ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ НА БАЗЕ УЛЬТРАЦЕНТРИФУГИ

Полезная модель относится к энергетическому машиностроению, в частности к центробежным накопителям энергии, супермаховикам, энергосберегающим устройствам.
Известно, что разветвленные энергетические системы в промышленно развитых странах непрерывно обеспечивают потребителей (промышленный сектор, коммунальный сектор) электроэнергией, вырабатываемой генерирующими мощностями (ТЭЦ, АЭС, ГЭС и др.). Потребление электрической энергии испытывает колебания в течение суток. Минимум приходится на ночное время с 3 до 5 часов, утром и днем энергопотребление монотонно увеличивается и достигает максимума в вечернее время с 17 по 21 час, затем монотонно убывает. Имеются и сезонные колебания энергопотребления. В теплое время года оно обычно уменьшается, а в холодное время года - увеличивается. Увеличение энергопотребления и пиковые загрузки снижают надежность электроснабжения потребителей, возникают риски аварий, идет перегрузка электрических сетей, колебания промышленной частоты тока, снижение резерва генерирующих мощностей (журнал «Эксперт», №47, 2008 г., стр.110).
В ряде стран введен понижающий коэффициент от стоимости электроэнергии для электростанций, не участвующих в режиме общего первичного регулирования частоты сети. Потери до 5% от стоимости вырабатываемой электроэнергии очень существенны, если учесть, что электростанции борются за каждый процент повышения эффективности выработки электроэнергии. Для атомных электростанций имеются ограничения маневренных характеристик, связанные с требованиями сохранения целостности тепловыделяющих элементов, то есть АЭС не могут работать в режиме пиковых нагрузок. Проблему решает установка аккумуляторов энергии, которые выдают энергию при пиковых нагрузках и аккумулируют электроэнергию в другое время суток при спаде нагрузки, а также участвуют в режиме регулирования частоты в сети.
В технике известны центробежные накопители энергии (аналоги полезной модели), предназначенные для аккумулирования энергии и частотного регулирования в сети потребителей (патент №BRPI 0413598 (А) опубл. 2006-10-17, патенты №СА 2614812 (А1) опубл. 2002-01-10, №AU 2001270238 (В2) опубл. 2006-08-24). Известные центробежные накопители энергии (аналоги полезной модели) имеют наибольшие значения КПД и плотности энергии среди всех известных устройств аккумулирования энергии. В таблице 1 приведены некоторые характеристики центробежных накопителей энергии (журнал «Атомная стратегия» №27, январь 2007 г.).
Таблица 1
Устройство (материал)
Плотность энергии кВт час/кг без учета КПД и массы двигателя
КПД, %
Плотность энергии кВт час/кг с учетом КПД
Стальной маховик
0,05
96-98
0,049
Маховик из углеродного волокна
0,215-0,5
96-98
0,21-0,49
Маховик из кварцевого стекла
0,9
96-98
0,88
Кольцевой маховик
1,4-4,17
96-98
1,36-4,0
Наиболее близким аналогом полезной модели является центробежный накопитель энергии - супермаховик. Из уровня техники известно устройство, представляющее собой герметичный стальной цилиндр, внутри которого на активных магнитных подшипниках подвешен кольцевой супермаховик. Он изготавливается из огромного числа слоев углеволоконного композита (патент №AU 2002326725 (B2) опубл. 2008-06-12), может раскручиваться до 22,5 тысяч оборотов в минуту или 375 об/с. Вес супермаховика составляет сотни килограммов, а вместе с корпусом и электроникой - более тонны. На стальном валу супермаховика, внутри герметичного стального цилиндра, установлен ротор высокоэффективной обратимой электрической машины - мотора-генератора, который и раскручивает маховик при приеме энергии и вырабатывает ток при подключении нагрузки. Супермаховики могут быть объединены в модули по несколько штук для увеличения аккумулируемой энергии (Интернет-сайт компании «Beacon Power»).
Максимальная кинетическая энергия аналогов полезной модели определяется произведением массы маховика на предельную скорость его вращения. Общим недостатком указанных выше центробежных накопителей энергии является относительно большая масса маховиков, вращающихся со сравнительно небольшой частотой. Вследствие большой массы супермаховика его предельная скорость вращения ограничена прочностными свойствами применяемых материалов. Кроме того, для поддержания стабильного положения вращающихся деталей супермаховика в сотни килограммов возрастают требования к надежности и долговечности активных магнитных подшипников, требуются специальные узлы, демпфирующие вибрацию супермаховика (патент №AU 2002324638 (A1) опубл. 2003-03-24). Еще одним недостатком прототипа полезной модели является относительно большая удельная кинетическая энергия, накапливаемая в одном устройстве. Внутри корпуса требуется предусматривать специальные защитные узлы, гасящие энергию супермаховика при его разрушении (патент №US 2006117904 (A1) опубл. 2006-06-08). Если происходит единичный отказ элемента или узла супермаховика, то энергоемкость устройства уменьшается сразу на 100%, что значительно снижает экономическую эффективность модулей, объединяющих несколько таких устройств.
