НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ
ENERGY STORAGE UNIT

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в качестве кинетического буферного накопителя энергии, например, для транспортных электрифицированных систем, источников аварийного питания, источников бесперебойного питания для атомных, ветровых и солнечных электростанций.
Известен маховичный накопитель по патенту RU №2246034 (05.01.2001, F03G 3/08, F16H 33/02, H02K 7/02) с маховиком и приводом с опорами, размещенными в разделенных между собой вакуумируемых камерах с различным уровнем вакуума в них. В камере с низким уровнем вакуума помещен привод с опорами, а в камере с высоким уровнем вакуума помещен маховик. Камеры разделены между собой уплотнением, выполненным герметичным. Наличие камеры с низким вакуумом и уплотнения между камерами увеличивает потери на трение в конструкции.
Известен накопитель энергии по патенту ЕР 0821462 (1998-01-28, H02K 7/02; H02K 7/08; F16F 15/30; F16F 15/315), включающий вакуумируемый корпус, установленный в корпусе вертикальный стержень со статором, цилиндрический ротор, приводимый в движение статором для накопления кинетической энергии и взаимодействующий со статором как генератором при высвобождении энергии. Трубчатый ротор имеет внутренний слой из стекловолокна и наружный слой из углеволокна, причем, толщина внутреннего слоя составляет 2/3 от толщины трубы ротора. Концевая крышка ротора используется для опоры ротора на стержне через игольчатый опорный подшипник со сферической головкой и подпятником в верхней части ротора, а осевой и радиальные магнитные подшипники с постоянными магнитами, взаимодействующими с магнитными материалами из железа или NdFeB во внутренних слоях пластика ротора, установлены в нижней части ротора. Неподвижный стержень увеличивает потери на трение со всей внутренней поверхностью ротора и снижает эффективность накопителя.
Известен принятый за прототип центробежный накопитель энергии на базе ультрацентрифуги по патенту на полезную модель RU 88864 (14.02.2009, H02J 15/00, В04В 5/00), содержащий корпус с крышкой, маховик в виде полого ротора ультрацентрифуги с приводным диском в нижней части, контактирующей с нижней опорой, и ферромагнитной втулкой магнитной опоры в верхней части.
Недостаток устройства состоит в том, что при изменении скорости вращения ротора в режиме накопления и отдачи энергии происходит изменение длины ротора и изменение осевой нагрузки в нижней опоре от оптимального значения на рабочей скорости ультрацентрифуги. Это увеличивает потери на трение в опоре, снижает ее надежность и ресурс накопителя. Кроме того, при аварии ротора на корпус центрифуги одновременно передается вся накопленная энергия разрушенного маховика, что усложняет аварийную систему накопителя, снижает надежность конструкции и ограничивает доступную к использованию энергию ротора.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение надежности накопителя при большем запасе энергии.
Технический результат заключается в создании конструкции маховика накопителя с повышенной энергией вращения, меньшими потерями на трение в опорном узле и более безопасного при аварии.
Поставленная цель достигается тем, что в накопителе энергии, включающем вакуумируемый корпус, установленный в нем маховик в виде вертикального цилиндрического трубчатого ротора, выполненного из двух или более труб, соединенных гибкими элементами, периферия которых установлена в смежные трубы ротора, с мотор-генератором со статором, закрепленным в корпусе, и ротором мотор-генератора, закрепленным на роторе, систему опор, образованную из опорного подшипника в нижней части ротора и магнитного подшипника с постоянным магнитом в верхней части ротора, вращающийся элемент, по крайней мере, одной из опор закреплен на центральной части гибкого элемента.
Кроме того, в накопителе установлен дополнительный мотор-генератор со статором, закрепленным в корпусе, и ротором мотор-генератора, закрепленным на роторе.
Кроме того, опорный подшипник выполнен из игольчатого опорного подшипника с подпятником.
Дополнительно, труба выполнена из полимерного материала, армированного стекловолокнами, или углеволокнами, или органоволокнами.
