Диски высокой энергии: маховичный накопитель
- Эволюция: от маховиков к супермаховикам В качестве накопителей энергии маховики используют уже пара тысячелетий, но качественный скачок в области их энергоемкости случился лишь в 1960-х годах, в то время, когда были созданы первые супермаховики
Двухколесные автомобили Маховики на транспорте возможно применять в качестве как аккумуляторная батарей энергии, так и гироскопов.
- На фотографии изображен маховичный концепт-кар Ford Gyron (1961), а в первый раз гирокар был выстроен в 1914 году русским инженером Петром Шиловским
Проект. Механический гибрид Гулиа (1966) Это, быть может, первый в мире гибридный автомобиль. Его передние колеса приводились от ДВС, в то время как задние — от маховика и вариатора. Таковой опытный образец был в два раза экономичней, чем базисный УАЗ-450Д
- Маховичный накопитель, что используют на американских электростанциях для увеличения их КПД. Утраты энергии в супермаховиках составляют всего 2% — это достигается а также благодаря тому, что маховик вращается в вакуумном кожухе на магнитных подшипниках
Схема работы маховичной автомобили на топливных элементах
- Схема работы автомобиля с двигателем внутреннего сгорания
электричества и Мир электроники наступает! Милые поклонникам механики устройства все чаще уступают место автомобилям с электронными схемами и электромоторами. Но мир будущего станет более механическим!
Так вычисляет доктор наук Нурбей Гулиа. За последние десятилетия механические накопители энергии заметно прибавили в энергоемкости, и как раз их, согласно точки зрения ученого, будут применять во многих устройствах вместо привычных электрохимических аккумуляторная батарей.
Пружина, резина, конденсатор
Во всем мире вряд ли найдется человек, что посвятил себя разработке маховичных накопителей энергии в большей мере, чем Нурбей Гулиа. Так как делом собственной жизни изобретатель начал заниматься в 15 лет. Тогда коммунистический школьник Нурбей решил изобрести «энергетическую капсулу» — так он назвал накопитель энергии, что должен был стать столь же энергоемким, как бак с бензином, но наряду с этим копить в себе полностью безвредную для человека энергию.
В первую очередь любопытный школьник опробовал аккумуляторная батареи разных типов. Одним из самых неисправимых вариантов был пружинный накопитель. Дабы простой автомобиль проехал с таким аккумулятором 100 км пути, последний должен был весить 50 т.
Резиновый аккумулятор показался куда перспективней: накопитель с зарядом на 100 км имел возможность весить «всего» 900 кг. Заинтересовавшись, Нурбей кроме того создал резиноаккумулятор инновационной конструкции для привода детской коляски. Один из прохожих, очарованный самоходной коляской, дал совет разработчику подать заявку в Комитет по изобретениям а также помог ее составить.
Так Гулиа взял первое авторское свидетельство на изобретение.
Скоро резину поменял сжатый воздушное пространство. И снова Нурбей создал инновационное устройство — довольно компактный гидрогазовый аккумулятор. Но, как выяснилось на протяжении работы над ним, при применении сжатого газа энергетический «потолок» был низок.
Но изобретатель не сдался: скоро им был выстроен пневмокар с подогревом воздуха горелками. Эта машина взяла высокую оценку у его друзей, но по своим возможностям была еще далека от того, дабы соперничать с автомобилем.
Особенно шепетильно будущий доктор наук отнесся к проработке варианта «электрической капсулы». Нурбей оценил возможности конденсаторов, электромагнитов и, очевидно, собрал всю вероятную данные об электрохимических аккумуляторная батареях. Был кроме того выстроен электромобиль.
В качестве аккумулятора для него конструктор применял батарею МАЗа. Но возможности тогдашних электрохимических аккумуляторная батарей Гулиа не впечатлили, не было и оснований ожидать, что в области энергоемкости случится прорыв. Исходя из этого из всех накопителей энергии самые перспективными Нурбею Владимировичу показались механические аккумуляторная батареи в виде маховиков, не обращая внимания на то что в то время они ощутимо проигрывали электрохимическим накопителям.
