Кинетический накопитель энергии

Предлагаемая полезная модель относится к электроэнергетике, в частности к кинетическим накопителям энергии (КНЭ) с использованием высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) и высокоэнергетических постоянных магнитов, которые предназначены для накопления, хранения и отдачи электроэнергии и работы в качестве резервных источников питания ответственных потребителей (автономных энергетических установок, транспортных систем, бортового оборудования, технологической аппаратуры, электрофизических стендов, крупных вычислительных и медицинских центров, резервных и аварийных источников электроэнергии и т.п.). Кинетический накопитель энергии содержит корпус 1, в котором размещен мотор-генератор, включающий статор 2 с многофазной многополюсной обмоткой 3, полюса ротора 4, маховик 5, магнитный ВТСП подвес, содержащий постоянные магниты 6 и кольцевой блочный массив 8. Маховик выполнен в форме диска с осевым отверстием, внутри которого размещен мотор-генератор. Полюса ротора мотор-генератора размещены в теле маховика. Постоянные магниты ВТСП подвеса размещены на нижней поверхности маховика и выполнены в виде соосных колец, разделенных проставками из немагнитного материала 7. Маховик снабжен опорой чашеобразной формы с конусообразной торцевой поверхностью, которая установлена соосно с валом мотор-генератора. Полезная модель позволяет повысить плотность энергии, улучшить массогабаритные и энергетические (КПД) показатели и обеспечить высокую надежность КНЭ. 1 илл.

Предлагаемая полезная модель относится к электроэнергетике, в частности к кинетическим накопителям энергии (КНЭ), которые предназначены для накопления, хранения и отдачи электроэнергии и работы в качестве резервных источников питания ответственных потребителей (автономных энергетических установок, транспортных систем, бортового оборудования, технологической аппаратуры, электрофизических стендов, крупных вычислительных и медицинских центров, резервных и аварийных источников электроэнергии и т.п.). КНЭ могут использоваться для улучшения показателей энергосистем при кратковременном включении потребителей повышенной мощности (компенсировать пиковые нагрузки) и повышения устойчивости работы энергоустановок и систем электроснабжения. В этом случае КНЭ являются рекуператорами энергии между генерирующими установками и потребителями, работающими в нестационарных режимах.

В качестве основных типов подшипников для КНЭ обычно рассматриваются механические, газодинамические, электромагнитные и магнитные. В настоящее время большое внимание уделяется исследованию магнитных опор на основе массивных высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) элементов и постоянных магнитов (ПМ). Такие магнитные ВТСП опоры обеспечивают значительное снижение потерь кинетической энергии при вращении маховика КНЭ за счет снижения потерь на трение в подшипниках. Как показали исследования, использование в составе КНЭ магнитного ВТСП подвеса позволяет обеспечить сохранение запасенной энергии практически без потерь.

Известны кинетические накопители энергии с ВТСП подвесом [1-5].

Общий недостаток известных устройств состоит в том, что не обеспечивается необходимая устойчивость и жесткость маховика КНЭ в радиальном и осевом (вертикальном) направлениях, которые определяют надежность конструкции.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является кинетический накопитель энергии [5], содержащий корпус, в котором размещен мотор-генератор, включающий статор с многофазной многополюсной обмоткой, полюса ротора, маховик, магнитный ВТСП подвес, содержащий постоянные магниты и кольцевой блочный ВТСП массив.

Техническим результатом использования данной полезной модели является повышение надежности и КПД за счет отсутствия механических потерь, а также улучшение массогабаритных и энергетических показателей.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в кинетическом накопителе энергии, содержащем корпус, в котором размещен мотор-генератор, включающий статор с многофазной многополюсной обмоткой, полюса ротора, маховик, магнитный ВТСП подвес, содержащий постоянные магниты и кольцевой блочный ВТСП массив, мотор-генератор размещен внутри маховика, выполненного в форме диска с осевым отверстием, полюса ротора мотор-генератора размещены в теле маховика, постоянные магниты ВТСП подвеса размещены на нижней поверхности маховика и выполнены в виде соосных колец, разделенных проставками из немагнитного материала, дополнительно введена опора маховика чашеобразной формы с конусообразной торцевой поверхностью, которая установлена соосно с валом мотор-генератора с возможностью осевого перемещения, осевого вращения, и взаимодействующая с нижней частью внутренней поверхности маховика, которая выполнена конусообразной.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, где применен радиальный магнитный ВТСП подвес, в конструкции данного КНЭ используется аксиальный магнитный ВТСП подвес, который обеспечивает высокую устойчивость и жескость КНЭ в радиальном и осевом направлениях, более высокую компактность и повышение плотности запасаемой энергии за счет высоких значений создаваемых вертикальной силы левитации и возвратных боковых сил. При этом обеспечиваются высокие значения КПД за счет отсутствия механических потерь. Чашеобразная опора обеспечивает дополнительную надежность КНЭ в аварийных режимах работы (при снижении силы левитации в связи с исчезновением эффекта сверхпроводимости). Кроме того, чашеобразная опора обеспечивает устойчивость КНЭ при его запуске при раскрутке маховика с нулевых скоростей до 10-15% номинальных оборотов. Размещение мотор-генератора в осевом отверстии маховика и расположение полюсов ротора в теле маховика позволяет улучшить массогабаритные характеристики КНЭ и повысить КПД по сравнению с прототипом благодаря возможности уменьшения потерь холостого хода при хранении энергии путем удаления статора мотор-генератора из активной зоны.

