ЕМКОСТНО-КИНЕТИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

Полезная модель может быть использована в области электротехники, в системах аккумулирования электроэнергии, содержащих механические и электрические накопители энергии.
Сущность изобретения: конденсаторная батарея, собранная из последовательно-параллельно, включенных импульсных конденсаторов конструктивно закрепленных на маховике на его периферии, выводы батареи соответствующей полярности подключены к контактным кольцам, установленным на валу маховика и оснащенным щеточно-контактным аппаратом для включения в силовую цепь электрической машины.
Широко известны средства для кратковременного накопления энергии: маховик (накопитель кинетической энергии), емкость (накопление энергии в электростатическом поле) и индуктивность (накопление энергии в электромагнитном поле).
Степень эффективности маховика как накопителя энергии зависит от его размеров и массы, а также от частоты его вращения и диапазона ее изменений, за счет которого и происходит накопление и отдача кинетической энергии. Но по сравнению с индуктивностью и емкостью маховики имеют плотность накапливаемой энергии в десятки-сотни раз больше и используются в электроприводах с ударной нагрузкой (прокатные станы, штампы и др.) и транспортных средствах.
С другой стороны, использование маховика в электромеханической системе возможно лишь при наличии на его валу электромашинного преобразователя энергии, что делает данный способ накопления пригодным в случае относительно малой мощности (см., например, "Rayway Gazette", September, 1976). Поэтому при малых количествах накапливаемой энергии, индуктивность и емкость как накопителя электроэнергии становятся более экономичными, чем маховик. Они включаются в силовую цепь электрической машины.
Для длительного накопления и расходования электроэнергии наиболее подходящим средством являются, как известно, химические источники тока того или иного типа, в том числе аккумуляторы.
Известны также технические решения по электромобилям с гибридным приводом, включающие в состав оборудования кинетические (маховики) и емкостные накопители электроэнергии для увеличения количества накапливаемой энергии при торможении и улучшения динамических качеств электромобиля при использовании химического источника тока в качестве первичного источника электроэнергии (см. например. Автомобильная промышленность США, 1993, N 3, стр.3).
Использование емкостных накопителей становится эффективным в связи с разработкой за рубежом и в России конденсаторов с двойным электрическим слоем, получившими название в России - импульсные конденсаторы сверхвысокой энергоемкости (ИКЭ).
Они в наибольшей степени, отвечают требованиям по плотностям энергии и мощности, предъявляемым к накопителям электроэнергии для транспортных средств.
Задачей полезной модели является создание емкостно-кинетического источника с высокой плотностью энергии, конструктивно объединяющего конденсаторную батарею и маховик и сочетающего их достоинства.
Поставленная задача решается тем, что в емкостно-кинетическом источнике электроэнергии, содержащем конденсаторную батарею, включенную в силовую цепь электрической машины постоянного тока, и маховик, вал которого сопряжен с ее валом через муфту сцепления и механическую передачу, согласно изобретению конденсаторная батарея собрана из последовательно-параллельно соединенных импульсных конденсаторов сверхвысокой энергоемкости и конструктивно объединена с маховиком путем закрепления на его периферической поверхности, а выводы батареи соответствующей полярности подключены к контактным кольцам, каждое из которых установлено на валу маховика и снабжено щеточно-контактным аппаратом для включения в силовую цепь электрической машины.
Отличительными признаками предлагаемого емкостно-кинетического источника по сравнению с известными источниками являются:
- конденсаторная батарея собрана из последовательно-параллельно соединенных ИКЭ;
- ИКЭ закреплены на периферической поверхности маховика;
- выводы соответствующей полярности конденсаторной батареи подключены к контактным кольцам;
- каждое контактное кольцо установлено на валу маховика и снабжено щеточно-контактным аппаратом для включения в цепь электрической машины.
При этом повышается плотность аккумулированной электроэнергии (кДж/кг) за счет увеличения энергозапаса накопителя, так как суммируются количество энергии маховика и конденсаторной батареи и снижается их суммарная масса, поскольку ИКЭ с энергозапасом 90-140 кДж и более являются, как правило, материалоемкими и составляют ощутимую долю в массе оборудования источника, совмещаются с маховиком и участвуют в накоплении кинетической энергии маховиком. Подключение выводов конденсаторной батареи соответствующей полярности к контактным кольцам, установленным на валу маховика и снабженные щеточно-контактным аппаратом, позволяет осуществить включение конденсаторной батареи в цепь емкостно-кинетического источника с наименьшими потерями.
На фиг.1 показана принципиальная электрическая и конструктивная схема емкостно-кинетического источника согласно полезной модели; на фиг.2 - вариант конструктивного объединения маховика с конденсаторной батареей согласно полезной модели.
Источник содержит электрическую машину постоянного тока независимого возбуждения или с постоянным магнитом 1, вращающуюся с
1
1
частотой вращения n, механическую передачу 2, муфту сцепления 3, маховик 4, на периферической поверхности которого установлены конденсаторы 5 собранные в конденсаторную батарею (на фиг.1 представлен вариант с батареей из 6 конденсаторов): На валу маховика 4, вращающегося с частотой n, установлено контактное кольцо 6 положительной полярности с щеточно-контактным аппаратом 9. Выводы 10 и 11 источника служат для его подключения в электромеханическую систему, где требуется электрическая и/или кинетическая энергия. Для расширения функциональных возможностей электрическая схема источника содержит также выключатели 12 и 13. Выводы конденсаторов 5 одноименной полярности 14 соединены шинами 15 в батарею, каждый вывод 16 которой подсоединен к соответствующему контактному кольцу 6 и 8.
Емкостно-кинетический источник работает следующим образом.
2
При подключенных к электромеханической система выводах 10 и 11 и замкнутых выключателях 12 и 13 электрическая машина 1 работает в режиме двигателя и при сопряженных с помощью механической передачи 2 и муфты 3 валах машины 1 и маховика 4 раскручивает его до частоты вращения n, заряжая его кинетической энергией. Одновременно, при замкнутом выключателе 13, происходит заряд конденсаторной батареи от источника энергии электромеханической системы (например, ветрогенератор) по электрической цепи через щеточно-контактный аппарата.
При изменении режима работы электромеханической системы, когда электрическая машина 1 переходит в режим генератора, происходит отдача энергии (разряд) конденсаторной батареи по той же электрической цепи как машине 1, так и электромеханической системе. Одновременно накопленная кинетическая энергия маховика преобразуется с помощью машины 1 в электрическую и возвращается электромеханической системе.
Емкостно-кинетический источник имеет более широкие функциональные возможности по сравнению с отдельно взятыми маховиком и конденсаторной батареей. Так при разомкнутом ключе 12 или муфте 3 маховик неподвижен и функционирует в качестве накопителя только конденсаторная батарея. С другой стороны, при разомкнутом ключе 13 не функционирует в качестве накопителя конденсаторная батарея. Таким образом, в зависимости от алгоритма работы электромеханической системы возможно оптимальное (в том числе порционное) использование энергии.
Предлагаемое изобретение может быть эффективно использовано в возобновляемых источниках энергии (ветрогенераторы), транспортных средствах с электромеханической передачей (электромобили, городской транспорт, электровозы для откачки угля, маневровые суда в гаванях и др.)