Накопитель энергии
Владельцы патента RU 2713385:
Федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российской академии наук" (ФНИЦ "Кристаллография и фотоника" РАН) (RU)
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве накопителя энергии для транспортных средств, ветровых и солнечных электростанций. Технический результат заключается в повышении накапливаемой энергии за счет накопления не только механической, но также и индуктивной энергии, не содержащей рельефа, менее трудоемкой и не требующей использования специального сложного оборудования для изготовления. Накопитель энергии включает вакуумируемый корпус, установленный в нем маховик в виде вертикального полого цилиндра, прикрепленный перемычками к оси, мотор-генератор со статором, закрепленным в корпусе, и приводным диском, закрепленным на оси маховика, и магнитные подшипники. Магнитная система содержит магнит и полюсные наконечники, плоскости которых параллельны плоскостям торцов маховика и которые установлены с образованием зазоров между ними и упомянутыми торцами маховика, в которые введены слои пористого электропроводящего материала: наружный слой - поверх внешней цилиндрической поверхности маховика и внутренний слой - под внутренней цилиндрической поверхностью маховика. 2 ил.
Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в качестве накопителя энергии для транспортных средств, ветровых и солнечных электростанций.
Известен индуктивный накопитель энергии по патенту RU 2546068 С1 от 19.02.2014, опубл. 10.04.2015, МПК Н03K 3/53, обеспечивающий генерацию весьма мощных импульсов длительностью порядка миллисекунд.
Недостатком данного устройства является невозможность накопления энергии на существенно больших срок из-за омических потерь в катушках индуктивности.
Известен сверхпроводниковый накопитель энергии по патенту RU 2259284 С2 от 18.02.2003, опубл. 27.08.2005, МПК В60М 3/06, B60L 7/12, применяемый для транспортных средств.
Недостатком данного устройства является установка его не на самом транспортном средстве, а на тяговой подстанции, поскольку необходимая для обеспечения сверхпроводимости криогенная аппаратура требует значительного места для своего размещения.
Известен накопитель энергии, предназначенный для размещения на транспортном средстве по патенту RU 2456734 от 15.04.2010, опубл. 20.07.2012, МПК Н02K 7/02, Н02K 7/09, Н02K 51/00, F16F 15/315, включающий в себя вакуумируемый корпус, маховик в виде вертикального цилиндрического трубчатого ротора с мотор-генератором со статором и приводным диском, систему опор из подшипников.
Недостатком данного устройства является ограничение величины запасенной энергии массой маховика. Для увеличения запасаемой энергии маховик и, следовательно, устройство в целом должны быть утяжелены, что существенно ограничивает область применения устройства.
Прототипом заявляемого устройства является накопитель энергии с маховиком по патенту RU 2621309 от 07.08.2015, опубл. 01.06.2017, Н02K 7/02, обеспечивающий увеличение накапливаемой энергии за счет накопления не только механической, но и индуктивной энергии, включающий в себя вакуумируемый корпус, маховик в виде вертикального цилиндрического трубчатого ротора с мотор-генератором со статором и приводным диском, систему опор из подшипников, магнитную систему, содержащая магнит и полюсные наконечники, плоскости которых параллельны плоскостям торцов маховика, установленные с образованием зазоров между ними и торцами маховика. Маховик может быть упрочнен полимерными материалами, армированными стекловолокнами, углеволокнами или органоволокнами, причем торцы маховика выполнены с образованием рельефа в виде рядов четырехугольных пирамид или параллельных щелей.
Недостатком прототипа является наличие рельефа. Для обеспечения высокого отношения накопленной энергии к массе маховика требуется сложный рельеф с большой поверхностью, трудоемкий в изготовлении, т.к. для его нанесения используется специальное сложное оборудование.
Поставлена задача: создать накопитель энергии, содержащий маховик и магнитную систему, обеспечивающий высокое отношение накопленной энергии к массе маховика, но не содержащий рельеф.
Технический результат заключается в создании конструкции накопителя энергии с маховиком и магнитной системой, не содержащей рельефа, менее трудоемкой и не требующей использования специального сложного оборудования для изготовления.
Для решения поставленной задачи и достижения технического результата в накопителе энергии, включающем в себя вакуумируемый корпус, маховик в виде вертикального цилиндрического трубчатого ротора с мотор-генератором со статором и приводным диском, систему опор из подшипников, магнитную систему, содержащую магнит и полюсные наконечники, плоскости которых параллельны плоскостям торцов маховика, установленные с образованием зазоров между ними и торцами маховика, введены слои пористого электропроводящего материала: наружный слой -поверх внешней цилиндрической поверхности маховика и внутренний слой - под внутренней цилиндрической поверхностью маховика. В качестве пористого электропроводящего материала может быть использован пористый алюминий, пористое железо и т.п. Маховик вместе со слоями может быть упрочнен полимерными материалами, армированными стекловолокнами, углеволокнами или органоволокнами.
