Комбинированный накопитель энергии
COMBINED ENERGY STORAGE DEVICE

Изобретение относится к электротехнике, в частности к накопителям энергии для транспортных систем, летательных аппаратов, источников аварийного и бесперебойного питания систем связи и телекоммуникаций, для атомных, ветровых, солнечных электростанций.
Известны химические накопители энергии, в частности электрохимические аккумуляторы [Д.А. Хрусталев. Аккумуляторы. М.: Изумруд. 2003. - 224 с.]. Количество накапливаемой энергии в аккумуляторах прямо пропорционально массе активных компонентов. Масса всего аккумулятора находится в статическом состоянии, поэтому ее кинетическая энергия относительно данного объекта равна нулю. При пиковых токовых нагрузках снижается срок эксплуатации аккумуляторов.
Известны механические (кинетические) накопители энергии [Н.В. Гулиа. Накопители энергии. М.: Наука. 1980. - С. 68-70. А.с. №4544049, Патент RU №2246034, Опубликовано 10.02.20051], представляющие собой быстровращающийся маховик различной формы. Количество запасенной энергии в кинетическом накопителе прямо пропорционально моменту инерции вращающегося тела, разности квадратов угловой скорости вращения маховика.
Из-за высокой скорости вращения маховик и электропривод помещают в герметичную камеру с пониженным давлением воздуха или гелия, что приводит к ухудшению охлаждения электропривода и увеличению эксплуатационных расходов, связанных с поддержанием вакуума. Установка электропривода в отдельную герметичную камеру увеличивает габариты устройства, возникает необходимость применять уплотнительные устройства в подвижном соединении, что усложняет кинетический накопитель энергии.
Известен емкостно-кинетический накопитель энергии [Патент RU №2074475, Опубликовано: 27.02.1997], содержащий конденсаторную батарею, включенную в цепь электрической машины постоянного тока, маховик, вал которого соединен с валом электрической машины через муфту сцепления, и механическую передачу, причем конденсаторная батарея установлена вдоль внутренней периферической поверхности маховика, а выводы конденсаторной батареи с помощью щеток подключены к контактным кольцам, которые смонтированы на валу маховика.
Недостатками известного является сложность, громоздкость конструкции из-за наличия муфты и зубчатой передачи; массы электрической машины, муфты и зубчатая передача не выполняют функции кинетического накопителя энергии.
Известен емкостный накопитель энергии (ионистор), обкладками которого являются разноименные заряды двойного электрического слоя, образующегося на границе электрод-электролит [Ефимов И.Е., Козырь И.Я. Основы микроэлектроники. СПб.: Издательство "Лань", 2008. - С. 370-372]. Емкость такого ионистора может быть равна десяткам фарад.
Недостатки: не обеспечивают достаточного накопления энергии; небольшая энергетическая плотность.
Известен химико-кинетический накопитель энергии [Надараиа Ц.Г., Бабкина Л.А., Шестаков И.Я., Фадеев А.А. Химико-кинетический накопитель энергии. Вестник СибГАУ №2, 2014. с. 56-61]. Устройство представляет собой аккумуляторную батарею, включенную в цепь бесколлекторного генератора с постоянными магнитами и установленную вдоль внутренней периферической поверхности маховика, гистерезисный электродвигатель, магнитные кольца которого расположены на внешней периферической поверхности маховика, а статорные обмотки - в неподвижном корпусе, в центре которого расположена ось, снабженная щеточно-контактным аппаратом, контактными кольцами и постоянными магнитами бесколлекторного генератора, причем его статорные обмотки установлены в маховике и соединены с аккумуляторными батареями через блок коммутации.
Недостаток - не обеспечивает сглаживание импульсов тока нагрузки и наличие щеточно-контактного аппарата снижает срок эксплуатации устройства из-за быстрого износа щеток.
Задача изобретения - выравнивание тока нагрузки, повышение срока эксплуатации накопителя энергии.
Поставленная задача решается тем, что в химическо-кинетическом накопителе электроэнергии, содержащем аккумуляторную батарею, включенную в цепь бесколлекторного генератора с постоянными магнитами и установленную вдоль внутренней периферической поверхности маховика, гистерезисный электродвигатель, магнитные кольца которого расположены на внешней периферической поверхности маховика, а статорные обмотки - в неподвижном корпусе, в центре которого расположена ось, снабженная вторичными обмотками трансформатора и постоянными магнитами бесколлекторного генератора, причем его статорные обмотки установлены в маховике и соединены с аккумуляторными батареями через блок коммутации, первичные обмотки трансформатора расположены на маховике, по периферии неподвижного корпуса расположены ионисторы, включенные параллельно аккумуляторной батарее.
