Выпуски бюллетеня

ТомНомер
13 1
12 1 2 3 4 5 6
11 1 2 3 4 5 6
10 1 2 3 4 5
9 1 2 3 4 5
8 1 2 3 4 5
7 1
6 1 2 3 4
5 1 2 3 4 5 6
4 1 2 3 4 5 6
3 1 2 3 4 5 6
2 1 2 3 4 5
1 1 2
0 0

Тематический указатель

Кинетические накопители энергии для электроэнергетики

2011, Tом 8, выпуск 4
Тематика: ВТСП устройства, Российские разработки

В настоящее время проблема эффективного использования электрической энергии является актуальной задачей. Повысить эффективность потребления электроэнергии возможно при помощи накопители энергии. Следует отметить, что накопители энергии способны решить задачи хранения и преобразования энергии, реализации оптимальных режимов работы оборудования, питание потребителей с нестандартными параметрами. Следствием этого является широкий диапазон сфер применения накопителей.

Одним из перспективных типов накопителей энергии являются электромеханические преобразователи энергии, работающие совместно с инерционным механическим накопителем. Такой комплекс позволяет хранить электрическую энергию, преобразуя ее в механическую, которая запасается в виде кинетической энергии вращающегося маховика. Такие установки носят название кинетических накопителей энергии (КНЭ).

Преимущества и области применения КНЭ

По величинам удельной энергии и удельной мощности КНЭ занимают промежуточное положение среди других типов накопителей энергии. Удельная запасенная энергия КНЭ сопоставима с традиционными аккумуляторными батареями, а удельная мощность выше. С точки зрения удельных характеристик, промежуточными являются маховики и СПИНы, особенно с ВТСП обмотками (см. рис. 1).

Рис. 1. Сопоставление накопителей энергии по удельной энергоемкости и удельной мощности, по оси ординат - кДж/кг

Среди достоинств КНЭ можно выделить следующие: компактность, экологическая чистота, высокий коэффициент полезного действия (86÷88%), срок эксплуатации свыше 10 лет, неограниченный ресурс работы, простота эксплуатации и обслуживания, меньшие затраты на стоимость системы охлаждения (в 100 раз по сравнению со СП индукционными накопителями СПИН).  

Особо актуально применение КНЭ для резервирования питания ответственных потребителей электроэнергии, таких как медицинские центры, банковские хранилища, центры обработки и хранения информации, атомные объекты, предприятия непрерывного химического производства, а также для компенсации пиков энергетических нагрузок в крупных энергетических системах. 2. Зарубежные образцы КНЭ В настоящее время в промышленно развитых странах активно ведутся разработки систем, основанных на кинетических накопителях энергии. Так, например, в США компания Boeing представила в качестве готового к заказу прототипа изделия - КНЭ с запасаемой энергией 18 МДж и электрической мощностью 3 кВт (рис. 2.)

Рис. 2. КНЭ с уровнем запасаемой энергии 18 МДж (Boeing, США)

В Германии компанией ATZ разработан КНЭ с запасаемой энергией 20 МДж и мощностью 250 кВт. Их накопитель имеет размеры порядка 1,5 м, снабжен вращающимся маховиком из углеродного волокна, оснащен магнитным подвесом на основе ВТСП керамики и системой синхронизации с сетью (рис. 3). Следует отметить, что электрическая машина для обеспечения заряда и разряда накопителя интегрирована в конструкцию устройства и в целях снижения потерь сделана на основе постоянных магнитов.

Рис. 3. Компактный КНЭ 20 МДж, 250 кВт (ATZ, Германия)

Компания Beacon Power (США), серийно выпускает стационарные накопители максимальной емкостью 6 и 25 киловатт-часов, кластеры из которых будут  использоваться для целей регулирования частоты тока в электросетях США. Модель такого кластера представлена на рис. 4.

Рис. 4. Единичный образец и макет кластера КНЭ (Beacon Power, США)

 

3. Опытный образец КНЭ с ВТСП магнитным подвесом

При расчете и проектировании КНЭ должны быть решены следующие задачи: выбор и расчет мотор–генератора, выбор и расчет подшипников, выбор и расчет маховика, выбор и расчет системы охлаждения, выбор и расчет системы управления и контроля.

Выбор мотора-генератора. В зависимости от вида и назначения электромеханических накопителей энергии в их состав могут входить различные электрические машины (ЭМ). Достоинством синхронных электрических машин является возможность бесконтактного исполнения ротора. Отсутствие щеточного токосъема обусловливает повышение ресурса ЭМ и упрощает их эксплуатационное обслуживание. Применение редкоземельных постоянных магнитов с высокой удельной энергией позволяет существенно улучшить массогабаритные и энергетические показатели мотора-генератора [1, 3].

