Вращающаяся армия бережёт 60 герц стабильного электричества
С старейших времён люди применяют маховики. Хотя бы отыщем в памяти гончарный круг. В век автомобилей маховики уже возможно было встретить везде.
Но, если вы посчитаете, сколько энергии возможно «втиснуть» в несложный поворачивающийся диск — станете разочарованы. А уж идея о том, что маховики смогут накапливать многие гигаджоули в громадных хранилищах, думается нелепицей. Либо нет?
Окунувшись на минутку в историю маховиков, легко нужно сообщить «благодарю!» отечественному соотечественнику. В 1964-м учёный и инженер Нурбей Владимирович Гулиа (сейчас — доктор наук Столичного национального индустриального университета) изобрёл супермаховик: накопитель энергии, выполненный не из целого диска, а намотанный из сотен либо кроме того тысяч слоёв узкой металлической (позднее — пластиковой) ленты и помещённый (для сокращения утрат на трение) в вакуумированный кожух.
Супермаховик может собирать много энергии на единицу собственного веса. Так как определяются его энергетические возможности, первым делом, предельной скоростью вращения (во вторую — массой), а скорость именно зависит от прочности выбранного материала.
Доктор наук Гулиа, изобретатель супермаховика (фото с сайта msiu.ru).
Современные супермаховики, намотанные из углеродного волокна, показывают удельную ёмкость порядка 80-130 ватт-часов на килограмм, что, само собой разумеется, пара уступает показателям лучших литий-ионных аккумуляторная батарей. Но накопители на маховиках имеют собственные преимущества. К примеру – умеренную цену, полную безопасность и превосходную долговечность для экологии.
Ещё супермаховик может вращаться весьма долго с минимальными утратами. И, наконец, супермаховик куда более надёжен при разрушении, чем целый диск. Фактически безопасность была одним из основных козырей идеи Гулиа, в то время, когда он заменил целой диск ленточным.
Сам Нурбей Владимирович ещё 30-40 лет назад вовсю экспериментировал с супермаховиками, первым делом, как с накопителями энергии для машин а также выстроил пара образцов для того чтобы транспорта.
С маховиками в качестве накопителей энергии экспериментирует и NASA, в лице исследовательского центра Гленна. Примечательно, что речь заходит не об аккумуляторная батареях для космических аппаратов, а об источниках бесперебойного питания для лабораторий и зданий. На снимке — G2 Flywheel, 2004 год (фото NASA).
О применении супермаховиков в качестве огромных аккумуляторная батарей в энергетической отрасли – Гулиа также думал. Изобретатель, учёный и преподаватель занимается данной темой до сих пор. Ему в собственности последовательность патентов в данной сфере (не считая, к слову, массы изобретений в других областях техники).
Но идея-идеей, а до практики иногда расстояние огромная. Особенно, в случае если мы говорим о применении супермаховиков для хранения более либо менее промышленных количеств энергии и не в лабораториях, а в самых простых действующих энергосетях. Слышали о таком?
Верно — это до тех пор пока ещё большая редкость. Только сейчас кое-какие компании на Западе начали такую работу.
И вот сейчас переместимся в Соединенных Штатах и Сейчас. Американская компания Beacon Power, основанная во второй половине 90-ых годов двадцатого века, сделала громадной ход в этом направлении, создав целую линейку тяжёлых стационарных супермаховиков, предназначенных как раз для включения в промышленные энергосети.
Контейнер, что грузят на автомобильную платформу, это «большая батарейка». О её устройстве — ниже (фото Beacon Power).
Её накопители являются цилиндрические ёмкости, высотой приблизительно по пояс человеку либо по грудь (а следующие модели будут уже выше человека), в которых на активных магнитных подшипниках и подвешены супермаховики.
Выполнены они из огромного числа слоёв углеволоконного композита, так что смогут раскручиваться до штатных 22,5 тысяч оборотов в 60 секунд. Вес их, к слову, образовывает много килограммов, а вместе с прочей начинкой и корпусом – более тонны (зависит от модели).