Ионисторы работают в буфере с аккумуляторными батареями в целях защиты их от резких скачков тока нагрузки: при низком токе нагрузки батарея подзаряжает ионистор и, если ток резко возрастет, емкостный накопитель отдаст запасенную энергию, чем уменьшит нагрузку на батарею.
Гистерезисный электродвигатель предназначен для разгона маховика и пополнения его кинетической энергии после ее использования. За счет расположения магнитных колец гистерезисного двигателя на периферии маховика требуется значительно меньшее значение электромагнитной силы за счет большого плеча действия этой силы, кроме того, при отсутствии напряжения на статорных обмотках, такой двигатель не создает тормозящий момент. Бесколлекторный генератор работает постоянно и через первичные и вторичные обмотки трансформатора и блок коммутации пополняет запасы электрической энергии аккумуляторной батареи и ионисторов или отдает энергию в электромеханическую систему.
На чертеже изображена схема комбинированного накопителя.
Накопитель содержит аккумуляторную батарею 1, постоянные магниты 2 бесколлекторного генератора, маховик 3, на внутренней периферической поверхности которого установлены аккумуляторные батареи 1, гистерезисный двигатель, магнитные кольца 4 которого расположены на наружной периферической поверхности маховика 3, статорные обмотки 5 гистерезисного двигателя установлены в неподвижном корпусе 6. В центре корпуса 6 имеется ось 7, на которой закреплены вторичные обмотки трансформатора (8), вокруг которых вращаются первичные обмотки 9, установленные на маховике 3. Статорные обмотки 10 бесколлекторного генератора расположены на маховике 3. Статорные обмотки 5, 10 гистерезисного двигателя и бесколлекторного генератора соединены с блоком коммутации 11, который через первичные обмотки трансформатора 9 и вторичные обмотки 8 подключен к электромеханической системе 12. На неподвижном корпусе 6 установлены ионисторы 13, которые через электромеханическую систему 12 и блок коммутации 11 соединены с аккумуляторной батареей 1.
2
1
Комбинированный накопитель энергии работает следующим образом. От стационарного источника тока подается напряжение на статорные обмотки 5 гистерезисного двигателя. Маховик 3 раскручивается до рабочей частоты вращения n, в результате чего вращающиеся массы накапливают кинетическую энергию. Во время работы комбинированного накопителя энергия заряженных аккумуляторных батарей 1 через блок коммутации 11, первичные обмотки 9 и вторичные обмотки 8 подается в электромеханическую систему 12. По мере расходования энергии аккумуляторных батарей происходит их подзарядка от статорных обмоток 10 через блок коммутации 11. При этом работает бесколлекторный генератор за счет наведения ЭДС в статорных обмотках 10 при вращении их вокруг постоянных магнитов 2 расположенных на оси 7. В результате кинетическая энергия вращающихся масс преобразуется в электрическую энергию. Накопленная кинетическая энергия, преобразованная с помощью бесколлекторного генератора в электрическую, может возвращаться через блок коммутации 11, первичные обмотки 9 и вторичные обмотки 8 электромеханической системе 12. По мере расходования кинетической энергии частота вращения маховика 3 снижается до опорного числа оборотов n. Восстановление частоты вращения до рабочей частоты может осуществляться путем использования энергии торможения (в транспортных средствах) или энергии электростатических зарядов, образующихся на летательных аппаратах, или преобразования тепловой (кинетической) энергии отработавшего рабочего тела на космических аппаратах в электрическую, или от стационарных источников тока. Кинетическую энергию, запасенную маховиком, определяют по известным формулам. При большом токе нагрузки ионисторы 13 отдают запасенную электроэнергию в электромеханическую систему 12, тем самым уменьшают нагрузку на аккумуляторную батарею 1.
Комбинированный накопитель имеет более широкие функциональные возможности по сравнению с отдельно взятыми ионисторами, маховиком и аккумуляторной батареей. В электромеханическую систему 12 энергия может подаваться или от аккумуляторных батарей 1, и (или) от ионисторов 13, или от статорных обмоток 10 бесколлекторного генератора после преобразования кинетической энергии маховика 3 в электрическую, или одновременно от химического, емкостного и кинетического накопителей энергии. Запасы энергии аккумуляторных батарей 1 могут пополняться от ионисторов 13, или от электромеханической системы 12, или от статорных обмоток 10 бесколлекторного генератора, используя кинетическую энергию маховика 3. В комбинированном накопителе энергии отсутствуют муфта и редуктор, что приводит к уменьшению массы и габаритов накопителя. Массы магнитных колец 4 гистерезисного двигателя и статорные обмотки 10 бесколлекторного генератора вращаются вместе с маховиком 3 тем самым вносят вклад в кинетический накопитель энергии. Сглаживание пиковых нагрузок на аккумуляторные батареи и отсутствие щеточно-контактного аппарата и двух контактных колец увеличивает срок эксплуатации комбинированного накопителя энергии.