Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Cтатьи / Источники энергии
Начало сайта / Cтатьи / Источники энергии

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Вода знакомая и загадочная

Как люди научились летать

Механизм ответственной власти

Плеяда великих медиков

Сын человеческий

Цепная реакция идей

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Научно-популярные статьи

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

Что может дать миру энергетический «сверхбанк»

Нурбей Гулиа, Александр Лаврентьев

Энергия, вырабатываемая мощными современными электростанциями (ГЭС, ТЭС, АЭС), не может быть использована сразу. Потребление регулярно снижается в суточных и сезонных циклах. Выработанную энергию необходимо накапливать в гигантских объёмах. Использование сверхпрочного материала графена в супермаховичных накопителях энергии открывает грандиозные перспективы повышения эффективности энергетических систем.

Вспомним, как развивались основные направления экономического прогресса в мире. Возьмём, например, торговлю. Вначале это был обмен товарами, например, 1 баран за 2 топора, или наоборот – 2 барана за 1 топор (подробнее см. у Маркса в его «Капитале»). Потом появились рынки, ещё позже – крупные торговые компании. А сейчас – только посмотрите на рекламы в интернете, и всё будет понятно. Дошли, как говорится, до предела.

Или финансовый бизнес. Вначале носили с собой золотые и серебряные прутки и обрубали их на кусочки требуемого веса. Ими и расплачивались. Затем появились деньги, которые удобнее хранить и ими удобно расплачиваться – не надо рубить на куски прутки из драгметалла. А уж затем появились всесильные банки (имеются в виду не стеклянные банки, а денежные!), которые превратились в крупнейших поставщиков денег.

Вот примерно так же происходило и с энергетикой. Вначале для выполнения ручных работ использовалась мышечная энергия людей, а потом и их животных (вспомните хотя бы «лошадиную силу»). Затем придумали и другие источники энергии – силу ветра, солнечное тепло, водные течения (ГЭС), горение топлива (ТЭС или ТЕЦ), а потом уже и атомную энергию (АЭС). Всё было бы хорошо, если бы вся вырабатываемая энергия могла быть сразу же и использована, но это возможно далеко не всегда.

Ветер, например, дует не по заказу, а «когда ему хочется». Так же и солнце, его силой из-за туч не вытащишь. Да и течение реки не прекратишь, чтобы дать ГЭС отдохнуть; можно только иногда сливать часть воды в водохранилище. Мы уже не говорим об атомной энергии, которой за её ненадобностью приходилось согревать реки – в них так приятно было купаться!

Как было бы хорошо позволить этим ГЭС, АЭС и прочим источникам энергии работать с их полной мощностью и полезно использовать всю вырабатываемую ими энергию. Да не получается: ночью, например, обычно не нужно освещения; летом – отопления; электротранспорту не нужно энергии на стоянках. И так можно продолжать практически до бесконечности.

Вот и стали люди думать, как бы эту энергию накапливать (ну прямо как денежки в банках), а потом расходовать по необходимости. И стали подавать насосами воду в водохранилища на горках, а потом при её спуске извлекать накопленную энергию (вернее её жалкие остатки). Стали наливать разогретую воду в термосы и сохранять её там, пока обогрев не нужен. Или раскручивать невостребованной энергией маховики, накапливая в них кинетическую энергию, чтобы её потом использовать.

Заметим, что первый маховик в виде гончарного круга был изготовлен и применён ещё в древней Месопотамии. Но не давал маховик той энергетической отдачи, которой от него ожидали. Не выдерживал материал маховика быстрого вращения и разрывался, поражая всё вокруг своими быстрыми как пушечные ядра осколками. Поэтому и не доводили эти маховики, преимущественно чугунные и стальные, до опасных оборотов (снижали скорость вращения в 3...5 раз), довольствуясь энергетическими крохами. Поясним: ограничивая обороты, мы катастрофически снижаем запас энергии в маховиках. Например, убавляя обороты в 3 раза, мы уменьшаем запас накопленной энергии в 9 раз, а если в 5 раз – то в 25! Таковы неумолимые законы физики! И чтобы сделать использование маховиков полезнее, надо было, в первую очередь, сделать его разрыв безопасным.

Вот как раз над этим вопросом, ещё будучи студентом, ломал голову один из авторов этой статьи – Н.В. Гулиа, и ещё в мае 1964 года подал патентную заявку на разрывобезопасный мотаный маховик, названный потом «супермаховиком». Причём она оказалась первой в мире на маховики, безопасно и безосколочно выходящие из строя, названные впоследствии супермаховиками, потому что следующая заявка на подобный патент была подана в США (автор Теодор Рейнхарт, патент US 3,296,886) лишь через полгода.

