называют «поворотной точкой для солнечной энергетики»! Вот он, пик чистых технологий XXI века: солевая грелка за два миллиарда долларов!
Это и смешно, и грустно одновременно. Смешно - потому что в задаче аккумуляции энергии мы никак не уйдём от технологий столетней давности. Грустно - потому что решение этой задачи, насколько мне известно, существует давно, а честь открытия и разработки принадлежит нашему соотечественнику. Называется оно странным словом «супермаховик».
Должен предупредить сразу: описывая это творение инженерной мысли, я не могу быть абсолютно объективным. Потому что книга про супермаховик попала в мои руки, когда мне было что-то около десяти лет, и стала одним из кирпичиков, на которых и сформировалось моя любовь к технике. Поэтому ещё раз повторю, что буду рад любым доводам и аргументам. Но - к сути. В далёком 1986 году издательство «Детская литература» (!) выпустило книгу советского изобретателя Нурбея Гулиа «В поисках “энергетической капсулы”» (её копия, как раритетного издания, есть в Сети). С юмором и очень просто Гулиа описывает в ней своё становление инженера (так решили его знакомые: мол, если других талантов нет, дорога одна!) и выход на задачу, которая стала главной в его жизни. Это задача аккумуляции энергии - уже тогда, тридцать лет назад, стоявшая в полный рост. Перебрав механические, термические, электрические, химические решения, заглянув в то, что вскоре станет нанотехнологиями, Гулиа отверг их все по тем или иным причинам - и остановился на идее, известной с древности: массивном вращающемся теле, маховике.
Мы находим маховик везде, от гончарного круга и примитивных водяных насосов до транспортных средств XX века и космических гироскопов. Как аккумулятор энергии он замечателен тем, что его можно быстро разогнать («зарядить») и быстро же остановить (получив значительную мощность «на выходе»). Одна проблема: энергоёмкость его недостаточна, чтобы претендовать на роль универсальной «энергетической капсулы». Плотность запасаемой энергии необходимо увеличить хотя бы в сотню раз. Но как это сделать? Увеличим скорость - маховик разорвёт и запасённая энергия причинит страшные разрушения. Наращивать габариты тоже не всегда возможно. Пропуская многолетний, интереснейший пласт исследований и размышлений (очень рекомендую книгу, читается и сегодня совершенно современно!), собственно вклад Гулиа можно свести к следующему: он предложил делать маховик не монолитным, а навивать - например, из стального троса или ленты. Возрастает прочность, низводятся до ничтожных последствия разрыва, а энергоёмкость даже самодельных образцов превышает параметры промышленных разработок. Эту конструкцию он и назвал супермаховиком (и запатентовал один из первых вариантов ещё в 1964-м).
Прорабатывая идею, он пришёл к мысли навивать маховик из графитового волокна (не забывайте, что фуллерены тогда только получили, а о графене и речи не шло), а то и более экзотических материалов вроде азота. Но даже 20-килограммовый супермаховик из углеродных волокон, технически возможный уже тогда, тридцать лет назад, был способен запасти энергию, достаточную для передвижения легкового автомобиля на 500 километров, со средней стоимостью стокилометрового броска в 60 американских центов.
В случае с супермаховиками нет смысла возиться со сравнительными оценками - будь то запасаемая на единицу массы энергия или эксплуатационные характеристики: теоретически они превосходят все имеющиеся альтернативные решения. И области применения напрашивались сами собой. Помещённый в вакуум, на магнитной подвеске, с КПД выше 90%, выдерживающий невообразимое число циклов заряда-разряда, способный работать в широчайших диапазонах температур, супермаховик способен вращаться годами и обещал фантастические вещи: автомобиль от одной зарядки мог бы бегать тысячи километров, а то и весь срок службы, электростанция с упрятанным в фундамент многосотметровым супермаховиком запасала бы энергию, достаточную для освещения всей Земли, и так далее, и так далее. Но вот вопрос: прошло тридцать лет, почему мы же не видим супермаховиков вокруг себя?
Сказать по правде, я не знаю ответа. Технические сложности? Да, и конструкция супермаховика, и плавный отбор энергии - задачи с большой буквы, но они вроде бы решены. Время от времени слышно о мелких, узконишевых применениях. Но именно там, где на него возлагались главные надежды - в энергетике и автомобилестроении - супермаховик массового применения не нашёл. Пару лет назад американская компания Beacon Power ввела в строй небольшую супермаховичную энергоаккумулирующую станцию под Нью-Йорком, но сегодня о проекте ничего не слышно, а сама компания перебивается с хлеба на воду.
Нурбей Гулиа по-прежнему работает над совершенствованием своего детища и год назад отметился сообщением о возможности постройки графенового супермаховика (с расчётной удельной энергоёмкостью 1,2 кВт*ч/кг, то есть на порядок выше литий-ионных аккумуляторов). Но, если я правильно понимаю, коммерческого успеха он добился с другой своей разработкой (супервариатором, оригинальной механической передачей), а вот супермаховик почему-то остаётся под знаком вопроса.
P. S. Я попросил Нурбея Владимировича поучаствовать в дискуссии (хоть надежда, сами понимаете, слабая: на личном сайте его натурально одолевают поклонники).
Этот материал составлен на основе статьи «Обзор типов накопителей энергии», ранее опубликованной на http://khd2.narod.ru/gratis/accumul.htm, с добавлением нескольких абзацев из других источников, например, http://battery-info.ru/alternatives.
Одна из основных проблем альтернативной энергетики — неравномерность поступления ее из возобновляемых источников. Солнце светит только днем и в безоблачную погоду, ветер то дует, а то утихнет. Да и потребности в электроэнергии не постоянны, например, на освещение днем ее требуется меньше, вечером — больше. А людям нравится, когда по ночам города и деревни залиты огнями иллюминаций. Ну, или хотя бы просто улицы освещены. Вот и возникает задача — сохранить полученную энергию на какое-то время, чтобы использовать тогда, когда потребность в ней максимальна, а поступление недостаточно.
ГАЭС TaumSauk в США. Несмотря на небольшую мощность известна всему миру благодаря верхнему бассейну в форме сердца.
Существуют и менее масштабные гидравлические накопители гравитационной энергии. Вначале перекачиваем 10 т воды из подземного резервуара (колодца) в емкость на вышке. Затем вода из емкости под действием силы тяжести перетекает обратно в резервуар, вращая турбину с электрогенератором. Срок службы такого накопителя может составлять 20 и более лет. Достоинства: при использовании ветродвигателя последний может непосредственно приводить в движение водяной насос, вода из емкости на вышке может использоваться для других нужд.
К сожалению, гидравлические системы труднее поддерживать в должном техническом состоянии, чем твердотельные, - прежде всего это касается герметичности резервуаров и трубопроводов и исправности запорного и перекачивающего оборудования. И ещё одно важное условие - в моменты накопления и использования энергии рабочее тело (по крайней мере, его достаточно большая часть) должно находиться в жидком агрегатном состоянии, а не пребывать в виде льда или пара. Зато иногда в подобных накопителях возможно получение дополнительной даровой энергии, - скажем, при пополнении верхнего резервуара талыми или дождевыми водами.
Накопители механической энергии
Механическая энергия проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или их частиц. К ней относят кинетическую энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин).
Гироскопические накопители энергии
Гироскопический накопитель Уфимцева.
В гироскопических накопителях энергия запасается в виде кинетической энергии быстро вращающегося маховика. Удельная энергия, запасаемая на каждый килограмм веса маховика, значительно больше той, что можно запасти в килограмме статического груза, даже подняв его на большую высоту, а последние высокотехнологичные разработки обещают плотность накопленной энергии, сравнимую с запасом химической энергии в единице массы наиболее эффективных видов химического топлива. Другой огромный плюс маховика - это возможность быстрой отдачи или приёма очень большой мощности, ограниченной лишь пределом прочности материалов в случае механической передачи или «пропускной способностью» электрической, пневматической либо гидравлической передач.
