Размещено 04.03.2013

Найти способ получения электрической энергии в загородном доме, расположенном вдали от линий электропередач, не сложно. Намного труднее сохранить ее, накопить впрок и использовать при необходимости. В настоящее время самым распространенным способом накопления электрической энергии с последующим применением является обычный аккумулятор, срок годности которого не превышает двух лет. Бесспорно, созданная автономная электросеть в загородном доме, основанная на применении аккумулятора или целой батареи этих устройств, является настоящим спасением для того, кто решил поселиться ближе к природе.

Но так уж устроен человек, что любыми достижениями он довольствуется недолго, а затем начинает искать новые пути решения проблемы, более экономичные, удобные и выгодные.

Одним из устройств, которые можно использовать в качестве аккумулятора энергии, является .

О чем идет речь

Маховик представляет собой массивное вращающееся колесо, используемое в качестве накопителя энергии. Самый простой пример маховика можно рассмотреть при игре с детской инерционной машинкой, движущейся, как в сказке, совершенно самостоятельно. Ее колеса приводятся в движение именно тем самым маховиком, использующим неравномерное поступление энергии. Другими словами, маховик аккумулирует энергию, когда ее приход больше, чем расход, и отдает ее, когда поступление энергии сокращается или прекращается совсем.

Вспомните, машинку перед запуском нужно резко провести несколько раз колесами по полу, для того, чтобы маховик сделал запас кинетической энергии. При этом маховику передается энергия привода, превышающая в тот момент расход энергии. (в качестве привода выступает играющий ребенок). Если затем машинку поставить на ровную поверхность и не препятствовать ее движению, она может проехать немалое расстояние.

Идея использовать принцип этого устройства вызывала интерес с момента появления вопроса о накоплении энергии впрок. Но серьезным препятствием на пути широкого применения маховиков стало небольшое количество накапливаемой энергии, а также слишком малый КПД устройства.

Немного истории

Первые серьезные результаты в этом направлении были получены в середине прошлого столетия профессором Гулиа Н.В., предложившим совершенно новый тип маховика, позволяющего накапливать количество энергии, достаточное для использования в дальнейшем. Он предложил использовать в качестве маховика не привычный диск, а сердечник с намотанной на него очень тонкой металлической проволокой.

Повысить КПД и уменьшить потери энергии на трение удалось после помещения этого устройства в вакуум. В дальнейшем стальная проволока была заменена на пластиковую ленту, прочную и тонкую. В ходе опытов было установлено, что такой маховик может накопить достаточно большое количество энергии, отнесенной к единице веса данного устройства.

Проведем несложные расчеты, основанные на знании курса физики средней школы.

Запас энергии маховика может быть найден по формуле:

o I - момент инерции вращающегося тела

o ὡ - угловая скорость вращения

Для простых форм маховика, известны конечные выражения момента инерции

Для полого цилиндра:

m - масса полого цилиндра;

r - наружный радиус цилиндра

r0 - внутренний радиус цилиндра

Для тонкостенного цилиндра, внутренним радиусом которого можно пренебречь

Заменив в формуле для полого цилиндра, угловую скорость ὡ - на частоту вращения - S по формуле

получим

Запас накопленной маховиком энергии зависит от предельной скорости его вращения.

Проведя подсчеты, получим, что предельно допустимая линейная скорость составит 200 м/с, тогда

Тогда Emax = 0.5 I w2max = 0.25 p r R2 H V2max = 0.25 M V2max

Удельная энергия составит: Emax /M = 0.25 V2max

Где p плотность стали.

Еще одним ограничением в работе маховика является прочность используемого материала.

Профессор Гулиа видел перспективу использования маховиков для накопителя энергии на транспорте. Вопросы аккумуляции энергии и хранения ее им не рассматривались, вероятно, по той причине, что в то время вопрос альтернативной энергетики не был столь актуальным, как сегодня.

Современные маховики

Идея аккумуляции энергии с помощью маховиков получила свое развитие уже в этом столетии. Ярким примером может служить строительство комплекса, с использованием маховиков, рассчитанных на подключение с электрическим сетям, в Америке компанией «Beacon Power». Они сделаны из композитных материалов, имеющих огромное количество слоев и способных выдерживать высокие механические нагрузки. Скорость вращения маховика может достигать 22000 оборотов в минуту. Расположен такой маховик в вакууме на специальных электромагнитных подвесках.

Маховик раскручивается при наличии неиспользуемой энергии, получаемой от ветрогенераторов и солнечных батарей, накапливая ее. Затем, когда поступление энергии прекращается, он передает энергию генератору, вырабатывающему электричество.

Разработчики считают это устройство перспективным и пророчат ему большое будущее.

Обсудить на форуме

В Аккумулятор будущего - маховик?

Дешев. Долговечен. Экологически чист. Энергетические возможности маховика, как накопителя кинетической энергии определяются тремя параметрами: скоростью вращения, диаметром и массой. Увеличив скорость вращения можно убавить вес и размер, но возникает опасность разрыва маховика центробежной силой.
В молодости я прочитал книжку в поисках "энергетической капсулы"
Ее автор изобрел супермаховик, супервариатор, а если все это установить на автомобиль, то и он будет - супер!Изобретение Нурбея Гулиа заключалось в том, что он придумал маховик навитый из металлической ленты. Такой маховик выдерживал центробежную силу в пять раз большую, чем литой. А при разрыве не разлетался на части, как артиллерийский снаряд, а тормозился лентой о кожух. Супермаховик в вакуумном корпусе с магнитной подвеской и скоростным электродвигателем-генератором для отбора мощности. В общем, жил бы на западе, давно бы уже был мультимиллионером, а не обклеивал квартиру авторскими свидетельствами вместо обоев (у него их три сотни).
С приходом нанотехнологий его изобретение приобрело еще большую значимость. Вот, что он пишет:
>если из такого материала (карбоновое нановолокно) навить супермаховик, то его удельная энергия достигнет 1Мв-час/кг, или в тысячи раз больше, чем у самых перспективных аккумуляторов! Это значит, что на таком накопителе массой в 150 кг легковой автомобиль сможет пройти с одной зарядки свыше 2 миллионов километров — больше, чем способно выдержать шасси. То есть теоретически уже сейчас можно создавать автомобили, которые в течение всего срока службы не требовали бы никакого топлива. Удельная энергоемкость такого сверхнакопителя в 500—1000 кВт·ч/кг позволит, например, создать электромобиль, заряжаемый прямо на сборочном конвейере один раз на весь срок эксплуатации машины. Два-три десятка килограммов нового супермаховика обеспечат накопление дешевой ночной электроэнергии для огромного дома и расходование этой энергии днем. .>
Фантаст, конечно, но идея красивая!

