ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ
ELECTROMECHANICAL ENERGY STORAGE APPARATUS

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в системах электроснабжения предприятий и организаций, силовых сетях электротранспорта, в локальных электрических сетях (ЛЭС) с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ), в электрических сетях нового поколения ЭНЕРНЕТ.
Из уровня техники известны электромеханические и кинетические накопители энергии, в которых электрическая энергия преобразуется в механическую энергию вращательного движения маховика и сохраняется в таком виде до тех пор, пока маховик не остановится: патент на изобретение РФ №2504889, «Накопитель энергии», МПК Н02K 7/02, опубл. 20.01.2014; патент на изобретение РФ №2417504, «Супермаховиковый накопитель энергии», МПК Н02K 16/04, опубл. 27.04.2011; патент на изобретение РФ №2456734, «Накопитель энергии», МПК Н02K 7/02, опубл. 20.07.2012, патент США US 20070080595 А1, 12/04/2007 г., патент на изобретение №2601590 Российская Федерация, МПК7 Н02K 7/02, Н02K 7/09. Электромеханический сверхпроводящий накопитель энергии, опубл. 10.11.2016. Также известен кинетический накопитель энергии (патент на полезную модель РФ №133986, «Кинетический накопитель энергии с магнитным ВТСП подвесом», МПК Н02K 7/02, опубл. 27.10.2013), предназначенный для работы в качестве резервных и аварийных источников питания бортовых электроэнергетических систем атмосферных летательных аппаратов и космических энергоустановок, а также других ответственных потребителей.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по своей технической сущности является кинетический накопитель энергии с магнитным, высокотемпературным сверхпроводниковым (ВТСП) подвесом (патент РФ №2601590, «Электромеханический сверхпроводящий накопитель энергии», МПК Н02K 7/02, Н02K 7/09, (опубл. 10.11.2016 г. Бюл. №31, 10 с.), содержащий корпус модульного типа, в одном модуле которого размещен обращенный мотор-генератор с неподвижным статором и ротором-маховиком с бесконтактным сверхпроводящим подвесом на основе кольцевого блочного ВТСП-массива, в другом модуле размещен азотный криостат с опорными сверхпроводящими пластинами. Этот накопитель энергии принят в качестве прототипа.
Недостаток прототипа заключается в недостаточной радиальной устойчивости сверхпроводящего подвеса ротора-маховика при больших скоростях вращения. Сверхпроводящий подвес ротора-маховика в прототипе осуществляется в осевом и радиальном направлениях в результате взаимодействия постоянных магнитов, расположенных на нижней части ротора-маховика и сверхпроводящих пластин. Недостаточная устойчивость ротора-маховика ограничивает скорость вращения ротора-маховика и, соответственно, уменьшает энергоемкость накопителя энергии и его надежность.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение энергоемкости накопителя энергии и повышение надежности путем увеличения жесткости радиального подвеса.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом накопителе энергии, в отличие от прототипа, установлены постоянные магниты на внешней поверхности ротора-маховика и внутренней поверхности корпуса модуля двигателя-генератора, причем, намагниченность постоянных магнитов имеет встречное направление. Между постоянными магнитами корпуса и постоянными магнитами ротора-маховика действует дополнительная сила отталкивания, которая приводит к автоматическому центрированию ротора-маховика и увеличению жесткости радиального подвеса ротора-маховика, надежности.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг. 1 показан продольный разрез предлагаемого электромеханического сверхпроводящего накопителя энергии, на фиг. 2 показан поперечный разрез модуля двигателя-генератора.
Электромеханический накопитель энергии имеет корпус, выполненный из модуля криостата 1 и модуля синхронного двигатель-генератора 2, которые соединены между собой креплением (на фиг. не указано).
В конструкцию модуля криостата 1 входит крышка-опора 3, опорный фланец 4 с уложенными в его пазы (на фиг. не показаны) сверхпроводящими пластинами 5, закрепленными сверху крышкой-опорой 3. Полость модуля криостата 1 заполнена жидким азотом 6. Внутренние стенки модуля криостата 1 выполнены из теплоизолирующего материла 7, обладающего низкой теплопроводностью. Опорный фланец 4 выполнен из материала с высокой теплопроводностью, благодаря чему обеспечивается охлаждение сверхпроводящих пластин 5 до температуры Т≤Тс, где Тс - температура перехода сверхпроводящих пластин 5 в состояние сверхпроводимости.
Для установки предлагаемого накопителя энергии в плоскости горизонта имеются нивелирующие опоры 8, расположенные под модулем криостата 1.
В стенке криостата 1 расположен патрубок 9 для заполнения криостата жидким азотом, например, путем его прокачки из криокулеров (на фиг. не показаны).