Интересна судьба моего изобретения. Раньше в СССР материалы заявок на изобретения направлялись на заключение ведущим специалистам в данной области, чтобы вдруг не выдать патент (он тогда назывался «авторским свидетельством») на «ерунду» и понести расходы. Но материалы заявок сохранялись в специальном хранилище, на случай если это окажется не «ерундой», чтобы показать первенство СССР в этом вопросе. Так вот, моя заявка была направлена в Бронетанковую академию профессору Ротенбергу, который назвал мой мотаный маховик студенческим бредом и заверил, что маховики надо изготовлять литьём из чугуна или ковкой из стали. Вот и отказали мне в авторстве, но (слава Богу!) отправили заявку на хранение. Сам Ротенберг вскоре покинул СССР и уехал в Израиль, где и скончался. Но до этого мотаные супермаховики стали изучать и выпускать во всех технически развитых странах, и, наверное, Ротенберг ещё при жизни узнал про это и порадовался, что успел навредить СССР! А патент мне всё-таки выдали, но через 19 лет после подачи. А при том, что срок действия патента всего 20 лет, он остался лишь «историческим», а не правовым документом!

Но, несмотря на это, автор патента не прекратил своей работы над изобретением, изготовил 12 экземпляров мотаных из стальной ленты супермаховиков и испытал их на разгонных стендах головного института ЦНИИТМАШ. Испытания показали высокую энергоёмкость супермаховиков, а главное, их безопасный разрыв. При превышении допустимых оборотов от супермаховика отслаивался последний виток и трением о кожух безопасно останавливал вращение супермаховика. Несмотря на это, полезнейшее изобретение пролежало без внедрения ещё более полувека и только сейчас к этому изобретению начали проявлять практический интерес. Компания «Кинетик», научным руководителем которой и является д.т.н. профессор Н.В. Гулиа, как раз занимается ленточными супермаховиками.

А теперь о грандиозных перспективах накопителей энергии нового типа, которые могут быть созданы в связи с появлением нового сверхпрочного материала – графена, активно внедряющегося в новую технику. Как будто специально для супермаховиков графен в основном выпускается в виде ленты. Прочность графеновой ленты пока 130 ГПа, но она со временем только увеличивается. Если сравнить прочность графена с прочностью качественной стали, то первая с учётом коэффициента запаса примерно в 100 раз больше. Но для определения энергоёмкости маховика нужно учитывать и плотность материала его обода – во сколько раз она меньше, во столько же раз удельная массовая энергоёмкость выше. Для нашего случая, когда плотность графена в 3 раза меньше, чем у стали, удельная массовая энергоёмкость будет уже в 300 раз больше, чем у качественной стали. Итого, если удельная энергоёмкость стальных ленточных супермаховиков около 0,02 кВт·ч/кг, то графеновых будет уже в 300 раз больше, т.е. около 6 кВт·ч/кг. Это неслыханно много! Эта удельная энергоёмкость в десятки раз превышает таковую у лучших электроаккумуляторов!

Ещё лучше обстоят дела с мощностью. Если у самого мощного в мире китайского электрогенератора она около 1750 МВт, то у графенового при тех же габаритах и массе будет во столько же раз больше, во сколько и обороты ротора, т.е. в 15 раз или 26 000 МВт! А удельный показатель мощности, например, при разряде порядка 2,5 минуты – примерно 130 кВт/кг. Это очень большой показатель, особенно если учитывать, что при одинаковом объёме масса графена в 3 раза меньше массы стали, то и во столько же раз удельная мощность будет выше!

Вот какие перспективы открывает использование графена для супермаховичных накопителей энергии! Отметим только, что такое использование графена вызывает явления, необычные для существующих супермаховиков, которые учтены компанией «Кинетик» при подаче заявки на патент на графеновый супермаховичный накопитель энергии.

А теперь кратко перечислим преимущества от применения супермаховичных накопителей энергии, в том числе и графеновых, в различных энергетических системах.

1. Регулирование частоты и мощности сети

Во всех сетях переменного тока существуют отклонения от заданных параметров частоты, т.е. в сети вместо обычного синусоидального графика зависимости частоты от мощности получается пикообразный. Смысл в том, что есть предел возможностей производителей электроэнергии, а потребление в течение дня, часа и даже минуты не одинаковое. Поэтому в какой-то период времени потребление зашкаливает, и электростанции не в состоянии обеспечить всех желающих, и наоборот – очень низкое потребление ставит новую задачу для электростанций: куда девать излишки?