Кроме того, внутренний слой может быть толще внешнего.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан вертикальный разрез маховика накопителя энергии; на фиг. 2 показан маховик накопителя энергии (вид сверху). Для большей наглядности чертежей на них не показаны вакуумируемый корпус, ось, перемычки и некоторые другие детали, идентичные деталям прототипа.
Накопитель энергии содержит вакуумируемый корпус, закрытый крышкой, маховик 1 в виде вертикального полого цилиндра с установленными внутри маховика перемычками, прикрепленными к оси. Маховик 1 выполнен из электропроводящего материала, предпочтительно ферромагнитного. Маховик 1 приводится во вращение мотор-генератором со статором, закрепленным на корпусе, и приводным диском, соединенным с осью. В накопителе энергии установлена магнитная система, содержащая магнит и полюсные наконечники, плоскости которых параллельны плоскостям торцов маховика 1, установленные с образованием зазоров между ними и торцами маховика 1. Магнит может быть постоянным, например, с использованием диспрозия, но возможно и применение электромагнита с питанием его от накопителя энергии. Накопитель энергии содержит слои пористого электропроводящего материала: наружный слой 2 - поверх внешней цилиндрической поверхности маховика 1 и внутренний слой 3 - под внутренней цилиндрической поверхностью маховика 1. Маховик 1 и слои 2, 3 скреплены плотной посадкой или электропроводящим клеем. Маховик 1 вместе со слоями 2 и 3 может быть упрочнен слоями полимерного материала, например, стеклопластика или углепластика. В варианте накопителя внутренний слой 3 толще внешнего слоя 2. Устройство работает следующим образом.
Магнит посредством полюсных наконечников производит в маховике 1 магнитное поле, направленное параллельно оси маховика 1. Под влиянием этого магнитного поля при вращении маховика 1 мотор-генератором в маховике 1 возникает ЭДС, направленная радиально. Под влиянием этой ЭДС на внешней поверхности слоя 2 и внутренней поверхности слоя 3 образуются электрические заряды разных знаков. Кроме того, образуются заряды таких же знаков на поверхностях пор слоев 2 и 3, соответственно. Вследствие вращения маховика 1 вместе со слоями 2 и 3 возникают круговые токи, также имеющие противоположные направления. Эти токи вызывают магнитное поле в маховике 1, в котором накапливается магнитная энергия. Одновременно накапливается и механическая энергия, обусловленная вращающейся массой маховика 1. При работе мотор-генератора в режиме двигателя вследствие инерции, обусловленной как массой маховика 1, так и энергией магнитного поля, маховик 1 вращает вал за счет накопленной энергии.
Наличие пор в слоях 2 и 3 увеличивает поверхность, на которой образуются заряды, что способствует увеличению поверхностных зарядов и, соответственно, увеличению токов и магнитной энергии. Проведенные исследования показали, что эффективность поверхности сферических пор составляет 0,682 от эффективности открытых поверхностей независимо от радиуса пор. Однако при большом числе пор их поверхность во много раз превышает соответствующие поверхности маховика 1. При выполнении в варианте накопителя внутреннего слоя 3 толще внешнего слоя 2 объемы обоих слоев могут быть получены одинаковыми, чем достигается равенство их эквивалентных емкостей, и зарядов и, соответственно, максимум суммарного заряда и максимум запасаемой магнитной энергии. Расчеты показывают, что в накопителе с размерами ротора 40 см; 25 см; 25 см (средний диаметр, толщина и высота ротора) при средней скорости вращения стального ротора 120 м/с может быть запасено 6133766 Дж механической энергии и 3,2269⋅10-9 Дж магнитной энергии. В накопителе с таким же ротором, но со слоями пористого железа толщиной 0,283 мм и 1,226 мм при радиусе пор от 11 мм до 13 мм и удельной площади поверхности пор 12 м2 на 1 г массы может быть накоплено 6162757 Дж механической энергии и 181⋅106 Дж магнитной энергии при той же скорости вращения.
Накопитель энергии, включающий в себя вакуумируемый корпус, маховик в виде вертикального цилиндрического трубчатого ротора с мотор-генератором со статором и приводным диском, систему опор из подшипников, магнитную систему, содержащую магнит и полюсные наконечники, плоскости которых параллельны плоскостям торцов маховика, установленные с образованием зазоров между ними и торцами маховика, отличающийся тем, что в него введены слои пористого электропроводящего материала, наружный слой поверх внешней цилиндрической поверхности маховика и внутренний слой под внутренней цилиндрической поверхностью маховика.