Конструкция модуля синхронного двигатель-генератора 2 состоит из ротора-маховика 10, опорных постоянных магнитов 11, закрепленных на нижней части ротора-маховика 10, опорных постоянных магнитов 12, закрепленных на боковой поверхности ротора-маховика, постоянных магнитов возбуждения 13, расположенных на внутренней боковой поверхности ротора-маховика 10, постоянных магнитов 14, закрепленных на внутренней поверхности корпуса модуля двигателя-генератора и крышки-опоры 15.
Также в нижней части модуля синхронного двигатель-генератора 2 установлена направляющая опора 16 с подшипником 17.
Также в конструкцию модуля синхронного двигателя-генератора 2 входит статор 18, на котором закреплена трехфазная система обмоток 19. На верхней части статора 18 расположены клеммы 20 (клеммы А, В, С) для присоединения источника трехфазного напряжения, и выход датчика скорости 21 ротора-маховика 10.
Для вакуумирования полости, в которой размещен ротор-маховик 10, в верхней части модуля синхронного двигателя-генератора 2 расположен ниппель 22.
Для визуального наблюдения за положением ротора-маховика 10 в стенке модуля синхронного двигателя-генератора 2 имеется окно 23. После заполнения полости модуля криостата 1 патрубки 9 закрывают и азот может храниться в жидком состоянии продолжительное время. Для того, чтобы отводить газообразный азот, образующийся в процессе работы, модуль криостата 1 содержит отводящий патрубок (на фиг. не показан).
Опорные постоянные магниты 11 и сверхпроводящие пластины 5 создают ВТСП-подвес, обеспечивающий бесконтактную самоцентрирующуюся левитацию ротора-маховика 10. Постоянные магниты модуля двигателя-генератора 14 и постоянные магниты ротора-маховика 12 создают дополнительное силовое взаимодействие, увеличивающее устойчивость и жесткость радиального подвеса ротора-маховика.
Предлагаемый электромеханический накопитель энергии работает следующим образом.
После сборки модулей синхронного двигатель-генератора 2 и криостата 1 производится соединение крышки-опоры 15 с крышкой-опорой 3 при помощи крепления (на фиг. не показано), после чего осуществляется вакуумная откачка полости ротора-маховика 10, например, с помощью вакуумного насоса (на фиг. не показан) и закачивание жидкого азота 6 в полость модуля криостата 1 через патрубок заполнения 9.
В результате поступления жидкого азота в полость модуля криостата 1 происходит охлаждения сверхпроводящих пластин 5 и их переход в сверхпроводящее состояние. В этом случае сверхпроводящие пластины 5 приобретают свойства диамагнетиков. Магнитное поле, образованное постоянными магнитами 11, взаимодействует с сверхпроводящими пластинами 5, в результате чего возникнет эффект левитации, и ротор-маховик 10 снимется с опоры 16. Одновременно ротор-маховик центрируется в радиальном направлении с помощью магнитного взаимодействия постоянных магнитов 14 и 12. При этом, происходит самоцентрирование по вертикальной и горизонтальной осям бесконтактного подвеса ротора-маховика 10. Этот момент левитации ротор-маховика 10 можно наблюдать визуально через смотровое окно 23.
Необходимые силовые характеристики ВТСП-подвеса обеспечиваются оптимизацией рабочего зазора образованного нижней поверхностью постоянных магнитов 11 и верхней поверхностью сверхпроводящих пластин 5, выбором материала опорного фланца 4, величиной намагниченности постоянных магни-тов11, 22, 23, величиной разности между температурой сверхпроводящих пластин 5 и температурой их перехода в сверхпроводящее состояние.
После центрирования ротора-маховика 10 на клеммы 20 подается трехфазное переменное напряжение. За счет полученной электрической энергии ротор-маховик 10 начинает разгоняться до номинальной скорости вращения. После набора номинальной скорости вращения источник энергии отключается, а ротор-маховик 10 будет продолжать вращаться по инерции в вакууме продолжительное время, тем самым сохраняя затраченную на разгон ротора-маховика 10 электрическую энергию в механическом виде.
При необходимости получения электрической энергии из предлагаемого электромеханического накопителя энергии, необходимо клеммы 20 трехфазной системы обмоток 19 подключить к нагрузке, при этом статор 18 за счет кинетической энергии ротор-маховика 10 будет генерировать электрическую энергию до тех пор, пока кинетическая энергия ротор-маховика 10 не иссякнет. Управление режимами (циклами) работы накопителя энергии (заряд-разряд) осуществляют при помощи системы управления синхронной машиной, например, векторного типа. Циклы заряда и разряда электромеханического накопителя энергии можно повторять многократно без замены расходных материалов типа электролита в химических накопителях энергии, в этом заключается преимущество и перспектива электромеханических накопителей энергии. Для остановки предлагаемого накопителя энергии необходимо остановить вращение ротор-маховика 10, например, путем замыкания клемм 20 (клеммы А, В, С) на балластное сопротивление, а затем слить жидкий азот 6 из полости модуля криостата 1. После остановки вращения ротор-маховик встанет на направляющую опору 16 с подшипником 17.