Тогдашние маховики, кроме того сделанные из самой лучшей стали, в пределе имели возможность накопить лишь 30−50 кДж на 1 кг массы. В случае если раскручивать их стремительнее, они разрывались, приводя в негодность все около. Кроме того свинцово-кислотные аккумуляторная батареи с энергоемкостью 64 кДж/кг смотрелись на их фоне очень выигрышно, а щелочные аккумуляторная батареи с плотностью энергии 110 кДж/кг были вне конкуренции.
Помимо этого, уже тогда существовали страшно дорогие серебряно-цинковые аккумуляторная батареи: по удельной емкости (540 кДж/кг) они приблизительно соответствовали самым емким на сегодня литий-ионным аккумуляторная батареям. Но Гулиа сделал ставку на столь далекий от совершенства маховик
Маховик на миллион
Чем выше частота вращения маховика, тем посильнее его частицы «растягивают» диск, пробуя его порвать. Потому, что разрыв маховика дело ужасное, конструкторам приходится закладывать большой запас прочности. В следствии на практике энергоемкость маховика раза в три ниже вероятной, и в первой половине 60-х годов прошлого века самые идеальные маховики имели возможность запасать всего 10−15 кДж энергии на 1 кг.
В случае если же применить более устойчивые к разрыву материалы, прочность маховика станет выше, но таковой скоростной маховик делается страшным. Получается порочный круг: прочность материала возрастает, а предельная энергоемкость возрастает незначительно. Нурбей Гулиа поставил собственной задачей вырваться из этого замкнутого круга, и в один памятный сутки он испытал момент неожиданного прояснения.
На глаза изобретателю попался тросик, свитый из проволок, — такие в большинстве случаев используют в тренажерах для подъема тяжестей. Тросик был примечателен тем, что владел большой прочностью и ни при каких обстоятельствах не рвался сходу. Как раз этих качеств и не хватало тогдашним маховикам.
Ученый принялся за работу: сперва поэкспериментировал с тросом, скатав из него маховик, а позже заменил проволочки узкой металлической лентой такой же прочности — ее намотка была плотнее, а для надежности возможно было склеить витки ленты между собой. Разрыв для того чтобы маховика уже не воображал опасности: при превышении предельной скорости первой должна была оторваться самый нагруженная внешняя лента. Она прижимается к корпусу и машинально затормаживает маховик — никаких несчастных случаев, а оторванную ленту возможно приклеить опять.
Первое опробование, в то время, когда ленточный маховик Гулиа раскручивался от скоростного электромотора пылесоса, прошло удачно. Маховик вышел на большую частоту вращения без разрыва. А после этого, в то время, когда ученому удалось испытать данный маховик на особом разгонном стенде, стало известно, что разрыв наступал лишь при скорости обода практически 500 м/c либо плотности энергии около 100 кДж/кг.
Изобретение Гулиа многократно превзошло по плотности энергии самые передовые на то время маховики и покинуло сзади свинцово-кислотные аккумуляторная батареи.
В мае 1964 года Гулиа первым в мире подал заявку на изобретение супермаховика, но из-за бюрократизма советской патентной совокупности взял нужный документ лишь через 2 десятилетия, в то время, когда срок его действия уже истек. Но приоритет изобретения за СССР сохранился. Жил бы ученый на Западе — в далеком прошлом бы стал мультимиллионером.
Через какое-то время по окончании Гулиа супермаховик изобрели и на Западе, и спустя десятилетия ему находят множество применений. В различных государствах разрабатываются проекты маховичных автомобилей. Американские эксперты создают беспилотный вертолет, в котором вместо двигателя применяют супермаховики. Отправляют супермаховики и в космос. В том месте для них особенно благоприятная среда: в космическом вакууме нет аэродинамического сопротивления, а невесомость ликвидирует нагрузки на подшипники.
Исходя из этого на некоторых спутниках связи используются супермаховичные накопители — они долговечнее электрохимических аккумуляторная батарей и смогут продолжительное время снабжать аппаратуру спутника энергией. Сравнительно не так давно в Соединенных Штатах стали рассматривать возможность применения супермаховиков в качестве источников бесперебойного питания для строений.
В том месте уже трудятся электростанции, каковые на протяжении пика потребления энергии увеличивают мощность за счет маховичных накопителей, а при спаде, в большинстве случаев ночью, направляют избытки энергии на раскручивание маховиков. В итоге у электростанции существенно увеличивается КПД работы. Помимо этого, утраты энергии в супермаховиках составляют всего 2% — это меньше, чем у любых вторых накопителей энергии.
