БАТАРЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОМАХОВИЧНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ

Область техники
Полезная модель относится к области машиностроения и может использоваться в энергетике.
Уровень техники
Известна конструкция электромаховичного накопителя энергии, включающая стационарный герметичный вакуумированный корпус с размещенным в нем на опорах вращения маховиком, кинематически периодически соединяемым с ротором обратимой электромашины (см., например, книгу Н.В.Гулиа «Удивительная механика», М., ЭНАС, 2005 г., стр.94). Эта конструкция принята за прототип. Прототип обладает следующими недостатками:
1. Для накопления большого количества энергии маховик должен обладать большой массой, которая может быть достигнута, например, изготовлением маховика большого диаметра при невысокой частоте вращения. Однако это нерационально из-за трудностей при изготовлении и транспортировке маховика, подборе опор большой грузоподъемности и больших габаритно-массовых показателей электромашины большой мощности при невысокой частоте вращения.
2. При частоте вращения мощной электромашины порядка 4000 об/мин диаметр монолитного маховика из достаточно прочной стали будет около 1 м. При этом для накопления 100 МДж энергии длина маховика с опорами будет достигать 5 м, и такой маховик потребует целой батареи опор, так как масса его будет больше 10 тонн. Длинный маховик при малом диаметре будет склонен к вибрациям и к поломке опор.
3. В случае выполнения большого количества отдельных электромаховичных накопителей, например, 10 агрегатов по 10 МДж энергоемкостью каждый с электромашинами мощностью по 100 КВт, кроме высокой стоимости такой батареи у нее будет невысокий КПД из-за малой мощности электромашин, трудности с согласованием частот их вращения, большое число систем управления и герметичных уплотнений, например, магнитожидкостных, с их стоимостью и потерями энергии в них.
Раскрытие полезной модели
Задачей полезной модели является создание единого агрегата электромаховичного накопителя энергии большой энергоемкости с электромашиной высокой мощности (например, номиналом в 1 МВт), обладающей высоким КПД, одной системой управления частотой, одним герметичным уплотнением (например, магнитожидкостным) и одним герметичным вакуумированным корпусом.
Указанная задача решается тем, что предложен батарейный электромаховичный накопитель энергии, включающий обратимую электромашину с системой управления, постоянно подключенную или периодически кинематически подключаемую к выходному валу маховичного накопителя энергии, характеризующуюся тем, что маховичный накопитель энергии выполнен в виде батареи отдельных накопителей энергии, соединенных последовательно с компенсацией несоосностей и размещенных в одном герметичном вакуумированном корпусе с одним герметичным уплотнением для выходного вала.
Следующим отличием предложенного устройства является то, что батарея составлена их отдельных маховичных накопителей энергии с горизонтальной осью вращения маховиков.
Еще одним отличием предложенного устройства является то, что батарея составлена из отдельных маховичных накопителей энергии с вертикальной осью вращения маховика.
Еще одним отличием предлагаемого устройства является то, что единый герметичный вакуумированный корпус батареи составлен из корпусов отдельных накопителей, герметично соединенных между собой торцами, причем крайние торцы первого и последнего маховичных накопителей энергии закрыты герметичными крышками, одна из которых глухая, а другая снабжена герметичным уплотнением для выходного вала.
Последним отличием предлагаемого устройства является то, что герметичное уплотнение выполнено в виде магнитожидкостного уплотнения.
Вышеуказанные отличия позволяют достигнуть технического результата, заключающегося в создании единого агрегата электромаховичного накопителя энергии большой энергоемкости с электромашиной высокой мощности, обладающей высоким КПД, одной системой управления частотой, одним герметичным уплотнением и одним герметичным вакуумированным корпусом.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схема электромаховичного накопителя энергии с горизонтально расположенной батареей накопителей с горизонтальной осью вращения маховиков.
Фиг.2 - схема электромаховичного накопителя энергии с вертикально расположенной батареей накопителей с вертикальной осью вращения маховиков.
Осуществление полезной модели
Оба варианта исполнения электромаховичных накопителей энергии (горизонтально и вертикально, как показано на фиг.1 и фиг.2) содержат одни и те же компоненты, различно расположенные. На чертежах для простоты изображены батареи из трех накопителей, но их число может быть как меньше, так и больше. Вариант по фиг.1 обладает большей доступностью агрегатов и простотой обслуживания, а вариант по фиг.2 занимает меньшую площадь помещения и он безопаснее в случае разрыва маховика.
Батарейные электромаховичные накопители энергии по фиг.1 и фиг.2 включают обратимую электромашину 1 с системой управления 2 (например, инвертором с соответствующими опциями), с постоянной или периодической кинематической связью с выходным валом 3 батареи накопителей 4 (на фигурах обведена штриховой линией) с помощью муфты 5 (компенсирующей для постоянной связи и муфтой включения для периодической). Батарея накопителей 4 включает маховики 6 на подшипниках 7, закрепленных в торцевых крышках 8, причем валы 9 маховиков 6 связаны между собой компенсирующими муфтами 10 (например, зубчатыми, втулочно-пальцевыми и пр.), а корпуса 11 маховиков 6 связаны между собой и торцевыми крышками 8, соединенными звеньями 12 в виде цилиндрических втулок. Выходной вал 3 проходит через герметичное уплотнение 13 (например, магнитожидкостное). Все соединения корпусов 11, звеньев 12 и крышек 8 - герметичны и образуют единый герметичный вакуумированный корпус батареи 4.
Работа устройства
Работа устройства происходит следующим образом. При постоянной кинематической связи электромашины 1 с выходным валом 3 батареи 4 накопителей энергии с помощью компенсирующей муфты 5, накопители энергии батареи 4 заряжаются энергией (раскручиваются маховики 6) от электромашины 1 в режиме электродвигателя с помощью системы управления 2, регулирующей частоту тока, подаваемого в электромашину 1. При выделении накопленной в маховиках 6 энергии система управления 2 изменяет частоту тока так, что электромашина 1 начинает работать в режиме генератора и выдает электроэнергию для ее использования. Наличие нескольких накопителей энергии позволяет выполнять каждый из них с оптимальными параметрами и опорами в виде подшипников 7. Возможные несоосности устраняются с помощью компенсирующих муфт 10. Электромашина 1 выполняется большой мощности, так как возможности валов, в частности, наиболее нагруженного выходного вала 3, чрезвычайно велики. Например, при диаметре вала 3 в 40 мм он способен при 4000 об/мин передать мощность до 3 МВт, а если увеличить этот диаметр в 2 раза, что реально для подшипников 7 и частоты вращение 4000 об/мин, то передаваемая мощность может повыситься в 8 раз, т.е. до 24 МВт. КПД таких мощных электромашин очень высок по сравнению с тем, который бы был у электромашин, если бы они были отдельными для каждого маховичного накопителя энергии, к тому же при использовании отдельных электромашин возникают трудности с синхронизацией частот вращения отдельных маховиков и систем управления отдельных электромашин малой мощности. Поэтому батарея 4 накопителей с одной мощной электромашиной 1 гораздо эффективнее, чем несколько отдельных накопителей со своими электромашинами.
Если необходима периодическая связь электромашины 1 с батареей 4, то муфта 5 выполняется в виде муфты включения (например, порошковой или электрической многодисковой), и электромашина 1 может оставаться неподвижной при вращении маховиков 6, что снижает затраты энергии.
Работа устройств по фиг.1 и фиг.2 идентична, хотя выполнение опор-подшипников 7 маховиков 6 осуществляется иначе, но это уже особенности каждого отдельного накопителя, а не всей батареи 4.