Chemical and kinetic energy storage device

Full Text

Накопители энергии играют важную роль для транспортных систем, летательных аппаратов, источников аварийного и бесперебойного питания систем связи и телекоммуникаций, для атомных, ветровых, солнечных электростанций. В технике широко применяются химические накопители энергии, в частности электрохимические аккумуляторы [1]. Количество накапливаемой энергии в аккумуляторах прямо пропорционально массе активных компонентов. Масса всего аккумулятора находится в статическом состоянии, поэтому ее кинетическая энергия относительно данного объекта равна нулю. Известные механические (кинетические) накопители энергии [2-4] представляют собой быстровра-щающийся маховик различной формы. Количество запасённой энергии в кинетическом накопителе прямо пропорционально моменту инерции вращающегося тела, разности квадратов угловой скорости вращения маховика. Из-за высокой скорости вращения маховик и электропривод помещают в герметичную камеру с пониженным давлением воздуха или гелия, что приводит к ухудшению охлаждения электропривода и увеличению эксплуатационных расходов, связанных с поддержанием вакуума. Установка электропривода в отдельную герметичную камеру увеличивает габариты устройства, возникает необходимость применять уплотнительные устройства в подвижном соединении, что усложняет кинетический накопитель энергии. Известен ёмкостно-кинетический накопитель энергии [5], содержащий конденсаторную батарею, включённую в цепь электрической машины постоянного тока, маховик, вал которого соединён с валом 56 Математика, механика, информатика электрической машины через муфту сцепления и механическую передачу, причём конденсаторная батарея установлена вдоль внутренней периферической поверхности маховика, а выводы конденсаторной батареи с помощью щёток подключены к контактным кольцам, которые смонтированы на валу маховика. Недостатками данного устройства являются: сложность, громоздкость конструкции из-за наличия муфты и зубчатой передачи; массы электрической машины, муфты и зубчатой передачи не выполняют функции кинетического накопителя энергии. Поэтому упрощение конструкции, уменьшение массогабаритных показателей накопителей энергии является актуальной проблемой. В данной работе предлагается совместить химический и кинетический накопители энергии в одном устройстве (рис. 1). Накопитель содержит аккумуляторную батарею 1, постоянные магниты 2 бесколлекторного генератора, маховик 3, на внутренней периферической поверхности которого установлены аккумуляторные батареи 1 , гистерезисный двигатель, магнитные кольца 4 которого расположены на наружной периферической поверхности маховика 3, статорные обмотки 5 гистере-зисного двигателя установлены в неподвижном корпусе 6. В центре корпуса 6 имеется ось 7, на которой закреплены контактные кольца 8, вокруг которых вращаются щёточно-контактные аппараты 9, установленные на маховике 3. Статорные обмотки 10 бескол-лекторного генератора расположены на маховике 3. Статорные обмотки 5, 10 гистерезисного двигателя и бесколлекторного генератора соединены с блоком коммутации 11, который через щёточно-контактные аппараты 9 и контактные кольца 8 подключён к электромеханической системе 12. Химико-кинетический накопитель энергии работает следующим образом. От стационарного источника тока подается напряжение на статорные обмотки 5 гистерезисного двигателя. Маховик 3 раскручивается до рабочей частоты вращения n2, в результате чего вращающиеся массы накапливают кинетическую энергию. Во время работы химико-кинетического накопителя энергия заряженных аккумуляторных батарей 1 через блок коммутации 11 щеточноконтактного аппарата 9 и контактных колец 8 подается в электромеханическую систему 12. По мере расходования энергии аккумуляторных батарей происходит их подзарядка от статорных обмоток 10 через блок коммутации 11. При этом работает бесколлекторный генератор за счет наведения ЭДС в статорных обмотках 10 при вращении их вокруг постоянных магнитов 2, расположенных на оси 7. В результате кинетическая энергия вращающихся масс преобразуется в электрическую энергию. Накопленная кинетическая энергия, преобразованная с помощью бесколлекторного генератора в электрическую, может возвращаться через блок коммутации 11 щеточно-контактного аппарата 9 и контактных колец 8 электромеханической системы 12. По мере расходования кинетической энергии частота вращения маховика 3 снижается до опорного числа оборотов n1. Восстановление частоты вращения до рабочей частоты может осуществляться путем использования энергии торможения (в транспортных средствах) или энергии электростатических зарядов, образующихся на летательных аппаратах, или преобразования тепловой (кинетической) энергии отработавшего рабочего тела на двигателях в электрическую, или от стационарных источников тока. Кинетическую энергию, запасённую маховиком, определяют по известным формулам. Рис. 1. Химико-кинетический накопитель энергии 57 Вестник СибГАУ. № 2(54). 