Выбор типа подшипников. Для снижения потерь в режиме хранения энергии в КНЭ целесообразно применять бесконтактные подшипники. К ним относятся активные магнитные подшипники и системы магнитного подвеса на основе ВТСП. Для питания активных магнитных подшипников требуется значительная электрическая мощность, что существенно снижает КПД КНЭ. Система магнитного подвеса на основе ВТСП требуют дополнительного охлаждения, но при этом обладают свойством самостабилизации без подвода электрической мощности. Принцип их действия основан на силовом взаимодействии индуктора, состоящего из постоянных магнитов на основе редкоземельных материалов (РЗМ) или электромагнитов, и массива ВТСП элементов, переведенного в сверхпроводящее состояние в присутствие магнитного поля индуктора. Достоинствами ВТСП подвеса являются: отсутствие потерь на трение в подшипнике и о воздух; низкий уровень вибраций при большом моменте вращения; способность к самоцентрированию; функционирование без смазки.

Параметры разработанного КНЭ представлены в таблице 1.

Таблица 1 — Параметры макетного образца КНЭ-0,5 МДж

Параметр

Величина

Параметры накопителя

Максимальный уровень запасаемой энергии, не менее

0,5 МДж

Номинальный уровень

отбираемой энергии

0,25 МДж

Время заряда (время разгона маховика)

300 сек

Время разряда (время питания нагрузки) при мощности 10 кВт

25 сек

 

Время разряда при мощности 1 кВт

250 сек

Максимальная мощность

накопителя, отдаваемая

за время разряда

10 кВт

 

Уровень выходного

напряжения

220 – 240 В

Частота выходного

напряжения

50 Гц

Параметры маховика

Частота вращения маховика

4000 – 6000 мин-1

Момент инерции

~ 3,55 кг×м2

Масса

~ 100 кг

Параметры мотор-генератора

Максимальная мощность

11 кВт

Напряжение питания

160 – 240 В

Количество фаз

3

Частота тока

200 Гц

Число пар полюсов

2

КПД

90 – 99%

Коэффициент мощности

(cos j)

> 0,9

 

Для определения оптимальной конструкции магнитного ВТСП подвеса на основе постоянных магнитов и объемных ВТСП блоков были проведены серии расчетов, основанных на разработанных авторами методиках, подробно изложенных в работе [2].

В качестве базовых вариантов были выбраны конструкции подвеса с тремя и пятью постоянными магнитами. Геометрия расчетных моделей и картины распределения магнитных полей для случая 3-х и 5-ти постоянных магнитов показаны на рис. 5 а и 5 б соответственно.

Рис. 5. Картина распределения магнитных полей в системе ВТСП:

а) — с тремя ПМ, б) — с пятью ПМ.

На рис. 6 показаны зависимости вертикальной силы левитации в зависимости от вертикального смещения подвеса для различных значений начального зазора вмораживания поля.

Из рис. 6 видно, что преимущество имеет конструкция с 5-ю магнитами при относительно небольших зазорах замораживания (6 – 9 мм).

Рис. 6. Зависимости вертикальной силы левитации в зависимости от вертикального смещения подвеса для различных значений начального зазора вмораживания поля.

Для оценки «снизу» величины возвратной силы при боковом смещении маховика были проведены расчеты при нулевом смещении маховика в вертикальной плоскости (без учета просадки за счет его веса). Кривые возвратных сил показаны на рис. 7. Видно, что при небольших зазорах вмораживания конструкция с 5-ю магнитами обеспечивает большие возвратные силы.

На основе проделанных расчетов в качестве базовой конструкции была выбрана система на основе 5-ти постоянных магнитов.

Рис. 7. Зависимости боковой возвратной силы в зависимости от горизонтального смещения подвеса для различных значений начального зазора вмораживания поля.

Конструкция макетного образца, параметры которого приведены в табл.1, представлена на рис. 8. Кинетический накопитель энергии содержит корпус 1, в котором размещены:

- мотор-генератор с сердечником статора 2 мотор-генератора, который может быть ферромагнитным или безжелезным с пазами, распределенными по его наружной поверхности, в которых размещена многофазная многополюсная обмотка 3;

- маховик 5 в форме дискообразного ненасыщенного  ферромагнитопровода с осевым отверстием с закрепленными на его внутренней поверхности полюсами ротора 4 мотор-генератора из РЗМ постоянных магнитов;

- магнитный аксиальный ВТСП подвес, содержащий расположенные на нижней поверхности маховика постоянные магниты 6, разделенные проставками из немагнитного материала 7 (дюраль, пластик и др.);

- кольцевой блочный массив 8 из ВТСП керамики, например YBCO, размещенной в неподвижном криостате 9 и работающей в криогенной среде при температуре жидкого азота (77,8 К).