Наша установка как раз выравнивает эти перекосы, и график в сети превращается из пикообразного в плавный синусоидальный.

2. Крупногабаритные бесперебойники для объектов первой категории энергопотребления (аэропорты, больницы и пр.)

Существует ряд предприятий и учреждений, которым по роду деятельности жизненно необходимо бесперебойное или безопасное снабжение электроэнергией, например: аэропорты, больницы, банки и пр.

Для этого в разных странах выпускаются дизель-генераторы или газовые генераторы. Они представляют собой тепловые двигатели, механически связанные с генератором. В случае необходимости запускается двигатель, и генератор начинает вырабатывать электричество для снабжения потребителя.

Но для запуска генератора требуется время свыше 30 секунд, что практически недопустимо для важных потребителей (посадка самолёта, медицинская операция и пр.).

Использование разрывобезопасных супермаховичных накопителей компании «Кинетик» гарантирует необходимое бесперебойное питание до запуска вышеупомянутых тепловых двигателей. Благодаря особенностям конструкции, накопитель на основе супермаховика позволяет выдавать резервную электроэнергию уже через сотые доли секунды, обеспечивая практически бесперебойное питание.

3. Оптимизация работы альтернативных источников энергии и повышение эффективности электросети с их использованием

Возобновляемые источники энергии (солнечные батареи, ветряные электростанции) постепенно занимают всё более важное место в генерации электроэнергии. Однако их интеграция в электрические сети общего пользования (равно как и автономное использование) сопряжена с рядом трудностей. Наиболее ярко выраженная из них – это значительная степень непостоянства выработки энергии из-за нестабильности погодных условий. Солнце может скрыться за облаками, сильные порывы ветра могут сменяться штилем – всё это приводит к непредсказуемым скачкам электроэнергии, ухудшая качество электросети.

Супермаховичный накопитель энергии компании «Кинетик» способен мгновенно компенсировать краткосрочные энергетические дисбалансы, накапливая излишки энергии и покрывая дефициты по мере необходимости.

4. Рекуперация электроэнергии на электротранспорте

Кинетическая энергия, накапливаемая в процессе движения электротранспорта (метрополитен, пригородные электропоезда и т.д.), при торможении зачастую превращается в тепло и не может повторно использоваться. В случае применения супермаховичных накопителей появляется возможность запасать энергию торможения и вновь использовать её при разгоне. Экономия электроэнергии в таком случае может составлять более 30%.

Наши накопители устанавливаются непосредственно у электрической подстанции или у места торможения и обеспечивают практически неограниченное число циклов торможения-разгона. Кроме того, использование супермаховичных накопителей повышает экологичность транспортных силовых установок.

5. Рекуперация энергии подъёмных механизмов

Подъёмные краны, а также лифты и др. подъёмные механизмы при опускании груза переводят его потенциальную энергию в тепло. С помощью накопителей компании «Кинетик» можно отбирать эту потенциальную энергию и накапливать её в виде кинетической в супермаховиках, с последующим её использованием, в т.ч. и для подъёма грузов.

6. Зарядка электромобилей

Использование супермаховичных накопителей позволяет повысить мощность зарядки в слаботочных сетях или в сетях, использующих альтернативные источники энергии. Это уменьшает время зарядки электромобиля и снижает нагрузки на электросети.

7. Оптимизация работы дизельных и газовых электрогенераторов

Супермаховичные накопители позволяют повысить эффективность дизельных и газовых генераторов путём выравнивания их загрузки по мощности.

8. Энергоаудит

Ночью в электросетях обычно наблюдается избыток мощностей электроэнергии, а днём, особенно в утренние и вечерние часы – дефицит. Поля накопителей (множество параллельно соединённых накопителей) позволяют запасать излишнюю энергию ночью, и отдавать её в нужный момент, например, при дефиците.

9. Для буровых установок

При бурении скважин (газ, нефть) бурильные установки испытывают дефицит электроэнергии на пике своих нагрузок. Накопители компании «Кинетик» позволят обеспечить непрерывную работу оборудования в т.ч. буровых установок даже при пиковых нагрузках.

10. Синхронизации входа

Иногда в сетях присутствует множество рассогласованных источников электроэнергии, что нарушает энергобаланс. Наши установки (накопители) позволяют стабилизировать сеть, исправляя неравномерности поступлений и потреблений.

 

Дата публикации:

9 декабря 2021 года

Электронная версия:

© НиТ. Cтатьи, 1997