Энциклопедия альтернативной энергетики. Термины и определения
Encyclopedia of renewable energy. Terms and definitions
МАХОВИК
Маховик (Маховое колесо) — тяжелый вращающийся диск, использующийся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии.
Также маховиком называют регулировочное колесо, похожее по форме.
Использование
Используется в машинах, имеющих неравномерное поступление или использование энергии, накапливая энергию, когда поступление энергии выше, чем расход, и отдавая ее, когда потребление превышает поступление энергии. Также используется в гибридном двигателе в качестве накопителя энергии и для рекуперативного торможения.
Часто функцию маховика выполняет массивный вращающийся элемент механизма (гончарный круг, массивные колеса водяной мельницы или массивные зубчатые колеса).
Помимо энергии, вращающийся маховик накапливает еще и момент импульса, что используется для ориентации космических аппаратов.
Свойство маховика сохранять направление оси вращения используется в гироскопах.
Физика
Кинетическая энергия вращения, накопленная во вращающемся теле (маховике), может быть рассчитана по формуле:
Е =1 /ю2, 2
где I — момент инерции массы относительно оси вращения маховика, <в — угловая скорость в радианах в секунду.
Для простых форм маховика известны конечные выражения момента инерции:
— для полого цилиндра
, 1 I = — m 2
(rr + О ,
где m — масса цилиндра; r — его радиус;
реннии радиус цилиндра;
— для тонкостенного цилиндра I = mr2;
— для сплошного цилиндра
Г 1 2
/ =— тг . 2
Заменив в формуле для полого цилиндра угловую скорость — на частоту вращения — 5 по формуле <в = 2п5, получим:
E = m (nS)2 (2 + r02) .
История
Эффект маховика использовался с древнейших времен. Например, в гончарном круге, ветряных мельницах.
Во время промышленной революции Джеймс Уатт применил маховик в паровой машине, его современник Джеймс Пикард (James Pickard) использовал маховик в сочетании с кривошипно-шатунным механизмом для преобразования возвратно поступательного движения во вращательное.
Использование маховика в качестве аккумулятора энергии ограничивается тем, что при превышении допустимой окружной скорости происходит разрыв маховика, приводящий к большим разрушениям. Это вынуждает создавать маховики с очень большим запасом прочности, что приводит к снижению их эффективности.
Следствием этого является малая (по сравнению с другими видами аккумуляторов) удельная электроемкость.
В мае 1964 г. Гулия Нурбей Владимирович подал заявку на изобретение супермаховика — энергоемкого и разрывобезопасно-го маховика.
Рис. 1. Современные автомобиль-
ные маховики
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (50) 2007
© 2007 Scientific Technical Centre «TATA»
r0 — внут-
M
Супермаховик — один из типов маховика, накопитель механической энергии. За счет конструктивных особенностей способен хранить до 130 Втч на килограмм веса, а при использовании в конструкции суперкарбонового волокна — до 500 Вт ч. Изобретен в 1964 году российским инженером Нурбеем Владимировичем Гулиа.
Супермаховик представляет собой барабан, намотанный из тонких витков стальной, пластиковой ленты, стекловолкна. За счет этого обеспечивается колоссальная прочность на разрыв, поэтому современные маховики, изготовленные из углеродных композитов, можно раскручивать до 22,5 тысяч оборотов в минуту при радиусе около полуметра. Обычно, для уменьшения потерь на трение супермаховик помещается в вакуумированный кожух.
Сам по себе барабан в кожухе мало на что пригоден. Законченный вид супермаховик принимает тогда, когда он способен запасать электрическую энергию и отдавать ее при необходимости. Для этого создается мотор-генератор, где статором является барабан, а ротором — ось, вокруг которой он вращается. Таким образом, при подключении в сеть он будет запасать энергию, а при подключении нагрузки — отдавать. КПД этого преобразования достигает 98 %.
Преимущества и недостатки супермаховика
Супермаховик сочетает в себе долговечность и умеренную цену, безопасен при разрушении. Как уже было сказано, его КПД очень велик. Недостатком супермаховиков является большой момент импульса, который будет препятствовать изменению направления оси вращения маховика.
Практическое использование
Изобретатель супермаховика, профессор Гулиа в первую очередь собирался применить его как накопитель энергии для автомобилей и даже построил несколько образцов такого транспорта.
Однако последние успешные достижения относятся к другим областям. Компания Beacon Power, основанная в США в 1997 году, сделала существенный шаг, разработав серию больших стационарных супермаховиков для применения в промышленных энергосетях. Супермаховики производства Beacon Power способны запасать энергию в 6 и 25 кВтч в зависимости от модели и мощность в 2 и 200 кВт, соответственно.
Американская компания рассчитывает продавать их местным компаниям, а также сама оказывать услугу «регулирования частоты». Следует сказать, что, поскольку энергетическая сеть США существует в условиях наличия множества местных поставщиков энергии и открытого энергетического рынка, проблема регулирования мощностей доставляет немало проблем. Проблем, собственно, три: а) запасание «лишней» энергии, когда потребление снижается; б) восполнение недостатков во время пиков потребления; в) регулирование частоты тока. По расчетам Beacon Power, супермаховики, объединенные в батарею по 10 накопителей, смогут обеспечивать мощность в 1 МВт и запасать энергию в 250 кВтч. Изменение частоты в сети при этом парируется за время порядка 5 мс.
Источник: Википедия — свободная энциклопедия (http://ru.wikipedia.org)
Гулиа, Нурбей Владимирович — российский инженер и ученый. Профессор Московского государственного индустриального университета, заведующий кафедрой «Детали машин». Известен как изобретатель супермаховика, а также другими своими изобретениями в области рекуперации механической энергии и перспективных трансмиссий. Популяризатор науки и техники.
Биография
Нурбей Гулиа родился в 1939 г. в Тбилиси. Высшее образование он получил в Политехническом институте. Первое изобретение, сделанное еще в 1961 г. касалось автомата для изготовления папирос. Затем область интересов молодого ученого определилась: вариаторы, трансмиссии и другие средства сохранения и преобразования энергии. В 1964 г. Гулиа подает заявку на изобретение первого супермаховика. Этот накопитель механической энергии, в отличии от предыдущих, был выполнен не сплошным, а состоял из намотанных на барабан многих тысяч витков стальной ленты. Высокая устойчивость на разрыв позволяет запасать в нем до 80-130 Вт-ч на килограмм массы. В дальнейшем Гулиа работал в Тольятти во время строительства автозавода, а позднее, в 1971г., возглавил кафедру теоретической механики в политехническом институте Курска.
В 1973 г. Нурбей Гулиа защищает в Московском автомобильно-дорожном институте докторскую диссертацию на тему: «Динамическое аккумулирование и рекуперирование механической энергетики для целей транспорта». С 1977 г. он работает в Московском государственном индустриальном университете сначала профессором кафедры «Автомобили и двигатели», а затем заведующим кафедрой «Детали машин». Сфера его научных интересов не изменилась: это по-прежнему перспективные изобретения в автомобилестроении, в частности, инерционные аккумуляторы механической энергии и вариаторы.
За свою жизнь Нурбей Владимирович Гулиа написал около 20 монографий и 200 научных статей, получил 250 патентов и авторских свидетельств на изобретения. Среди его учеников есть два доктора и несколько кандидатов наук.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» №6 (50) 2007 © 2007 Научно-технический центр «TATA»
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.