КИНЕТИЧЕСКИЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ С МАГНИТНЫМ ВТСП ПОДВЕСОМ

Предлагаемая полезная модель относится к электроэнергетике, в частности к кинетическим накопителям энергии (КНЭ), и предназначена для накопления, хранения и отдачи электроэнергии и работы в качестве резервных источников питания бортовых электроэнергетических систем атмосферных летательных аппаратов и космических энергоустановок, а также для других ответственных потребителей (автономных энергетических установок, транспортных систем, технологической аппаратуры, электрофизических стендов, крупных вычислительных и медицинских центров, резервных и аварийных источников электроэнергии и т.п.). КНЭ могут использоваться для улучшения показателей энергосистем при кратковременном включении потребителей повышенной мощности (компенсировать пиковые нагрузки) и повышения устойчивости работы энергоустановок и систем электроснабжения. В этом случае КНЭ являются рекуператорами энергии между генерирующими установками и потребителями, работающими в нестационарных режимах.
В настоящее время большое внимание уделяется исследованию магнитных опор на основе массивных высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) элементов и постоянных магнитов (ПМ). Такие магнитные ВТСП опоры обеспечивают значительное снижение потерь кинетической энергии при вращении маховика КНЭ за счет снижения потерь на трение в подшипниках. Как показали исследования, использование в составе КНЭ магнитного ВТСП подвеса позволяет обеспечить сохранение запасенной энергии практически без потерь.
Известны кинетические накопители энергии с ВТСП подвесом [1-6].
Общий недостаток ранее известных устройств состоит в том, что в недостаточной мере достигается высокая плотность энергии в единичном агрегате, а также не обеспечивается необходимая устойчивость и жесткость маховика КНЭ в радиальном и осевом (вертикальном) направлениях, которые определяют надежность конструкции.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является кинетический накопитель энергии [1], содержащий корпус, в котором размещен мотор-генератор, включающий статор с многофазной многополюсной обмоткой, полюса ротора, маховик, магнитный ВТСП подвес, содержащий постоянные магниты и блочный ВТСП массив.
Техническим результатом использования данной полезной модели является повышение плотности энергии, улучшение массогабаритных и энергетических показателей при одновременном повышении надежности КНЭ.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в кинетическом накопителе энергии, содержащем корпус, в котором размещен мотор-генератор, включающий статор с многофазной многополюсной обмоткой, полюса ротора, маховик, магнитный ВТСП подвес, содержащий постоянные магниты и блочный ВТСП массив, маховик, выполненный составным в виде вала, на котором размещена стальная труба, снаружи которой расположен бандаж, в верхней и нижней частях вала маховика установлены два цилиндрических магнитных ВТСП подвеса, в нижней части маховика установлена магнитная опора, выполненная в виде двух осесимметричных кольцевых постоянных магнитов, намагниченных встречно, статор мотор-генератора закреплен на верхнем фланце, полюса ротора мотор-генератора размещены на валу маховика.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, где применен дисковый маховик, в конструкции данного КНЭ используется составной цилиндрический маховик, в котором наиболее эффективно используется его масса. Условие эффективности выполняется, когда вся масса маховика сосредоточена на максимальном удалении от оси вращения. Это и достигается при выполнении маховика в виде трубы, что в конечном счете обеспечивает повышение энергоемкости КНЭ. Использование в отличие от прототипа снаружи маховика бандажа из высокопрочного волокнистого материала позволяет при тех же размерах маховика повысить частоту вращения, обеспечивая повышение запасаемой энергии при сохранении высокой надежности КНЭ. Так, как показали предварительные оценки, при выбранных размерах стальной трубы (наружный диаметр 545 мм, толщина 30 мм и длина 650 мм.) запасенную энергию в 5 МДж данная конструкция маховика имеет при частоте вращения 6700 об/мин. При этом коэффициент запаса прочности составляет 1, 2 при необходимой величине равной 2. Использование бандажа толщиной 10 мм позволяет уменьшить максимальные напряжения в стальной трубе в 2 раза, при этом допустимая частота вращения увеличивается до 7000 об/мин, а при бандаже 25 мм частоту вращения можно увеличить до 8000 об/мин. При этом накопленная энергия увеличивается до 7.3 МДж.
