ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ
ELECTROMECHANICAL SUPERCONDUCTIVE POWER ACCUMULATOR

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в транспортных системах с электрическим приводом, электрических сетях для буферизации пиковых нагрузок, для использования в локальных электрических сетях (ЛЭС) с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ).
Из уровня техники известны кинетические накопители энергии, в которых электрическая энергия преобразуется в механическую энергию 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).
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 РФ №97018, «Кинетический накопитель энергии», МПК H02K 7/00, опубл. 20.08.2010), содержащий корпус, в котором размещен обращенный мотор-генератор с неподвижным статором и ротор-маховик с бесконтактным сверхпроводящим подвесом на основе кольцевого блочного ВТСП массива. Этот накопитель энергии принят в качестве прототипа.
Недостаток прототипа заключается в ограничении энергетических показателей (запасенная электрическая энергия, коэффициент полезного действия) из-за газовой среды в корпусе накопителя энергии, состоящей из воздуха и газообразного азота, образующегося при испарении жидкого азота из криостата, охлаждающего кольцевой блочный ВТСП массив сверхпроводящего подвеса ротора-маховика. Газовая среда препятствует разгону ротора-маховика до больших скоростей вращения и ограничивает грузоподъемность сверхпроводящего подвеса из-за снижения эффективности охлаждения сверхпроводящих пластин.
Ограничение скорости вращения ротора-маховика уменьшает, соответственно, запасенную энергию накопителя энергии при его заряде. Уменьшается время выбега ротора-маховика за счет моментов сил аэродинамического трения (сопротивления) в газовой среде, в результате чего снижается коэффициент полезного действия, соответственно снижаются энергосбережение и энергоэффективность накопителя энергии.
С другой стороны, наличие газовой среды в корпусе снижает эффективность охлаждения сверхпроводящих пластин ВТСП подвеса, уменьшает грузоподъемные характеристики сверхпроводящего подвеса и запасенную электрическую энергию, которая пропорциональна массе ротора-маховика накопителя энергии, что также снижает энергоэффективность накопителя энергии.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение энергоэффективности и энергосбережения накопителя энергии.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в электромеханическом сверхпроводящем накопителе энергии, содержащем корпус, в котором размещены синхронный двигатель-генератор со статором с системой обмоток и ротор-маховик, опорные постоянные магниты, расположенные в нижней части ротора-маховика, постоянные магниты возбуждения, расположенные на внутренней боковой поверхности ротора-маховика, направляющая опоры с подшипником, расположенная в нижней части синхронного двигателя-генератора, сверхпроводящие пластины, криостат, высокотемпературный сверхпроводниковый подвес, образованный опорными постоянными магнитами и сверхпроводящими пластинами, согласно изобретению корпус выполнен из двух соединенных между собой модулей - модуля криостата и модуля синхронного двигателя-генератора, причем сверхпроводящие пластины высокотемпературного сверхпроводникового подвеса расположены в модуле криостата, а ротор-маховик, внутренняя полость которого вакуумирована, расположен в модуле синхронного двигателя-генератора.
Выполнение корпуса накопителя энергии сборным и состоящим из двух модулей позволяет оптимизировать решение двух взаимовлияющих технических проблем, что невозможно в прототипе, а именно:
- вакуумировать внутреннюю полость ротора-маховика до любой технически возможной степени разряжения;
- повысить эффективность охлаждения сверхпроводящих пластин за счет уменьшения теплопроводности и, соответственно, тепловых потоков в вакуумированном объеме, разделяющем модуль криостата с находящимися в нем сверхпроводящими пластинами и модуль синхронного двигателя-генератора.
Для выявления связи между энегоэффективностью, энергосбережением накопителя энергии и снижением сопротивления при вращении ротора-маховика, температурой охлаждения активных пластин ВТСП подвеса рассмотрим два основных режима работы накопителя энергии: режим заряда, или накопления энергии, и режим разряда, или отдачи накопленной энергии.
