Диски високої енергії маховикові накопичувач, журнал популярна механіка

Еволюція # 058; від маховиків до супермаховик В якості накопичувачів енергії маховики застосовують уже кілька тисячоліть, проте якісний стрибок в області їх енергоємності стався тільки в 1960-х роках, коли були створені перші супермаховики

Двоколісні машини Маховики на транспорті можна використовувати в якості як акумуляторів енергії, так і гіроскопів. На фотографії зображений маховикові концепт-кар Ford Gyron # 40; 1961), а вперше гірокар був побудований в 1914 році українським інженером Петром Шиловським

Проект. Механічний гібрид Гулиа # 40; 1966) Це, можливо, перший в світі гібридний автомобіль. Його передні колеса приводилися від ДВС, тоді як задні - від варіатора і маховика. Такий досвідчений зразок виявився вдвічі економічніше, ніж базовий УАЗ-450Д

Маховикові накопичувач, який застосовують на американських електростанціях для підвищення їх ККД. Втрати енергії в супермаховик складають всього 2% - це досягається в тому числі за рахунок того, що маховик обертається в вакуумному кожусі на магнітних підшипниках

Схема роботи маховикові машини на паливних елементах

Схема роботи автомобіля з двигуном внутрішнього згоряння

Світ електроніки та електрики настає! Милі шанувальникам механіки пристрої все частіше поступаються місцем машинам з електромоторами і електронними схемами. Однак світ майбутнього стане більш механічним! Так вважає професор Нурбій Гулиа. За останні десятиліття механічні накопичувачі енергії помітно додали в енергоємності, і саме їх, на думку вченого, будуть використовувати в багатьох пристроях замість звичних електрохімічних акумуляторів.

Пружина, гума, конденсатор ...

У всьому світі навряд чи знайдеться людина, яка присвятила себе розробці маховикові накопичувачів енергії в більшій мірі, ніж Нурбій Гулиа. Адже справою свого життя винахідник почав займатися в 15 років. Тоді радянський школяр Нурбій вирішив винайти «енергетичну капсулу» - так він назвав накопичувач енергії, який повинен був стати настільки ж енергоємним, як бак з бензином, але при цьому збирати в собі абсолютно нешкідливу для людини енергію.

Насамперед допитливий школяр випробував акумулятори різних типів. Одним з найбільш безнадійних варіантів виявився пружинний накопичувач. Щоб звичайний легковий автомобіль проїхав з таким акумулятором 100 км шляху, останній повинен був важити 50 т.

Незабаром гуму змінив стиснене повітря. І знову Нурбій розробив інноваційний пристрій - відносно компактний гідрогазовий акумулятор. Однак, як з'ясувалося в ході роботи над ним, при використанні стисненого газу енергетичний «стелю» був невисокий. Але винахідник не здався: незабаром їм був побудований пневмокар з підігрівом повітря пальниками. Ця машина отримала високу оцінку у його друзів, але за своїми можливостями була ще далека від того, щоб конкурувати з автомобілем.

Особливо ретельно майбутній професор поставився до опрацювання варіанту «електричної капсули». Нурбій оцінив можливості конденсаторів, електромагнітів і, зрозуміло, зібрав всю можливу інформацію про електрохімічних акумуляторах. Був навіть побудований електромобіль. Як акумулятора для нього конструктор використав батарею МАЗа. Однак можливості тодішніх електрохімічних акумуляторів Гулиа не вразили, не було і підстав очікувати, що в області енергоємності відбудеться прорив. Тому з усіх накопичувачів енергії найбільш перспективними Нурбій Смелаовічу здалися механічні акумулятори у вигляді маховиків, незважаючи на те що в той час вони відчутно програвали електрохімічним накопичувачів. Тодішні маховики, навіть зроблені з найкращою стали, в межі могли накопичити тільки 30-50 кДж на 1 кг маси. Якщо розкручувати їх швидше, вони розривалися, приводячи в непридатність все навколо. Навіть свинцево-кислотні акумулятори з енергоємністю 64 кДж / кг виглядали на їх фоні вкрай виграшно, а лужні акумулятори з щільністю енергії 110 кДж / кг були поза конкуренцією. Крім того, вже тоді існували страшно дорогі срібно-цинкові акумулятори: по питомій ємності (540 кДж / кг) вони приблизно відповідали найбільш ємним на сьогодні літій-іонним акумуляторам. Але Гулиа зробив ставку на настільки далекий від досконалості маховик ...

Маховик на мільйон

Чим вище частота обертання маховика, тим сильніше його частки «розтягують» диск, намагаючись його розірвати. Оскільки розрив маховика справа страшне, конструкторам доводиться закладати високий запас міцності. В результаті на практиці енергоємність маховика рази в три нижче можливої, і на початку 1960-х років найдосконаліші маховики могли запасати всього 10-15 кДж енергії на 1 кг. Якщо ж застосувати більш стійкі до розриву матеріали, міцність маховика стане вище, але такий швидкісний маховик стає небезпечним. Виходить порочне коло: міцність матеріалу зростає, а гранична енергоємність збільшується незначно. Нурбій Гулиа поставив своїм завданням вирватися з цього замкнутого кола, і в один пам'ятний день він відчув момент раптового прояснення. На очі винахіднику попався тросик, звитий з дротів, - такі зазвичай застосовують в тренажерах для підйому важких предметів. Трос був примітний тим, що мав високу міцність і ніколи не рвався відразу. Саме цих якостей і не вистачало тодішнім маховика.