Доктор наук Гулиа также времени напрасно не терял: создал весьма эргономичную маховичную дрель, создал первый в мире гибридный маховичный автомобиль на базе УАЗ-450Д — он был в два раза экономичней простой автомобили. Но основное — доктор наук всегда совершенствует различные элементы собственной маховичной концепции, дабы сделать ее по-настоящему конкурентоспособной.
Чудо-махомобили
Возможно ли вывести супермаховик на уровень самых емких аккумуляторная батарей? Выясняется, это не неприятность. В случае если вместо стали использовать более прочные материалы, то пропорционально вырастет и энергоемкость.
Причем, в отличие от электрохимических аккумуляторная батарей, тут нет потолка.
Супермаховик из кевлара на опробованиях при той же массе накапливал в четыре раза больше энергии, чем стальной. Супермаховик, навитый из углеволокна, может в 20−30 раз превзойти стальной по плотности энергии, а вдруг применять для его изготовления, к примеру, алмазное волокно, то накопитель купит фантастическую энергоемкость — 15 МДж/кг.
Но и это не предел: сейчас посредством нанотехнологий на базе углерода создаются волокна фантастической прочности. «В случае если из для того чтобы материала навить супермаховик, — говорит доктор наук, — плотность энергии может достигнуть 2500−3500 МДж/кг. Соответственно, 150-килограммовый супермаховик из для того чтобы материала способен обеспечить автомобилю пробег в два с лишним миллиона километров с одной прокрутки — больше, чем может выдержать шасси автомобили».
Благодаря тому что супермаховик вращается в вакууме, а его ось закреплена в магнитной подвеске, сопротивление при вращении выясняется минимальным. Быть может, таковой супермаховик может крутиться до остановки многие месяцы. Но машина, талантливая трудиться в течение всего срока работы без заправок, пока еще не изобретена.
Мощности современных электростанций определенно не хватит для зарядки таких серийных чудо-махомобилей.
Но как раз автотранспорт, считает доктор наук, самая подходящая сфера применения супермаховиков. И показатели автомобилей проекта Гулиа, на которых он собирается использовать супермаховики, не меньше необычные. По оценке ученого, «здоровый» расход горючего у бензинового автомобиля обязан составлять приблизительно 1,5 л на 100 км, а у дизельного — 1,2 л.
Как такое вероятно? «В энергетике имеется неписаный закон: при однообразных капиталовложениях неизменно более экономичен привод, в котором нет форм энергии и преобразований видов, — поясняет доктор наук. — Двигатель выделяет энергию в виде вращения, и ведущие колеса автомобиля потребляют эту энергию также в виде вращения. Значит, не нужно преобразовывать энергию двигателя в электрическую и обратно, достаточно передавать ее от двигателя к колесам через механический привод».
Так, механический гибрид выясняется максимально энергосберегающим и, как уверяет ученый, в условиях города снижает расход горючего втрое! Использование супермаховика, что запасает огромное количество энергии от двигателя, а после этого фактически без утрат отправляет ее на колеса через супервариатор (см. «ПМ», № 3’2006), разрешает снизить мощность и размер двигателя.
Двигатель же в проекте ученого трудится лишь в оптимальном режиме, в то время, когда его КПД самый высок, поэтому-то «суперавтомобиль» Гулиа столь экономичен. Имеется у доктора наук и проект применения топливных элементов с супермаховиком. У топливных элементов КПД в пределе возможно практически в два раза выше, чем у ДВС, и образовывает около 70%.
«Но отчего же при всех преимуществах таковой схемы она пока не употребляется на машинах?» — задаем мы очевидный вопрос. «Для таковой автомобили был нужен супервариатор, а он показался недавно и по сей день лишь начинает производиться, — растолковывает доктор наук Гулиа. — Так что таковой автомобиль на подходе». Отечественному изданию приятно сознавать, что в случае если таковой автомобиль покажется, то в этом будет и отечественная заслуга. По окончании того как в «Популярной механике» показалась статья о супервариаторе Гулиа, этим проектом сходу заинтересовались производители приводной техники, и по сей день доктор наук занимается совершенствованием и созданием собственного супервариатора. Соответственно, стоит сохранять надежду, что ожидать суперавтомобиля осталось недолго
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№74, декабрь 2008).
<
h4>