К сожалению, маховики чувствительны к сотрясениям и поворотам в плоскостях, отличных от плоскости вращения, поскольку при этом возникают огромные гироскопические нагрузки, стремящиеся погнуть ось. К тому же время хранения накопленной маховиком энергии относительно невелико и для традиционных конструкций обычно составляет от нескольких секунд до нескольких часов. Далее потери энергии на трение становятся слишком заметными… Впрочем, современные технологии позволяют кардинально увеличить время хранения - вплоть до нескольких месяцев.
Наконец, ещё один неприятный момент - запасённая маховиком энергия прямо зависит от его скорости вращения, поэтому по мере накопления или отдачи энергии скорость вращения всё время меняется. В то же время в нагрузке очень часто требуется стабильная скорость вращения, не превышающая нескольких тысяч оборотов в минуту. По этой причине чисто механические системы передачи энергии на маховик и обратно могут оказаться слишком сложными в изготовлении. Иногда упростить ситуацию может электромеханическая передача с использованием мотор-генератора, размещённого на одном валу с маховиком или связанного с ним жёстким редуктором. Но тогда неизбежны потери энергии на нагрев проводов и обмоток, которые могут быть гораздо выше, чем потери на трение и проскальзывание в хороших вариаторах.
Особенно перспективны так называемые супермаховики , состоящие из витков стальной ленты, проволоки или высокопрочного синтетического волокна. Навивка может быть плотной, а может иметь специально оставленное пустое пространство. В последнем случае по мере раскручивания маховика витки ленты перемещаются от его центра к периферии вращения, изменяя момент инерции маховика, а если лента пружинная, то и запасая часть энергии в энергии упругой деформации пружины. В результате в таких маховиках скорость вращения не так прямо связана с накопленной энергией и гораздо стабильнее, чем в простейших цельнотелых конструкциях, а их энергоёмкость заметно больше. Помимо большей энергоёмкости, они более безопасны в случае различных аварий, так как в отличии от осколков большого монолитного маховика, по своей энергии и разрушительной силе сравнимых с пушечными ядрами, обломки пружины обладают гораздо меньшей «поражающей способностью» и обычно достаточно эффективно тормозят лопнувший маховик за счёт трения о стенки корпуса. По этой же причине и современные цельнотелые маховики, рассчитанные на работу в режимах, близких к переделу прочности материала, часто изготавливаются не монолитными, а сплетёнными из тросов или волокон, пропитанных связующим веществом.
Современные конструкции с вакуумной камерой вращения и магнитным подвесом супермаховика из кевларового волокна обеспечивают плотность запасённой энергии более 5 МДж/кг, причём могут сохранять кинетическую энергию неделями и месяцами. По оптимистичным оценкам, использование для навивки сверхпрочного «суперкарбонового» волокна позволит увеличить скорость вращения и удельную плотность запасаемой энергии ещё во много раз - до 2-3 ГДж/кг (обещают, что одной раскрутки такого маховика весом 100-150 кг хватит для пробега в миллион километров и более, т.е. на фактически на всё время жизни автомобиля!). Однако стоимость этого волокна пока также во много раз превышает стоимость золота, так что подобные машины ещё не по карману даже арабским шейхам… Подробнее о маховичных накопителях можно почитать в книге Нурбея Гулиа .
Гирорезонансные накопители энергии
Эти накопители представляют собой тот же самый маховик, но выполненный из эластичного материала (например, резины). В результате у него появляются принципиально новые свойства. По мере нарастания оборотов на таком маховике начинают образовываться «выросты»-«лепестки» - сначала он превращается в эллипс, затем в «цветок» с тремя, четырьмя и более «лепестками»… При этом после начала образования «лепестков» скорость вращения маховика уже практически не меняется, а энергия запасается в резонансной волне упругой деформации материала маховика, формирующей эти «лепестки».
Такими конструкциями в конце 1970-х и начале 1980-х годов в Донецке занимался Н.З.Гармаш. Полученные им результаты впечатляют - по его оценкам, при рабочей скорости маховика, составляющей всего 7-8 тысяч об/мин, запасённой энергии было достаточно для того, чтобы автомобиль мог проехать 1500 км против 30 км с обычным маховиком тех же размеров. К сожалению, более свежие сведения об этом типе накопителей неизвестны.
Механические накопители с использованием сил упругости
Этот класс устройств обладает очень большой удельной ёмкостью запасаемой энергии. При необходимости соблюдения небольших габаритов (несколько сантиметров) его энергоёмкость - наибольшая среди механических накопителей. Если требования к массогабаритным характеристикам не столь жёсткие, то большие сверхскоростные маховики превосходят его по энергоёмкости, но они гораздо более чувствительны к внешним факторам и обладают намного меньшим временем хранения энергии.
Пружинные механические накопители
Сжатие и распрямление пружины способно обеспечить очень большой расход и поступление энергии в единицу времени - пожалуй, наибольшую механическую мощность среди всех типов накопителей энергии. Как и в маховиках, она ограничена лишь пределом прочноcти материалов, но пружины обычно реализуют рабочее поступательное движение непосредственно, а в маховиках без довольно сложной передачи не обойтись (не случайно в пневматическом оружии используются либо механические боевые пружины, либо баллончики с газом, которые по своей сути являются предварительно заряженными пневматическими пружинами; до появления огнестрельного оружия для боя на дистанции применялось также именно пружинное оружие - луки и арбалеты, ещё задолго до новой эры полностью вытеснившие в профессиональных войсках пращу с её кинетическим накоплением энергии).
Срок хранения накопленной энергии в сжатой пружине может составлять многие годы. Однако следует учитывать, что под действием постоянной деформации любой материал с течением времени накапливает усталость, а кристаллическая решётка металла пружины потихоньку изменяется, причём чем больше внутренние напряжения и чем выше окружающая температура, тем скорее и в большей степени это произойдёт. Поэтому через несколько десятилетий сжатая пружина, не изменившись внешне, может оказаться «разряженной» полностью или частично. Тем не менее, качественные стальные пружины, если они не подвергаются перегреву или переохлаждению, способны работать веками без видимой потери ёмкости. Например, старинные настенные механические часы с одного полного завода по-прежнему идут две недели - как и более полувека назад, когда они были изготовлены.
При необходимости постепенной равномерной «зарядки» и «разрядки» пружины обеспечивающий это механизм может оказаться весьма сложным и капризным (загляните в те же механические часы - по сути, множество шестерёнок и других деталей служат именно этой цели). Упростить ситуацию может электромеханическая передача, но она обычно накладывает существенные ограничения на мгновенную мощность такого устройства, а при работе с малыми мощностями (несколько сот ватт и менее) её КПД слишком низок. Отдельной задачей является накопление максимальной энергии в минимальном объёме, так как при этом возникают механические напряжения, близкие к пределу прочности используемых материалов, что требует особо тщательных расчётов и безупречного качества изготовления.
Говоря здесь о пружинах, нужно иметь в виду не только металлические, но и другие упругие цельнотелые элементы. Самые распространённые среди них - это резиновые жгуты. Кстати, по энергии, запасаемой на единицу массы, резина превосходит сталь в десятки раз, зато и служит она примерно во столько же раз меньше, причём, в отличии от стали, теряет свои свойства уже через несколько лет даже без активного использования и при идеальных внешних условиях - в силу относительно быстрого химического старения и деградации материала.