Кроме того, труба выполнена из металлической оболочки, упрочненной полимерными материалами, армированными стекловолокнами, или углеволокнами, или органоволокнами.
Дополнительно, внутри корпуса установлен молекулярный насос.
Кроме того, в верхней части ротора и/или нижней части ротора установлено корректирующее устройство.
Дополнительно, мотор-генератор выполнен в виде вентильного привода.
Кроме того, дополнительный мотор-генератор выполнен в виде вентильного привода.
Дополнительно, корпус накопителя установлен в блок накопителей, образованный из двух рядов накопителей, корпусы которых закреплены на раме и соединены газовыми трубками для вакуумирования корпуса с газовым коллектором.
Кроме того, корпусы накопителей установлены с возможностью вращения вокруг вертикальной оси корпуса.
Дополнительно, корпусы накопителей прижаты к раме планкой с помощью стяжек.
Кроме того, на планке выполнены вырезы под корпусы накопителей.
Дополнительно, газовая трубка для вакуумирования корпуса соединена с газовым коллектором через клапан, срабатывающий от разворота корпуса при разрушении ротора.
Кроме того, газовый коллектор выполнен в виде продольной балки рамы.
Сущность изобретения поясняется рисунками.
На фиг.1 показан вертикальный разрез накопителя энергии.
На фиг.2 показан фронтальный вид блока накопителей
На фиг.3 показан вид по АА блока накопителей на фиг.1.
На фиг.4 показан фрагмент вида сверху на блок накопителей.
На фиг.5 показан вариант выполнения планки.
Накопитель энергии содержит вакуумируемый корпус 1, закрытый верхней и нижней крышками 2, маховик в виде вертикального цилиндрического трубчатого ротора 3, выполненного из трех труб 4, 5 и 6, соединенных гибкими элементами 7 и 8. Гибкий элемент 7 выполнен в виде сильфона глубокой гофрировки из гибких участков 9 и 10, сопряженных с центральной частью 11. Периферия 12 участка 9 установлена в трубе 4, а периферия 13 участка 10 установлена в смежной трубе 5 ротора. Трубы 4 и 6 выполнены из полимерного материала, например, из слоев стеклопластика 14 и слоев углепластика 15. Труба 5 выполнена из металлической цилиндрической оболочки 16 и упрочнена слоями полимерного материала, например, слоями стеклопластика 17 и слоями углепластика 18. Ротор приводится во вращение вокруг оси 19 мотор-генератором со статором 20, закрепленном на держателе 21, установленным на нижней крышке 2 корпуса 1, и ротором мотор-генератора в виде приводного диска 22, закрепленного на полуоси 23, установленной в центральной части гибкого элемента 8. Система опор ротора состоит из опорного подшипника в виде гибкой иглы 24, закрепленной в полуоси 23 и опертой на подпятник в демпфирующем элементе 25 с центрирующими пружинами 26 в корпусе 27 демпфера, заполненном маслом, и магнитного подшипника из постоянного магнита 28 и ферромагнитной втулки 29, установленной в центральной части 11 гибкого элемента 7. В нижней части ротора установлено корректирующее устройство в виде кольца 30, охватывающего с некоторым радиальным зазором полуось 23, с демпфирующим цилиндром 31 на центрирующих пружинах 32 в корпусе 27. В верхней части ротора на держателе 33, закрепленном на верхней крышке 2 корпуса 1, установлен дополнительный мотор-генератор со статором 34 и ротором дополнительного мотор-генератора в виде приводного диска 35, закрепленного на втулке 29. Дополнительный мотор-генератор выполнен в виде вентильного привода, в диске 35 которого установлены постоянные магниты 36 из сплава неодим-железо-бор, взаимодействующие с катушками 37 статора 34. Верхнее корректирующее устройство выполнено в виде кольца 38, установленного на центрирующих пружинах 39 и охватывающего втулку 29 с некоторым радиальным зазором. В корпусе 1 установлена охватывающая трубу 4 втулка 40 молекулярного насоса с внутренней резьбой для облегчения откачки корпуса 1 через газовую трубку 41.