Американская компания Beacon Power основанная в 1997 году, сделала большой шаг в этом направлении, создав целую линейку тяжелых стационарных супермаховиков, предназначенных для включения в промышленные энергосети.


Накопители представляют собой цилиндрические емкости, высотой по пояс человека или по грудь, внутри которых на активных магнитных подшипниках подвешены супермаховики, которые могут раскручиваться до штатных 22,5 тысяч оборотов в минуту.
Расчетный срок службы - 20 лет, диапазон рабочих температур - от минус 40 до плюс 50 по Цельсию. Согласитесь, для химических аккумуляторов трудновато было бы обеспечить такие показатели. Полностью статья

Методические указания к курсовому проекту

по теории механизмов и машин

для студентов всех форм обучения

Н.Новгород 2005

Составители: Б.Ф.Балеев, А.Н.Гущин

УДК 621.01/075/

Расчет маховика: Методические указания к курсовому проекту по теории механизмов и машин для студентов всех форм обучения / НГТУ; Сост.: Б.Ф.Балеев, А.Н.Гущин. – Н.Новгород, 2005. с.

Научный редактор А.Ю.Панов

©Нижегородский государственный

технический университет, 2005

1.Теоретическая часть

Расчёт маховика заключается в определении его момента инер­ции при заданном коэффициенте неравномерности движения ме­ханиз­маи средней угловой скорости ведущего звена
.

Различают три периода движения механизма: разбег, уста­новив­шееся движение, выбег (рис.1). Часто представляет инте­рес период ус­тановившегося движения, в котором положения, скорости и уско­рения звеньев механизма периодически повто­ряются, поэтому доста­точно изучить его движения в течение цикла
.

Для упрощения расчётов механизм заменяют динамиче­ской моделью – звеном, к которому приводятся массы и мо­менты инерции масс всех звеньев, а также силы и моменты сил, дей­ствующие на ме­ха­низм. Это звено называется звеном при­веде­ния. В результате по­лучают схему, изображённую на рис.2, где
- приведённый момент инер­ции,
и
- при­ведённые моменты движу­щих сил и сил сопротивления. Ясно, что
,
и
за­висят от по­ложения меха­низма, которое в свою очередь определяется положе­нием ве­дущего звена, например, координатойпри одной степени под­вижности механизма. В большинстве случаев в качестве звена при­ве­дения принимают ведущее звено механизма.

Из условий эквивалентности динамической модели и меха­низма (равенства их кинетических энергий) определяется приведён­ный момент инерции механизма. Этим моментом инерции обла­дает звено приведения в рассматриваемом поло­жении механизма:

,

где - момент инерции самого звена приведения;

- приведённые к звену 1 моменты инерции звеньев, незави-

сящие от положения механизма;

- угловая скорость звена приведения, с -1 ;

- масса i-го звена (кг) и скорость его центра масс, мс -1 ;

- момент инерции массы относительно центра тяжести

(кгм 2) и угловая скорость i-го звена (с -1).

Удобно выразить угловые и линейные скорости через длины век­торов планов скоростей. Если приведение выполня­ется к ведущему звену ОА, тогда

;
;
,

где
- длина вектора скорости центра массi-го звена, мм;

- угловая скорость i-го звена, с -1 ;

- длина вектора относительной скорости точек K и N, мм;

- длина звена KN, мм;

- длина вектора скорости точки А, мм;

- истинная длина звена ОА, мм;

- масштаб плана скоростей, мс -1 /мм.

Теперь выражение для приведённого момента инерции можно запи­сать следующим образом:

,

Вычислив для ряда последовательных положений механизма за один цикл его движения, строят график
(рис.3).

Приведение сил и моментов сил, действующих на механизм, осу­ществляется также при условии эквивалентности динамической мо­дели и механизма, а именно: сумма работ сил и моментов на возможных переме­щениях системы равна работе приведённого момента
также на воз­можном перемещении звена приведения. От этого условия переходят к равенству соответствующих мощностей и определяют
:

,

где
- приведённый момент, приложенный к звену приведения, Нм;

- сила, приложенная к i-ой точке (Н) и скорость этой точки, мс -1 ;

- угол между направлениями силы и скорости;

- момент, приложенный к i-му звену, Нм;

- угловая скорость звена приведения, с -1 .

Приведённые моменты вычисляют методом, изложенным в си­ло­вом анализе. При этом силы инерции и моменты сил инерции звеньев учитывать не нужно, так как рассматривается безмассовый скелет меха­низма со всеми приложенными к нему нагрузками. Массы звеньев уже уч­тены при определении приведённого момента инерции
.

Приведённым моментом
может быть как момент сил сопро­тив­ления, так и движущий момент. Если рассматривается рабочая ма­шина, то для упрощения расчётов часто принимают движущий момент
постоянным, а приведённый момент сопротивления
находится выше­указанным способом. При расчёте машины-двигателя вычисляется приве­дённый движущий момент, а момент сопротивления для простоты может быть принят постоянным.

Вычислив
для ряда последовательных положений механизма за один цикл его движения, строят график
(рис.4).

Теперь для расчётов можно использовать схему механизма, изо­бражённую на рис.2. Связь между угловой скоростью звена приведе­ния
, его моментом инерции и кинетической энергиейвыражается из­вестной зависимостью

,

отсюда может быть найдена скорость звена приведения ω П :

, .

