Кинетический накопитель энергии с супермаховиком
KINETIC ENERGY STORAGE WITH SUPER-FLYWHEEL

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, а именно, к устройствам для накопления и преобразования энергии при помощи супермаховика, оснащенного электрической машиной, работающей попеременно в режиме двигателя и генератора. Основное применение изобретения: в качестве дополнительного источника энергии для бесперебойного снабжения потребителей ветровых электростанций децентрализованной энергетики, в электроэнергетической отрасли для преодоление максимальной нагрузки, выравнивания нагрузки в цикле, а также решения вопросов улучшения качества электроэнергии и безопасности.
Кинетические накопители энергии (КНЭ) коммерчески доступны как источники бесперебойного питания с циклом порядка нескольких минут, однако КНЭ, предназначенные для более длительных периодов (до нескольких часов), только начинают появляться на рынке.
max
КНЭ для непрерывной работы в течение 8 часов с мощностью 5 кВт должен израсходовать W=144 МДж энергии. Момент инерции накопителя
н
ω
однозначно определяется по номинальной частоте вращения двигателя-генератора ω и допустимому уровню ее снижения k.
Известны КНЭ с магнитным высокотемпературным сверхпроводящим подвесом (ВТСП). Например, патент РФ №97018 «Кинетический накопитель энергии», содержащий корпус, в котором размещен обращенный мотор-генератор с неподвижным статором и ротор-маховик с бесконтактным сверхпроводящим подвесом на основе кольцевого блочного ВТСП массива, а также патент на полезную модель РФ №133986 «Кинетический накопитель энергии с магнитным ВТСП подвесом», предназначенный для работы в качестве резервных и аварийных источников питания бортовых электроэнергетических систем атмосферных летательных аппаратов и космических энергоустановок, а также других ответственных потребителей.
Наличие криостата с жидким азотом, охлаждающего кольцевой блочный ВТСП массив сверхпроводящего подвеса ротора-маховика, значительно затруднит эксплуатацию КНЭ на ветровых электростанциях, особенно в труднодоступных северных районах России, где имеется огромный ветровой потенциал, а основным источником энергии по-прежнему остается дизель генератор.
Из уровня техники известны кинетические накопители энергии, в которых электрическая энергия преобразуется в механическую энергию маховика (патент на изобретение РФ №2504889 «Накопитель энергии», патент на изобретение РФ №2456734 «Накопитель энергии»).
В указанных патентах накопители энергии, включают вакуумируемый корпус, установленный в нем маховик в виде вертикального цилиндрического трубчатого ротора с мотор-генератором со статором, закрепленным в корпусе, и приводным диском, закрепленным на роторе, систему опор, образованную из игольчатого опорного подшипника с подпятником в нижней части ротора и магнитного подшипника с постоянным магнитом в верхней части ротора. Известные КНЭ отличаются способом крепления вращающегося элемента опоры. Мотор-генератор имеет вертикальную ось вращения и расположен под маховиком. Наличие игольчатого подшипника подобного ультрацентрифуге предполагает очень высокую частоту вращения и относительно малую массу маховика. При применении КНЭ на ветростанциях ограничение массы маховика является недостатком, т.к. для длительной работы накопителя энергии должна быть значительной запасенная кинетическая энергия, а, следовательно, и масса маховика.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по своей технической сущности является кинетический накопитель энергии по патенту на изобретение РФ №2417504 «Супермаховиковый накопитель энергии», который содержит в себе двигатель-генератор и супермаховик, заключенные в герметизированную вакуумированную оболочку, состоящую из корпуса и крышки, жестко связанных между собой и образующих центральную кольцевую полость, внутри которой на корпусе и крышке закреплены соответственно по одному дисковому магнитопроводу двухдискового статора с обмотками двигателя-генератора, двухсторонний ротор в форме диска с размещенными на его поверхностях постоянными магнитами возбуждения помещен между дисковыми магнитопроводами статора и отделен от них равномерными воздушными зазорами, маховик, жестко связанный с диском ротора, вал, магнитные подшипники, и характеризуется тем, что воздушный зазор между верхним кольцевым магнитопроводом и диском ротора выполнен меньшей величины, чем воздушный зазор между нижним кольцевым магнитопроводом и ротором.
Этот накопитель энергии принят в качестве прототипа заявленного технического решения.