На металлическом валу маховика, в том месте же — в герметичного металлического цилиндра, установлен ротор высокоэффективной обратимой электрической автомобили — мотора-генератора (она выполнена на постоянных магнитах), что и раскручивает маховик при приёме энергии и производит ток — при подключении нагрузки.
Вытянутые вверх цилиндры с цилиндрическими же маховиками в – передовые разработки Beacon Power (иллюстрации Beacon Power).
Расчётный срок работы данной конструкции — 20 лет, диапазон рабочих температур — от минус 40 до плюс 50 по шкале Цельсия. Ещё заявлена устойчивость совокупности к землетрясениям — 40 секунд без повреждений при силе толчков до 7,6 по шкале Рихтера. Согласитесь, для химических аккумуляторная батарей трудновато было бы обеспечить все эти показатели.
Самые свежие созданья компании: маховичные накопители Smart Energy 6 и Smart Energy 25 с количеством накапливаемой энергии в 6 и 25 киловатт-часов соответственно и с мощностью (которая может ими поглощаться либо вырабатываться) в 2 и 200 киловатт (это максимум, номинал у данной модели — 100 киловатт).
Beacon Power информирует, что утрата энергии, закачанной и позднее забранной из этих накопителей, образовывает 2%, что заметно лучше, чем у совокупностей хранения энергии, основанных на иных правилах (химические аккумуляторная батареи, буферные водохранилища с насосами для подъёма воды и турбинами-генераторами). Ясно, что семь дней и месяцы порцию киловатт-часов в маховиках никто хранить не собирается, да это и нереально. Речь заходит об их работе в качестве буфера, компенсирующего спады потребления и резкие пики в течении 24 часов.
Устройство супермаховичного накопителя Beacon Power Smart Energy (иллюстрация Beacon Power).
Комплекты из множества таких накопителей, включённых параллельно, смогут впитывать приличные количества энергии, но основное — смогут делать это весьма скоро и столь же скоро — отдавать накопленное. И потому для Beacon Power единичные накопители – это промежуточный этап.
Сейчас необходимо сообщить несколько слов об экономике. Нам легко представить, что в условиях разветвлённых энергетических множества и сетей местных поставщиков энергии (как и обстоит дело в тех же США) начинается рынок электричества.
Но куда менее как мы знаем, что в том месте же действует и многомиллионный так называемый рынок регулирования частоты тока, которая из-за потребителей то включающих, то выключающих всяческие лампочки с кондиционерами имеет тенденцию прыгать в стороны от номинала (в Соединенных Штатах эта частота — 60 герц, но все модели накопителей Beacon Power, к слову, смогут переключаться и на европейские 50 герц).
Помощь частоты тока в заданных пределах – головная боль энергетиков (фотографии Beacon Power).
Несложнее говоря, энергокомпании, испытывающие неприятности с мгновенным подключением и наличием резервных мощностей в пики нагрузки и с проблемой «лишней» энергии в моменты спада потребления, заключают договора с маленькими компаниями на услугу «регулирование частоты».
Дело в том, что промышленные генерирующие мощности, типа тепловых электростанций, гонять то «вверх», то «вниз» энергетически не выгодно, а вдруг сказать практически о секундной оперативности в трансформации мощности, то и попросту – нереально. Это не автомобиль, в котором стоит лишь надавить на педаль газа, и мотор быстро усиливается .
Вот для таких одолжений Beacon Power и предлагает использовать целые кластеры маховичных накопителей с соответствующей управляющей электроникой, каковые владеют высокой пиковой мощностью и смогут весьма скоро реагировать на скачки частоты в подключённой к ним сети.
Комплекс Smart Energy Matrix легко перевезти в необходимое место. Для монтажа нужна маленькая пучок проводов и «свободная площадка» (иллюстрация Beacon на данный момент).
Данный проект Beacon Power именуется Smart Energy Matrix.