2014 Химико-кинетический накопитель имеет более широкие функциональные возможности по сравнению с отдельно взятыми маховиком и аккумуляторной батареей. В электромеханическую систему 12 энергия может подаваться или от аккумуляторных батарей 1, или от статорных обмоток 10 бесколлек-торного генератора после преобразования кинетической энергии маховика 3 в электрическую, или одновременно от химического и кинетического накопителей энергии. Запасы энергии аккумуляторных батарей 1 могут пополняться или от электромеханической системы 12 или от статорных обмоток 10 бесколлектор-ного генератора, используя кинетическую энергию маховика 3. В химико-кинетическом накопителе энергии отсутствуют муфта и редуктор, что приводит к уменьшению массы и габаритов накопителя. Массы магнитных колец 4 гистерезисного двигателя и статорные обмотки 10 бесколлекторного генератора вращаются вместе с маховиком 3 и тем самым вносят вклад в кинетический накопитель энергии. Гистерезисный электродвигатель предназначен для разгона маховика и пополнения его кинетической энергии после её использования. За счет расположения магнитных колец гистерезисного двигателя на периферии маховика требуется значительно меньшее значение электромагнитной силы за счёт большого плеча действия этой силы, кроме того, при отсутствии напряжения на статорных обмотках такой двигатель не создаёт тормозящий момент. Рис. 2. АБ в виде секторов Бесколлекторный генератор работает постоянно, через щёточно-контактный аппарат и блок коммутации пополняет запасы электрической энергии аккумуляторной батареи или отдаёт энергию в электромеханическую систему. На рис. 2 аккумуляторные батареи (АБ) выполнены в виде секторов с однорядным расположением в маховике. На рис. 3 аккумуляторные батареи выполнены в виде колец и расположены в два ряда. На рис. 4 аккумуляторы выполнены в виде секторов и расположены в три ряда. Данная конструкция предназначена для работы на больших скоростях вращения. При таких условиях необходимо учитывать центробежную силу. Для этого проведено численное исследование напряженно-деформированного состояния элементов конструкции маховика под действием центробежной силы в пакете конечно-элементного анализа SolidWorks Simulation. Созданная трехмерная геометрическая модель представлена на рис. 5. Конечно-элементная модель с расчетной схемой нагружения и результаты расчета (эпюра эквивалентных напряжений, эпюра перемещений, эпюра линейной деформации) представлены на рис. 6 и 7 соответственно. Модель подобной конструкции была создана и испытана при числе оборотов 3000 об/мин. Электрическое напряжение литий-ионных аккумуляторных батарей при испытаниях увеличилось на 2-5 %, целостность корпуса батарей не нарушалась. Использование кинетической энергии вращающихся АБ по ориентировочным расчётам позволит сократить массу накопителей энергии на 5-7 %. Рис. 3. АБ в виде колец в два ряда 58 Математика, механика, информатика Рис. 4. АБ в виде секторов в три ряда Рис. 5. Трехмерная геометрическая модель маховика Имя модели: disk-pror-drugie pazi-simmetriy Имя исследования Исследование 1 Тип сетки: Сетка на твердом теле Рис. 6. Конечно-элементная модель маховика lrt#u шпргк d!k-ErtH- №w p-UKsrnndny ИНЯ «С'ГЛЇАОНИНН ИССГКАФ»Ш«ЄІ ЇШІ №ІШ Слтнп IM ThRflflnU ТЛ» 59 Вестник СибГАУ. № 2(54). 2014 Имя модели: disk-pror-drugie pazi-simmetriy Имя исследования: Исследование 1 Тип эпюры: Статическое перемещение Перемеш,ение1 Шкала деформации: 1 а URES(mm) 15.011е-002 5.008е-002 . 5.004е-002 . 5.001 е-002 . 4.997е-002 4.994е-002 4.991 е-002 4.987е-002 4.984е-002 4.981 е-002 , , 4.977е-002 | 4.974е-002 4.970Є-002 б Рис. 7. Результаты расчета маховика: а - эпюра эквивалентных напряжений; б - эпюра перемещений; в - эпюра линейных деформаций (начало) 60 Математика, механика, информатика Имя модели: disk-pror-drugie pazi-simmetriy Имя исследования: Исследование 1 Тип эпюры: Статическая деформация Деформацияі Шкала деформации: 1 Рис. 7. (Окончание) в

About the authors

Cezari Gergievich Nadaraia

“CVONT” LLC

Email: svoy_2010@list.ru
Candidate of Engineering Sciences, General constructor

Ludmila Alekseevna Babkina

Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev

Email: l_babkina@mail.ru
Candidate of Engineering Science, associate professor of the Department of Computational Modeling

Ivan Yakovlevich Shestakov

Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev

Email: shestakov@sibsau.ru
Candidate of Engineering sciences, associate professor, associate professor of the Department of Computer Science and Telecommunications

Alexander Aleksandrovich Fadeev

Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev

Email: fadeev.77@mail.ru
Candidate of Engineering Science, associate professor, associate professor of the Department of principles of machines construction

References

Supplementary files