Устройство для накопления электрической энергии

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для изготовления периодически восполняемых источников электроэнергии. Целью изббретения является повышение энергоемкости. Для этого в созданный обкладками конденсатора единый гибридный узел типа конденсатор-катушка индуктивности накачивается электрическая энергия в виде энергии электрического и магнитного полей. При этом обкладки конденсатора, которые являются и обмотками катушки индуктивности, выполнены из сверхпроводящего материала и погружены в криоген. Индуктивность полученных обмоток катушки можно повышать помещением в нее сердечника с заданной магнитной проницаемостью. Накопление электрической энергии производят в накопителе с помощью источника тока, диодов и выключателей в объеме диэлектрика и за счет циркуляции тока в обмотках 1 и 2. 3 з.п.ф-лы, 6 ил. ел

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з Н 02 J 15/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4643553/07 (22) 30.01.89 (46) 23.04.92.Бюл. ¹ 15 (75) Г.M.Ëåãîøèí (53) 621.311.41 (088.8) (56) Ренне В.Г, Электрические конденсаторы. — M, — Л., МЭИ, 1959.

Авторское свидетельство СССР

N. 604084,,кл. Н 02 J 15/00, 1978, Заявка Японии

N 58 — 25019, кл. Н 02 J 15/00, 1983, Заявка ФРГ

N 2707742, кл. Н 01 J 15/00. 1980. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАКОПЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для изготовления периодически восполняемых источников электроэнергии. Целью изббре Ы 1728928 Al тения является повышение энергоемкости.

Для этого в созданный обкладками конденсатора единый гибридный узел типа конденсатор-катушка индуктивности накачивается электрическая энергия в виде энергии электрического и магнитного полей. При этом обкладки конденсатора, которые являются и обмотками катушки индуктивности, выполнены из сверхпроводящего материала и погружены в криоген. Индуктивность полученных обмоток катушки можно повышать помещением в нее сердечника с заданной магнитной проницаемостью. Накопление электрической энергии производят в накопителе с помощью источника тока, диодов и выключателей в объеме диэлектрика и за счет циркуляции тока! в обмотках 1 и 2, 3 з.п.ф-лы, 6 ил.

1728928

Изобретение относится к электротехнике и энергетике, в частности к накопителям электрической энергии, и может быть использовано в различных областях науки (компактные приборы), гражданской и военной техники для изготовления периодически возобновляемых или восполняемых источников электрической энергии.

Известно, что подвижной состав различных видов транспорта и другой техники (автомобили, тракторы, дорожно-строительные и сельскохозяйственные машины, тепловозы, речные и морские суда, самолеты и т.д.) оснащены двигателями внутреннего сгорания (ДВС), газотурбинными, реактивными двигателями и их модификациями.

Указанные двигатели используют, как правило, углеводородное (или, реже, водородное) топливо, которое после сгорания (отработавшие газы) превращаются в углекислый газ, сажу, оксид углерода (недогорание при коэффициентах избытка воздуха а < 1,0), оксиды азота и другие токсичные и даже канцерогенные вещества, в том числе соединения свинца при использовании этилированных бензинов. Указанное выше создает неблагоприятную общую экологическую обстановку, особенно в городах и крупных населенных пунктах с интенсивным движением транспорта.

Известно также, что подавляющее большинство ГЭС, ТЭЦ (ГРЭС), ТЭ.С, АЭС испытывают в ночное время дефицит в потребителях электрической энергии, в связи с чем в указанное время работают не на полную мощность, - Для решения этой проблемы строят различные накопительные системы, например гидроаккумулирующую станцию: в ночное время электрическая энергия от атомной (АЭС) или гидроэлектрической станции (ГЭС) идет на перекачку огромных масс воды высокого уровня с тем, чтобы при необходимости (пиковые нагрузки или в других случаях) накопленную энергию воды возвратить в сеть, пропуская воду через гидроэлектрогенераторы.

Отсюда возникает необходимость создания различных накопителей, в том числе накопителей электрической энергии длительного действия, особенно для мобильных транспортных средств с. высокой удельной энергией (выше, например, чем у кислотных и щелочных аккумуляторов в несколько раз) и высокой экологической надежностью.

Известно устройство для накопления электрической энергии с помощью молекулярных конденсаторов. Однако последние не позволяют длительно сохранять электроЯа " F а для-многослойной цилиндрической обмотки катушки

40 гп е . где и — магнитная (абсолютная) проницаемость сердцевины катушки (или сердечника); щ- число витков катушки;

F — площадь поперечного сечения катушки; в — число всех слоев обмотки катушки;

Lcp — индуктивность однослойной катушки с диаметром. равным полусумме наружного и внутреннего диаметров поперечного сечения катушки.