В отличие от прототипа в данной полезной модели КНЭ используется комбинация магнитных ВТСП подвесов и магнитной опоры. Два цилиндрических магнитных ВТСП подвеса, расположенные в верхней и нижней частях вала маховика и содержащие постоянные магниты и ВТСП блочный массив, обеспечивают его радиальную и осевую устойчивость в рабочих режимах при одновременной частичной компенсации веса маховика. Магнитные ВТСП подвесы также осуществляют демпфирование колебаний маховика, которые могут возникать, например, при переходе через критические обороты и т.д.
Магнитная опора, установленная в нижней части маховика и выполненная в виде двух осесимметричных кольцевых постоянных магнитов, намагниченных встречно, обеспечивает выполнение двух функций: компенсации массы маховика вместе с ВТСП подвесами и предотвращение аварийной ситуации в случае выхода из строя одного из магнитных ВТСП подвесов.
Продольный разрез кинетического накопителя энергии с магнитным ВТСП подвесом показан на фиг.1.
Кинетический накопитель энергии с магнитным ВТСП подвесом содержит корпус 1, в котором размещен составной маховик, выполненный в виде вала 4, на котором размещена стальная труба 3, снаружи которой расположен бандаж 2 из высокопрочного тонковолокнистого материала, например, углеродного волокна, мотор-генератор, включающий сердечник статора 5, который может быть выполнен либо ферромагнитным, либо безжелезным, имеющий пазы, распределенные по его внутренней поверхности, в которых размещена многофазная многополюсная обмотка. Статор мотор-генератора закреплен на верхнем фланце корпуса КНЭ, полюса ротора 8 мотор-генератора размещены на валу маховика 4. В верхней и нижней частях вала маховика установлены два цилиндрических магнитных ВТСП подвеса 7 и 10. В нижней части маховика установлена магнитная опора 9, выполненная в виде двух осесимметричных кольцевых постоянных магнитов, намагниченных встречно.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
За счет взаимодействия магнитных полей постоянных магнитов верхнего 7 и нижнего 10 ВТСП подвесов и активированных ВТСП блоков и взаимодействия магнитных полей постоянных магнитов в магнитной опоре 9 маховик КНЭ левитирует и одновременно удерживается от смещения в радиальном направлении. При электромагнитном взаимодействии полюсов вращающегося магнитного поля обмотки статора 5 мотор-генератора и полюсов ротора 8 мотор-генератора возникает момент, который будет разгонять маховик до заданной частоты вращения. При этом кинетическая энергия, накопленная маховиком в процессе заряда, сохраняется длительное время ввиду отсутствия потерь в опорах и при необходимости отбирается мотор-генератором.
Данная полезная модель положена в основу разрабатываемого КНЭ с запасаемой энергией 5 МДж. Результаты проектных расчетов позволяют заключить, что данная конструкция обеспечивает повышение плотности запасаемой энергии, надежности и улучшение массоэнергетических показателей по сравнению с прототипом.
По мнению авторов, совокупность существенных признаков предлагаемой полезной модели необходима и достаточна для достижения заявленного технического результата.
Литература
1. Патент РФ №97018 от 20.08.2010. Кинетический накопитель энергии. Ковалев Л.К., Ковалев К.Л., Полтавец В.Н., Дежин Д.С., Ильясов Р.И., Егошкина Л.А., Чугунов А.А.
2. Canders W.-R., May H., Hoffmann J. Contactless magnetic bearings for flywheel energy storage systems // Proceedings 8-th International Symposium on Magnetic Suspension Technology (ISMST). Dresden, Germany, September 26-28, 2005, 246-255.
3. Tsukamoto O., Utsunomiya A. A method to suppress fluctuations of rotor shaft of flywheel energy storage system by controlling armature currents of motor generator // Proceedings 8-th International Symposium on Magnetic Suspension Technology (ISMST). Dresden, Germany, September 26-28, 2005, 271-275.
4. Ichihara T. et al. // IEEE Trans. on Applied Superconductivity, Vol.15, No 2 (2005), 2245-2248.
5. Day A. et al. // IEEE Trans. on Applied Superconductivity, Vol.13, No 2 (2003), 2179-2184.
6. Werfel F.N. et al. 250 kW flywheel with HTS magnetic bearing for industrial use. //J.Phys.: Conf. Ser. 97 (2008) 012206 (8pp).