Емкостно-кинетический источник энергии
Полезная модель может быть использована в области электротехники, в системах аккумулирования электроэнергии, содержащих механические и электрические накопители энергии. Сущность изобретения: конденсаторная батарея, собранная из последовательно-параллельно, включенных, импульсных конденсаторов конструктивно закрепленных на маховике на его периферии, выводы батареи соответствующей полярности подключены к контактным кольцам, установленным на валу маховика и оснащенным щеточно-контактным аппаратом для включения в силовую цепь электрической машины. Широко известны средства для кратковременного накопления энергии: маховик (накопитель кинетической энергии), емкость (накопление энергии в электростатическом поле) и индуктивность (накопление энергии в электромагнитном поле). Степень эффективности маховика как накопителя энергии зависит от его размеров и массы, а также от частоты его вращения и диапазона ее изменений, за счет которого и происходит накопление и отдача кинетической энергии. Но по сравнению с индуктивностью и емкостью маховики имеют плотность накапливаемой энергии в десятки-сотни раз больше и используются в электроприводах с ударной нагрузкой (прокатные станы, штампы и др.) и транспортных средствах. Использование емкостных накопителей становится эффективным в связи с разработкой за рубежом и в России конденсаторов с двойным электрическим слоем, получившими название в России - импульсные конденсаторы сверхвысокой энергоемкости (ИКЭ). Они в наибольшей степени отвечают требованиям по плотностям энергии и мощности, предъявляемым к накопителям электроэнергии для транспортных средств. Поставленная задача решается тем, что в емкостно-кинетическом источнике электроэнергии, содержащем конденсаторную батарею, включенную в силовую цепь электрической машины постоянного тока, и маховик, вал которого сопряжен с ее валом через муфту сцепления и механическую передачу, согласно изобретению конденсаторная батарея собрана из последовательно-параллельно соединенных импульсных конденсаторов сверхвысокой энергоемкости и конструктивно объединена с маховиком путем закрепления на его периферической поверхности, а выводы батареи соответствующей полярности подключены к контактным кольцам, каждое из которых установлено на валу маховика и снабжено щеточно-контактным аппаратом для включения в силовую цепь электрической машины.
Полезная модель может быть использована в области электротехники, в системах аккумулирования электроэнергии, содержащих механические и электрические накопители энергии.
Сущность изобретения: конденсаторная батарея, собранная из последовательно-параллельно, включенных импульсных конденсаторов конструктивно закрепленных на маховике на его периферии, выводы батареи соответствующей полярности подключены к контактным кольцам, установленным на валу маховика и оснащенным щеточно-контактным аппаратом для включения в силовую цепь электрической машины.
Широко известны средства для кратковременного накопления энергии: маховик (накопитель кинетической энергии), емкость (накопление энергии в электростатическом поле) и индуктивность (накопление энергии в электромагнитном поле).
Степень эффективности маховика как накопителя энергии зависит от его размеров и массы, а также от частоты его вращения и диапазона ее изменений, за счет которого и происходит накопление и отдача кинетической энергии. Но по сравнению с индуктивностью и емкостью маховики имеют плотность накапливаемой энергии в десятки-сотни раз больше и используются в электроприводах с ударной нагрузкой (прокатные станы, штампы и др.) и транспортных средствах.
С другой стороны, использование маховика в электромеханической системе возможно лишь при наличии на его валу электромашинного преобразователя энергии, что делает данный способ накопления пригодным в случае относительно малой мощности (см., например, "Rayway Gazette", September, 1976). Поэтому при малых количествах накапливаемой энергии, индуктивность и емкость как накопителя электроэнергии становятся более экономичными, чем маховик. Они включаются в силовую цепь электрической машины.
Для длительного накопления и расходования электроэнергии наиболее подходящим средством являются, как известно, химические источники тока того или иного типа, в том числе аккумуляторы.
Известны также технические решения по электромобилям с гибридным приводом, включающие в состав оборудования кинетические (маховики) и емкостные накопители электроэнергии для увеличения количества накапливаемой энергии при торможении и улучшения динамических качеств электромобиля при использовании химического источника тока в качестве первичного источника электроэнергии (см. например. Автомобильная промышленность США, 1993, N 3, стр.3).
Использование емкостных накопителей становится эффективным в связи с разработкой за рубежом и в России конденсаторов с двойным электрическим слоем, получившими название в России - импульсные конденсаторы сверхвысокой энергоемкости (ИКЭ).
Они в наибольшей степени, отвечают требованиям по плотностям энергии и мощности, предъявляемым к накопителям электроэнергии для транспортных средств.
Задачей полезной модели является создание емкостно-кинетического источника с высокой плотностью энергии, конструктивно объединяющего конденсаторную батарею и маховик и сочетающего их достоинства.