3
Из уровня техники известна конструкция агрегата газовых ультрацентрифуг для разделения изотопов урана и других стабильных изотопов (патент РФ №2170800, 21.08.1992). Агрегат имеет раму из продольных и поперечных балок с установленными на ней с каждой стороны блоками по 10 ультрацентрифуг. Известны промышленные группы газовых ультрацентрифуг, выполненные из ряда колонн с консолями, на которых установлены и закреплены в несколько ярусов агрегаты газовых ультрацентрифуг (патенты РФ №2236896 С2, опубл. 2004.09.27, 2280495 С2, опубл. 2006.07.27). Прямое назначение этих прототипов полезной модели - разделение фракций газовых и изотопных смесей под действием градиента давления, создаваемого в роторах газовых ультрацентрифуг, вращающихся с постоянной скоростью вращения. Роторы установлены в прочных вакуумированных корпусах, выдерживающих разрушения роторов. Во внутренней полости роторов ультрацентрифуг имеются трубки для подачи исходной газовой смеси и отбора тяжелой и легкой газовых фракций. Каждая ультрацентрифуга оснащена защитными клапанами, предотвращающими попадание продуктов разрушения ротора в другие ультрацентрифуги. Благодаря небольшой массе (в несколько килограммов), роторы газовых ультрацентрифуг, изготовленных из высокопрочных материалов, при эксплуатации имеют частоту вращения более 10 об/с, удельную плотность энергии порядка 0,1 кВт час/кг. Конструкция и технология их массового производства обеспечивают интенсивность отказов газовых ультрацентрифуг на уровне 0,1% в год, наработку на отказ более 30 лет. («Разработка и создание газоцентрифужного метода разделения изотопов в СССР (России)». - С.Петербург, ЛНПП «Облик», 2002, с.156-157, 174, 187). Электропривод ультрацентрифуг включает синхронно-гистерезисный электродвигатель торцевого типа, обеспечивающий вращение плоского приводного диска (свидетельство RU 16887 U1, 7H02K 19/08 опубл. 20.02.2001). При подаче на клеммы электродвигателя тока высокой частоты в течение нескольких часов обеспечивается асинхронный режим разгона и длительный синхронный режим работы при номинальной скорости вращения ротора. При выключении электропитания обеспечивается самоторможение ротора, при этом на обмотках электродвигателя наводится э.д.с., на клеммах электродвигателя возникает напряжение. В агрегатной компоновке клеммы электродвигателей подключены к общим шинопроводам, поэтому все роторы тормозятся с одинаковой скоростью. По инерции самоторможение роторов до полной остановки происходит за несколько десятков часов.
Недостатками ультрацентрифуг являются ограниченная область применения по прямому назначению, отсутствие полезного использования электроэнергии, вырабатываемой при торможении роторов ультрацентрифуг.
Задачи полезной модели - создание центробежного накопителя энергии на базе ультрацентрифуги, увеличение арсенала промышленно применимых центробежных накопителей энергии.
Технический результат заключается в реализации функции накопления энергии центробежным накопителем энергии на базе ультрацентрифуги, уменьшении потерь электроэнергии, вырабатываемой генерирующими мощностями, уменьшении суточных колебаний энергопотребления, бесперебойном питании потребителей.
Сущность полезной модели поясняется принципиальной конструктивной схемой.
Накопитель энергии на базе ультрацентрифуги включает корпус (1) с крышкой (2), установленный в нем тонкостенный цилиндрический ротор (3), снабженный верхней крышкой (4). В крышке корпуса имеется отверстие, через которое выведена трубка (5). На крышке ротора закреплена ферромагнитная втулка (6), на нижней крышке ротора закреплен приводной диск (7). Нижняя часть ротора контактирует с нижней опорой (8), а верхняя часть ротора поддерживается в вертикальном положении при помощи магнитной опоры, содержащей цилиндрический аксиально намагниченный магнит с полюсным наконечником (9), закрепленный на крышке корпуса. Ротор приводится во вращение электродвигателем (10). В отличие от прототипа, во внутренней полости ротора отсутствуют трубки для подачи смеси газов и отбора разделенных газовых фракций.
Накопитель энергии работает следующим образом.
Накопитель энергии в сборе монтируют на консоли в вертикальном положении. Цепи электродвигателя (10) подключают к электрической сети, оборудованной специальной преобразовательной аппаратурой, позволяющей подавать стабилизированное электропитание высокой частоты тока для накопления энергии в форме кинетической энергии вращающегося ротора, а также отбирать накопленную энергию с уменьшением и стабилизацией частоты тока. Перед разгоном ротора (3) из внутренней полости корпуса (1) накопителя энергии через трубку (5) откачивают воздух и создают вакуум для уменьшения потерь энергии на преодоление сил трения ротора о воздух, который откачивают через отверстие в верхней части корпуса. Для разгона ротора на обмотки электродвигателя (10) подают напряжение электропитания с частотой более 50 Гц. При этом электромагнитное поле статора приводит во вращение приводной диск (7) из магнитного материала, а вместе с ним и ротор (3). Нижняя часть вращающегося ротора контактирует с нижней опорой (8), верхняя часть ротора благодаря ферромагнитной втулке (6) свободно вращается в осесимметричном магнитном поле, создаваемом аксиально намагниченным магнитом с полюсным наконечником (9).