В конструкции прототипа дисковый двигатель-генератор помещен во внутреннюю полость супермаховика. Сочетание дисковой электрической машины с маховиком представляется перспективным решением, однако у прототипа имеются существенные недостатки.
Во-первых, большие потери устройства, требующие теплообменников с циркулирующей охлаждающей жидкостью. Уменьшить потери возможно, снизив основные потери высокоскоростной машины - потери на перемагничивание магнитопровода.
Во-вторых, для разгрузки подшипников предложена излишне сложная двухроторная конструкция. Электромагнитная сила, направленная вверх, компенсирует силу тяжести за счет разности сил притяжения в верхнем и нижнем зазорах, имеющих различную величину. Если в конструкции оставить только один ротор и расположить его ниже магнитопровода статора, получим предельно возможную для его величины силу, разгружающую подшипник. Величина этой силы определена в работах (см. Загрядцкий В.И., Свидченко С.Ю., Харитонова Л.Г. Маховиковые накопители энергии. Сб. "Энерго- и ресурсосбережение - XXI век. Материалы VIII международной научно-практической интернет-конференции". 2010. С. 57-60):
0
δ
где Iw - намагничивающая сила, μ - магнитная постоянная, S - сечение воздушного зазора, δ - величина воздушного зазора, k - коэффициент, учитывающий число фаз, обмоточный коэффициент и др.
Заявленное изобретение решает задачу создания компактного супермаховикового накопителя энергии уменьшенных габаритов и массы, что приводит к снижению возможных вибраций и повышению его эксплуатационной надежности, экономии потребляемой электроэнергии и повышению коэффициента полезного действия.
Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого полезной моделью технического результата.
Согласно изобретению супермаховиковый накопитель энергии, содержащий двигатель-генератор и супермаховик, заключенные в герметизированную вакуумированную оболочку, состоящую из корпуса и крышки, жестко связанных между собой и образующих центральную кольцевую полость, вал, магнитные подшипники, характеризуется тем, что внутри центральной кольцевой полости на крышке и на валу закреплены соответственно дисковый магнитопровод статора с обмоткой двигателя-генератора и ротор в форме диска с размещенными на его поверхности постоянными магнитами, причем ротор помещен ниже магнитопровода статора и отделен от него равномерным воздушным зазором, а магнитопровод статора выполнен из аморфного или наноструктурированного сплава.
Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется наличием ряда дополнительных факультативных признаков, а именно:
- двигатель-генератор может быть выполнен в виде электрической машины, содержащей статор, магнитопровод которого выполнен в виде плоского шихтованного кольца с установленными на его торцевой части кольцевыми катушками m-фазной сосредоточенной обмотки, и два дисковых ротора, на которых размещены постоянные магниты с чередующейся полярностью, расположенные эквидистантно относительно друг друга, при этом на периферии наружных листов магнитопровода выполнены пазы для укладки m-фазной сосредоточенной обмотки, при этом внутренние листы магнитопровода выполнены с диаметром, меньшим, чем диаметр наружных листов, с образованием кольцевой канавки, в которой размещены межкатушечные соединения m-фазной сосредоточенной обмотки;
- дисковый магнитопровод статора может быть выполнен с пазами, в которых уложена двухслойная шестизонная обмотка.
Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что в заявленной конструкции возникает значительная электромагнитная осевая сила, направленная вверх и компенсирующая либо частично, либо полностью силу тяжести ротора с супермаховиком, при этом она определяется не разностью двух сил, а силой, обратно пропорциональной величине воздушного зазора, т.е. максимально возможной для принятой конструкции. Этим достигается разгрузка магнитных подшипников, улучшение их тяговых и механических характеристик, снижаются размеры и массы подшипниковых узлов, что повышает эксплуатационную надежность и долговечность кинетического накопителя энергии.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано продольное сечение супермаховикового накопителя энергии, на фиг. 2 - структурная схема кинетического накопителя энергии. На чертежах позициями обозначены: крышка 1, вал 2, статор 3, ротор 4, корпус 5, подшипники 6 и 7, стакан 8 для верхнего магнитного подшипника 6, стакан 9 дл нижнего магнитного подшипника 7, маховик 10, двигатель 11, выпрямитель переменного напряжения генератора 12, конденсатор 13, инвертор постоянного напряжения в выходное трехфазное напряжение переменного тока заданной величины и частоты 14, выходной фильтр 15, схема управления 16.
