Забабуркин Д.И.
Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики.
4б
Предложены пути усовершенствования такого накопителя кинетической энергии, как маховик, с целью его применения в транспортных средствах, в солнечных установках или в ветроэнергогенераторах.
ВВЕДЕНИЕ
Решение многих современных проблем энергетики, топлива, транспорта, сохранения чистоты атмосферы и других, связанных с производством и потреблением энергии, невозможно без таких экологически чистых источников энергии, как энергия ветра, солнечное излучение, энергия течения воды и др. [1].
В настоящей статье предлагаются пути усовершенствования такого известного генератора энергии, как маховик (накопитель кинетической энергии), с целью применения его в маховичном транспорте, солнечном и ветрогенераторе.
1. МАХОВИЧНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ
Одним из основных потребителей природных ресурсов Земли, вносящих немалый вклад в загрязнение окружающей среды, является автомобильный транспорт. С этой точки зрения перспектива использования экологически чистого маховичного накопителя очень заманчива, но пока ему еще далеко до того, чтобы составить серьезную конкуренцию обычному бензиновому двигателю. В настоящей статье предлагается увеличить КПД маховичного аккумулятора за счет энергии вращения заряженного тела. В основу устройства положен тот факт, что движущийся заряд по своим магнитным действиям эквивалентен элементу тока.
Известны маховичные (инерционные) аккумуляторы с маховиком, вращающимся в камере вращения, с отбором от него электрической энергии [2]. Принцип работы аккумулятора энергии заключается в том, что двигатель, подключенный, например, к городской электросети, раскручивает маховик. После разгона маховика он выделяет энергию на движение автомобиля при помощи двигателя, переведенного в режим генерации тока. Увеличение КПД можно получить, если на внутренней поверхности камеры вращения и на плоскостях маховика расположить системы накопления заряда (рис.1).
Между системами накопления находится диэлектрик. Таким образом, образуются два конденсатора, у которых одна из обкладок (на маховике) вращается (рис.2).
Обкладки конденсаторов заряжаются разноименно постоянным током во время раскрутки маховика или до нее. Накопленный заряд сохраняется на все время движения транспортного средства. В случае утечки конденсатора больше расчетной потребуется небольшая подзарядка во время движения .
Время зарядки конденсатора не более 5 мин., а время раскрутки маховика 20-25 мин., поэтому устройство вырабатывает ток уже во время раскрутки, что позволит экономить энергию на разгон маховика. Зарядка (подзарядка) конденсаторов может производиться электрохимическим генератором (водород-но-кислородный элемент), гальваническим элементом и т.п. через умножитель напряжения.
Пусть заряд dq движется со скоростью v по кольцу длиной l, что эквивалентно элементу тока il=dqv. Величина заряда равна ala , где а - ширина кольца, a -поверхностная плотность заряда. dq = ala , il = alav, i = aav.
Если средний радиус кольца г, а маховик делает n оборотов в секунду, то
v = 2кгп ,
i = aa2nrn,
i = San = qn ,
где 2nra = S - полная площадь кольца, Sa - полный заряд кольца [3].
eñeSU
q = CU =-
d
На рис.2 приведен предполагаемый вид устройства накопления зарядов. Прорези в металлизированной поверхности устройства накопления сделаны с целью уменьшения токов Фуко.
Окончательно:
eeSUn
i = -
d
где е0 = 8.85 10- Ф/м, С - емкость конденсатора, и - напряжение между обкладками, d - расстояние между пластинами, е - диэлектрическая проницаемость диэлектрика, 1 - виртуальный ток устройства накопления зарядов.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)
#3 2002
Л
:о
47
Рис. 1. Маховичный накопитель энергии. 1-двигатель-генератор, 2-камера вращения (корпус), 3-маховик, 4-системы накопления заряда, 5-диэлектрик, 6-системы токосъема.
Рис. 2. Предполагаемый вид устройства накопления зарядов.
Забабуркин Д.И. Способы генерации и использования энергии для экологически чистых источников тока.
48
Для проведения расчетов рассмотрим пример маленького городского легкового автомобиля конструкции Д. В. Рабенхорста [2]. Маховик с массой т=100 кг, радиусом 40 см вращается в вакуумированной камере со скоростью п=23700 об/мин. Пусть £ = 150 (ти-конд-150), d=4 мм; и=104 В, а полезная площадь (металлизированная) занимает 0.75 площади диска, тогда
8.85-150-0.75-П-0.4-0.4-23700-103 „„ „
г =---- 500мА
10 -60-4
При расчете не учтено, что между маховиком и диэлектриком имеется зазор, диэлектрик имеет полости, поэтому результат завышен. Не учтены и другие источники потерь, поэтому будем считать, что результат завышен в 3 раза. Устройство состоит из двух одинаковых частей, поэтому результат удваивается, и в итоге виртуальный ток примерно равен 300 мА.
Результат может быть увеличен за счет применения материалов с развитой пористой поверхностью. Можно применить диэлектрик (керамику) с £ = 1000 , но тогда придется несколько уменьшить и и увеличить d. В результате можно рассчитывать на токи 0.5-1 А. Индуцируемое напряжение в токосъем-ных катушках, расположенных в толще диэлектрика (система токосъема, рис.1), зависит от скорости изменения магнитного потока.
