Сохранение энергии при помощи маховика
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 маховик.
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
где:
o I - момент инерции вращающегося тела
o ὡ - угловая скорость вращения
Для простых форм маховика, известны конечные выражения момента инерции
o
Для полого цилиндра (
)
где
m - масса полого цилиндра;
r - наружный радиус цилиндра
r0 - внутренний радиус цилиндра
o
Для тонкостенного цилиндра, внутренним радиусом которого можно пренебречь (
)
o
Для сплошного цилиндра (
)
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.
Таким образом, нетрудно посчитать, что для цилиндра, изготовленного из стали, предельная линейная скорость маховика в максимально удаленной от оси вращения точке, составит,
Vmax = wmax R или wmax = Vmax /R,
Проведя подсчеты, получим, что предельно допустимая линейная скорость составит 200м/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.
А в нашей стране…
В нашей стране разработаны и прошли испытания маховики, способные аккумулировать 130 Втхч/кг, что вполне сравнимо с емкостью самых лучших современных аккумуляторов. При этом маховики имеют неоспоримые преимущества: они безопасны, долговечны и недороги.
В среднем, маховик может использоваться не менее двадцати лет, а вот аккумулятор при должном уходе, правильной эксплуатации и техническом обслуживании, проработает максимум два года.К тому же маховики абсолютно безопасны для окружающей среды.
Впрочем, какое именно устройство использовать для накопления энергии в собственном доме каждый решает самостоятельно.