Кинетическая энергия механизма Т не остаётся постоянной в тече­ние цикла по причине несоответствия законов изменения движу­щего мо­мента
и момента сил сопротивления
, а также вследст­вие непостоянства приведённого момента инерции
. По­этому ско­рость звена приведения также будет постоянной.

Энергия, подводимая к механизму и потребляемая им, в каждый момент времени не равны между собой (рис.8). Их равенство возможно лишь при установившемся движении за время цикла (внутри цикла ра­вен­ства нет).

Для исследования неравномерности движения звена приведения определяется «избыточная» энергия механизма в течение цикла его дви­жения, которая представляет собой разность работ движущих сил и сил

сопротивления. С этой целью графически интегрируют зависимость
и строят диаграмму работ
приведённого момента (рис.5).

Если рассматривается рабочая машина (
); тогда для упро­щения расчётов следует принять величину движущего момента посто­ян­ной (рис.6). Диаграмма работы движущего момента
изобра­зится прямой линией (рис.7). Это не особенно противоречит действи­тельности, так как в идеальном случае скорость звена приведения должна быть по­стоянной, что требует постоянства движущего момента
, поскольку
. В ином случае необходимо иметь закон изме­нения движу­щего момента за цикл.

Вследствие того, что приращение энергии за цикл движения меха­низма не происходит, работа сил сопротивления должна быть равна работе движущих сил (рис.8). Это требует равенства площадей графи­ков
и
(рис.4 и 6) в пределах цикла
, что в свою оче­редь требует равенства ординат графиков работ
и
в конце цикла. «Избыточная» энергия (заштрихованная площадь на рис.8) пре­вращается в кинетическую энергию механизма и изменяет скорость его движения (рис.9). Теперь очевидно, что вместо «избыточной» ра­боты∆ можно подставить изменение кинетической энергии механизма ∆ (рис.9), кото­рую для удобства вычислений делят на две части: 1) ки­нетическую энер­гию звеньев, 2) изменение кинетической энергии ма­ховика∆
:

∆Т = ∆Т М +Т З,

откуда ∆Т М = ∆Т-Т З.

Следует иметь в виду, что диаграмма, изображённая на рис.9, с нача­лом координат в точке О 1 показывает не полное изменение энергии механизма, так как при вычислении работ внешних сил за цикл не учи­ты­вается начальное значение кинетической энергии
, которое опре­деля­ется начальными условиями, а они, как правило, неизвестны. Пол­ная энергия механизма изображалась бы тем же графиком, но с началом коор­динат в точкеO, то есть ось абсцисс сместилась бы на величину на­чаль­ного значения кинетической энергии. Далее будет показано, что ве­личину начальной энергии
для расчёта маховика знать не требуется.

Существуют три метода расчёта маховика.

Гиробус - особый вид троллейбуса, движущийся за счёт кинетической энергии вращающегося маховика. В настоящее время гиробусы не используются, хотя концепт гиробуса является объектом научно-технических изысканий. Давайте попробуем разобраться в этой теме подробнее. Сначала вспомним, с чего все начиналось.

По заказу швейцарской фирмы «Эрликон» Леонард Билл разработал в 1945 году проект маховичного автобуса, или, как его еще называли, гиробуса. Пять лет спустя был построен его опытный образец, а еще через три года в Цюрихе открылась первая транспортная линия, обслуживаемая новыми машинами. Гиробус был разработан как альтернатива для аккумуляторных автобусов, которые задумывались как альтернатива троллейбусам на тех маршрутах, где строительство контактной сети не было оправдано. Гиробус имел длину чуть более 10 м, массу 9600 кг и вмещал 70 человек. Под полом салона, между осями, располагался полуторатонный диск диаметром 1,63 м. Он был изготовлен из стали и помещен в контейнер с низким давлением для уменьшения трения. Но все равно каждые 800 м автобус вынужден был останавливаться для подзарядки. Три штанги, установленные на крыше, поднимались к контактам трехфазного источника тока напряжением 440-550 В. Напряжение подавалось к двухполюсному асинхронному электродвигателю, который и раскручивал маховик до рабочей скорости 2100-2900 об/мин. На зарядку уходило от 40 до 80 с. Гиробус трогался с места и благодаря хорошей приемистости за несколько секунд разгонялся до скорости 60 км/ч. Разгонный электродвигатель при этом автоматически переходил в режим генератора, от которого питался тяговый электромотор. «Маховоз» Билла имел 6 скоростей. КПД его был довольно высок - 70%. И все-таки, несмотря на явные преимущества (экологичность, дешевизна, бесшумность), в 1960 году эксплуатация гиробусов была прекращена. Причина - сложность управления и недовольство пассажиров частыми остановками. Гиробус или жиробус (образовано от греческого корня gyros - круг, оборот и новолатинизма omnibus - омнибус) - особый вид троллейбуса, движущийся за счёт кинетической энергии вращающегося маховика. В настоящее время гиробусы не используются, хотя концепт гиробуса является объектом научно-технических изысканий.