з
В режиме накопления (заряда) энергии t происходит преобразование электрической энергии сети, к которой присоединен накопитель, в кинетическую энергию вращающегося ротора-маховика. Следовательно, имеет место следующий баланс энергии:
эл
к
где W - электрическая энергия, Дж, полученная накопителем из сети, W - кинетическая энергия ротора-маховика, Дж, ΔW(Ω,p) - потери энергии за счет сопротивления вращению ротора-маховика в газовой среде, зависящие от скорости вращения Ω и давления р газовой среды в рабочей полости ротора-маховика.
Эмпирическое выражение для потерь энергии за счет сопротивления в газовой среде дано в работе [Н.В. Гулиа. Накопители энергии. Изд-во «Наука». - М.: 1980. С. 80].
з
где D - диаметр ротора-маховика, L - высота ротора-маховика. По оценке, приведенной в упомянутой работе, потери энергии за счет аэродинамического сопротивления достигают 85% от общего количества потерь. Из выражения (1) следует следующее выражение для коэффициента полезного действия η накопителя энергии в режиме накопления энергии
Как следует из формулы (1), остаточный газ в рабочей полости ротора-маховика создает момент сил аэродинамического сопротивления, уменьшающий кинетическую энергию ротора-маховика и препятствующий достижению больших скоростей вращения и, как следствие, увеличению накопленной энергии, поскольку накопленная энергия и скорость вращения ротора-маховика связаны соотношением [Бут Д.А., Алиевский Б.Л., Мизюрин С.Р., Васюкевич П.В. Накопители энергии. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 400 с. 1]:
2
2
где Wк - накопленная кинетическая энергия, Дж, J=mr - момент инерции ротора-маховика, кг/м, m - масса ротора-маховика, кг, r - радиус ротора-маховика, м, Ω=2πn, n - скорость вращения, об/сек.
з
В режиме разряда или отдачи энергии t происходит обратное преобразование накопленной кинетической энергии ротора-маховика в электрическую энергию, причем часть энергии также расходуется на преодоление аэродинамического сопротивления:
эн
где W - электрическая энергия, полученная в результате обратного преобразования кинетической энергии в электрическую энергию. Соответственно, выражение для коэффициента полезного действия будет иметь вид
ц
з
р
Составим общий баланс энергии по полному циклу t=t+t работы накопителя «заряд-разряд», используя формулы (1) и (5):
Определим коэффициент полезного действия по полному циклу работы накопителя, используя выражения (3) и (6) с точностью до линейных членов:
Как следует из формул (1, 4), накопленная энергии пропорциональна квадрату скорости вращения и массе ротора-маховика. Следовательно, снижение сопротивления при вращении ротора-маховика в вакууме уменьшает потери энергии в накопителе при ее преобразованиях за время полного цикла работы, что повышает его энергосбережение.
Как следует из формулы (8), снижение сопротивления при вращении ротора-маховика уменьшает потери энергии, что увеличивает коэффициент полезного действия или энергоэффективность накопителя энергии.
Рассмотрим влияние эффективности охлаждения активных пластин ВТСП подвеса на энергоэффективность и энергосбережение накопителя энергии.
Грузоподъемные характеристики сверхпроводящего подвеса определяются величиной критического магнитного поля, зависящего от температуры охлаждения по следующей формуле [Буккель В. Сверхпроводимость. - М.: Мир, 1975. - 366 с.]:
с
0
с
где Н - критическое магнитное поле, А/м, Н - критическое магнитное поле при температуре Т=0 K, Т - температура охлаждения сверхпроводника, Т - критическая температура сверхпроводника, K.
Как следует из формулы (9), критическое магнитное поле при снижении температуры сверхпроводника, то есть при увеличении эффективности охлаждения сверхпроводника, растет. Грузоподъемная сила сверхпроводящего подвеса пропорциональна напряженности магнитного поля. Например, для плоской сверхпроводящей пластины в приближении модели Бина получено следующее выражение для удельной силы сверхпроводящего подвеса, действующей на единицу поверхности ВТСП блока [Ковалев Л.К., Конев С.М., Ларионов С.А., Полтавец В.Н. - Сверхпроводниковые магнитные опоры с объемными ВТСП элементами. Электричество. - 2003. - №6]:
s
хср
0
хср
0
хср
2
где I - критический ток, А/м, В=µН, Тл, µ - магнитная постоянная, Н - среднее значение напряженности магнитного поля в биновском слое.