Для удержания маховика 5 при активации магнитного ВТСП подвеса при захолаживании ВТСП керамики и в случае расхолаживания магнитного ВТСП подвеса на валу в подшипниках размещена чашеобразной формы опора 10 с конусообразной торцевой поверхностью, позволяющая центрировать маховик 5. В нижней части криостата выполнены отверстия для заполнения его внутренней полости с ВТСП керамикой жидким азотом 11 и отвода газообразного азота 12.

a

б

Рисунок 8. Кинетический накопитель энергии с запасаемой энергией 0,5 МДж на базе магнитного ВТСП подвеса

(а - схема разработанной конструкции, б - фотографии основных узлов)

За счет взаимодействия магнитного поля постоянных магнитов ВТСП подвеса и активированных ВТСП блоков после опускания опоры 10 маховик 5 КНЭ левитирует над криостатом 9 и одновременно удерживается от смещения в радиальном направлении. При электромагнитном взаимодействии полюсов вращающегося магнитного поля обмотки статора 3 мотор-генератора и полюсов ротора 4 мотор-генератора возникает момент, который будет разгонять маховик 5 до заданной частоты вращения. При этом кинетическая энергия, накопленная маховиком в процессе заряда, сохраняется длительное время ввиду отсутствия потерь в опорах и при необходимости отбирается мотор-генератором.

Результаты испытаний макетного образца КНЭ. Проведенный цикл испытаний показал, что воздушный зазор между маховиком и криостатом составил 2,5...3 мм, как в статическом, так и в динамическом режиме, что полностью совпадает с расчетными значениями и обеспечивает необходимую устойчивость по трем координатным осям. Разгон маховика КНЭ (заряд) производился при помощи частотного преобразователя. На рис. 9 представлены зависимости тока, напряжения и отдаваемой мощности от времени разряда накопителя.

Рис. 9. Некоторые из экспериментальных характеристик КНЭ

В настоящий момент продолжаются динамические испытания опытного образца КНЭ с целью уточнения эксплуатационных параметров, оптимизации конструкции и изучения возможности масштабирования разработанной конструкции до уровня запасаемой энергии ~ 5 МДж.

4. Выводы

В результате проведенных научных исследований спроектирована модель КНЭ, в которой в качестве мотор-генератора используется синхронная электрическая машина с постоянными магнитами, а в качестве подшипниковой опоры — магнитный подвес на основе постоянных магнитов и массивных ВТСП. Применение подвеса такого типа позволяет исключить затраты энергии на поддержание вращающегося маховика в левитирующем положении, а использование синхронной электрической машины с постоянными магнитами и безжелезным статором позволило сделать конструкцию мотор-генератора компактной, избежать потерь на перемагничивание в режиме хранения энергии и исключить энергозатраты на создание магнитного поля возбуждения.

Применение бесконтактных магнитных ВТСП подвесов в кинетических накопителях энергии позволяет существенно уменьшить механические потери и, при вакуумировании камеры маховика, увеличить время хранения запасённой кинетической энергии до нескольких лет.

Д.С. Дежин, Р.И. Ильясов, К.Л. Ковалев

Московский авиационный институт (государственный технический университет), МАИ» 

1. Бут Д.А., Алиевский Б.Л., Мизюрин С.Р., Васюкевич П.В., Накопители энергии. – М.: Энергоатомиздат, 1991.

2. Ковалев Л.К., Конеев С.М.-А., Полтавец В.Н., Гончаров М.В., Ильясов Р.И. Магнитные подвесы с использованием объёмных ВТСП элементов для перспективных систем высокоскоростного наземного транспорта // Электричество №6/2007. 

3. Бут Д.А., Богданович Е.Г., Электромеханические преобразователи энергии для энергетических установок ЛА.— М.: Изд-во МАИ, 1989.

Главная | Новости | Бюллетень | Конференции | Поиск публикаций в базе данных | Новое в базе данных
Российские организации | Энциклопедия | Цели сайта | Контакты | Полезные ссылки | Карта сайта | Помощь

© Copyright 2006-2012. Использование материалов сайта возможно только с обязательной ссылкой на сайт.
Свои замечания и пожелания вы можете направлять по адресу perst@isssph.kiae.ru
Техническая поддержка Alexey, дизайн Teodor.