Газовые механические накопители
В этом классе устройств энергия накапливается за счёт упругости сжатого газа. При избытке энергии компрессор закачивает газ в баллон. Когда требуется использовать запасённую энергию, сжатый газ подаётся в турбину, непосредственно выполняющую необходимую механическую работу или вращающую электрогенератор. Вместо турбины можно использовать поршневой двигатель, который более эффективен при небольших мощностях (кстати, существуют и обратимые поршневые двигатели-компрессоры).
Практически каждый современный промышленный компрессор оснащён подобным аккумулятором - ресивером. Правда, давление там редко превышает 10 атм, и потому запас энергии в таком ресивере не очень большой, но и это обычно позволяет в несколько раз увеличить ресурс установки и сэкономить энергию.
Газ, сжатый до давления в десятки и сотни атмосфер, может обеспечить достаточно высокую удельную плотность запасённой энергии в течение практически неограниченного времени (месяцы, годы, а при высоком качестве ресивера и запорной арматуры - десятки лет, - недаром пневматическое оружие, использующее баллончики со сжатым газом, получило такое широкое распространение). Однако входящие в состав установки компрессор с турбиной или поршневой двигатель, - устройства достаточно сложные, капризные и имеющие весьма ограниченный ресурс.
Перспективной технологией создания запасов энергии является сжатие воздуха за счет доступной энергии в то время, когда непосредственная потребность в последней отсутствует. Сжатый воздух охлаждается и хранится при давлении 60-70 атмосфер. При необходимости расходовать запасенную энергию, воздух извлекается из накопителя, нагревается, а затем поступает в специальную газовую турбину, где энергия сжатого и нагретого воздуха вращает ступени турбины, вал которой соединен с электрическим генератором, выдающим электроэнергию в энергосистему.
Для хранения сжатого воздуха предлагается, например, использовать подходящие горные выработки или специально создаваемые подземные емкости в соляных породах. Концепция не нова, хранение сжатого воздуха в подземной пещере было запатентовано еще в 1948 году, а первый завод с накопителем энергии сжатого воздуха (CAES - compressed air energy storage) с мощностью 290 МВт работает на электростанции Huntorf в Германии с 1978 года. На этапе сжатия воздуха большое количество энергии теряется в виде тепла. Эта утерянная энергия должна быть компенсирована сжатому воздуху до этапа расширения в газовой турбине, для этого и используется углеводородное топливо, с помощью которого повышают температуру воздуха. Это значит, что установки имеют далеко не стопроцентный КПД.
Существует перспективное направление для повышения эффективности CAES. Оно заключается в удержании и сохранении тепла, выделяющегося при работе компрессора на этапе сжатия и охлаждения воздуха, с последующим его повторным использованием при обратном нагреве холодного воздуха (т.н. рекуперация). Тем не менее, этот вариант CAES имеет существенные технические сложности, особенно в направлении создания системы длительного сохранения тепла. В случае решения этих проблем, AA-CAES (Advanced Adiabatic-CAES) может проложить путь для крупномасштабных систем хранения энергии, проблема была поднята исследователями по всему миру.
Участники канадского стартапа Hydrostor другое необычное решение - закачивать энергию в подводные пузыри.
Накопление тепловой энергии
В наших климатических условиях очень существенная (зачастую - основная) часть потребляемой энергии расходуется на обогрев. Поэтому было бы очень удобно аккумулировать в накопителе непосредственно тепло и затем получать его обратно. К сожалению, в большинстве случаев плотность запасённой энергии очень мала, а сроки её сохранения весьма ограничены.
Существуют тепловые аккумуляторы с твёрдым либо плавящимся теплоаккумулирующим материалом; жидкостные; паровые; термохимические; с электронагревательным элементом. Тепловые аккумуляторы могут подключаться в систему с твердотопливным котлом, в гелиосистему или комбинированную систему.
Накопление энергии за счёт теплоёмкости
В накопителях этого типа аккумулирование тепла осуществляется за счет теплоемкости вещества, служащего рабочим телом. Классическим примером теплового аккумулятора может служить русская печь. Ее протапливали один раз в день и она потом обогревала дом в течение суток. В наше время под тепловым аккумулятором чаще всего подразумевают ёмкости для хранения горячей воды, обшитые материалом с высокими теплоизоляционными свойствами.
Существуют теплоаккумуляторы и на основе твердых теплоносителей, например, в керамических кирпичах.
Различные вещества обладают разной теплоёмкостью. У большинства она находится в пределах от 0.1 до 2 кДж/(кг·К). Аномально большой теплоёмкостью обладает вода - её теплоёмкость в жидкой фазе составляет примерно 4.2 кДж/(кг·К). Более высокую теплоёмкость имеет только весьма экзотический литий - 4.4 кДж/(кг·К).
Однако помимо удельной теплоёмкости (по массе) надо учитывать и объёмную теплоёмкость , позволяющую определить, сколько тепла нужно, чтобы изменить на одну и ту же величину температуру одного и того же объёма различных веществ. Она вычисляется из обычной удельной (массовой) теплоёмкости умножением её на удельную плотность соответствующего вещества. На объёмную теплоёмкость следует ориентироваться тогда, когда важнее объём теплоаккумулятора, чем его вес. Например, удельная теплоёмкость стали всего 0.46 кДж/(кг·К), но плотность 7800 кг/куб.м, а, скажем, у полипропилена - 1.9 кДж/(кг·К) - в 4 с лишним раза больше, однако плотность его составляет всего 900 кг/куб.м. Поэтому при одинаковом объёме сталь сможет запасти в 2.1 раза больше тепла, чем полипропилен, хотя и будет тяжелее почти в 9 раз. Впрочем, благодаря аномально большой теплоёмкости воды ни один материал не может превзойти её и по объёмной теплоёмкости. Однако объёмная теплоемкость железа и его сплавов (сталь, чугун) отличается от воды менее, чем на 20% - в одном кубическом метре они могут запасти более 3.5 МДж тепла на каждый градус изменения температуры, чуть-чуть меньше объёмная теплоёмкость у меди - 3.48 МДж/(куб.м·К). Теплоёмкость воздуха в нормальных условиях составляет примерно 1 кДж/кг, или 1.3 кДж/куб.м, поэтому чтобы нагреть кубометр воздуха на 1°, достаточно охладить на тот же градус чуть менее 1/3 литра воды (естественно, более горячей, чем воздух).
В силу простоты устройства (что может быть проще неподвижного сплошного куска твёрдого вещества либо закрытого резервуара с жидким теплоносителем?) подобные накопители энергии имеют практически неограниченное число циклов накопления-отдачи энергии и очень длительный срок службы - для жидких теплоносителей до высыхания жидкости либо до повреждения резервуара от коррозии или других причин, для твёрдотельных отсутствуют и эти ограничения. Но вот время хранения весьма ограничено и, как правило, составляет от нескольких часов до нескольких суток - на больший срок обычная теплоизоляция удержать тепло уже не способна, да и удельная плотность запасаемой энергии невелика.
Наконец, следует подчеркнуть ещё одно обстоятельство, - для эффективной работы важна не только теплоёмкость, но и теплопроводность вещества теплоаккумулятора. При высокой теплопроводности даже на достаточно быстрые изменения наружных условий теплоаккумулятор отреагирует всей своей массой, а следовательно и всей запасённой энергией - то есть максимально эффективно. В случае же плохой теплопроводности среагировать успеет только поверхностная часть теплоаккумулятора, а до глубинных слоёв кратковременные изменения внешних условий просто не успеют дойти, и существенная часть вещества такого теплоаккумулятора будет фактически исключена из работы. Полипропилен, упомянутый в рассмотренном чуть выше примере, имеет теплопроводность почти в 200 раз меньше, чем сталь, и потому, невзирая на достаточно большую удельную теплоёмкость, эффективным теплоаккумулятором быть не может. Впрочем, технически проблема легко решается организацией специальных каналов для циркуляции теплоносителя внутри теплоаккумулятора, но очевидно, что такое решение существенно усложняет конструкцию, снижает её надёжность и энергоёмкость и непременно будет требовать периодического техобслуживания, которое вряд ли нужно монолитному куску вещества.