Таким образом, снижение температуры охлаждения активных пластин ВТСП подвеса позволяет увеличить его грузоподъемные характеристики и увеличить массу ротора-маховика. Увеличение массы ротора-маховика в соответствие с формулой (4) увеличит кинетическую энергию ротора-маховика, а в соответствие с формулой (8) увеличит коэффициент полезного действия или энергоэффективность, энергосбережение накопителя энергии.
Модульная конструкция предлагаемого изобретения также обеспечивает удобство эксплуатации и ремонта накопителя энергии.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На чертеже показан продольный разрез предлагаемого электромеханического сверхпроводящего накопителя энергии.
Электромеханический накопитель энергии имеет корпус, выполненный из модуля криостата 7 и модуля синхронного двигателя-генератора 3, которые соединены между собой креплением (не указано).
В конструкцию модуля криостата 7 входит крышка-опора 17, опорный фланец 10 с уложенными в его пазы (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, расположенные под модулем криостата 7.
В стенке криостата 7 расположен патрубок 15 для заполнения криостата жидким азотом, например, путем его прокачки из криокулеров (не показаны).
Конструкция модуля синхронного двигателя-генератора 3 состоит из ротора-маховика 5, опорных постоянных магнитов 6, закрепленных на нижней части ротора-маховика 5, постоянных магнитов возбуждения 4, расположенных на внутренней боковой поверхности ротора-маховика 5, и крышки-опоры 16.
Также в нижней части модуля синхронного двигателя-генератора 3 установлена направляющая опора 8 с подшипником 9.
Также в конструкцию модуля синхронного двигателя-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 двигателя-генератора 3 расположен ниппель 19.
Для визуального наблюдения за положением ротора-маховика 5 в стенке модуля синхронного двигателя-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 (не показан).
Опорные постоянные магниты 6 и сверхпроводящие пластины 12 образуют ВТСП подвес, обеспечивающий бесконтактный самоцентрирующийся подвес ротора-маховика 5.
Предлагаемый электромеханический накопитель энергии работает следующим образом.
После сборки модулей синхронного двигателя-генератора 3 и криостата 7 производится соединение крышки-опоры 16 с крышкой-опорой 17 при помощи крепления (не показано), после чего осуществляется вакуумная откачка полости ротора-маховика 5, например, с помощью вакуумного насоса (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. При этом происходит самоцентрирование по вертикальной и горизонтальной осям ротора-маховика 5. Этот момент левитации ротора-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, 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 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.
Для получения электрической энергии из предлагаемого электромеханического сверхпроводящего накопителя энергии необходимо клеммы 21 трехфазной системы обмоток 2 подключить к нагрузке, при этом статор 1 за счет кинетической энергии ротора-маховика 5 будет генерировать электрическую энергию до тех пор, пока кинетическая энергия ротора-маховика 5 не иссякнет.
После этого цикл заряда и разряда электромеханического накопителя энергии можно повторять многократно. Для остановки предлагаемого накопителя энергии необходимо остановить вращение ротора-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.
Предлагаемое изобретение положено в основу конструкции экспериментального образца электрокинетического накопителя энергии СПЭНЭ-1, проходящего в настоящее время стадию экспериментальных исследований [Смоленцев, Н.И. Разработка накопителя энергии на основе высокотемпературной сверхпроводимости и перспективы его применения в локальных электрических сетях / Смоленцев, Н.И., Четошникова Л.М., Бондарев Ю.Л. // Ползуновский вестник. - 2015. - №1. С. 73-77]. Расчетное значение запасенной энергии составляет 4 МДж, что существенно превышает аналогичный параметр прототипа, равный 0,5 МДж.
Предлагаемое изобретение может найти применение в энергетике, в электротранспорте, в корабельных силовых установках, а также в энергетических установках космических аппаратов, где проблемы охлаждения сверхпроводников и вакуумирования упрощаются.