Эксплуатация в Швейцарии. Полноценная коммерческая эксплуатация гиробуса началась в октябре 1953 года. Этот маршрут соединял швейцарские коммуны Ивердон-ле-Бан и Грандсон. Однако он имел ограниченный пассажиропоток, и в 1960 году движение гиробусов там было закрыто по экономическим причинам (хотя с технической точки зрения опыт применения гиробусов на этом маршруте был успешным). Ни один из использовавшихся на швейцарском маршруте гиробусов не сохранился, как не сохранился и опытный, демонстрационный экземпляр. Эксплуатация в Бельгийском Конго. Вторая гиробусная система была открыта в Леопольдвиле (ныне Киншаса, тогда столица колонии Бельгийское Конго, ныне - Демократическая Республика Конго). В Конго в 1955-1956 годах использовалось двенадцать гиробусов (хотя некоторые источники ошибочно сообщают, что гиробусов было семнадцать), которые обслуживали четыре маршрута. Заправочные станции располагались через каждые два километра. Использовавшиеся в Киншасе гиробусы были самыми большими гиробусами из когда-либо существовавших: они имели 10,4 метров в длину, весили 10,9 тонн и вмещали до 90 пассажиров. Их максимальная скорость составляла 90 километров в час. Однако гиробусы в Конго быстро изнашивались. Вполне вероятно, что это было связано с привычкой водителей «сокращать» маршрут по дорогам без покрытия, которые превращались в настоящие болота после дождя. Другими проблемами были поломки подшипников маховика и высокая влажность, которая приводила к перегрузке мотора. Однако закрытие системы было вызвано высоким потреблением энергии. Фирма-эксплуататор сочла, что расход энергии слишком высок (он составлял 3,4 кВт/ч на километр для одного гиробуса). Движение гиробусов в Конго прекратилось летом 1959 года. Ставшие ненужными гиробусы были брошены ржаветь рядом с гаражом.

Эксплуатация в Бельгии. Третья и последняя гиробусная транспортная система имелась в Бельгии. Она состояла из одного маршрута (Gent Zuid-Merelbeke Molenhoek) и соединяла город Гент с его предместьем Мерелбеке. Эксплуатировало эту линию Национальное Общество Местных Железных Дорог (оно занималось эксплуатацией междугородных трамваев и автобусов). Подвижной состав состоял из трёх гиробусов, получивших обозначения G1, G2, G3. Для питания гиробусов использовалось напряжение в 380 вольт/50 герц. Гиробусное движение открылось 10 сентября 1956 года, однако просуществовало оно недолго, до 24 ноября 1959 года. Имелось несколько причин прекращения использования гиробуса в Бельгии. Прежде всего он отличался высоким потреблением энергии - 2,9 кВт·ч/км, в то время как трамвай, перевозящий большее (в несколько раз) число пассажиров расходовал 2-2,4 кВт·ч энергии на километр пути. Кроме того, гиробусы были признаны ненадёжными, к тому же на «заправку» уходило непозволительно много времени. Ко всему прочему, из-за большого веса (из-за тяжёлого маховика) гиробус повреждал дороги. Один из гентских гиробусов, G3, был сохранён. Его иногда демонстрируют на различных выставках и других подобных мероприятиях. Сейчас этот гиробус хранится во Фламандском музее трамваев и автобусов в Антверпене.

Почему этой темой решили заниматься в свое время? Все дело в существенных преимуществах такой конструкции. Во первых она практически бесшумна, во вторых намного экономичнее обычного двигателя внутреннего сгорания, в третьих этот вид транспорта экологически чистый, а в четвертых позволяет обойтись без контактной сети и рельсов как например на троллейбусах и трамваях. Электромотор, разгонявший маховик, получал энергию через три короткие штанги (мотор был трёхфазным), установленные на крыше гиробуса. Электродвигатель включался только эпизодически. Для этого вдоль маршрута следования гиробуса оборудовались «заправочные пункты» (обычно на некоторых остановках). На этих пунктах штанги гиробуса поднимались и прикасались к установленным над остановкой контактам трёхфазной электрической сети. После разгона маховика до нужных оборотов штанги опускались, двигатель выключался, и гиробус следовал до следующей «заправки».

Запас хода на одной заправке примерно 6 км, но для обеспечивания надежности системы гиробус заправлялся каждые 2км пути. С такой установкой гиробус разгонялся до 50-60км/час. Тормоза здесь тоже были электрические, энергия от торможения позволяла маховику покрутиться еще дольше т.е. имело место рекуперация. «Заправка» гиробуса занимала от 30 секунд до 3 минут. Для уменьшения времени заправки напряжение в сети было поднято с первоначальных 380 вольт до 500. Самое удивительное в том что в среднего размера гиробусе применяется трехтонный маховик линейная скорость обода которого достигает 900 км/час.

Преимущества: Бесшумный ход Экологически чистый Не требует непрерывной контактной сети (в отличие от троллейбуса) Возможность гибко изменять маршрутную сеть в случае необходимости. Недостатки: Большой вес - гиробус, предназначенный для перевозки 20 человек на 20 километров, должен иметь маховик массой в 3 тонны Вращающийся со скоростью в 3000 оборотов в минуту маховик требует особых мер безопасности (линейная скорость обода маховика достигает 900 километров в час) Управлять гиробусом сложно, так как его маховик обладает свойствами гироскопа (стремится сохранять неизменное положение в пространстве).

Век гиробусов оказался недолгим - в 60-ых годах все системы гиробусного транспорта были закрыты.

иробус G3 - единственный в мире сохранившийся гиробус. Хранится во Фламандском музее трамваев и автобусов в Антверпене.

Несмотря на неудачи, развитие гиробуса не прекратилось полностью. В 1979 году компания «Дженерал Электрик» (США) заключила с департаментом энергии правительства США четырёхлетний контракт (стоимостью в пять миллионов долларов) на развитие прототипа автобуса с маховиком. В 1980 году компания «Вольво» проводила эксперименты с маховиком, разгоняемым дизельным двигателем и используемым для рекуперации тормозной энергии. Впоследствии от этого проекта отказались в пользу гидравлических аккумуляторов. В 2005 году Center for Transportation and the Environment (центр транспорта и окружающей среды), работая совместно с Университетом Техаса в Остине, Центром электромеханики (Center for Electromechanics), Test Devices, Inc., и DRS начал поиски спонсора для финансирования разработки прототипа нового гиробуса. Сейчас в гибридном общественно транспорте, да и не только в общественном а и в болидах формулы 1 для рекуперации энергии торможения используется супер маховики которые имеют относительно небольшой вес и разгоняются до очень больших скоростей. Сам маховик как аккумулятор энергии имеет очень высокий КПД, вот если бы не трение воздуха и трение в подшипниках так вообще было бы кпд 99.99% так как известно из школьного курса физики ничего не может иметь КПД больше 100%. Кстати, по соотношению накопленных ватт легко переигрывает все типы существующие на сегодняшний день аккумуляторов. Интересный факт, энергия, запасаемая в его маховиках на единицу массы, превышает энергию тротила. А вот применение маховика в "Формуле-1" В 2007 году Джон Хилтон и Даг Кросс, основатели Flybrid, заявили о создании уникального компактного маховика массой около 5 кг, способного вращаться со скоростью до 64 000 об/мин. Стальная болванка, в разрезе похожая на двояковогнутую линзу, одетая в прочнейшую рубашку из карбона, была помещена ими в вакуумный корпус. Вал маховика установлен на специальных керамических подшипниках. Коренной компонент маховика Flybrid - патентованная система вращающихся центробежных уплотнений, обеспечивающих герметичность узла. Зачем тут вакуум? Элементарно: трение воздуха, кажущееся нам неощутимым, на таких скоростях приводит к нагреванию и постепенному разрушению маховика. Постепенное торможение болванки происходит в основном из-за трения в опорных подшипниках и системе прокладок. Раскрученный маховик за минуту теряет лишь 2% сохраненной энергии. Полная разрядка этой механической батареи наступает примерно через полчаса.