Как это не покажется странным, иногда нужно бывает накапливать и хранить не тепло, а холод. В США уже более десяти лет работают компании, которые предлагают «аккумуляторы» на основе льда для установки в кондиционеры воздуха. В ночное время, когда электроэнергии в избытке и она продаётся по сниженным тарифам, кондиционер замораживает воду, то есть переходит в режим холодильника. В дневное время он потребляет в несколько раз меньше энергии, работая как вентилятор. Энергопрожорливый компрессор на это время отключается. Подробнее .
Накопление энергии при смене фазового состояния вещества
Если внимательно посмотреть на тепловые параметры различных веществ, то можно увидеть, что при смене агрегатного состояния (плавлении-твердении, испарении-конденсации) происходит значительное поглощение или выделение энергии. Для большинства веществ тепловой энергии таких превращений достаточно, чтобы изменить температуру того же количества этого же вещества на многие десятки, а то и сотни градусов в тех диапазонах температур, где его агрегатное состояние не меняется. А ведь, как известно, пока агрегатное состояние всего объёма вещества не станет одним и тем же, его температура практически постоянна! Поэтому было бы очень заманчиво накапливать энергию за счёт смены агрегатного состояния - энергии накапливается много, а температура изменяется мало, так что в результате не потребуется решать проблемы, связанные с нагревом до высоких температур, и в то же время можно получить хорошую ёмкость такого теплоаккумулятора.
Плавление и кристаллизация
К сожалению, в настоящее время практически нет дешёвых, безопасных и устойчивых к разложению веществ с большой энергией фазового перехода, температура плавления которых лежала бы в наиболее актуальном диапазоне - примерно от +20°С до +50°С (максимум +70°С - это ещё относительно безопасная и легко достижимая температура). Как правило, в этом диапазоне температур плавятся сложные органические соединения, отнюдь не полезные для здоровья и зачастую быстро окисляющиеся на воздухе.
Пожалуй, наиболее подходящими веществами являются парафины, температура плавления большинства которых в зависимости от сорта лежит в диапазоне 40..65°С (правда, существуют и «жидкие» парафины с температурой плавления 27°С и менее, а также родственный парафинам природный озокерит , температура плавления которого лежит в пределах 58..100°С). И парафины, и озокерит вполне безопасны и используются в том числе и в медицинских целях для непосредственного прогрева больных мест на теле. Однако при хорошей теплоёмкости теплопроводность их весьма мала - мала настолько, что приложенный к телу парафин или озокерит, нагретый до 50-60°С, ощущается лишь приятно горячим, но не обжигающим, как это было бы с водой, нагретой до той же температуры, - для медицины это хорошо, но для теплоаккумулятора это безусловный минус. Кроме того, эти вещества не так уж дёшевы, скажем, оптовая цена на озокерит в сентябре 2009 г. составляла порядка 200 рублей за килограмм, а килограмм парафина стоил от 25 рублей (технический) до 50 и выше (высокоочищенный пищевой, т.е. пригодный для использования при упаковке продуктов). Это оптовые цены для партий в несколько тонн, в розницу всё дороже как минимум раза в полтора.
В результате экономическая эффективность парафинового теплоаккумулятора оказывается под большим вопросом, - ведь килограмм-другой парафина или озокерита годится лишь для медицинского прогрева заломившей поясницы в течении пары десятков минут, а для обеспечения стабильной температуры более-менее просторного жилища в течении хотя бы суток масса парафинового теплоаккумулятора должна измеряться тоннами, так что его стоимость сразу приближается к стоимости легкового автомобиля (правда, нижнего ценового сегмента)! Да и температура фазового перехода в идеале всё же должна точно соответствовать комфортному диапазону (20..25°С) - иначе всё равно придётся организовывать какую-то систему регулирования теплообмена. Тем не менее, температура плавления в районе 50..54°С, характерная для высокоочищенных парафинов, в сочетании с высокой теплотой фазового перехода (немногим более 200 кДж/кг) очень хорошо подходит для теплоаккумкулятора, рассчитанного на обеспечение горячего водоснабжения и водяного отопления, проблема лишь в невысокой теплопроводности и высокой цене парафина. Зато в случае форс-мажора сам парафин можно использовать в качестве топлива с хорошей теплотворной способностью (хотя сделать это не так просто - в отличии от бензина или керосина, жидкий и тем более твёрдый парафин на воздухе не горит, обязательно нужен фитиль или другое устройство для подачи в зону горения не самого парафина, а только его паров)!
Примером накопителя тепловой энергии на основе эффекта плавления и кристаллизации может служить система хранения тепловой энергии TESS на основе кремния, которую разработала австралийская компания Latent Heat Storage.
Испарение и конденсация
Теплота испарения-конденсации, как правило, в несколько раз превышает теплоту плавления-кристаллизации. И вроде бы есть не так уж мало веществ, испаряющихся в нужном диапазоне температур. Помимо откровенно ядовитых сероуглерода, ацетона, этилового эфира и т.п., есть и этиловый спирт (его относительная безопасность ежедневно доказывается на личном примере миллионами алкоголиков по всему миру!). В нормальных условиях спирт кипит при 78°С, а его теплота испарения в 2.5 раза больше теплоты плавления воды (льда) и эквивалентна нагреву того же количества жидкой воды на 200°. Однако в отличии от плавления, когда изменения объёма вещества редко превышают несколько процентов, при испарении пар занимает весь предоставленный ему объём. И если этот объём будет неограничен, то пар улетучится, безвозвратно унося с собой всю накопленную энергию. В замкнутом же объёме сразу начнёт расти давление, препятствуя испарению новых порций рабочего тела, как это имеет место в самой обычной скороварке, поэтому смену агрегатного состояния испытывает лишь небольшой процент рабочего вещества, остальное же продолжает нагреваться, находясь в жидкой фазе. Здесь открывается большое поле деятельности для изобретателей - создание эффективного теплоаккумулятора на основе испарения и конденсации с герметичным переменным рабочим объёмом.
Фазовые переходы второго рода
Помимо фазовых переходов, связанных с изменением агрегатного состояния, некоторые вещества и в рамках одного агрегатного состояния могут иметь несколько различных фазовых состояний. Смена таких фазовых состояний, как правило, также сопровождается заметным выделением или поглощением энергии, хотя обычно гораздо менее значительным, чем при изменении агрегатного состояния вещества. Кроме того, во многих случаях при подобных изменениях в отличии от смены агрегатного состояния имеет место температурный гистерезис - температуры прямого и обратного фазового перехода могут существенно различаться, иногда на десятки и даже на сотни градусов.
Электрические накопители энергии
Электричество - наиболее удобная и универсальная форма энергии в современном мире. Не удивительно, что именно накопители электрической энергии развиваются наиболее быстро. К сожалению, в большинстве случаев удельная ёмкость недорогих устройств невелика, а устройства с высокой удельной ёмкостью пока слишком дороги для хранения больших запасов энергии при массовом применении и весьма недолговечны.
Конденсаторы
Самые массовые «электрические» накопители энергии - это обычные радиотехнические конденсаторы. Они обладают огромной скоростью накопления и отдачи энергии - как правило, от нескольких тысяч до многих миллиардов полных циклов в секунду, и способны так работать в широком диапазоне температур многие годы, а то и десятилетия. Объединяя несколько конденсаторов параллельно, легко можно увеличить их суммарную ёмкость до нужной величины.
