НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ
ENERGY STORAGE UNIT

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в качестве накопителя энергии для транспортных средств, а также источника бесперебойного питания для ветровых электростанций.
Известен индуктивный накопитель энергии по патенту RU 2546068 C1 от 19.02.2014, опубл. 10.04.2015, МПК H03K 3/53, обеспечивающий генерацию весьма мощных импульсов длительностью порядка миллисекунд.
Недостатком данного устройства является невозможность накопления энергии на существенно больший срок из-за омических потерь в катушках индуктивности.
Известен сверхпроводниковый накопитель энергии по патенту RU 2259284 C2 от 18.02.2003, опубл. 27.08.2005, МПК B60M 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.
Прототипом заявляемого устройства является накопитель энергии, предназначенный для размещения на транспортном средстве по патенту RU 2456734 от 15.04.2010, опубл. 20.07.2012, МПК H02K 7/02, H02K 7/09, H02K 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 прототипа является ограничение величины запасаемой устройством энергии массой маховика. Для увеличения запасаемой энергии маховик и, следовательно, устройство в целом должны быть утяжелены, что ограничивает область применения известного устройства.
Поставлена задача: создать накопитель энергии, обеспечивающий высокое отношение накопленной энергии к массе маховика.
Технический результат заключается в создании конструкции накопителя энергии с маховиком, обеспечивающей увеличение накапливаемой энергии за счет накопления не только механической, но и индуктивной энергии.
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, введена магнитная система, содержащая магнит и полюсные наконечники, плоскости которых параллельны плоскостям торцов маховика, установленные с образованием зазоров между ними торцами маховика. Маховик может быть упрочнен полимерными материалами, армированными стекловолокнами, углеволокнами или органоволокнами.
Кроме того, торцы маховика выполнены с образованием рельефа.
Дополнительно упомянутый рельеф выполнен с образованием рядов четырехугольных пирамид.
Кроме того, упомянутый рельеф выполнен в виде параллельных щелей.
Дополнительно число магнитов в магнитной системе может быть более одного.
Кроме того, маховик выполнен из ферромагнитного материала.
Дополнительно, зазор между верхним торцом маховика и верхним полюсным наконечником выполнен меньшим зазора между нижним торцом маховика и нижним полюсным наконечником.
Кроме того, маховик выполнен из сегнетоэлектрика.
Дополнительно маховик выполнен из сегнетомагнетика.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан вертикальный разрез маховика накопителя энергии и магнитной системы; на фиг. 2 показан маховик накопителя энергии и магнитная система (вид сверху); на фиг. 3 показан фрагмент поверхностей торцов маховика с рельефом, выполненным с образованием рядов четырехугольных пирамид; на фиг. 4 показан фрагмент поверхностей торцов маховика с рельефом, выполненным с образованием параллельных щелей.
Для большей наглядности чертежей на них не показаны вакуумируемый корпус 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 на некотором удалении от его торцов перемычками 3 и 4, прикрепленными к оси 2. Маховик 1 упрочнен слоями полимерного материала, например стеклопластика или углепластика. Маховик 1 приводится во вращение мотор-генератором со статором, закрепленным на корпусе, и приводным диском, соединенным с осью 2. В накопителе энергии установлена магнитная система, содержащая магнит 5 и полюсные наконечники 6 и 7, плоскости которых параллельны плоскостям торцов маховика 1, установленные с образованием зазоров между ними и торцами маховика 1. Магнит 5 может быть постоянным, например, с использованием диспрозия, но возможно и применение электромагнита с питанием его от накопителя энергии.
В варианте накопителя цилиндрические поверхности маховика 1 выполнены с образованием рельефа.
В варианте накопителя упомянутый рельеф выполнен с образованием рядов четырехугольных пирамид.
Устройство работает следующим образом.
Магнит 5 посредством полюсных наконечников 6 и 7 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 и внутренней цилиндрических поверхностях маховика 1 образуются электрические заряды разных знаков. Вследствие вращения маховика 1 возникают круговые токи на цилиндрических поверхностях маховика 1, 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 рельефа на цилиндрических поверхностях увеличивает их поверхность, что способствует увеличению поверхностного заряда и, соответственно, увеличению токов и магнитной энергии. Вид рельефа и число магнитов определяются конкретными условиями технологии производства. При выполнении зазора между верхним торцом маховика 1 и верхним полюсным наконечником меньше зазора между нижним торцом маховика 1 и нижним полюсным наконечником, по крайней мере, часть веса маховика 1 компенсируется, что облегчает работу подшипников. Выполнение маховика 1 из ферромагнитного материала обеспечивает меньшее магнитное сопротивление магнитной цепи, а следовательно, большую магнитную индукцию при той же силе магнита, а также большие ЭДС, заряд и накопленную энергию при той же скорости вращения. Кроме того, высокая относительная магнитная проницаемость ферромагнетиков увеличивает индуктивность маховика 1 и, следовательно, запасенную энергию, при той же силе токе. Применение сегнетоэлектрика в маховике позволяет увеличить поверхностный заряд за счет поляризации материала маховика. Применение сегнетомагнетика позволяет использовать преимущества как ферромагнетика, так и сегнетоэлектрика.
6
8
Проведенные расчеты показали, что заявляемое устройство с размерами маховика 200 мм, 433 мм, 233 мм (высота, внешний диаметр, внутренний диаметр), выполненного из легированной стали (относительная магнитная проницаемость 200) при максимально допустимой скорости вращения маховика способно накопить 6⋅10 Дж механической энергии и 20⋅10 Дж магнитной энергии при выполнении по 10000 щелей глубиной 20 мм на каждой из цилиндрических поверхностей маховика.
7
Для сравнения: маховик прототипа высотой 400 мм при массе, приблизительно равной массе маховика заявляемого устройства вместе с магнитной системой, согласно тем же расчетам способен накопить 1,2⋅10 Дж механической энергии.