Продольный разрез кинетического накопителя энергии показан на фиг.1.

Кинетический накопитель энергии содержит корпус 1, в котором размещен мотор-генератор, включающий сердечник статора 2 мотор-генератора, который может быть выполнен либо ферромагнитным, либо безжелезным, имеющий пазы, распределенные по его наружной поверхности, в которых размещена многофазная многополюсная обмотка 3, маховик 5 в форме дискообразного ненасыщенного (µ_Fe) ферромагнитопровода, с осевым отверстием с закрепленными на его внутренней поверхности полюсами ротора 4 мотор-генератора из РЗМ постоянных магнитов, магнитный аксиальный ВТСП подвес, содержащий расположенные на нижней поверхности маховика постоянные магниты 6, разделенные проставками из немагнитного материала 7 (дюраль, пластик и др.), и кольцевой блочный массив 8 из ВТСП керамики, например YBCO, размещенной в неподвижном криостате 9 и работающей в криогенной среде при температуре жидкого азота (77,8 К). Для удержания маховика 5 при активации магнитного ВТСП подвеса при захолаживании ВТСП керамики и в случае расхолаживания магнитного ВТСП подвеса на валу в подшипниках размещена чашеобразной формы опора 10 с конусообразной торцевой поверхностью, позволяющая центрировать маховик 5. В нижней части криостата выполнены отверстия для заполнения его внутренней полости с ВТСП керамикой жидким азотом 11 и отвода газообразного азота 12.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

За счет взаимодействия магнитного поля постоянных магнитов ВТСП подвеса и активированных ВТСП блоков после опускания опоры 10 маховик 5 КНЭ левитирует над криостатом 9 и одновременно удерживается от смещения в радиальном направлении. При электромагнитном взаимодействии полюсов вращающегося магнитного поля обмотки статора 3 мотор-генератора и полюсов ротора 4 мотор-генератора возникает момент, который будет разгонять маховик 5 до заданной частоты вращения. При этом кинетическая энергия, накопленная маховиком в процессе заряда, сохраняется длительное время ввиду отсутствия потерь в опорах и при необходимости отбирается мотор-генератором.

Данная полезная модель положена в основу разрабатываемого КНЭ с запасаемой энергией 0,5 МДж. Результаты проектных расчетов позволяют заключить, что данная конструкция обеспечивает повышение надежености, плотности энергии и улучшение массогабаритных показателей по сравнению с прототипом.

По мнению авторов, предлагаемая модель может быть использована в промышленности по назначению, а совокупность ее существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявленного технического результата.

Литература

1. Canders W.-R., May H., Hoffmann J. Contactless magnetic bearings for flywheel energy storage systems // Proceedings 8-th International Symposium on Magnetic Suspension Technology (ISMST). Dresden, Germany, September 26-28, 2005, 246-255.

2. Tsukamoto O., Utsunomiya A. A method to suppress fluctuations of rotor shaft of flywheel energy storage system by controlling armature currents of motor generator // Proceedings 8-th International Symposium on Magnetic Suspension Technology (ISMST). Dresden, Germany, September 26-28, 2005, 271-275.

3. Ichihara T. et al. // IEEE Trans. on Applied Superconductivity, Vol.15, No 2 (2005), 2245-2248.

4. Day A. et al. // IEEE Trans. on Applied Superconductivity, Vol.13, No 2 (2003), 2179-2184.

5. Werfel F.N. et al. 250 kW flywheel with HTS magnetic bearing for industrial use. // J.Phys.: Conf. Ser. 97 (2008) 012206 (8pp).

Литература (перевод)

1. Кендерз В.-Р., Мэй X., Хоффман Ж. Бесконтактные магнитные подшипники, применяемые в маховиках системы накопления энергии // Работы 8 международного симпозиума по теме «Технология магнитного подвеса». Дрезден, Германия, 26-28 сентября, 2005, 246-255.

2. Цукамото О., Уцумия А. Метод гашения колебаний ротора маховика системы накопления энергии путем контроля арматуры мотор-генератора // Работы 8 международного симпозиума по теме «Технология магнитного подвеса». Дрезден, Германия, 26-28 сентября, 2005, 271-275.

3. Ичихара Т. И др. // Публикации ИИЭР по прикладной сверхпроводимости, т.15, 2 (2005), 2245-2248.

4. Дэй А. и др. // Публикации ИИЭР по прикладной сверхпроводимости, т.13, 2 (2003), 2179-2184.

5. Верфел Ф.Н. и др. Маховик в 250 кВт с ВТС магнитным подшипником для промышленного использования. // Физический журнал: Конф. Сер. 97 (2008) 012206 (8pp).

Кинетический накопитель энергии, содержащий корпус, в котором размещен мотор-генератор, включающий статор с многофазной многополюсной обмоткой, полюса ротора, маховик, магнитный высокотемпературный сверхпроводниковый (ВТСП) подвес, содержащий постоянные магниты и кольцевой блочный ВТСП массив, отличающийся тем, что мотор-генератор размещен внутри маховика, выполненного в форме диска с осевым отверстием, полюса ротора мотор-генератора размещены в теле маховика, постоянные магниты ВТСП подвеса размещены на нижней поверхности маховика и выполнены в виде соосных колец, разделенных проставками из немагнитного материала, дополнительно введена опора маховика чашеобразной формы с конусообразной торцевой поверхностью, которая установлена соосно с валом мотор-генератора с возможностью осевого перемещения, осевого вращения, и взаимодействующая с нижней частью внутренней поверхности маховика, которая выполнена конусообразной.