«Наш маховик как минимум втрое быстрее любого аналога, когда-либо установленного в автомобилях, - скорость вращения его внешней кромки достигает 660 м/с, что в два раза превосходит скорость звука в воздухе при нормальных условиях, - говорит Джон Хилтон. - Это позволило сделать его в девять раз меньше и легче. По габаритам он сопоставим с обычными дополнительными агрегатами, находящимися под капотом легковушек. Это полноценная гибридная система размером со штатный аккумулятор». Конечно, вряд ли на рулевом колесе легкового автомобиля появится красная кнопка Boost - система будет работать в автоматическом режиме. Традиционные гибриды не способны обеспечить высокую динамику из-за ограниченной производительности батарей, а в маховиковых системах накопленная энергия может быть использована почти мгновенно. При этом владелец получает еще и 30%-ную экономию топлива за счет возросшего КПД. Кроме того, механическая KERS впятеро дешевле электромеханической, надежна при любых температурах и выдерживает миллионы циклов разряда. Литий-ионная батарея используется лишь на 80% номинальной емкости - компьютер не допускает разряда более 80%, так как при полном разряде батарея выходит из строя. Маховик же можно разряжать до нуля. Безопасность маховика многократно проверена в серии краш-тестов - карбоновая рубашка не дает кускам стали разорвать корпус даже на самых высоких оборотах.

Вакуум взаперти . Слабое звено KERS Хилтона и Кросса - патентованные центробежные прокладки вала маховика. На предельных скоростях вращения в них возникает микроскопический зазор, и для откачки воздуха требуется дополнительный вакуумный насос с блоком контроля и управления. Инженеры Ricardo радикально пересмотрели конструкцию Flybrid и создали полностью герметичный модуль с поистине уникальной технологией передачи потока мощности под названием Kinergy. Базовый элемент Kinergy - бесконтактная магнитная муфта. Для Kinergy не требуется вакуумный насос и сложнейший в изготовлении комплекс прокладок вала. Энергия вращения колес поступает на маховик, а затем обратно на трансмиссию благодаря магнитной индукции, а не зубчатому или ременному зацеплению. Причем магниты здесь - постоянные. Намагниченный маховик стоит на двух подшипниках из стали и керамики, не требующих замены в течение всего срока эксплуатации узла. Для ликвидации возможного проникновения паров воды внутрь корпуса и постепенного разрушения подшипников инженеры Ricardo применяют адсорбирующий элемент с большой удельной емкостью, который поглощает все жидкости и газы, кроме водорода. По словам эксперта компании Ricardo Энди Аткинса, KERS на основе технологии Kinergy выдерживает не менее 10 млн циклов разряда, обладает удельной мощностью в 3 кВт на килограмм веса, а ее удельная энергоемкость равна 32,5 кДж на килограмм. Стоимость гибридной системы Kinergy для легкового автомобиля среднего класса составит не более $1300. Kinergy может применяться также в качестве идеальной трансмиссии для автомобилей - в сравнении с популярной ныне преселективной механикой маховик с магнитной муфтой на 20% экономичнее. Маховик, сэр! Эффективность и дешевизна Kinergy понравились автокомпаниям. В настоящее время уже начались испытания этой системы на прототипе Jaguar XJ следующего поколения и на знаменитых лондонских даблдеккерах. По словам Криса Боркбэнка, технолога компании Torotrak, стратегического партнера Ricardo, расход топлива двухэтажных автобусов снижается при этом почти на 30%. Потеря энергии на маховике в данном случае не является критическим фактором - средняя продолжительность остановки автобуса в Лондоне не превышает 55 с. Как считает Энди Аткинс, диапазон применения Kinergy огромен - любые нагруженные механические системы, работающие в условиях знакопеременных потоков мощности, будут на 20-30% более эффективны с новыми маховиками, чем без них. Локомотивы, трамваи, экскаваторы, горнодобывающая техника, краны, электростанции и многое другое - для Kinergy везде найдется достойное применение. Гоночные автомобили F1 - не исключение. Как знать - может быть, вскоре на штурвалах стремительных болидов вновь появится Большая Красная Кнопка? Опасность разрушения маховиков принято считать одним из проблемных факторов механических KERS. Но, по мнению его создателя Джона Хилтона, это не более чем миф. Еще в 2007 году компания Flybrid провела серию успешных тестов в знаменитом краш-центре F1 Кранфилд. Инженеры Центра смоделировали реальную аварийную ситуацию на трассе. Маховик был раскручен на стенде до предельной скорости 64 500 оборотов в минуту внутри макета гоночного болида, который затем разбили о неподвижное препятствие. Замедление составило более 20 g. Осмотр узла показал, что вакуумный корпус и сам маховик после удара абсолютно не пострадали. Более того, маховик продолжал вращение на скорости более 60 000 оборотов!

