Электрические мельницы прогресса, или С мечтой о вечных аккумуляторах
АрхивТехнологииВ ноутбуках и КПК используются электрохимические аккумуляторы, топливные элементы тоже основаны на химических процессах. Между тем, эти источники энергии до сих пор уступают изобретению советского учёного - супермаховику из композитных материалов.
Привыкнув пользоваться электронными устройствами, которые во множестве окружают современного человека, мы уже и не задумываемся о том, что питает их и делает полезными для нас.
Многие считают, что розетка в стене - единственный источник электричества, а в дороге телефоны и портативные компьютеры должны питаться от электрохимических аккумуляторов. Сегодняшние компьютеры построены на электрических принципах, так уж сложилось в середине прошлого века. В ноутбуках и КПК используются электрохимические аккумуляторы. И даже новейшие разработки - топливные элементы - тоже основаны на электрохимических процессах.
Между тем, эти источники энергии, хоть и считаются очень перспективными, до сих пор уступают в энергоёмкости изобретению советского учёного - супермаховику из композитных материалов.
Первый маховик, принципиально отличающийся от привычных нам массивных дисков, был сконструирован изобретателем Нурбеем Гулиа ещё тридцать лет назад и представлял собой текстолитовую катушку с намотанной на неё металлической лентой.
Чуть позже профессору пришла в голову мысль использовать вместо ленты композитную нить, обладающую гораздо большей прочностью и меньшим весом. Так был достигнут рекорд энергоёмкости - супермаховик оказался способен запасать больше энергии на единицу массы (5-15 мДж/кг), чем все известные накопители энергии - электрохимические аккумуляторы, конденсаторы, пружины... Это объясняется тем, что супермаховик можно разогнать до огромных скоростей, причём "зарядка" такого накопителя происходит очень быстро.
В 1983 году Н.В. Гулиа получил первый в мире патент на супермаховик. А продолжив исследования в области кинетических аккумуляторов, изобретатель довёл число своих авторских свидетельств до трёх с лишним сотен и написал два десятка книг.
Ещё одна особенность супермаховика: в отличие от своих предшественников он совершенно безопасен. Разрыв традиционного маховика превосходит по мощности взрыв тротилового заряда такой же массы.
Разрыв промышленного маховика в стенах фабрики эпохи становления капитализма приводил к чудовищным разрушениям и человеческим жертвам. В отличие от него, композитный маховик не разлетается на куски, даже разорвавшись на огромной скорости.
Экологическая безопасность также соблюдена: составляющие электрохимических аккумуляторов могут нанести ущерб природе и требуют специальных мер по переработке, а компоненты супермаховиков совершенно безвредны. К тому же, маховикам не свойственно терять ёмкость и после сотен тысяч циклов накопления/отдачи энергии.
Спустя годы изобретение Н.В. Гулиа повторили американские инженеры. И сегодня заморские компании вводят в строй промышленные системы хранения энергии, в основе которых лежат маховики, вращающиеся в вакууме. Они разгоняются с помощью электромоторов, которые затем служат генераторами, превращая энергию вращения маховиков в электричество. Это не всегда композитные маховики: промышленные накопители не ограничены в размерах и поэтому могут быть изготовлены из металла, что снижает их стоимость, но увеличивает габариты.
Фирма AFS Trinity выводит на рынок источники бесперебойного питания Flywheel Power System, предназначенные для корпоративного применения. Маховичные накопители серий M3 и M4 могут хранить 420-2000 кВт энергии и выдавать 650-900 вольт постоянного напряжения в течение 15-25 секунд. Кинетические ИБП можно объединять в сети, повышая, таким образом, надёжность системы питания.
Компания SatCon Power Systems предлагает линейку накопителей Starsine, обеспечивающих поддержку питания в течение 12 секунд. Модели различаются энергоёмкостью (315-2200 кВА) и выходным напряжением (380-4160 вольт). Их монолитные стальные маховики вращаются со скоростью 1800-1980 об./мин. и начинают отдавать энергию через две секунды после падения напряжения в сети. Правда, выработка напряжения начинается ещё позже, спустя 5-6 секунд, когда сработает система сцепления, и запустится генератор.
