ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ
ELECTROMECHANICAL ENERGY STORAGE

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, в системах повышения живучести технических средств в условиях Арктики и космоса.
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 H02K 7/02, опубл. 20.01.2014; патент на изобретение РФ №2417504, «Супермаховиковый накопитель энергии», МПК H02K 16/04, опубл. 27.04.2011; патент на изобретение РФ №2456734, «Накопитель энергии», МПК H02K 7/02, опубл. 20.07.2012, патент США US 20070080595 А1, 12/04/2007 г., патент на изобретение №2601590 Российская Федерация, МПК7 H02K 7/02, H02K 7/09, Электромеханический сверхпроводящий накопитель энергии, опубл. 10.11.2016. Патент №2760784 С1 Российская Федерация, МПК H02K 55/02, H02K 26/00, H02K 7/02. Электромеханический накопитель энергии: №2020134967: заявл. 23.10.2020, опубл. 30.11.2021. Также известен кинетический накопитель энергии (патент на полезную модель РФ №133986, «Кинетический накопитель энергии с магнитным ВТСП подвесом», МПК H02K 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 №2760784 С1 Российская Федерация, МПК H02K 55/02, H02K 26/00, H02K 7/02. Электромеханический накопитель энергии: №2020134967: заявл. 23.10.2020, опубл. 30.11.2021 / Н.И. Смоленцев; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики"), содержащий корпус модульного типа, в одном модуле которого размещен обращенный двигатель-генератор с неподвижным статором и ротором-маховиком с бесконтактным сверхпроводящим подвесом на основе кольцевого блочного ВТСП-массива, системой магнитной радиальной стабилизации ротора-маховика, в другом модуле размещен азотный криостат с опорными сверхпроводящими пластинами. Этот накопитель энергии принят в качестве прототипа.
Недостаток прототипа заключается в технологической сложности балансировки ротора-маховика при одновременном размещении на внутренней и внешней поверхности ротора-маховика постоянных магнитов возбуждения двигателя-генератора и постоянных магнитов радиальной стабилизации бесконтактного сверхпроводящего подвеса ротора-маховика, что приводит к его биениям, снижению надежности, особенно в условиях мобильного применения, ограничению скорости вращения и снижению удельных параметров накопителя энергии (удельной мощности, удельной электроемкости).
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности накопителя энергии, расширение области применения, включая мобильные технические средства, снижение стоимости за счет повышения технологичности, увеличение удельных характеристик накопителя энергии.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом накопителе энергии, в отличие от прототипа, постоянные магниты установлены в сквозные пазы корпуса ротора-маховика, таким образом, что один полюс магнита создает магнитное поле возбуждения в зазоре между ротором-маховиком и статорными обмотками двигателя-генератора, а другой полюс магнита создает магнитное поле радиальной стабилизации в зазоре между ротором-маховиком и корпусом двигателя-генератора. Таким образом функции возбуждения двигателя-генератора и радиальной стабилизации сверхпроводящего бесконтактного подвеса ротора-маховика совмещены и выполняются одной магнитной системой. Конструкция паза обеспечивает жесткое крепление магнитов в корпусе ротора-маховика за счет специальных выступов, образующихся за счет уменьшения размера паза со стороны внешней поверхности ротора-маховика, причем геометрический центр паза и постоянного магнита находится на линии центра тяжести ротора-маховика, таким образом обеспечивается жесткое крепление магнитной системы к ротору-маховику, уменьшается число постоянных магнитов, что облегчает задачу балансировки ротора-маховика. Совмещение геометрических центров паза, постоянных магнитов с линией центра тяжести ротора-маховика снижает уровни биений, возникающих при внешнем воздействии на корпус накопителя энергии, особенно при мобильном применении. При сбалансированном роторе-маховике повышается надежность накопителя энергии. Это расширяет область применения накопителя энергии, например, в мобильных технических системах. Снижение биений ротора-маховика позволяет также увеличить скорость оборотов ротора-маховика, тем самым увеличить удельные характеристики.
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 7 и модуля синхронного двигатель-генератора 3, которые соединены между собой креплением (на фиг. не указано).
В конструкцию модуля криостата 7 входит крышка-опора 17, опорный фланец 10 с уложенными в его пазы (на фиг. не показаны) сверхпроводящими пластинами 12, закрепленными сверху крышкой-опорой 17. Полость модуля криостата 7 заполнена жидким азотом 11. Внутренние стенки модуля криостата 7 выполнены из теплоизолирующего материла 14, обладающего низкой теплопроводностью. Опорный фланец 10 выполнен из материала с высокой теплопроводностью, благодаря чему обеспечивается охлаждение сверхпроводящих пластин 12 до температуры Т≤Тс, где Тс - температура перехода сверхпроводящих пластин 12 в состояние сверхпроводимости.
Для установки предлагаемого накопителя энергии в плоскости горизонта имеются нивелирующие опоры 13, расположенные под модулем криостата 7.