Конденсаторы можно разделить на два больших класса - неполярные (как правило, «сухие», т.е. не содержащие жидкого электролита) и полярные (обычно электролитические). Использование жидкого электролита обеспечивает существенно бóльшую удельную ёмкость, но почти всегда требует соблюдения полярности при подключении. Кроме того, электролитические конденсаторы часто более чувствительные к внешним условиям, прежде всего к температуре и имеют меньший срок службы (с течением времени электролит улетучивается и высыхает).
Однако у конденсаторов есть два основных недостатка. Во-первых, это весьма малая удельная плотность запасаемой энергии и потому небольшая (относительно других видов накопителей) ёмкость. Во-вторых, это малое время хранения, которое обычно исчисляется минутами и секундами и редко превышает несколько часов, а в некоторых случаях составляет лишь малые доли секунды. В результате область применения конденсаторов ограничивается различными электронными схемами и кратковременным накоплением, достаточным для выпрямления, коррекции и фильтрации тока в силовой электротехнике - на большее их пока не хватает.
Которые иногда называют «суперконденсаторами», можно рассматривать как своего рода промежуточное звено между электролитическими конденсаторами и электрохимическими аккумуляторами. От первых они унаследовали практически неограниченное количество циклов заряда-разряда, а от вторых - относительно невысокие токи зарядки и разрядки (цикл полной зарядки-разрядки может длиться секунду, а то и намного дольше). Ёмкость их также находится в диапазоне между наиболее ёмкими конденсаторами и небольшими аккумуляторами - обычно запас энергии составляет от единиц до нескольких сотен джоулей.
Дополнительно следует отметить достаточно высокую чувствительность ионисторов к температуре и ограниченное время хранения заряда - от нескольких часов до нескольких недель максимум.
Электрохимические аккумуляторы
Электрохимические аккумуляторы были изобретены ещё на заре развития электротехники, и сейчас их можно встретить повсюду - от мобильного телефона до самолётов и кораблей. Вообще говоря, они работают на основе некоторых химических реакций и поэтому их можно было бы отнести к следующему разделу нашей статьи -«Химические накопители энергии». Но поскольку этот момент обычно не подчеркивается, а обращается внимание на то, что аккумуляторы накапливают электричество, рассмотрим их здесь.
Как правило, при необходимости запасать достаточно большую энергию - от нескольких сотен килоджоулей и более - используются свинцово-кислотные аккумуляторы (пример - любой автомобиль). Однако они имеют немалые габариты и, главное, вес. Если же требуется малый вес и мобильность устройства, то используются более современные типы аккумуляторов - никель-кадмиевые, металл-гидридные, литий-ионные, полимер-ионные и др. Они имеют гораздо более высокую удельную ёмкость, однако и удельная стоимость хранения энергии у них заметно выше, поэтому их применение обычно ограничивается относительно небольшими и экономичными устройствами, такими как мобильные телефоны, фото- и видеокамеры, ноутбуки и т.п.
В последнее время на гибридных автомобилях и электромобилях начали применяться мощные литий-ионные аккумуляторы. Помимо меньшего веса и большей удельной ёмкости, в отличие от свинцово-кислотных они позволяют практически полностью использовать свою номинальную ёмкость, считаются более надёжными и имеющими бóльший срок службы, а их энергетическая эффективность в полном цикле превышает 90%, в то время как энергетическая эффективность свинцовых аккумуляторов при заряде последних 20% ёмкости может падать до 50%.
По режиму использования электрохимические аккумуляторы (прежде всего мощные) также подразделяются на два больших класса - так называемые тяговые и стартовые. Обычно стартовый аккумулятор достаточно успешно может работать в качестве тягового (главное - контролировать степень разряда и не доводить его до такой глубины, которая допустима для тяговых аккумуляторов), а вот при обратном применении слишком большой ток нагрузки может очень быстро вывести тяговый аккумулятор из строя.
К недостаткам электрохимических аккумуляторов можно отнести весьма ограниченное число циклов заряда-разряда (в большинстве случаев от 250 до 2000, а при несоблюдении рекомендаций производителей - гораздо меньше), и даже при отсутствии активной эксплуатации большинство типов аккумуляторов через несколько лет деградируют, утрачивая свои потребительские свойства. При этом срок службы многих видов аккумуляторов идёт не с начала их эксплуатации, а с момента изготовления. Кроме того, для электрохимических аккумуляторов характерны чувствительность к температуре, длительное время заряда, иногда в десятки раз превышающее время разряда, и необходимость соблюдения методики использования (недопущение глубокого разряда для свинцовых аккумуляторов и, наоборот, соблюдение полного цикла заряда-разряда для металл-гидридных и многих других типов аккумуляторов). Время хранения заряда также довольно ограничено - обычно от недели до года. У старых аккумуляторов уменьшается не только ёмкость, но и время хранения, причём и то, и другое может сократиться во много раз.
Химические накопители энергии
Химическая энергия - это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами. Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 98 %), но низкой емкостью.
Химические накопители энергии позволяют получать энергию как в том виде, из которого она запасалась, так и в любом другом. Можно выделить «топливные» и «безтопливные» разновидности. В отличии от низкотемпературных термохимических накопителей (о них чуть позже), которые могут запасти энергию, просто будучи помещёнными в достаточно тёплое место, здесь не обойтись без специальных технологий и высокотехнологичного оборудования, иногда весьма громоздкого. В частности, если в случае низкотемпературных термохимических реакций смесь реагентов обычно не разделяется и всегда находится в одной и той же ёмкости, реагенты для высокотемпературных реакций хранятся отдельно друг от друга и соединяются лишь тогда, когда нужно получить энергию.
Накопление энергии наработкой топлива
На этапе накопления энергии происходит химическая реакция, в результате которой восстанавливается топливо, например, из воды выделяется водород - прямым электролизом, в электрохимических ячейках с использованием катализатора или с помощью термического разложения, скажем, электрической дугой или сильно сконцентрированным солнечным светом. «Освободившийся» окислитель может быть собран отдельно (для кислорода это необходимо в условиях замкнутого изолированного объекта - под водой или в космосе) либо за ненадобностью «выброшен», поскольку в момент использования топлива этого окислителя будет вполне достаточно в окружающей среде и нет необходимости тратить место и средства на его организованное хранение.
На этапе извлечения энергии наработанное топливо окисляется с выделением энергии непосредственно в нужной форме, независимо от того, каким способом было получено это топливо. Например, водород может дать сразу тепло (при сжигании в горелке), механическую энергию (при подаче его в качестве топлива в двигатель внутреннего сгорания или турбину) либо электричество (при окислении в топливной ячейке). Как правило, такие реакции окисления требуют дополнительной инициации (поджига), что весьма удобно для управления процессом извлечения энергии.
Накопление энергии с помощью термохимических реакций
Давно и широко известна большая группа химических реакций, которые в закрытом сосуде при нагревании идут в одну сторону с поглощением энергии, а при охлаждении - в обратную с выделением энергии. Такие реакции часто называют термохимическими . Энергетическая эффективность таких реакций, как правило, меньше, чем при смене агрегатного состояния вещества, однако тоже весьма заметна.
Подобные термохимические реакции можно рассматривать как своего рода смену фазового состояния смеси реагентов, и проблемы здесь возникают примерно те же - трудно найти дешёвую, безопасную и эффективную смесь веществ, успешно действующую подобным образом в диапазоне температур от +20°С до +70°С. Впрочем, один подобный состав известен уже давно - это глауберова соль.
Мирабилит (он же глауберова соль, он же десятиводный сульфат натрия Na 2 SO 4 · 10H 2 O) получают в результате элементарных химических реакций (например, при добавлении поваренной соли в серную кислоту) или добывают в «готовом виде» как полезное ископаемое.