Вчений взявся за роботу: спочатку поекспериментував з тросом, скачавши з нього маховик, а потім замінив зволікання тонкої сталевою стрічкою такий же міцності - її намотування була щільніше, а для надійності можна було склеїти витки стрічки між собою. Розрив такого маховика вже не представляв небезпеки: при перевищенні граничної швидкості першою мала відірватися найбільш навантажена зовнішня стрічка. Вона притискається до корпусу і автоматично загальмовує маховик - ніяких нещасних випадків, а відірвану стрічку можна приклеїти знову.

Перше випробування, коли стрічковий маховик Гулиа розкручувався від швидкісного електромотора пилососа, пройшло успішно. Маховик вийшов на максимальну частоту обертання без розриву. А потім, коли вченому вдалося випробувати цей маховик на спеціальному розгінний стенді, з'ясувалося, що розрив наступав тільки при швидкості обода майже 500 м / c або щільності енергії близько 100 кДж / кг. Винахід Гулиа в кілька разів перевершило по щільності енергії найпередовіші на той час маховики і залишило позаду свинцево-кислотні акумулятори.

У травні 1964 року Гулиа першим в світі подав заявку на винахід супермаховика, але через бюрократизм радянської патентної системи отримав необхідний документ тільки через 20 років, коли термін його дії вже закінчився. Але пріоритет винаходу за СРСР зберігся. Жив би вчений на Заході - давно б став мультимільйонером.

Через якийсь час після Гулиа супермаховик винайшли і на Заході, і через роки йому знаходять безліч застосувань. У різних країнах розробляються проекти маховикові машин. Американські фахівці створюють безпілотний вертоліт, в якому замість двигуна використовують супермаховики. Відправляють супермаховики і в космос. Там для них особливо сприятливе середовище: в космічному вакуумі немає аеродинамічного опору, а невагомість усуває навантаження на підшипники. Тому на деяких супутниках зв'язку застосовуються супермаховичного накопичувачі - вони довговічніші електрохімічних акумуляторів і можуть довгий час постачати апаратуру супутника енергією. Нещодавно в США стали розглядати можливість застосування супермаховиков як джерела безперебійного живлення для будинків. Там уже працюють електростанції, які під час піку споживання енергії збільшують потужність за рахунок маховикові накопичувачів, а при спаді, зазвичай у нічний час, направляють надлишки енергії на розкручування маховиків. В результаті у електростанції значно підвищується ККД роботи. Крім того, втрати енергії в супермаховик складають всього 2% - це менше, ніж у будь-яких інших накопичувачів енергії.

Професор Гулиа теж часу дарма не втрачав: створив дуже зручну маховикові дриль, розробив перший у світі гібридний маховикові автомобіль на базі УАЗ-450Д - він виявився удвічі економічніше звичайної машини. Але головне - професор постійно удосконалює різні елементи своєї маховикові концепції, щоб зробити її по-справжньому конкурентоспроможною.

Чудо-махомобілі

Чи можна вивести супермаховик на рівень найбільш ємних акумуляторів? Виявляється, це не проблема. Якщо замість стали використовувати більш міцні матеріали, то пропорційно зросте і енергоємність. Причому, на відміну від електрохімічних акумуляторів, тут практично немає стелі.

Супермаховик з кевлара на випробуваннях при тій же масі накопичував в чотири рази більше енергії, ніж сталевий. Супермаховик, навитий з вуглеволокна, може в 20-30 разів перевершити сталевий по щільності енергії, а якщо використовувати для його виготовлення, наприклад, діамантове волокно, то накопичувач придбає фантастичну енергоємність - 15 МДж / кг. Але і це не межа: сьогодні за допомогою нанотехнологій на основі вуглецю створюються волокна фантастичною міцності. «Якщо з такого матеріалу навити супермаховик, - розповідає професор, - щільність енергії може досягти 2500-3500 МДж / кг. А значить, 150-кілограмовий супермаховик з такого матеріалу здатний забезпечити легковому автомобілю пробіг в два з гаком мільйона кілометрів з однієї прокрутки - більше, ніж може витримати шасі машини ».

За рахунок того що супермаховик обертається у вакуумі, а його вісь закріплена в магнітній підвісці, опір при обертанні виявляється мінімальним. Можливо, такий супермаховик може крутитися до зупинки багато місяців. Однак машина, здатна працювати протягом всього терміну служби без заправок, поки ще не винайдено. Потужності сучасних електростанцій безумовно не вистачить для зарядки таких серійних чудо-махомобілей.

Але саме автотранспорт, вважає професор, найкраща сфера застосування супермаховиков. І показники машин проекту Гулиа, на яких він планує використовувати супермаховики, не менше дивовижні. За оцінкою вченого, «здоровий» витрата палива у бензинового автомобіля повинен становити приблизно 1,5 л на 100 км, а у дизельного - 1,2 л.

Як таке можливо? «В енергетиці є неписаний закон: при однакових капіталовкладень завжди економічніший привід, в якому немає перетворень видів і форм енергії, - пояснює професор. - Двигун виділяє енергію у вигляді обертання, і провідні колеса автомобіля споживають цю енергію теж у вигляді обертання. Значить, не треба перетворювати енергію двигуна в електричну і назад, досить передавати її від двигуна до коліс через механічний привід ».