В стенке криостата 7 расположен патрубок 15 для заполнения криостата жидким азотом, например, путем его прокачки из криокулеров (на фиг. не показаны).
Конструкция модуля синхронного двигатель-генератора 3 состоит из ротор-маховика 5, опорных постоянных магнитов 6, закрепленных на нижней части ротор-маховика 5, опорных постоянных магнитов 23, закрепленных на боковой поверхности ротора-маховика, постоянных магнитов возбуждения 4, расположенных на внутренней боковой поверхности ротор-маховика 5, постоянных магнитов 22, закрепленных на внутренней поверхности корпуса модуля двигателя-генератора, и крышки-опоры 16.
Также в нижней части модуля синхронного двигатель-генератора 3 установлена направляющая опора 8 с подшипником 9.
Также в конструкцию модуля синхронного двигатель-генератора 3 входит статор 1, на котором закреплена трехфазная система обмоток 2. На верхней части статора 1 расположены клеммы 21 (клеммы А, В, С) для присоединения источника трехфазного напряжения, и выход датчика скорости 20 ротора-маховика 5.
Для вакуумирования полости, в которой размещен ротор-маховик 5, в верхней части модуля синхронного двигатель-генератора 3 расположен ниппель 19.
Для визуального наблюдения за положением ротора-маховика 5 в стенке модуля синхронного двигатель-генератора 3 имеется окно 18. После заполнения полости модуля криостата 7 патрубки 15 закрывают и азот может храниться в жидком состоянии продолжительное время. Для того, чтобы отводить газообразный азот, образующийся в процессе работы, модуль криостата 7 содержит отводящий патрубок (на фиг. не показан).
Опорные постоянные магниты 6 и сверхпроводящие пластины 12 создают ВТСП-подвес, обеспечивающий бесконтактную самоцентрирующуюся левитацию ротора-маховика 5. Постоянные магниты модуля двигателя-генератора 22 и постоянные магниты ротора-маховика 23 создают дополнительное силовое взаимодействие, увеличивающее устойчивость и жесткость радиального подвеса ротора-маховика. Причем функции постоянных магнитов возбуждения 4 и постоянных магнитов радиального центрирования 23 совмещены.
Предлагаемый электромеханический накопитель энергии работает следующим образом. После сборки модулей синхронного двигатель-генератора 3 и криостата 7 производится соединение крышки-опоры 16 с крышкой-опорой 17 при помощи крепления (на фиг. не показано), после чего осуществляется вакуумная откачка полости ротора-маховика 5, например, с помощью вакуумного насоса (на фиг. не показан) и закачивание жидкого азота 11 в полость модуля криостата 7 через патрубок заполнения 15.
В результате поступления жидкого азота в полость модуля криостата 7 происходит охлаждения сверхпроводящих пластин 12 и их переход в сверхпроводящее состояние. В этом случае сверхпроводящие пластины 12 приобретают свойства диамагнетиков. Магнитное поле, образованное постоянными магнитами 6, взаимодействует с сверхпроводящими пластинами 12, в результате чего возникнет эффект левитации, и ротор-маховик 5 снимется с опоры 8. Одновременно ротор-маховик центрируется в радиальном направлении с помощью магнитного взаимодействия постоянных магнитов 22 и 23. При этом, происходит самоцентрирование по вертикальной и горизонтальной осям бесконтактного подвеса ротора-маховика 5. Этот момент левитации ротор-маховика 5 можно наблюдать визуально через смотровое окно 18.
Необходимые силовые характеристики ВТСП-подвеса обеспечиваются оптимизацией рабочего зазора образованного нижней поверхностью постоянных магнитов 6 и верхней поверхностью сверхпроводящих пластин 12, выбором материала опорного фланца 10, величиной намагниченности постоянных магнитов 6, 22, 23, величиной разности между температурой сверхпроводящих пластин 12 и температурой их перехода в сверхпроводящее состояние.
После центрирования ротора-маховика 5 на статор 1 подается трехфазное переменное напряжение. За счет полученной электрической энергии ротор-маховик 5 начинает разгоняться до номинальной скорости вращения. После набора номинальной скорости вращения источник энергии отключается, а ротор-маховик 5 будет продолжать вращаться по инерции в вакууме продолжительное время, тем самым сохраняя затраченную на разгон ротора-маховика 5 электрическую энергию в механическом виде.
При необходимости получения электрической энергии из предлагаемого электромеханического накопителя энергии, необходимо клеммы 21 трехфазной системы обмоток 2 подключить к нагрузке, при этом статор 1 за счет кинетической энергии ротор-маховика 5 будет генерировать электрическую энергию до тех пор, пока кинетическая энергия ротор-маховика 5 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 5, например, путем замыкания клемм 21 (клеммы А, В, С) на балластное сопротивление, а затем слить жидкий азот 11 из полости модуля криостата 7. После остановки вращения ротор-маховик установится на направляющую опору 8 с подшипником 9.