Тема повышения эффективности энергопотребления, пожалуй, никогда не утратит своей актуальности. В связи с этим фактом, многие институты сегодня ведут разработки более эффективных накопителей энергии. И одним из перспективных решений в этой области представляется использование кинетических (в движении) накопителей энергии на базе высокоэнергоемких маховиков.

Области их применения могут простираться от небольших автономных источников бесперебойного питания для частных хозяйств до крупных промышленных установок, аккумулирующих энергию во вращение маховика, и в нужный момент отдающих ее на требуемом уровне мощности, уберегая сеть от скачков напряжения.

Достоинство таких агрегатов в том, что массивный маховик способен мгновенно преобразовать накопленную кинетическую энергию в электрическую, обеспечивая таким образом оборудование потребителя необходимой мощностью.

Подобные устройства отличаются минимальными эксплуатационными затратами, высокой степенью автоматизации, и отсутствием потребности в регулярном обслуживании.

Зарядившись на полную мощность за несколько минут, маховик отдаст накопленную энергию, если понадобится, за несколько секунд, в то время как обычные рабочие параметры питающей сети могут не выдержать больших пиковых токов.

Как это работает

Маховик получает вращение от электромашины через вал или через иной передающий механизм, и когда нужно отдает накопленную энергию через вал в режиме генератора, причем раскручивающая маховик машина сама может работать в этот момент как генератор.

Система автоматизированного регулирования с датчиками контроля параметров сделает процесс набора скорости безопасным, и в критической ситуации среагирует как на достижение опасной частоты вращения маховика, так и на необходимость мгновенного перехода в режим отдачи накопленной кинетической энергии.

Особенности и возможности

Таким образом, кинетические накопители позволяют решать задачи накопления, временного хранения и последующего преобразования энергии для обеспечения оптимальных режимов питания оборудования даже с крайне нестандартными параметрами. В итоге охватывается широчайший диапазон сфер возможных применений данного технического решения.

Электромеханический преобразователь такого рода отличается рядом преимуществ. Удельная энергоемкость кинетических накопителей выше чем у конденсаторов, а по удельной отдаваемой в нагрузку мощности (токовой) они опережают как кислотные аккумуляторы, так и топливные элементы.

При этом кинетические накопители компактны, экологически безопасны, обладают КПД порядка 90%, имеют длительный срок эксплуатации более 10 лет, просты в обслуживании, а рабочий ресурс практически неограничен, к тому же система охлаждения получается стократно дешевле, чем у сверхпроводящих индукционных накопителей (СПИН).

Медицинские центры, атомные объекты, центры хранения информации, банковские хранилища, химические производства — везде, где требуется резервирование энергии для питания значимых потребителей, пригодятся кинетические накопители. Что и говорить о компенсации пиковых нагрузок для крупных энергосистем, из-за которых случаются перебои с подачей электроэнергии к целым городским районам.

Что используется уже сейчас

На протяжении десятка лет в нескольких регионах мира не прекращаются разработки кинетических накопителей, особенно в США и в Германии, а в последние годы — и в России.

Немецкая ATZ производит накопители на 20 МДж, способные отдавать в нагрузку мощность до 250 кВт, оснащенные системой синхронизации с сетью. При этом размеры устройства не превышают 1,5 метров.

Маховик накопителя изготовленный из высокопрочного карбонового волокна, установлен на подвес из ВТСП керамики. Электрическая машина, разгоняющая маховик ATZ и генерирующая электроэнергию, выполнена на базе постоянных редкоземельных магнитов.

Американская Beacon Power выпускает цилиндрические накопители на 6 кВт-ч и на 25 кВт-ч, которые можно использовать набирая кластерами для обеспечения устойчивости параметров тока в промышленных электросетях страны.

Этапы проектирования КНЭ

При проектировании кинетического накопителя разработчики решают следующие инженерные задачи: рассчитывают мотор-генератор, выбирают подшипники, рассчитывают маховик, а также системы охлаждения, контроля и управления, после чего приступают к изготовлению.

Исходя из назначения конкретной модели накопителя, интегрированные в них электрические машины могут быть в принципе разными. Однако неоспоримое преимущество имеют синхронные электрические машины. В синхронных машинах отсутствуют щетки, а постоянные магниты на роторе позволяют получить большую удельную мощность мотора-генератора.

Подшипники и подвесы лучше всего подходят бесконтактные, такие как на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП).

Хоть подобные системы и требуют специального охлаждения, тем не менее они отлично стабилизируются без подвода мощности: индуктор из набора постоянных магнитов взаимодействует с массивом ВТСП в сверхпроводящем состоянии. Здесь отсутствуют потери на трение, даже о воздух, вибрации минимальны даже на высоких оборотах, к тому же конструкция автоматически центрируется в процессе работы.

Пример устройства разработанного в российском МАИ

Магнитное поле постоянных магнитов взаимодействует с активированными блоками ВТСП, и после установки опоры маховик просто зависает над криостатом (левитирует над ним на расстоянии менее 1 см), при этом не смещаясь в радиальном направлении.

Электромагнитное взаимодействие полюсов статора и ротора создает результирующий момент, который разгоняет маховик и заряжает таким образом накопитель. И поскольку потери в опорах отсутствуют, накопленная в кинетической форме, энергия сохраняется на протяжении длительного времени, а при необходимости расходуется через преобразование в режиме генератора.

В процессе накопления полных номинальных 500 кДж энергии, маховик разгоняется за 300 секунд до 6000 оборотов в минуту. Он может легко отдавать мощность в 10 кВт в течение 25 секунд непрерывно, поскольку номинал отбираемой энергии с установки — 250 кДж, соответственно нагрузку в 1 кВт можно гарантированно питать на протяжении 4 минут.

Частота напряжения на входе при заряде — 50 Гц при стандартном напряжении сети в 220-240 вольт. Вес маховика составляет 100 кг, при этом момент инерции равен примерно 3,6 кг*м2.

Что касается генераторного режима, то частота тока при отборе составляет 200 Гц на трех фазах при напряжении от 160 до 240 вольт. Максимальная номинальная мощность отбора — 11 кВт.

Перспективы для России и СНГ

Совсем недавно российская компания Kinetic Power создала собственную версию стационарных накопителей кинетической энергии на базе супер-маховиков. Один такой накопитель способен запасать энергию до 100 кВт-ч и обеспечивать кратковременно мощность до 300 кВт.

В условиях российского рынка, кластер из нескольких таких накопителей способен обеспечивать выравнивание суточной неоднородности электрической нагрузки целого региона, заменяя собой дорогостоящие и громоздкие гидроаккумулирующие электростанции.

Помимо этого, как отмечалось в начале, кинетические накопители могут быть использованы для обеспечения бесперебойного питания объектов высших уровней ответственности. Уникальные свойства данных разработок обеспечивают отклик устройства на уровне сотых долей секунды, позволяя ни на секунду не прерывать подачу электроэнергии потребителям.