Механическая KERS по эффективности вдвое превосходит традиционную электромеханическую - она усваивает до 70% энергии торможения против 35%. В серийных гибридах кинетическая энергия превращается в электрическую, а затем - обратно. Маховику же не требуется конвертировать полученные джоули. С другой стороны, при необходимости маховик можно подключить к стартер-генератору. Такой вариант KERS мощностью 60 кВт и массой 27 кг был создан Хилтоном и Кроссом в кооперации с итальянской Magneti-Marelli. Излишки энергии запасаются в литий-ионной батарее. Естественно, при этом существенно падает КПД, зато время хранения не ограничивается затуханием вращения маховика. В стальную поверхность деталей интегрирован магнитный неодимовый порошок и более крупные упорядоченные постоянные магниты, скрепленные прочнейшей эпоксидной смолой. Вращение маховика вызывает разнонаправленное вращение внешнего ротора муфты, соединенного с тороидальным вариатором Torotrak с передаточным числом от 10:1 до 1:1. Для достижения максимальной эффективности бесконтактного зацепления стенку корпуса маховика пришлось сделать чрезвычайно тонкой - зазор между двумя вращающимися элементами муфты составляет всего 2 мм. По заявлению разработчиков, КПД магнитной передачи необычайно высок - 99,9%.

Британцы создали автобус с маховичным накопителем

Моделирование показало, что с новой системой автобус должен экономить более 10% топлива, а выбросы углекислого газа должны быть ниже примерно на 20%. Как всё сложится на практике, можно будет узнать только после тестов, к которым партнёры по проекту ныне и приступили. Инжиниринговая компания Ricardo и разработчик тороидальной бесступенчатой трансмиссии - компания Torotrak (обе с Туманного Альбиона), американский специалист по автоматическим коробкам передач Allison Transmission и британский производитель автобусов Optare построили гибридный автомобиль необычного типа. В то время как большинство компаний экспериментирует с гибридами, оснащёнными электромоторами и аккумуляторами, система рекуперации энергии в системе, названной Flybus, чисто механическая. При торможении кинетическая энергия автобуса передаётся через тороидальный вариатор и магнитную муфту на маховик из углеродного композита, помещённый в вакуумированный корпус (для снижения потерь). По мере замедления автобуса маховик раскручивается до 60 тысяч оборотов в минуту. При разгоне всё происходит в обратном порядке - маховик отдаёт свою энергию машине.

Вариатор Torotrak, сравнительно компактный и лёгкий, но при этом способный передавать в ту или иную сторону до 60 кВт мощности, а также маховичный накопитель Kinergy от Ricardo явились ключом ко всему проекту, занявшему несколько лет. Теперь система собрана и установлена на автобус Optare Solo Midibus.

"Flybus является следующим этапом в эволюции гибридных автобусов и технических решений, которые помогают снизить расход топлива и выбросы CO2, пишет PhysOrg.com. – При этом основной проблемой стандартных гибридов является цена". Именно из-за цены всё и затевалось. Ricardo заявляет, что система Flybus должна стоить лишь малую долю от электрической гибридной системы для автобусов.

Маховики разгоняют вагоны на зелёных линиях

Гибридный привод на транспорте продолжает наступление. Даже на железной дороге он завоёвывает, пока ещё, узкие ниши. Но, как показывают последние события, перспективы у поездов-гибридов - замечательные. Особенно если эти гибриды сделаны на удивление дешёвыми и простыми. Министерство транспорта Великобритании (Department for Transport) предоставило компании Govia франшизу на эксплуатацию ряда пассажирских железнодорожных линий в Западном Мидленде. Это заурядное событие из мира бизнеса нас не заинтересовало бы, если б не одно обстоятельство: на одну из небольших своих линий компания Govia намерена вывести пассажирские поезда, работающие на маховиках. Созданная в 1992 году фирма сосредоточила своё внимание на поездах с гибридным приводом. Но поскольку не то что передовые литий-ионные или никель-кадмиевые, но даже и простые свинцово-кислотные батареи, в количестве, достаточном для самоходного вагона (по запасу энергии и отдаваемой пиковой мощности), - стоят очень дорого, британские инженеры решили применить для накопления энергии маховики. Причём не стали ломать себе голову супермаховиками со сверхпрочными углеволоконными дисками, намотанными из нитей или лент. Тоже, заметим, - удовольствие не дешёвое. Нет, специалисты Parry People Movers, не мудрствуя лукаво, затолкали под пол своих вагонов 500-килограммовые стальные «блины» диаметром 1 метр. И позволили им раскручиваться до 2,6 тысячи оборотов в минуту.

И знаете, получилось эффективно. К настоящему моменту компания построила 12 таких маховичных аппаратов (разные образцы имеют вместимость от 2 до 80 человек). Эти мотовагоны даже выходили (в виде опытов) на небольшие местные линии в разных частях Британии и успешно перевозили пассажиров. Тысячи часов и 100 тысяч суммарно перевезённых человек показали 99-процентную надёжность (под которой подразумевается не только отсутствие поломок, но и опозданий). А экология? К примеру, на испытаниях, прошедших с декабря 2005-го по декабрь 2006-го, было подсчитано, что эмиссия углекислого газа у маховичных мини-поездов на 80% меньше, чем у обычных дизельных мотовагонов, которые возят пассажиров на тех же самых линиях с теми же скоростями (соответственно улучшилась и экономичность).