С точки зрения аккумуляции тепла наиболее интересная особенность мирабилита заключается в том, что при повышении температуры выше 32°С связанная вода начинает освобождаться, и внешне это выглядит как «плавление» кристаллов, которые растворяются в выделившейся из них же воде. При снижении температуры до 32°С свободная вода вновь связывается в структуру кристаллогидрата - происходит «кристаллизация». Но самое главное - теплота этой реакции гидратации-дегидратации весьма велика и составляет 251 кДж/кг, что заметно выше теплоты «честного» плавления-кристаллизации парафинов, хотя и на треть меньше, чем теплота плавления льда (воды).
Таким образом, теплоаккумулятор на основе насыщенного раствора мирабилита (насыщенного именно при температуре выше 32°С) может эффективно поддерживать температуру на уровне 32°С с большим ресурсом накопления или отдачи энергии. Конечно, для полноценного горячего водоснабжения эта температура слишком низка (душ с такой температурой в лучшем случае воспринимается как «весьма прохладный»), но вот для подогрева воздуха такой температуры может оказаться вполне достаточно.
Подробнее о теплоаккумуляторе на основе мирабилита можно прочитать на сайте «DelaySam.ru» .
Безтопливное химическое накопление энергии
 Банка кофе с разогревом за счёт гашения извести . |
В данном случае на этапе «зарядки» из одних химических веществ образуются другие, и в ходе этого процесса в образующихся новых химических связях запасается энергия (скажем, гашёная известь при помощи нагрева переводится в негашёное состояние).
При «разрядке» происходит обратная реакция, сопровождаемая выделением ранее запасённой энергии (обычно в виде тепла, иногда дополнительно в виде газа, который можно подать в турбину) - в частности, именно это имеет место при «гашении» извести водой. В отличие от топливных методов, для начала реакции обычно достаточно просто соединить реагенты друг с другом - дополнительная инициация процесса (поджиг) не требуется.
По сути, это разновидность термохимической реакции, однако в отличии от низкотемпературных реакций, описанных при рассмотрении тепловых накопителей энергии и не требующих каких-то особых условий, здесь речь идёт о температурах в многие сотни, а то и тысячи градусов. В результате количество энергии, запасаемой в каждом килограмме рабочего вещества, существенно возрастает, но и оборудование во много раз сложнее, объёмнее и дороже, чем пустые пластиковые бутылки или простой бак для реагентов.
Необходимость расхода дополнительного вещества - скажем, воды для гашения извести - не является существенным недостатком (при необходимости можно собрать воду, выделяющуюся при переходе извести в негашёное состояние). А вот особые условия хранения этой самой негашёной извести, нарушение которых чревато не только химическими ожогами, но и взрывом, переводят этот и ему подобные способы в разряд тех, которые вряд ли выйдут в широкую жизнь.
Другие типы накопителей энергии
Помимо описанных выше, есть и другие типы накопителей энергии. Однако в настоящее время они весьма ограничены по плотности запасаемой энергии и времени её хранения при высокой удельной стоимости. Поэтому пока они больше применяются для развлечения, а их эксплуатация в сколько-нибудь серьёзных целях не рассматривается. Примером являются фосфорецирующие краски, запасающие энергию от яркого источника света и затем светящиеся в течение нескольких секунд, а то и долгих минут. Их современные модификации уже давно не содержат ядовитого фосфора и вполне безопасны даже для использования в детских игрушках.
Суперпроводящие накопители магнитной энергии хранят её в поле большой магнитной катушки с постоянным током. Она может быть преобразована в переменный электрический ток по мере необходимости. Низкотемпературные накопители охлаждаются жидким гелием и доступны для промышленных предприятий. Высокотемпературные накопители, охлаждаемые жидким водородом, всё ещё находятся в стадии разработки и могут стать доступны в будущем.
Суперпроводящие накопители магнитной энергии имеют значительные размеры и обычно используются в течение коротких периодов времени, например, во время переключений.
Скорее всего в этой статье отражены не все возможные способы накопления и сохранения энергии. Вы можете сообщить о других вариантах либо в комментариях, либо электронным письмом на адрес kos at altenergiya dot ru.
Значит вентильный двигатель предлагаете (на постоянных магнитах). У него в катушках статора (как и в металлической опоре ) будет наводится переменное напряжение всегда - при раскрутке, и при торможнии - получим момент сопротивления, зависящий от оборотов.Во-первых, смотря какой вентильный.
Вентильные реактивные электродвигатели делают без постоянных магнитов - http://en.wikipedia.org/wiki/Switched_reluctance_motor
Во-вторых, сопротивление будет только тогда, когда на концах катушек будет нагрузка, без нее сопротивлению откуда же взяться?
магнитные подшипники можно заказать - стоят они не так дорого. Причем если диск будет вращатся в горизонтальной плоскости, то нужно будет только ОДИН хороший магнитный подшипник, на который придется вес маховика и один маленький, стабилизирующий второй конец ротора.Возможно выведение вала из вакуумной камеры через вакуумный запор с магнитной жидкостью. Она свободно продаётся, хотя неприлично стоит, (800р за 10 мл), а можно и изготовить её самостоятельно, был рецепт в Химии и Жизни.Можете купить и дешевле, здесь, например - http://www.amcub.ru/index.php?option=com_content&view=category&layout=blog&id=5&Itemid=10
Сегодня имел телефонный разговор с Н. В. Гулиа на счет применения маховичных накопителей.
Итог таков- у нас в России никто их не выпускает, долго сохранять энергию в маховике весьма проблематично и поэтому дорого, разрушение маховика очень опасно, изготовление маховика хлопотное занятие и т. п.
Поэтому придется искать другие накопители.Что-то тут не так.
В книжках Гулиа пишет одно, а по телефону говорит другое. Он же сам писал, что если выполнить маховик в виде лент, то разрыв будет безопасен.
Хлопотное занятие? Может быть, а изготовление, например, АКБ или ионисторов менее хлопотное? Сомневаюсь.
Долго сохранять энергию проблематично? Может быть, но для целого ряда применений потери в 1...2% за час приемлемы.
Мой знакомый рассказывал про попытку разработать в России стационарный маховичный накопитель.
Нужны были вложения около 0,3 млн долл.
Таких денег не нашли и забили на это дело.
Однако этот накопитель был бы для больших энергий и грамотно сделанный (магнитный подвес, вакуум, электронное управление и т. п).
Цена же небольшого накопителя для частника, порядка 2 Мдж, обошлась бы примерно в 3 тыс. долл.Если уж приводите конкретные суммы, то может приведете детализацию?
Что почем и где нужно купить для сборки этих накопителей?
Вот скажите мне: какая религия мешает товарищу Гулиа производить стационарные маховики способные удержать ну положим 20 киловатт-часов в течение пары суток? Вот сколько такой агрегат может стоить?
Неужели сильно дороже аккумуляторов?Тоже задаюсь таким вопросом. Ведь для стационарного накопления можно было бы делать тяжелые габаритные маховики с не очень большими оборотами на основе доступных материалов, но и по доступным ценам.
Двухроторный тяни-толкай
лы подъемного крана, экскаватора и т. д.), соединенных шатуном. Если разогнать правый маховик, то левый (положение «а») начнет плавно разгоняться и достигнет (положение «б») максимальной частоты вращения. Правый маховик в этот момент, отдав всю кинетическую энергию, остановится. Вращаясь дальше, левый маховик разгонит правый (положение «в»), и тот, остановившись, запустит левый (положение «г»). То есть, как вы догадались, следующим будет положение «а», и процесс повторится еще и еще раз.
На модели разгон и торможение маховиков даже после легкого толчка повторялись десятки раз. Это свидетельство высокого к.п.д. рекуперации.
