Лабораторная работа № 4 Исследование механического аккумулятора энергии

1. Цель работы

1.1. Знакомство с различными типами аккумуляторов электрической энергии;

1.2. Исследование работы механического аккумулятора.

2. Теоретические пояснения

Множество методов аккумулирования энергии известны с давних времён, однако, не все они одинаково пригодны для всех видов энергии, плюс к тому чисто технологически применимы не все.

Идеальный аккумулятор должен быть лёгким, мощным, иметь большую энергоемкость, быть долговечным и безопасным. Теоретически электрическую энергию можно накапливать для последующего использования применяя различные принципы и устройства, которые можно разделить на три группы:

- механические системы аккумулирования энергии (упругие деформации твёрдых тел, сжатые газы, потенциальная энергия жидкостей и твёрдых тел, кинетическая энергия движущихся (вращающихся) тел;

- химические системы аккумулирования энергии (обратимые химические реакции, водород);

- электрические системы аккумулирования энергии (накопление электроэнергии в электрических конденсаторах, накопление магнитной энергии в магнитном поле катушек).

С энергетической точки зрения основными характеристиками системы аккумулирования энергии являются:

- плотность энергии Дж/кг или (втчас)/кг;

- удельная мощность Вт/кг;

- коэффициент полезного действия;

- потеря заряда.

В таблице приведены данные по плотности энергии для различных методов аккумулирования.

Устройство, принцип, вещество	Максимальная плотность энергии, Дж/кг
Водород (для сравнения) Бензин (для сравнения) Электрические батареи Маховики Конденсаторы Сжатый воздух Абсорбция Гидролиз Гравитация (Н2О на 800м) Эл. магн. катушки	8 7,6 7 6,3 6 5,5 5 4,8 3 0,5

В газовых системах (сжатый воздух) энергию запасать трудно, так как они имеют очень низкое отношение энергии к объёму и нужно сильно повышать давление. Проект реализован в Германии в местечке Ханторф около 20 лет назад (воздух закачивается в подземную выемку соляной копи). КПД системы составил около 42,5%.

Хранение газа (сжатого) в баллонах не представляет промышленного интереса.

Жидкости так же требуют больших объёмов для накопления энергии. Метод применяется в ГАЭС, к.п.д. составляет порядка 65-80%, количество аккумулируемой энергии до 100000 МВТч, извлекаемая мощность до 1000 МВт. Существуют системы с перепадом уровней водохранилищ 350 метров.

Электрохимические аккумуляторы, использующие обратимые химические реакции, в настоящее время находятся на следующем уровне развития: имеются системы ёмкостью 0,1…40 МВтч, мощностью до 10 МВт, при к.п.д. до 70% и потере заряда до 2% в месяц.

В данной лабораторной работе исследуется принцип накопления механической энергии с помощью вращающегося маховика.

В Швейцарии (г. Альтдорф) 17 лет курсировал махобус (рис. 4.1) с массой маховика 1,5 т., одной зарядки хватало на 1 км пробега, раскрутка маховика занимала около 2 минут (во время остановок). В 1969 г. эксперимент прекращен.

Рис. 4.1. Махобус

Запасаемая кинетическая энергия:

,

где: J – момент инерции маховика;

 – его угловая частота вращения.

В свою очередь, в общем виде, для тела, вращающегося вокруг заданной оси:

.

Значит с увеличением , r и m растёт и количество запасённой энергии, но увеличивать их до бесконечности нельзя по соображениям механической прочности. Легко можно показать, что значительно больше энергии можно поместить в лёгкий маховик, выполненный в виде катушки из прочного углеродного волокна, чем в тяжёлый цельнометаллический маховик, который разрушится значительно раньше, чем лёгкий.

Данный способ имеет следующие преимущества:

- практически бесшумен;

- экологически чист;

- требует мало времени для зарядки и может выдавать энергию большой мощности;

- к.п.д. до 80-90%

За последние 35 лет конструкции маховиков существенно улучшились.

На рис. 4.2 приведён современный серийный инерционный накопитель с магнитным подвесом маховика, помещённого в вакуум.

Мощность 2 кВт может отбираться в течение 3 часов. Полный останов при саморазряде – через 30 часов.

Недостатком системы является относительно быстрый саморазряд и теоретическая возможность механического разрушения. В связи с этим для повышения безопасности установка заглубляется в грунт.

Рис. 4.2. Накопитель с магнитным подвесом маховика