В варианте выполнения накопителя, показанного на рис.2, рис.3 и рис.4, корпус 1 накопителя установлен на раме 42, выполненной из вертикальных, продольных и поперечных балок, в блок из двух рядов таких накопителей. Накопители закреплены на раме планками 43 и стяжками 44. В планке 43 выполнены вырезы 45 (рис.5) под корпусы 1 накопителей. Газовые трубки 41 через клапан 46 с тягой 47, установленной на крышке 2, соединены с общим газовым коллектором 48, выполненном в виде продольной балки рамы 42 с патрубком 49.
Работа накопителя осуществляется следующим образом.
Через газовую трубку 41, коллектор 48 и патрубок 49, соединенный с вакуумным насосом, корпус 1 вакуумируют и подают электропитание на один или оба мотор-генератора. По мере разгона ротора 3 под действием центробежной нагрузки диаметр труб 4, 5, и 6 увеличивается, а длина этих труб уменьшается. Поскольку вращающиеся элементы опор (игла 24 и втулка 29) установлены на гибких элементах 7 и 8, изменение расстояния между этими элементами опор в ~3 раза меньше укорочения всего ротора 3 при вращении. В результате этого, изменение осевой нагрузки в нижней опоре незначительны и дополнительные потери на трение в режиме разгона ротора отсутствуют. Размещение вращающихся элементов опор на гибких элементах 7 и 8, установленных внутри трубы ротора на удалении от ее торцов, позволяет дополнительно уменьшить влияние изменения длины ротора на изменения нагрузки на нижнюю опору от ее оптимального значения во всех режимах работы и повысить работоспособность и надежность накопителя. Ротор 3 разгоняется до рабочей скорости и запасает механическую энергию. При вращении на рабочей скорости молекулярный насос с втулкой 40 эффективно откачивает корпус 1 и уменьшает потери на трение вращающегося ротора об оставшийся в корпусе 1 газ. Таким образом, при вращении ротора 3 на рабочей скорости в режиме холостого хода потери на трение в опорах и о газ минимальны, что обеспечивает эффективное сохранение накопленной маховиком энергии.
При переключении мотор-генераторов в режим генерации энергии катушки 37 статора 34 верхнего мотор-генератора взаимодействуют с магнитами 36 приводного диска 35, а приводной диск 22 нижнего мотор-генератора взаимодействует со статором 20 и генерируют электрическую энергию, при этом ротор 3 тормозится и уменьшает скорость вращения. При аварийных ситуациях, например, при потере вакуума в корпусе 1 ротор 3 может потерять устойчивость и начинает взаимодействовать с верхним 38 и нижним 30 кольцом корректора, которые стабилизируют вращение и предотвращают разрушение ротора 3. Расположение накопителей в блоке на общей раме 42 позволяет в десятки раз увеличить мощность такого блока по сравнению с мощностью одного накопителя. При разрушении ротора 3 накопителя в результате аварии корпус 1 накопителя, под действием взаимодействия с осколками ротора, вращается вокруг вертикальной оси и плавно тормозиться силами трения, возникающими между рамой 42 и корпусом 1 и корпусом 1 и планками 43. При вращении корпуса 1 тяга 47 взаимодействует с клапаном 46 и отключает газовую трубку 41 накопителя от коллектора 48, что предотвращает распространение аэродинамического возмущения на другие накопители блока. Выполнение ротора 3 накопителя из нескольких труб 4, 5, и 6, соединенных между собой гибкими 7 и 8 элементами, позволяет увеличить единичную энергоемкость накопителя без существенного усиления средств защиты при разрушении ротора, поскольку разрушение отдельных труб ротора 3 не происходит одновременно и сдвинуто по времени, в результате чего обеспечивается более мягкое взаимодействие осколков ротора 3 с корпусом 1 и корпуса 1 с рамой 42 при аварии. Дополнительно, за счет вращения корпуса 1 на раме 42 накопителя при разрушении маховика 3 минимизируются боковые и поперечные нагрузки на соседние накопители в блоке, что увеличивает ресурс и надежность блока накопителей.