Электрическая энергия (в аиде энергии магнитного поля ИД может быть накоплена в индуктивном накопительном устройстве согласно выражению

55 энергию вследствие низкого значения постоянной времени саморазряда(не более 12 сут).

Известно устройство накопления элект5 рической энергии с помощью конденсаторов, срок хранения электрической энергии в которых обеспечивается путем охлаждения их до определенной температуры в конце процесса зарядки. В замороженном состоя10 нии накопленная электрическая энергия может храниться в течение нескольких месяцев. Недостатком известного устройства накопления электрической энергии является необходимость разогрева

15 конденсатора до рабочей температуры.для разряда конденеатора. Кроме того; удельная энергия конденсатора относительно мала.

Известно. также устройство для накоп20 ления электроэнергии в индуктивное накопительное устройство, согласно которому между накопителем (накопителями), состоящим из параллельно соединенных диода и реактора. имеющего сверхпроводящую об25 мотку, и источником питания включают конденсатор. При этом запасенная энергия конденсатора передается в накопитель (обмотку катушки) с помощью выключателя. .Недостатком данного устройства является

30 малая компактность накопителя, что снижает величину удельной накопленной энергии (малая энергоемкость).

Индуктивность (L) однослойной катушки определяется по зависимости .

1728928 б 2

Wp =

2 где I — электрический ток, протекающий в витках обмотки.

Для накопления определенного, обычно небольшого, количества электричества (электроэнергии) применяют, например, бумажные конденсаторы, содержащие две тонкие металлические ленты — обкладка или пластины, между которыми размещают диэлектрический материал. При этом емкость

С таких конденсаторов пропорциональна площади S обкладок, диэлектрической (абсолютной) проницаемости материала диэлектрика е и обратно пропорциональна расстоянию между обкладками d или, что то же самое, толщине диэлектрика. При этом в диэлектрической прослойке толщиной d возникает связанное с появлением заряда

Qсоответственно электрическое поле,,Возникновение электрического поля сопровождается накоплением в объеме изоляции (диэлектрика) энергии.

° ц2 c—

"2

30 где U — напряжение.

Накапливаемый суммарный заряд

О=U С. Энергия электрического поля (энергия заряженного конденсатора) обратима— выделяется при разрядах конденсатора.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому является накопитель электроэнергии, который имеет расположенные один в другом конденсаторные электроды, проходящие сквозь магнитную катушку, при этом последняя охватывает конденсатор.

Диэлектриком между цилиндрическими конденсаторными обкладками (электродами) является высокий вакуум, В таком диэлектрике вокруг внутреннего электрода, как 4 центрального электрода конденсатора, накопившиеся электроны приводятся в круговое вращение по баллистическим траекториям.

Недостаток известного накопителя за- б0 ключается в относительно низкой компактности устройства, нестабильности траектории движущихся в диэлектрике электронов, малой емкости накопителя (конденсатора), в с яз с чем удел ая 55 энергия т.е, отношение энергии к массе накопителя или к его габаритам (объему), его невелика.

Целью изобретения является повышение энергоемкости накопителя, Цель достигается запасанием (накачкой) от источника тока с помощью диодов (тирпсторов) и выключателей в конструктивно едином узле совместно двух видов энергии; в виде энергии электрического поля — в диэлектрической прослойке между обкладками конденсатора, изготовленных из сверхпроводящего материала, и в виде магнитной энергии — в одной или в обеих обкладках того же конденсатора, выполненных в виде электрически разделенных между собой витков или обмоток катушки. При этом индуктивность обмотки катушки (катушек) может быть повышена размещением в ней сердечника с заданной магнитной проницаемостью. Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой гибридное компактное устройство типа конденсатор-катушка, общая энеогия которого Wo=Wc+Wc, т.е. М4=1/2(С U + L i ), что

2 обеспечивает высокое значение удельной энергии (энергоемкость) при практически неограниченной продолжительности (длительности) сохранения накопленной электрической энергии в связи с использованием сверхп роводников для элементов накопителя — обкладки-обмотки.

В зависимости от материала сверхпроводника. например, олово-ниобий низкотемпературной сверхпроводимости, керамические высокотемпературные сверхпроводящие композиции (ВТСП) и другие

I могут использоваться такие криогены, как, например, жидкий гелий, жидкий азот и т.n., в которые помещают элементы накопителя или которые прокачивают через элементы накопителя для создания эффекта сверхпроводимости. Как известно, в замкнутой цепи, cocT0ящей из сверхпроводниковых элементов, электрический ток может циркулировать практически неограниченное время при приемлемых значениях плотности тока и магнитных полей. Так, например, разработанные сверхпроводники типа ВТСП способны обеспечивать высокие значения критических полей при температуре Т=77—

92 К: критическая плотность тока в сверхпроводящей керамике системы У вЂ” Ba Си-О может достигать до 10000-50000 А/мм (тонкие пленки УВа2Сиз07) при значениях магнитной индукции до 10 Тл.