Поставленная задача решается тем, что в емкостно-кинетическом источнике электроэнергии, содержащем конденсаторную батарею, включенную в силовую цепь электрической машины постоянного тока, и маховик, вал которого сопряжен с ее валом через муфту сцепления и механическую передачу, согласно изобретению конденсаторная батарея собрана из последовательно-параллельно соединенных импульсных конденсаторов сверхвысокой энергоемкости и конструктивно объединена с маховиком путем закрепления на его периферической поверхности, а выводы батареи соответствующей полярности подключены к контактным кольцам, каждое из которых установлено на валу маховика и снабжено щеточно-контактным аппаратом для включения в силовую цепь электрической машины.
Отличительными признаками предлагаемого емкостно-кинетического источника по сравнению с известными источниками являются:
- конденсаторная батарея собрана из последовательно-параллельно соединенных ИКЭ;
- ИКЭ закреплены на периферической поверхности маховика;
- выводы соответствующей полярности конденсаторной батареи подключены к контактным кольцам;
- каждое контактное кольцо установлено на валу маховика и снабжено щеточно-контактным аппаратом для включения в цепь электрической машины.
При этом повышается плотность аккумулированной электроэнергии (кДж/кг) за счет увеличения энергозапаса накопителя, так как суммируются количество энергии маховика и конденсаторной батареи и снижается их суммарная масса, поскольку ИКЭ с энергозапасом 90-140 кДж и более являются, как правило, материалоемкими и составляют ощутимую долю в массе оборудования источника, совмещаются с маховиком и участвуют в накоплении кинетической энергии маховиком. Подключение выводов конденсаторной батареи соответствующей полярности к контактным кольцам, установленным на валу маховика и снабженные щеточно-контактным аппаратом, позволяет осуществить включение конденсаторной батареи в цепь емкостно-кинетического источника с наименьшими потерями.
На фиг.1 показана принципиальная электрическая и конструктивная схема емкостно-кинетического источника согласно полезной модели; на фиг.2 - вариант конструктивного объединения маховика с конденсаторной батареей согласно полезной модели.
Источник содержит электрическую машину постоянного тока независимого возбуждения или с постоянным магнитом 1, вращающуюся с
частотой вращения n1, механическую передачу 2, муфту сцепления 3, маховик 4, на периферической поверхности которого установлены конденсаторы 5 собранные в конденсаторную батарею (на фиг.1 представлен вариант с батареей из 6 конденсаторов): На валу маховика 4, вращающегося с частотой n 1, установлено контактное кольцо 6 положительной полярности с щеточно-контактным аппаратом 9. Выводы 10 и 11 источника служат для его подключения в электромеханическую систему, где требуется электрическая и/или кинетическая энергия. Для расширения функциональных возможностей электрическая схема источника содержит также выключатели 12 и 13. Выводы конденсаторов 5 одноименной полярности 14 соединены шинами 15 в батарею, каждый вывод 16 которой подсоединен к соответствующему контактному кольцу 6 и 8.
Емкостно-кинетический источник работает следующим образом.
При подключенных к электромеханической система выводах 10 и 11 и замкнутых выключателях 12 и 13 электрическая машина 1 работает в режиме двигателя и при сопряженных с помощью механической передачи 2 и муфты 3 валах машины 1 и маховика 4 раскручивает его до частоты вращения n2 , заряжая его кинетической энергией. Одновременно, при замкнутом выключателе 13, происходит заряд конденсаторной батареи от источника энергии электромеханической системы (например, ветрогенератор) по электрической цепи через щеточно-контактный аппарата.
При изменении режима работы электромеханической системы, когда электрическая машина 1 переходит в режим генератора, происходит отдача энергии (разряд) конденсаторной батареи по той же электрической цепи как машине 1, так и электромеханической системе. Одновременно накопленная кинетическая энергия маховика преобразуется с помощью машины 1 в электрическую и возвращается электромеханической системе.
Емкостно-кинетический источник имеет более широкие функциональные возможности по сравнению с отдельно взятыми маховиком и конденсаторной батареей. Так при разомкнутом ключе 12 или муфте 3 маховик неподвижен и функционирует в качестве накопителя только конденсаторная батарея. С другой стороны, при разомкнутом ключе 13 не функционирует в качестве накопителя конденсаторная батарея. Таким образом, в зависимости от алгоритма работы электромеханической системы возможно оптимальное (в том числе порционное) использование энергии.
Предлагаемое изобретение может быть эффективно использовано в возобновляемых источниках энергии (ветрогенераторы), транспортных средствах с электромеханической передачей (электромобили, городской транспорт, электровозы для откачки угля, маневровые суда в гаванях и др.)
Емкостно-кинетический источник энергии, содержащий конденсаторную батарею, включенную в силовую цепь электрической машины постоянного тока, и маховик, вал которого сопряжен с ее валом через механическую передачу и муфту сцепления, отличающийся тем, что конденсаторная батарея собрана из последовательно-параллельно соединенных импульсных конденсаторов сверхвысокой энергоемкости и конструктивно объединена с маховиком путем закрепления на его периферической поверхности, а выводы батареи соответствующей полярности подключены к контактным кольцам, каждое из которых установлено на валу маховика и оснащено щеточно-контактным аппаратом для включения в силовую цепь электрической машины.