Кинетическая энергия вращения маховика равна Ер = ^2 / 2, где J -момент инерции, м = 2пп - скорость вращения [4], У = тг2/2 , где т - масса маховика, г -его радиус.
1 тг 2 2 _2 2 2
Е =----4П -п = П -п -г -т
вр 2 2
Ер = П - п1 - г2 - т,
Ep = п2
f23700v
60
-0.4-0.4-100 - 2.46-107Дж .
Энергия заряженного конденсатора Е = СП2 / 2 , С1 = £££/d , С=2С1, где С1 - емкость одной системы накопления.
^ 8.85 -150-п - 0.4 - 0.4 - 0.75 -103 „ „^ ^
С = 2----- 0.25мкФ;
1012 -4
Е = 0267-1608 - 12.5Дж.
„ар 2-106 ^
Видно, что энергия маховика очень велика по сравнению с энергией заряженного конденсатора, поэтому создаваемое магнитное поле не должно оказывать сильного тормозящего эффекта.
Дополнительный ток, создаваемый устройством, может использоваться для заряда бортовой конденсаторной энергоустановки (емкостной накопитель энергии). После остановки маховика блок конденсаторов импульсно разряжается, отдавая большую мощность электростартеру.
Предлагаемый маховичный накопитель предназначен, прежде всего, для транспортных средств городского типа: маховик раскручивается на остановках электродвигателем, подключенным к городской электросети. Система накопления заряжается. После набора необходимой скорости вращения (в течение 20-25 мин.) маховик приводит в движение транспортное средство. Предлагаемое устройство позволит увеличить пробег с одной раскрутки маховика и уменьшить потребление электроэнергии на раскрутку.
Предлагаемое устройство может быть использовано для накопления энергии на электростанциях с
последующим использованием в часы "пик , на солнечных и ветроустановках, при конструировании вращающихся накопителей кинетической энергии для летательных аппаратов и т. п.
Солнечные батареи используются, например, на спутниках связи, но они не работают, когда спутник загорожен от Солнца Землей. Система накопления энергии на маховике могла бы заменить на спутнике химический аккумулятор.
2. СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА
Для повышения КПД солнечной энергоустановки предлагается параллельно диску фотоэлементов установить две системы накопления зарядов с легким маховиком аналогично предыдущей конструкции (рис. 3). Двигатель раскручивает маховик в светлую часть суток. Источником питания для электродвигателя и зарядки системы накопления могут служить термоэлементы. В качестве двигателя может использоваться двигатель Стирлинга. Для приведения в действие механизма автоматического поворота за Солнцем можно использовать свойство гидридов поглощать водород и выделять его при нагревании. В части рамы корпуса фотоэлементов, которая обращена к Солнцу, гидрид нагревается сильнее, выделяется водород, и рама поворачивается всей поверхностью к Солнцу.
Пусть радиус диска фотоэлементов г=1 м, тогда мощность солнечной установки из расчета ~ 100 Вт на 1 м2 будет - 300 Вт. Диск маховика изготовлен из текстолита (плотность р = 1.35 -103 кг/м3) - радиус г=1 м, толщина Н=4 мм. На нем находятся две системы накопления из меди толщиной 0.1 мм. (Цифровые данные ориентировочные.) Параметры маховика выбираются, исходя из оптимальных соотношений между мощностью двигателя, весом маховика, скоростью вращения, мощностью гелиоустановки и др. Масса маховика т = т1 + т2;
m1 = nr2 H p = (текстолит);
п -1 - 4 -1.35 -103 103
17
к -1 - 0.1 - 8.93 -103 - 2
Ю
5.6
(медь);
т - 22.6 кг.
Кинетическая энергия маховика (2)
Е =Пп2г2т =П -2500-22.6 - 558 КДж;
п=3000 об/мин=50 об/сек.
Пусть маховик раскручивается до максимальной скорости (3000 об/мин) в течение всего светлого времени суток (12 часов), тогда требуется мощность электродвигателя
P
558-103
Л5Вт
12 60 60
(мощности двигателя должно быть достаточно для преодоления инерции покоя маховика). Емкость
с = 2- =:-8.85-|511П-1"' -2.0мкФ
d 10 - 4
(£ =150; d=4 мм; г=1 м).
На зарядку такой емкости постоянным током до 10 кВ потребуется время не более нескольких минут, что позволит экономить электроэнергию на разгон маховика.
m2 =
Рис. 3. Солнечная энергоустановка.. 1-двигатель-генератор, 2-камера вращения (корпус), 3-маховик, 4-системы накопления заряда, 5-диэлектрик, 6-системы токосъема, 7-фотоэлементы.
Энергия зарядки емкости равна C ■ U2 2-108
Е =
>100 Дж.
2 2-106
После наступления темного времени суток маховик вращается по инерции, вырабатывая энергию с помощью двигателя, переведенного в режим генерации, и системы накопления зарядов. Виртуальный ток системы можно оценить по формуле (1):
eaeSUn 8.85 • 0.75п104 • 50 150 103 2 _ „
i = -°-=-----» 250мА ,
d 1012 • 4 3
(Так же, как и в предыдущем случае, считается, что результат завышен в 3 раза, и работают две системы).
Результат может быть увеличен, так же, как и в предыдущем случае.
Запас энергии в маховике 558 кДж или 155 Вт.ч.
Солнечная энергоустановка может быть и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.