В конечном виде он будет воображать собой 18-тонный контейнер (морской, 30-футовый), содержащий 10 маховичных накопителей Smart Energy 25, с суммарной продолжительной мощностью в 1 милионов ватт (ненадолго, в пара мин., и до 2 милионов ватт) и с накапливаемой энергией — до 250 киловатт-часов. Время реакции всей данной совокупности на уход частоты в подшефной сети – порядка 5 миллисекунд.
Настоящие Smart Energy Matrix, правда, пока размером мельче, проходят на данный момент опробования в городах Амстердам (штат Нью-Йорк) и Сан-Рамон (Калифорния). На снимке под заголовком и на кадре с погрузкой – эти экземпляры.
Первый пример Smart Energy Matrix с семью накопителями (фото Beacon Power).
Любая совокупность является контейнеромс 7 накопителями Smart Energy 6 суммарной пиковой мощностью в 100 киловатт (в течение 15 мин.) и количеством накапливаемой энергии в 42 киловатт-часа.
А в следующем году компания собирается выстроить полноразмерный пример Smart Energy Matrix.
Дальше – ещё увлекательнее. В замыслах компании – строительство целых стационарных комплексов по регулированию частоты тока (и поставке мощностей в пик нагрузки сети). Причём компания собирается не только предложить таковой продукт клиентам, но сперва выстроить в различных регионах такие фабрики для собственного владения.
Beacon Power станет не только поставщиком оборудования, но и сама выйдет на рынок регулирования частоты тока.
Frequency Regulation Plant – регулирующий частоту тока завод проекта Beacon Power (иллюстрация Beacon Power).
20-мегаваттный (по большой мощности, выдаваемой либо, напротив, впитываемой в течение 15 мин.) регулирующий завод обязан состоять аж из 200 супермаховиков. Их суммарный запас энергии составит 5 мегаватт-часов.
Поглощая либо выдавая по первому требованию эти самые 20 милионов ватт мощности, такое сооружение (занимающее, к слову, площадь всего в 20 соток, включая всё сопутствующее оборудование) способно снабжать 40-мегаваттную «вилку» в реагировании той либо другой электросети на колебания в потреблении энергии.
Наряду с этим время полной реакции, другими словами время, требуемое на подключение в сеть всей собственной пиковой мощности, у данного завода составит менее 4 секунд! Попытайтесь-ка на классической электростанции добавить к выходу в сеть дополнительные 20 милионов ватт за такое маленькое время. Да и резкий спад нагрузки кроме этого для простой сети неприятен.
Регулирующий завод изнутри (иллюстрация Beacon Power).
Время реакции классической электростанции и классической распределительной сети на резкий и сильный уход частоты в сторону от номинала образовывает 60 секунд. Наряду с этим работа автоматики, защищающей совокупность от перегрузок, повысит возможность аварийного отключения потребителей.
Не забывайте электрические «затмения» целых городов в Северной Америке, произошедшие из-за цепного отключения мощностей? Инженеры Beacon Power считают, что постройка сети регулирующих фабрик на базе широких «парков» супермаховиков разрешит существенно снизить возможность повторения таких неприятных аварий.
В силу последовательности изюминок устойчивость русском энергосистемы к колебательным процессам нагрузки заметно выше, чем у энергосетей США.
Но, пожалуй, необычных кластеров массивных супермаховиков, аналогичных разработкам Beacon Power, в отечественной энергетике не отмечается по совсем иным обстоятельствам. Обстановка, в то время, когда мысль рождается у нас, а воплощается – на Западе, возможно сообщить, классическая.
Жалко. За Гулиа.
Обновление от 02.06.11: Компания Beacon Power возвела в городе Стивентаун (Stephentown), штат Нью-Йорк, первый в мире кластер из 200 маховичных накопителей с суммарной мощностью 20 милионов ватт (не смотря на то, что первое время парк сможет «перехватывать» лишь 18 милионов ватт).
Первая в собственном роде станция, открытая в Стивентауне (фото Beacon Power).