Подбирая оптимальные значения конструктивных и эксплуатационных параметров элементов накопителя С. L, U, i,6 ра и др, можно разработать высокоэффективные по важнейшему критерию — энергоемкости— источники периодически (по мере расхода) восполняемой электроэнергии для питания экологически чистых силовых электродвига1728928 телей различных транспортных машин (автомобилей, тракторов, речных и морских судов, электровозов) и других силовых (и обычных стационарных) установок.

На фиг. 1 — 5 изображена конденсаторHBR катушка, конструктивные варианты; на фиг. 6 — принципиальная схема накопителя.

Плоский конденсатор (фиг. 1, 2) включает две обкладки (пластины 1 и 2 длиной I, имеющие начальные выводы для подсоединения соответственно а и б. Между обкладками располагается изолятор (диэлектрик) 3 толщиной d, а концы обкладак конденсатора С имеют конечные выводы а и б (фиг. 2).

Вариант конденсатора (обкладки конденсатора на фиг. 1 и 2 сворачивают (намотка) с образованием катушки индуктивнасти, имеющей конденсаторный провод, при этом элементы такого провода можно изготовлять из различных материалов для целей радиотехники, радиоэлектроники и других отраслей науки и техники), изображенный на фиг. 3, имеет свернутые в спираль(катушка) обкладки 1 и 1 (витки) с расположенными между ними диэлектриками 3, между витками расположен изолятор 4. а внутри катушки размещен сердечник 5 с соответствующей магнитной проницаемастью +) .

На фиг. 4 изображена (прадальный разрез А-А с фиг. 3) аднавиткавая (ширина обкладки в) многослойная катушка длиной =s, а на фиг, 5 — мнагавитковая многослойная (ширина витка в ) катушка длиной 1 с определенной индуктивнастью(Ц. Обмотки 1 и 2 конденсаторной катушки выполнены из сверхпровадникавага материала (на фиг, 6 условно разделены) и помещены в криоген (жидкий гелий или жидкий азот) 6; они соединены соответственно через начальные выводы а и б и конечные выводы a M б с диодами 7 и 8, выключателями 9-18, источником 19 электрического тока (напряжения) и нагрузками 20-22. При этом источник 19 тока и нагрузка 22 могут подключаться в схему только раздельно, а не совместно.

Устройство для накопления электрической энергии работает следующим образом.

При зарядке емкости С обмо ки 1 и 2 (обкладки) соединены с источником 19 така с помощью выключателей 11, 13, 14, 15. При этом все остальные выключатели разомкнуты. В этом случае на обкладки 1 и 2 через начальные выводы а и б подается ат источника 19 тока электрическое напряжение О, Свободные заряды (электроны) на обкладках 1 и 2 могут перемещаться, а связанные заряды при поляризации диэлектрика 3 не могут перемещаться, а только, например, упруго перемещаться на определенное расстояние. Энергия электрического поля

С0

04= накапливается в объеме диэлект2

Ф рика и пропорциональна величине емкости

С конденсатора и приложенному к обкладкам напряжению 0 (точнее квадрату напряжения Ог).

1Р Так как C= а, где площадь каждой яд. S обкладки S=l .Ь (в многовитковой катушке площадь каждой обкладки $ -1 Ь, фиг. 5), то

«8d -$0

15 .Wc- =Wc = . Подбирая толщину d и материал диэлектрика,ид, геометрические параметры 1, в (в ) и величину напряжения 0, можно на обкладках конденсатора накопить значительную величину электри2п ческой энергии в виде энергии электриче.ского поля. По окончании зарядки источника 19 тока отсоединяют и выключают выключатели 11, 12, 14, 15..Вместо источника 19 тока при необ25 ходимости разряда обкладки 1 и 2 соединяют с потребителем (нагрузкой 22).

Следует отметить, что в качестве источника тока предусматривается использовать вырабатываемую, например, ГЗС

3О или другой электрической станцией электроэнергию, преимущественно в ночное время. когда существует дефицит потребителей электроэнергии.