Теперь Govia выведет пару таких вагонов на одну из линий, где поезда-гибриды будут возить пассажиров как минимум до 2015-го (на такой срок компании выдана франшиза на пассажирские перевозки в данном районе «от имени» министерства транспорта). Потому следует поближе познакомиться с конструкцией экзотических вагонов. Прежде всего, следует сказать, что обычный ДВС в них тоже имеется. Это серийные двигатели от легковушек или небольших грузовиков. В той модели, что вскоре выйдет на рельсы в Западном Мидленде (а она называется PPM 60, соответственно, рассчитана на 60 пассажиров максимум - 25 сидят, остальные - стоят), использован экономичный 2-литровый дизель. Но предусмотрены варианты: можно заказать модель с ДВС, работающим на пропане. ДВС раскручивает маховик через ременную трансмиссию со сцеплением. Маховик же связан с ведущей осью трансмиссией гидростатической. Зачем такие сложности? Дело в том, что так было проще организовать рекуперативное торможение, когда маховик разгоняется от колёс, через ту же «гидростатику». А именно за счёт рекуперации такой вагон оказывается намного экономичнее обычного. Ведь у поезда на короткой линии очень рваный режим работы - то разгон, то остановка. Интересно, что поезд может останавливаться исключительно за счёт рекуперации - разгона маховика, при этом развивается замедление в 1 м/с2. Обычные тормоза также могут быть задействованы, если потребуется аварийная остановка. Максимальная скорость PPM 60, кстати, составляет 65 километров в час. Но это не всё. В разных моделях компании применены разные маховики. 500-килограммовый - это базовый. Но можно поставить маховик побольше - 750 килограммов и 1,2 метра в диаметре. Зачем он нужен? Тут начинается самое интересное. Помимо привода от ДВС, к маховику-накопителю подключён 20-киловаттный электромотор. Если станции линии оборудованы специальными розетками - запускать ДВС машинистам PPM и вовсе не придётся. Всего за 30 секунд стоянки у очередной платформы электромотор раскручивает маховик настолько, что одного этого запаса энергии хватает для пробега вагона в 800 метров - как раз до следующей станции, где PPM снова включается в розетку. В этом случае эксплуатация линии, над которой не протянуты провода, становится схожей с эксплуатацией линии электрифицированной. Даже лучше. Поскольку расход энергии - небольшой, а в случае аварии в сети есть возможность перейти на солярку или сжиженный газ. Или можно как-то комбинировать использование ДВС и электричества из розетки, оптимизируя свои расходы.

Британская компания пишет, что на одном галлоне топлива (имперском, очевидно - это примерно 4,5 литра) простой дизельный мотор-вагон, везущий 50 человек, проедет 3,2 километра, обычный междугородний автобус - 11,3 километра, а поезд PPM 50 - 24,1 километра (без подзарядок от сети). Выбор очевиден. Единственное, что может огорчить изобретателей PPM, - эту симпатичную технологию трудно адаптировать к большим поездам, работающим на длинных линиях. Ведь в этом случае придётся под полом каждого вагона монтировать эдак по пять, а то и по семь 750-килограммовых маховиков и все их соединять гидравлической трансмиссией с ведущими осями. Впрочем, небольшие вагоны PPM показали, что технология эта прекрасно работает. И кто знает, не попробуют ли когда-нибудь инженеры замахнуться на маховичный скорый?

Если позволите каплю эмоций, я не перестаю удивляться, какие страсти разгораются каждый раз, когда разговор в этой колонке заходит о «чистой энергии». Накал прошлонедельной дискуссии об эффективности солнечных батарей (см. « ») оказался таким, что, посмотрев со стороны, можно подумать, будто обсуждают большую политику или как минимум сравнивают операционные системы! И лично для меня это лучшее доказательство того, что тема только кажется отработанной и устоявшейся, а на самом деле даже по элементарным вроде бы вопросам (вроде практической пригодности солнечных батарей в облачную погоду) существуют диаметрально противоположные точки зрения. Так что если у вас есть чем крыть, есть цифры, а тем более личный опыт, очень прошу поучаствовать в новой дискуссии. Потому что сегодня я рискну продолжить начатый в две прошедших недели разговор. Ведь энергию Солнца или ветра мало получить, её мало распределить по потребителям, её ещё жизненно важно научиться накапливать!

В самом деле, что проку от той же трёхкиловаттной икеевской солнечной электростанции, занимающей крышу частного дома, если она, способная с избытком удовлетворить потребности целого домохозяйства, работает только в светлое время суток? Идеально было бы накапливать остающийся во время генерации излишек («скушать» три киловатта - не шутка, мало какой бытовой прибор поглощает даже киловатт, и работают такие приборы, как правило, недолго: проточный нагреватель воды, духовка… У меня, правда, греет дом полуторакиловаттный биткойновый риг, но это редкость, согласитесь) и отдавать его по мере надобности ночью. Что ж, предположим, на ночь и сумерки, занимающие, скажем, 18 часов, дому нужны те же самые три киловатта. Значит, бытовой накопитель электроэнергии должен запасти, грубо, 54 киловатт-часа. Много это или мало?

Нормально. И решение этой проблемы «в лоб», установкой электрического аккумулятора приемлемых габаритов и эксплуатационных свойств, то есть литий-ионного, уже возможно. Больше того, выпускаются серийные образцы аккумуляторных батарей именно такой ёмкости: это батареи электромобилей – к примеру, знакомого вам Model S от Tesla Motors, базовая комплектация которого включает батарею с ёмкостью 60 кВт ч. Одна проблема: стоит такое решение 10 тысяч американских долларов, то есть дороже всей солнечной электростанции от той же IKEA. И ценам Элона Маска можно верить: они хоть и собирают свои батареи из чужих элементов (основу производит Panasonic), но используют их не только в автомобилях, а и на бытовых солнечных электростанциях, устанавливаемых компанией Solar City ( , входит в число крупнейших установщиков солнечных батарей в США). Поскольку спроса на такие батареи, естественно, нет, Solar City пока ограничивается установкой сравнительно небольших аккумуляторов, способных поддержать базовые электропотребности среднего дома лишь на время кратковременных перебоев энергоснабжения.

Но это ещё не все плохие новости. Цифра, которую мы получили выше, можно сказать, обывательская. А профессионалы говорят так: запас энергии в доме должен быть минимум на три (облачных) дня, а лучше – на пять (тогда аккумуляторы прослужат дольше)! Так что в существующем виде электрические аккумуляторы неприемлемы даже для домашних нужд, не говоря уже о мощных электростанциях. Но как же быть? И как выкручиваются проектировщики больших энергогенерирующих объектов?