Скоро мы сообразили, что подобным способом можно рекуперировать энергию и возвратно-поступательных движений. Для проверки изготовили тележку (см. фото) с рейкой и зубчатой передачей, преобразующей поступательное движение во вращательное (качательное). Здесь был только один настоящий маховик, роль второго играл кривошип, соединенный зубчатым колесом с зубчатой рейкой. При ударе о стенку тележка отскакивала, ударялась о противоположную стенку, вновь отскакивала, другими слова-
Схема и основные рабочие фазы махо-вичного рекуператора энергии.
Нурбей ГУЛИА,
профессор, доктор технических наук
Напомним аксиому - чем производительнее робот, тем быстрее совершают возвратно-поступательные и качательные движения его рабочие органы, тем больше энергии он пожирает. И если бы для дела! Ведь почти вся она при обязательных остановках рабочих органов должна погашаться, переводиться в тормозах в бесполезное тепло.
К решению извечной проблемы оригинальный подход наметили в Институте машиноведения АН СССР. Под руководством доктора технических наук А. И. Корендясе-ва там разработали так называемые вибророботы. В них при торможении энергию поглощают пружины, которые затем, распрямляясь, отдают ее на перемещение рабочих органов. Такая рекуперация энергии примерно на порядок уменьшает ее расход и соответственно энергетические потребности.
Но мы уверены, что вполне реальна еще более высокая степень рекуперации. Я начал заниматься рекуперацией кинетической энергии при торможении автомобилей еще в 60-е годы, писал об этом в «ТМ» (см. № 11 за 1972 год). Энергии в движущемся автомобиле предостаточно, но если накапливать ее в пружине, то масса такого аккумулятора окажется не меньше массы самого автомобиля. Да и не так уж много энергии вбирает пружина. Маховики тут намного выгоднее. Мы рассчитали, скажем, что если изготовить из одного материала, например стальной проволоки, маховик и пружину, то для накопления равной энергии масса маховика будет в тысячи раз меньше, чем пружины. Витые из проволок, лент, органических волокон маховики (их именуют супермаховиками), кроме высокой энергоемкости, обладают весьма ценным преимуществом - им не грозит случайный выход из строя.
Различна и физика накопления энергии в пружинах и маховиках.
Если читателя заинтересует это и он захочет узнать об устройстве пружинных и маховнчных накопителей энергии, советую обратиться к моим статьям «Накопители упругой энергии» («ТМ» № 6 за 1974 год) и «Первый круг маховика» («ТМ» № 6 за 1973 год).
Разрабатывая маховичные рекуператоры высокой энергоемкости, мы в первую очередь думали об автомобилях. Но, когда одна из конструкций, придуманная совместно с моим студентом (теперь уже старшим научным сотрудником, кандидатом технических наук) И. Д. Юдовским, была изготовлена и опробована, нам вспомнились экскаваторы, манипуляторы и роботы, одним словом, машины, совершающие быстрые повороты, качательные и возвратно-поступательные движения.
В этом рекуператоре было два маховика (один довольно точно имитировал движение рабочего органа робота или манипулятора, стре
Мир электроники и электричества наступает! Милые поклонникам механики устройства все чаще уступают место машинам с электромоторами и электронными схемами. Однако мир будущего станет более механическим! Так считает профессор Нурбей Гулиа. За последние десятилетия механические накопители энергии заметно прибавили в энергоемкости, и именно их, по мнению ученого, будут использовать во многих устройствах вместо привычных электрохимических аккумуляторов.
Пружина, резина, конденсатор…
Во всем мире вряд ли найдется человек, который посвятил себя разработке маховичных накопителей энергии в большей мере, чем Нурбей Гулиа. Ведь делом своей жизни изобретатель начал заниматься в 15 лет. Тогда советский школьник Нурбей решил изобрести «энергетическую капсулу» — так он назвал накопитель энергии, который должен был стать столь же энергоемким, как бак с бензином, но при этом копить в себе абсолютно безвредную для человека энергию. Первым делом любознательный школьник опробовал аккумуляторы различных типов. Одним из самых безнадежных вариантов оказался пружинный накопитель. Чтобы обычный легковой автомобиль проехал с таким аккумулятором 100 км пути, последний должен был весить 50 т.
В качестве накопителей энергии маховики применяют уже несколько столетий, однако качественный скачок в области их энергоемкости произошел только в 1960-е году, когда были созданы первые супермаховики. 1. Супермаховик в работе Супермаховик выглядит, как обычный, но внешняя его часть свита из прочной стальной ленты. Витки ленты обычно склеены между собой. 2. Супермаховик после разрыва Если разрыв обычного маховика разрушителен, то в случае супермаховика лента прижимается к корпусу и автоматически затормаживает накопитель — все совершенно безопасно.
Резиновый аккумулятор показался куда перспективней: накопитель с зарядом на 100 км мог весить «всего» 900 кг. Заинтересовавшись, Нурбей даже разработал резиноаккумулятор инновационной конструкции для привода детской коляски. Один из прохожих, очарованный самоходной коляской, посоветовал разработчику подать заявку в Комитет по изобретениям и даже помог ее составить. Так Гулиа получил первое авторское свидетельство на изобретение.
Вскоре резину сменил сжатый воздух. И опять Нурбей разработал инновационное устройство — относительно компактный гидрогазовый аккумулятор. Однако, как выяснилось в ходе работы над ним, при использовании сжатого газа энергетический «потолок» был невысок. Но изобретатель не сдался: вскоре им был построен пневмокар с подогревом воздуха горелками. Эта машина получила высокую оценку у его друзей, но по своим возможностям была еще далека от того, чтобы конкурировать с автомобилем.
Маховики на транспорте можно использовать как в качестве аккумуляторов энергии, так и в виде гироскопов. На фотографии изображен маховичный концепт-кар Ford Gyron (1961), а впервые гиро-кар был построен в 1914 году русским инженером Петром Шиловским.
Особенно тщательно будущий профессор отнесся к проработке варианта «электрической капсулы». Нурбей оценил возможности конденсаторов, электромагнитов и, разумеется, собрал всю возможную информацию об электрохимических аккумуляторах. Был даже построен электромобиль. В качестве аккумулятора для него конструктор использовал батарею МАЗа. Однако возможности тогдашних электрохимических аккумуляторов Гулиа не впечатлили, не было и оснований ожидать, что в области энергоемкости произойдет прорыв. Поэтому из всех накопителей энергии наиболее перспективными Нурбею Владимировичу показались механические аккумуляторы в виде маховиков, несмотря на то что в то время они ощутимо проигрывали электрохимическим накопителям. Тогдашние маховики, даже сделанные из самой лучшей стали, в пределе могли накопить только 30−50 кДж на 1 кг массы. Если раскручивать их быстрее, они разрывались, приводя в негодность все вокруг. Даже свинцово-кислотные аккумуляторы с энергоемкостью 64 кДж/кг смотрелись на их фоне крайне выигрышно, а щелочные аккумуляторы с плотностью энергии 110 кДж/кг были вне конкуренции. Кроме того, уже тогда существовали страшно дорогие серебряно-цинковые аккумуляторы: по удельной емкости (540 кДж/кг) они примерно соответствовали самым емким на сегодня литий-ионным аккумуляторам. Но Гулиа сделал ставку на столь далекий от совершенства маховик…
Маховик на миллион
Чем выше частота вращения маховика, тем сильнее его частицы «растягивают» диск, пытаясь его разорвать. Поскольку разрыв маховика дело страшное, конструкторам приходится закладывать высокий запас прочности. В результате на практике энергоемкость маховика раза в три ниже возможной, и в начале 1960-х годов самые совершенные маховики могли запасать всего 10−15 кДж энергии на 1 кг. Если же применить более устойчивые к разрыву материалы, прочность маховика станет выше, но такой скоростной маховик становится опасным. Получается порочный круг: прочность материала возрастает, а предельная энергоемкость увеличивается незначительно. Нурбей Гулиа поставил своей задачей вырваться из этого замкнутого круга, и в один памятный день он испытал момент внезапного прояснения. На глаза изобретателю попался тросик, свитый из проволок, — такие обычно применяют в тренажерах для подъема тяжестей. Тросик был примечателен тем, что обладал высокой прочностью и никогда не рвался сразу. Именно этих качеств и не хватало тогдашним маховикам.