Далее заряжают катушки индуктивно35 сти, При зарядке левой катушки с обмоткой (обкладкой) 1 (фиг; 6) с помощью включателей 11-14 обмотку 1 соединяют. через диод

7 с источником 19 тока(источник постоянно4п ro или переменного тока), а остальные включатели оставляют разомкнутыми. Так как в . обмотке 1 имеются свободные заряды (электроны), то они начинают циркулировать в замкнутой цепи, создавая ток I. В сверхпро45 водящей обмотке 1 ток может циркулировать дли гельное время, так как омическое сопротивление отсутствует. Накопление. (эапасание).энергии в обмотке 1 будет за.висеть от параметров, входящих в выраже5О we магнитной энергии WL= 2, где

1- 1г

° F ° - аР

1—

11 (1 — длина катушки). Следа° ф t J ° вательно, Wl.—, где F — пло2 ° щадь поперечного сечения катушки 1 (или катушки 2).

Увеличить накопленную в катушке магнитную энергию можно путем введения 8.

1728928

10 нее сердечника 5 с заданной магнитной проницаемостью,и< .

После зарядки катушки 1 производят отключение источника 19 тока с помощью выключателей 11-14 и одновременно замы- 5 кают катушку на себя выключателем 9 с тем, чтобы ток I продолжал циркулировать в обмотке 1. При необходимости выключатель 9 отключают, а катушку замыкают с помощью выключателя 10 на нагрузку (потребитель 10 электроэнергии) 20. Во всех случаях дозировку расхода электроэнергии. переключение схеме можно производить с помощью управляющих тиристоров (не показано).

При зарядке правой катушки 2 (фиг. 6) 15 аналогично вышеописанному производится накопление электроэнергии (в виде магнитной энергии) в обмотке катушки 2 путем соединения ее с источником 19 тока с помощью выключателей 12, 14 и 16. В этой 20 . цепи также можно использовать сердечник

5 для увеличения L(WQ.

Изменение направления тока I â äàííîé цепи можно производить заменой (переключением) выводов б на б и б на б. Это 25 .важно при одновременном циркулировании тока I в обмотках 1 и 2 (бифиля рность обмоток уничтожит их индуктивность, что приведет к ЧЧ -О).

Остальные операции: переключение ка- 30 тушки 2 с током на себя или нагрузку 21 с помощью выключателей 18 и 17 соответственно, аналогичны операциям с катушкой 1.

Если в накопителе работают сразу обе обмот- ки1и2,тоихсуммарнаяэнергия XWl.удво- 35 ится, т.е. EWt =Иц +И р =2. .,2

° (Консервация запасенной электроэнергии в диэлектрике 3 и в обмотках катушек 1 40 и 2 производится либо в одном общем блоке, либо в нескольких последовательно или параллельно соединенных накопительных элементах с помощью. специальных тиристоров и управляющих схем.

Таким образом, накопитель объединяют в одном гибридном узле конденсатор и обмотку(катушку индуктивности, соленоид), общая энергия которого 94=1/Чс+ XЮ., что . обеспечивает высокую компактность и вы- .50 сокую энергоемкость при длительной сохранности запасенной электроэнергии.

Предлагаемое устройство используют в качестве периодически восполняемого по мере расхода электроэнергии источника тока для его эксплуатации. например, на транспортных машинах. Так, двигатель внутреннего сгорания, кзк правило, поршневой, на автомобиле вместе с топливным баком, топливом, трансмиссией, можно будет заменить на разработанный накопитель электроэнергии и электродвигатели для привода колес (мотор-.колесо).

8 итоге автомобиль получит следующие преимущества: масса автомобиля (электромобиля) снижается на 40-60 и расход топлива; ликвидируется токсичный выхлоп на

100 ; повысятся динамические параметры (скорость. ускорение и время разгона, приемистость и т.д.). Ремонтопригодность силовой установки повысится нв 80-90, Кроме того, улучшится экологическая надежность автомобиля.

Формула изобретения

1. Устройство для накопления электрической энергии, содержащее конденсатор и катушку индуктивности с выводами для подключения к электрической сети, отл и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения энергоемкости, устройство снабжено второй катушкой индуктивности, электрически не связанной с первой. с вйводами для под.ключения к источнику питания, при этом вторая катушка индуктивности связана с первой через диэлектрик с образованием указанного конденсатора.

2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что катушки индуктивности выполнены из сверхпроводящего материала, 3. Устройства по и. 1., о т л и ч а ю щ е ес я тем. что катушки индуктивности выполнены с сердечником.

4.Устройство по пп. 1-3, отл ич а ющ е е с я тем, что оно дополнительно содержит элементы, состоящие из катушек индуктивности с образованием конденсатора, при этом указанные элементы соединены между собой последовательно или параллельно.

1728928

g)

Составитель Г.Легошин

Техред М.Моргентал Корректор М.Максимишинец

Редактор О.Хрипта

Заказ 1412 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101