Чтобы ответить на этот вопрос, достаточно посмотреть на вводимые в строй суперсовременные «чистые» электростанции. Скажем, на стартовавшую на днях в Штатах станцию Solana - занимающую площадь в несколько квадратных километров и самую мощную на планете (280 МВт, 70 тысяч среднестатистических домохозяйств). Так вот: никакого нанотеха, никаких чудес электрохимии. Всё просто: часть собранного солнечного тепла пускают на нагрев здоровенного резервуара с расплавом соли (некоторые соли, скажем, глауберова, твёрдые в охлаждённом состоянии, переходят в жидкую форму при нагревании), и ночью возвращаемое солью тепло нагревает воду до пара и крутит турбину. И вот это решение (точнее, его масштабы) называют «поворотной точкой для солнечной энергетики»! Вот он, пик чистых технологий XXI века: солевая грелка за два миллиарда долларов!

Это и смешно, и грустно одновременно. Смешно - потому что в задаче аккумуляции энергии мы никак не уйдём от технологий столетней давности. Грустно - потому что решение этой задачи, насколько мне известно, существует давно, а честь открытия и разработки принадлежит нашему соотечественнику. Называется оно странным словом «супермаховик».

Должен предупредить сразу: описывая это творение инженерной мысли, я не могу быть абсолютно объективным. Потому что книга про супермаховик попала в мои руки, когда мне было что-то около десяти лет, и стала одним из кирпичиков, на которых и сформировалось моя любовь к технике. Поэтому ещё раз повторю, что буду рад любым доводам и аргументам. Но - к сути. В далёком 1986 году издательство «Детская литература» (!) выпустило книгу советского изобретателя Нурбея Гулиа «В поисках “энергетической капсулы”» (её копия, как раритетного издания, есть в Сети). С юмором и очень просто Гулиа описывает в ней своё становление инженера (так решили его знакомые: мол, если других талантов нет, дорога одна!) и выход на задачу, которая стала главной в его жизни. Это задача аккумуляции энергии - уже тогда, тридцать лет назад, стоявшая в полный рост. Перебрав механические, термические, электрические, химические решения, заглянув в то, что вскоре станет нанотехнологиями, Гулиа отверг их все по тем или иным причинам - и остановился на идее, известной с древности: массивном вращающемся теле, маховике.

Мы находим маховик везде, от гончарного круга и примитивных водяных насосов до транспортных средств XX века и космических гироскопов. Как аккумулятор энергии он замечателен тем, что его можно быстро разогнать («зарядить») и быстро же остановить (получив значительную мощность «на выходе»). Одна проблема: энергоёмкость его недостаточна, чтобы претендовать на роль универсальной «энергетической капсулы». Плотность запасаемой энергии необходимо увеличить хотя бы в сотню раз. Но как это сделать? Увеличим скорость - маховик разорвёт и запасённая энергия причинит страшные разрушения. Наращивать габариты тоже не всегда возможно. Пропуская многолетний, интереснейший пласт исследований и размышлений (очень рекомендую книгу, читается и сегодня совершенно современно!), собственно вклад Гулиа можно свести к следующему: он предложил делать маховик не монолитным, а навивать - например, из стального троса или ленты. Возрастает прочность, низводятся до ничтожных последствия разрыва, а энергоёмкость даже самодельных образцов превышает параметры промышленных разработок. Эту конструкцию он и назвал супермаховиком (и запатентовал один из первых вариантов ещё в 1964-м).

Прорабатывая идею, он пришёл к мысли навивать маховик из графитового волокна (не забывайте, что фуллерены тогда только получили, а о графене и речи не шло), а то и более экзотических материалов вроде азота. Но даже 20-килограммовый супермаховик из углеродных волокон, технически возможный уже тогда, тридцать лет назад, был способен запасти энергию, достаточную для передвижения легкового автомобиля на 500 километров, со средней стоимостью стокилометрового броска в 60 американских центов.

В случае с супермаховиками нет смысла возиться со сравнительными оценками - будь то запасаемая на единицу массы энергия или эксплуатационные характеристики: теоретически они превосходят все имеющиеся альтернативные решения. И области применения напрашивались сами собой. Помещённый в вакуум, на магнитной подвеске, с КПД выше 90%, выдерживающий невообразимое число циклов заряда-разряда, способный работать в широчайших диапазонах температур, супермаховик способен вращаться годами и обещал фантастические вещи: автомобиль от одной зарядки мог бы бегать тысячи километров, а то и весь срок службы, электростанция с упрятанным в фундамент многосотметровым супермаховиком запасала бы энергию, достаточную для освещения всей Земли, и так далее, и так далее. Но вот вопрос: прошло тридцать лет, почему мы же не видим супермаховиков вокруг себя?

Сказать по правде, я не знаю ответа. Технические сложности? Да, и конструкция супермаховика, и плавный отбор энергии - задачи с большой буквы, но они вроде бы решены. Время от времени слышно о мелких, узконишевых применениях. Но именно там, где на него возлагались главные надежды - в энергетике и автомобилестроении - супермаховик массового применения не нашёл. Пару лет назад американская компания Beacon Power ввела в строй небольшую супермаховичную энергоаккумулирующую станцию под Нью-Йорком, но сегодня о проекте ничего не слышно, а сама компания перебивается с хлеба на воду.

Нурбей Гулиа по-прежнему работает над совершенствованием своего детища и год назад отметился сообщением о возможности постройки графенового супермаховика (с расчётной удельной энергоёмкостью 1,2 кВт*ч/кг, то есть на порядок выше литий-ионных аккумуляторов). Но, если я правильно понимаю, коммерческого успеха он добился с другой своей разработкой (супервариатором, оригинальной механической передачей), а вот супермаховик почему-то остаётся под знаком вопроса.

P. S. Я попросил Нурбея Владимировича поучаствовать в дискуссии (хоть надежда, сами понимаете, слабая: на личном сайте его натурально одолевают поклонники).