Во время разгона ротора его частота вращения увеличивается вплоть до входа в синхронизм с частотой электропитания. Небольшая часть потребленной электроэнергии теряется на преодоление сил трения ротора о воздух, на трение в нижней опоре, на нагрев электродвигателя вследствие рассеяния электромагнитного поля. Большая часть потребляемой электроэнергии накапливается в форме кинетической энергии вращающегося ротора.
Во время самоторможения ротора его частота вращения уменьшается вплоть до остановки. При этом на обмотках электродвигателя наводится э.д.с., на клеммах электродвигателя возникает напряжение. Большая часть кинетической энергии тормозящегося ротора преобразуется в электрическую энергию. Отобранную таким образом энергию далее преобразовывают в электроэнергию с промышленной частотой тока и направляют потребителям.
3
Так же, как и для аналогов полезной модели, максимальная кинетическая энергия накопителя энергии на базе ультрацентрифуги определяется произведением массы ротора на предельную скорость его вращения. Достоинством предлагаемой модели является малая масса ротора (несколько килограммов), вращающегося с ультравысокой частотой более 10 об/с.
Эффективно применение не только отдельных накопителей энергии на базе ультрацентрифуги, но и их параллельных групп - агрегатов, объединяющих десятки таких устройств в одну монтажную единицу, а также промышленных групп, объединяющих десятки агрегатов, имеющих одинаковую скорость вращения роторов. По массогабаритным показателям и плотности энергии агрегат накопителей энергии на базе ультрацентрифуг сопоставим с известными супермаховиками. Но, в отличие от супермаховика, накопитель энергии на базе ультрацентрифуги способен накапливать относительно небольшую удельную кинетическую энергию. Если, например, в агрегате из двадцати накопителей на базе ультрацентрифуги происходит единичный отказ элемента или узла, то энергоемкость агрегата уменьшается всего на 5%, то есть незначительно. Кроме того, агрегаты накопителей энергии на базе ультрацентрифуг относительно дешевы и ремонтопригодны, что увеличивает эффективность их применения.
Предлагаемая полезная модель является осуществимой, поскольку может изготавливаться на базе существующей ультрацентрифуги с некоторыми изменениями, не влияющими на ее работоспособность. Отличия накопителя энергии от ультрацентрифуги могут заключаться в модификации узлов накопителя энергии для увеличения КПД и плотности накапливаемой энергии, например, путем увеличения массы и изменения состава композиционной оболочки цилиндрической поверхности ротора, изменения параметров обмоток статора электродвигателя.
Промышленная применимость полезной модели поясняется следующими примерами.
Применение агрегатов накопителей энергии на базе ультрацентрифуг для накопления энергии, генерируемой электростанциями.
Для нужд генерирующих мощностей вблизи них строят вновь или реконструируют имеющиеся производственные помещения, создают необходимую инфраструктуру для обеспечения монтажа и эксплуатации группы агрегатов накопителей энергии на базе ультрацентрифуг.
Для накопления энергии, вырабатываемой электростанцией ночью, в период малого спроса на ее электроэнергию, производят разгон роторов накопителей энергии на базе ультрацентрифуг. Днем, в период большого спроса на электроэнергию и в периоды максимальных колебаний частоты промышленного тока производят самоторможение роторов накопителей энергии для отбора энергии, передачи ее потребителям и стабилизации частоты промышленного тока. Технический результат заключается в более равномерной по времени суток генерации электроэнергии, исключении пиковых режимов работы электростанции.
Применение агрегатов накопителей энергии на базе ультрацентрифуг для аккумулирования энергии в установках бесперебойного питания
Для нужд потребителей оборудуют помещения или открытые площадки, на территории которых располагают, в зависимости от резервируемой мощности, несколько агрегатов накопителей энергии на базе ультрацентрифуг, преобразователи частоты тока и вспомогательное оборудование, составляющие установку бесперебойного питания. При необходимости, применяют модификацию накопителя энергии на базе ультрацентрифуги, обеспечивающую возможность эксплуатации в особых климатических условиях. Например, для использования во влажном климате применяется антикоррозионное покрытие корпуса и дополнительная герметизация разъемных соединений, а для использования в жарком климате применяется рубашка водяного охлаждения корпуса.
Производят разгон роторов накопителей энергии до номинальной скорости вращения, создают определенный резерв кинетической энергии с учетом потерь на ее преобразование в электрическую энергию. Электрическую сеть накопителей энергии коммутируют с электрической сетью потребителей в моменты аварийного отключения штатного электропитания сети потребителей. До момента возобновления штатного электропитания производят торможение роторов накопителей энергии, отбирают резервную электроэнергию и передают ее в сеть потребителей. Технический результат заключается в бесперебойном питании потребителей.
Приведенные выше примеры не ограничивают возможные вариации промышленного применения накопителей энергии на базе ультрацентрифуг для аккумулирования энергии.