Оболочка вертикального кинетического накопителя энергии состоит из жестко связанных между собой крышки 1 и корпуса 5, образующих центральную кольцевую полость. Внутри этой полости на крышке 1 закреплен один дисковый магнитопровод статора 3 с m-фазной обмоткой двигателя-генератора. Ниже магнитопровода 3 помещен ротор 4 в форме диска с постоянными магнитами, который жестко укреплен на валу 2, имеющем в качестве опоры магнитные подшипники 6 и 7 и жестко связан с маховиком 10. К верхней части крышки 1 жестко прикрепляется при помощи винтов стакан 8, предназначенный для размещения верхнего магнитного подшипника 6, а к нижней части корпуса также при помощи винтов жестко крепится стакан 9, в котором помещается нижний магнитный подшипник 7. С целью уменьшения аэродинамического сопротивления из оболочки супермаховикового накопителя энергии через специально сделанный герметический штуцер откачивается воздух, для чего служит внешний вакуумный насос.
На ветростанциях агрегаты с синхронным генератором с возбуждением от постоянных магнитов имеют выходной электронный блок, позволяющий ветротурбине работать при переменной частоте вращения. Схема со звеном постоянного тока включает выпрямитель переменного напряжения генератора 12 и инвертор постоянного напряжения в выходное трехфазное напряжение переменного тока заданной величины и частоты 14. Конденсатор 13 сглаживает пульсацию тока инвертора 14, а выходной фильтр 15 обеспечивает высокое качество выходного напряжения.
Поскольку частота двигателя 11 КНЭ выше 50 Гц, для запуска супермаховикового накопителя энергии требуется подобный, но отдельный преобразователь частоты. Увеличивая выходную частоту преобразователя, осуществляют частотный разгон двигателя, а, следовательно, и маховика, благодаря чему происходит запасание кинетической энергии. Из-за притяжения ротора электрической машины к статору возникает значительная электромагнитная осевая сила, направленная вверх и компенсирующая либо частично, либо полностью силу тяжести ротора с супермаховиком. В отличие от прототипа возникающая сила значительно больше, т.к. определяется не разностью двух сил, а силой, обратно пропорциональной величине воздушного зазора, т.е. максимально возможной для принятой конструкции. Этим достигается разгрузка магнитных подшипников, улучшение их тяговых и механических характеристик, снижаются размеры и массы подшипниковых узлов, что повышает эксплуатационную надежность и долговечность кинетического накопителя энергии. При работе ветрогенератора потребитель получает энергию нужного напряжения и частоты от основного преобразователя частоты, а кинетический накопитель энергии вращается с номинальной частотой вращения на холостом ходу, находясь в резерве, поскольку его двигатель получает питание через собственный преобразователь от ветрогенератора. При отсутствии ветра происходит коммутация электрической схемы: ветрогенератор отключается от основного преобразователя, двигатель КНЭ - от своего преобразователя, и включается на основной преобразователь (фиг. 2). В этом случае электрическая машина КНЭ переходит из двигательного режима в генераторный и за счет накопленной кинетической энергии маховика вырабатывает электроэнергию, которая поступает к потребителю с теми же напряжением и частотой, что и от ветрогенератора. Силовой преобразователь управляет качеством отдаваемой энергии, поддерживая при помощи схемы управления 16 выходные напряжение и частоту в заданных пределах независимо от частоты вращения маховика.
Таким образом, кинетический накопитель энергии может быть использован в автономных ветроустановках децентрализованной энергетики в качестве дополнительного источника энергии для бесперебойного снабжения потребителей. В качестве двигателя-генератора КНЭ целесообразно применить высокоскоростную трехфазную синхронную машину с постоянными магнитами и выходным электронным блоком, позволяющим КНЭ работать при переменной частоте вращения.
Для значительного снижения потерь в магнитопроводе последний выполняется из аморфного или наноструктурированного сплава, что исключает необходимость иметь теплообменники с циркулирующей охлаждающей жидкостью и упрощает конструкцию. Магнитопровод статора может быть выполнен с пазами, в которых уложена двухслойная шестизонная обмотка, или беззубцовым с сосредоточенной обмоткой по патенту РФ №2688204 на электрическую машину.
Предложенная конструкция кинетического накопителя энергии имеет малые осевые размеры, уменьшенную материалоемкость, достаточно технологична в изготовлении и сборке, удобна в наладке и техническом обслуживший, долговечна.