Кстати, вопрос отъёма энергии у бешено вращающегося маховика тоже занимал профессора Гулиа, и он нашёл решение этой проблемы. Будучи конструктором автомобилей, профессор искал способ прямой передачи момента вращения от оси маховика на трансмиссию транспортного средства. Ведь каждое преобразование энергии чревато её потерями и снижением КПД механизма, так что использовать принцип электромагнитной индукции было нежелательно. Ответ подсказал катушечный магнитофон, приёмная бобина которого в конце воспроизведения плёнки вращается значительно медленнее подающей. Это связано с тем, что диаметр витков на последней в этот момент почти равен диаметру ступицы, а на приёмной бобине витки плёнки уже достигают краёв обода.
Разработанный Гулиа механизм можно описать как две часовые пружины, крепящиеся в центре к оси маховика, а на периферии - к ободу, передающему вращение на трансмиссию автомобиля (см. схему). Таким образом маховик отдаёт энергию постепенно, наматывая пружины на вал и всё быстрее раскручивая обод. По сравнению с обгонной муфтой этот механизм должен иметь большую надёжность и меньшую стоимость, так как состоит из меньшего числа деталей.
Одна из последних разработок Гулиа - бесступенчатый вариатор, в котором используется "эффект стекленеющей смазки". Это заменитель коробки передач, запатентованный докторами Н. Гулиа и А. Западинским: в зависимости от давления в механизме смазка твердеет или размягчается и по-разному передаёт момент вращения. Устройство получилось экономичнее и компактнее существующих коробок передач, а изменение скорости авто происходит очень плавно.
Компания Active Power выпускает накопители CleanSource, в которых маховики объединены с мотором/генератором в один агрегат. И в этой разработке реализованы в металле идеи профессора Гулиа. Чтобы снизить потери на трение, инженеры Active Power применили магнитную подвеску, придуманную Гулиа несколько десятилетий назад (см. схему).
На оси маховика (3) укрепляется кольцевой постоянный магнит (1), под ним располагается второй магнит (2), отталкивающий первый и позволяющий маховику опираться лишь на магнитное поле. Если ещё и откачать из системы воздух, можно радикально снизить сопротивление вращению маховика. А для того чтобы вывести вращательный момент из герметичного устройства, пригодится магнитная муфта, ещё одно изобретение профессора Гулиа. Она сравнима с обычным сальником, но обеспечивает надёжную герметизацию посредством магнитной жидкости - коллоидной взвеси частиц ферромагнетика, удерживаемых в муфте кольцевым магнитом.
Разработки в области маховичных накопителей энергии ведутся и в NASA. Маховики давно применяются для управления положением спутников, теперь же аэрокосмическое агентство намеревается добавить гироскопам космических аппаратов ещё одну функцию - аккумулирования энергии.
Сейчас ещё идёт тестирование этих вестибулярно-энергетических комбайнов, но есть и несколько уже завершённых проектов. Например, в Исследовательском центре имени Гленна и Космическом центре Джонсона создана маховичная энергетическая установка для МКС, заметно превосходящая использовавшиеся ранее никель-водородные аккумуляторы. Маховики могут запасать 5,5 кВт*ч энергии против 4,6 кВт*ч у электрохимических аккумуляторов, при этом срок их службы оценивается в 15 лет, а батарей - в 5-6 лет.
Что же до профессора Гулиа, то и ему довелось изобрести вещь, полезную для космонавтов, а не только для водителей автомобилей. Используется в ней, конечно же, маховик, который среди прочих достоинств обладает свойством безынерционности. Маховичная дрель или гайковёрт - очень удобная вещь на орбите. Обычный инструмент с электромотором, будучи включен в невесомости, неизбежно заставит космонавта вращаться вокруг оси двигателя вследствие реактивного момента. Тут уж не до работы, не улететь бы во Внеземелье. Инструмент же с маховичным приводом лишён этого недостатка, а также в силу гироскопических свойств может сам выдерживать направление сверления.
Сегодня неугомонный профессор живёт и здравствует, и 65 лет возраста ему не мешают заниматься штангой и моржеванием, но самое главное - творить и претворять свою мечту в реальность. Ученики Гулиа востребованы в странах Запада, сам же профессор остаётся на родине и продолжает попытки внедрения своих изобретений в России. Тем временем, в Америке и Европе уже выходят на дороги автомобили с маховичными накопителями и бесступенчатыми вариаторами, возводятся инерционные хранилища энергии, реализуются и приносят прибыль идеи Нурбея Гулиа.