Сегодня благодаря высокой энергоемкости супермаховики применяют во многих областях — от применения в спутниках связи в качестве аккумулятора энергии до использования в электростанциях для повышения их КПД. На схеме изображен маховичный накопитель, который применяют на американских электростанциях для повышения их КПД. Потери энергии в супермаховиках составляют всего 2% - это достигается, в том числе, за счет того, что он вращается в вакуумном кожухе на магнитных подшипниках.
Ученый принялся за работу: сначала поэкспериментировал с тросом, скатав из него маховик, а потом заменил проволочки тонкой стальной лентой такой же прочности — ее намотка была плотнее, а для надежности можно было склеить витки ленты между собой. Разрыв такого маховика уже не представлял опасности: при превышении предельной скорости первой должна была оторваться наиболее нагруженная внешняя лента. Она прижимается к корпусу и автоматически затормаживает маховик — никаких несчастных случаев, а оторванную ленту можно приклеить снова.
Первое испытание, когда ленточный маховик Гулиа раскручивался от скоростного электромотора пылесоса, прошло успешно. Маховик вышел на максимальную частоту вращения без разрыва. А затем, когда ученому удалось испытать этот маховик на специальном разгонном стенде, выяснилось, что разрыв наступал только при скорости обода почти 500 м/c или плотности энергии около 100 кДж/кг. Изобретение Гулиа в несколько раз превзошло по плотности энергии самые передовые на то время маховики и оставило позади свинцово-кислотные аккумуляторы.
Это возможно первый в мире гибридный автомобиль. Его передние колеса приводились от ДВС, тогда как задние от вариатора и маховика. Такой опытный образец оказался вдвое экономичней, чем УАЗ-450Д.
В мае 1964 года Гулиа первым в мире подал заявку на изобретение супермаховика, но из-за бюрократизма советской патентной системы получил необходимый документ только через 20 лет, когда срок его действия уже истек. Но приоритет изобретения за СССР сохранился. Жил бы ученый на Западе — давно бы стал мультимиллионером.
Через какое-то время после Гулиа супермаховик изобрели и на Западе, и спустя годы ему находят множество применений. В разных странах разрабатываются проекты маховичных машин. Американские специалисты создают беспилотный вертолет, в котором вместо двигателя используют супермаховики. Отправляют супермаховики и в космос. Там для них особенно благоприятная среда: в космическом вакууме нет аэродинамического сопротивления, а невесомость устраняет нагрузки на подшипники. Поэтому на некоторых спутниках связи применяются супермаховичные накопители — они долговечнее электрохимических аккумуляторов и могут долгое время снабжать аппаратуру спутника энергией. Недавно в США стали рассматривать возможность применения супермаховиков в качестве источников бесперебойного питания для зданий. Там уже работают электростанции, которые во время пика потребления энергии увеличивают мощность за счет маховичных накопителей, а при спаде, обычно в ночное время, направляют избытки энергии на раскручивание маховиков. В итоге у электростанции значительно повышается КПД работы. Кроме того, потери энергии в супермаховиках составляют всего 2% - это меньше, чем у любых других накопителей энергии.
Профессор Гулиа тоже времени зря не терял: создал очень удобную маховичную дрель, разработал первый в мире гибридный маховичный автомобиль на базе УАЗ-450Д — он оказался вдвое экономичней обычной машины. Но главное — профессор постоянно совершенствует разные элементы своей маховичной концепции, чтобы сделать ее по-настоящему конкурентоспособной.
Чудо-махомобили
Можно ли вывести супермаховик на уровень самых емких аккумуляторов? Оказывается, это не проблема. Если вместо стали использовать более прочные материалы, то пропорционально вырастет и энергоемкость. Причем, в отличие от электрохимических аккумуляторов, здесь практически нет потолка.
Супермаховик из кевлара на испытаниях при той же массе накапливал в четыре раза больше энергии, чем стальной. Супермаховик, навитый из углеволокна, может в 20−30 раз превзойти стальной по плотности энергии, а если использовать для его изготовления, например, алмазное волокно, то накопитель приобретет фантастическую энергоемкость — 15 МДж/кг. Но и это не предел: сегодня с помощью нанотехнологий на основе углерода создаются волокна фантастической прочности. «Если из такого материала навить супермаховик, — рассказывает профессор, — плотность энергии может достичь 2500−3500 МДж/кг. А значит, 150-килограммовый супермаховик из такого материала способен обеспечить легковому автомобилю пробег в два с лишним миллиона километров с одной прокрутки — больше, чем может выдержать шасси машины».
Если объединить в одну схему супермаховик и супервариатор расход привычного автомобиля можно снизить ниже 2 л/100 км, считает Нурбей Гулиа. На фото приведена схема работы маховичной машины на топливных элементах, справа автомобиля с ДВС.
За счет того что супермаховик вращается в вакууме, а его ось закреплена в магнитной подвеске, сопротивление при вращении оказывается минимальным. Возможно, такой супермаховик может крутиться до остановки многие месяцы. Однако машина, способная работать в течение всего срока службы без заправок, пока еще не изобретена. Мощности современных электростанций определенно не хватит для зарядки таких серийных чудо-махомобилей.
Но именно автотранспорт, считает профессор, самая подходящая сфера применения супермаховиков. И показатели машин проекта Гулиа, на которых он планирует использовать супермаховики, не менее удивительные. По оценке ученого, «здоровый» расход топлива у бензинового автомобиля должен составлять примерно 1,5 л на 100 км, а у дизельного — 1,2 л.
Как такое возможно? «В энергетике есть неписаный закон: при одинаковых капиталовложениях всегда более экономичен привод, в котором нет преобразований видов и форм энергии, — поясняет профессор. — Двигатель выделяет энергию в виде вращения, и ведущие колеса автомобиля потребляют эту энергию тоже в виде вращения. Значит, не надо преобразовывать энергию двигателя в электрическую и обратно, достаточно передавать ее от двигателя к колесам через механический привод».
Таким образом, механический гибрид оказывается максимально энергосберегающим и, как уверяет ученый, в условиях города снижает расход топлива в три раза! Применение супермаховика, который запасает огромное количество энергии от двигателя, а затем практически без потерь отправляет ее на колеса через супервариатор (см. «ПМ», № 3"2006), позволяет снизить размер и мощность двигателя. Двигатель же в проекте ученого работает только в оптимальном режиме, когда его КПД наиболее высок, поэтому-то «суперавтомобиль» Гулиа столь экономичен. Имеется у профессора и проект использования топливных элементов с супермаховиком. У топливных элементов КПД в пределе может быть почти вдвое выше, чем у ДВС, и составляет около 70%.
«Но почему же при всех достоинствах такой схемы она пока не используется на автомобилях?» — задаем мы очевидный вопрос. «Для такой машины был необходим супервариатор, а он появился сравнительно недавно и сейчас только начинает производиться, — объясняет профессор Гулиа. — Так что такой автомобиль на подходе». Нашему журналу приятно сознавать, что если такой автомобиль появится, то в этом будет и наша заслуга. После того как в «Популярной механике» появилась статья о супервариаторе Гулиа, этим проектом сразу заинтересовались производители приводной техники, и сейчас профессор занимается созданием и совершенствованием своего супервариатора. А значит, стоит надеяться, что ждать суперавтомобиля осталось недолго…