Накопитель энергии маховика ( FES ) работает путем ускорения ротора ( маховика ) до очень высокой скорости и сохранения энергии в системе в виде энергии вращения . Когда энергия извлекается из системы, скорость вращения маховика уменьшается в результате принципа сохранения энергии ; добавление энергии в систему соответственно приводит к увеличению скорости маховика.
Большинство систем FES используют электричество для ускорения и замедления маховика, но разрабатываются устройства, которые напрямую используют механическую энергию . [1]
Современные системы FES имеют роторы, изготовленные из высокопрочных углеродно-волокнистых композитов, подвешенные на магнитных подшипниках и вращающиеся со скоростью от 20 000 до более 50 000 об/мин в вакуумном корпусе. [2] Такие маховики могут разгоняться за считанные минуты, достигая своей энергетической емкости гораздо быстрее, чем некоторые другие формы хранения. [2]
Типичная система состоит из маховика, поддерживаемого подшипником качения, соединенного с мотор-генератором . Маховик, а иногда и мотор-генератор, могут быть заключены в вакуумную камеру для уменьшения трения и потери энергии.
Системы хранения энергии с маховиком первого поколения используют большой стальной маховик, вращающийся на механических подшипниках. В более новых системах используются роторы из композитного углеродного волокна , которые имеют более высокую прочность на разрыв, чем сталь, и могут хранить гораздо больше энергии при той же массе . [3]
Для уменьшения трения вместо механических подшипников иногда используют магнитные подшипники .
Расходы на охлаждение привели к раннему отказу от использования низкотемпературных сверхпроводников в магнитных подшипниках. Однако подшипники из высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) могут быть экономичными и, возможно, продлить время, в течение которого энергия может быть сохранена экономично. [4] Гибридные подшипниковые системы, скорее всего, найдут применение первыми. Высокотемпературные сверхпроводниковые подшипники исторически имели проблемы с обеспечением подъемной силы, необходимой для более крупных конструкций, но могут легко обеспечить стабилизирующую силу. Поэтому в гибридных подшипниках постоянные магниты поддерживают нагрузку, а высокотемпературные сверхпроводники используются для ее стабилизации. Причина, по которой сверхпроводники могут хорошо стабилизировать нагрузку, заключается в том, что они являются идеальными диамагнетиками . Если ротор пытается сместиться от центра, восстанавливающая сила из-за закрепления потока восстанавливает его. Это известно как магнитная жесткость подшипника. Вибрация оси вращения может возникать из-за низкой жесткости и демпфирования, которые являются неотъемлемыми проблемами сверхпроводящих магнитов, что не позволяет использовать полностью сверхпроводящие магнитные подшипники для маховиков.
Поскольку закрепление потока является важным фактором для обеспечения стабилизирующей и подъемной силы, HTSC может быть изготовлен гораздо проще для FES, чем для других целей. Порошки HTSC могут быть сформированы в произвольные формы, пока закрепление потока сильное. Текущая проблема, которую необходимо преодолеть, прежде чем сверхпроводники смогут обеспечить полную подъемную силу для системы FES, заключается в поиске способа подавления уменьшения силы левитации и постепенного падения ротора во время работы, вызванного ползучестью потока сверхпроводящего материала.
По сравнению с другими способами хранения электроэнергии, системы FES имеют длительный срок службы (десятилетия с небольшим или нулевым обслуживанием; [2] срок службы полного цикла, указанный для маховиков, варьируется от более чем 10 5 до 10 7 циклов использования), [5] высокую удельную энергию (100–130 Вт·ч/кг или 360–500 кДж/кг), [5] [6] и большую максимальную выходную мощность. Энергоэффективность ( соотношение энергии на выходе к энергии на входе ) маховиков, также известная как эффективность кругового цикла, может достигать 90%. Типичные мощности варьируются от 3 кВт·ч до 133 кВт·ч. [2] Быстрая зарядка системы происходит менее чем за 15 минут. [7] Высокие удельные энергии, часто упоминаемые для маховиков, могут немного вводить в заблуждение, поскольку коммерчески построенные системы имеют гораздо более низкую удельную энергию, например, 11 Вт·ч/кг или 40 кДж/кг. [8]
Здесь — интеграл массы маховика, — скорость вращения (число оборотов в секунду).
Максимальная удельная энергия ротора-маховика в основном зависит от двух факторов: первый — это геометрия ротора, а второй — свойства используемого материала. Для одноматериальных изотропных роторов это соотношение можно выразить как [9]
где
Максимально возможное значение коэффициента формы [10] ротора маховика составляет , что может быть достигнуто только с помощью теоретической геометрии диска с постоянным напряжением . [11] Геометрия диска с постоянной толщиной имеет коэффициент формы , в то время как для стержня постоянной толщины значение равно . Тонкий цилиндр имеет коэффициент формы . Для большинства маховиков с валом коэффициент формы ниже или около . Конструкция без вала [12] имеет коэффициент формы, аналогичный диску с постоянной толщиной ( ), что обеспечивает удвоенную плотность энергии.
Для хранения энергии желательны материалы с высокой прочностью и низкой плотностью. По этой причине композитные материалы часто используются в современных маховиках. Отношение прочности к плотности материала может быть выражено в Вт·ч/кг (или Н·м/кг); значения более 400 Вт·ч/кг могут быть достигнуты некоторыми композитными материалами.
Несколько современных роторов маховиков изготавливаются из композитных материалов. Примерами служат маховик из композитного углеродного волокна от Beacon Power Corporation [13] и маховик PowerThru от Phillips Service Industries. [14] В качестве альтернативы Calnetix использует в конструкции маховика высокопроизводительную сталь аэрокосмического класса. [15]
Для этих роторов взаимосвязь между свойствами материала, геометрией и плотностью энергии можно выразить с помощью подхода средневзвешенного значения. [16]
Одним из основных ограничений конструкции маховика является прочность ротора на растяжение. В общем, чем прочнее диск, тем быстрее он может вращаться и тем больше энергии может хранить система. (Утяжеление маховика без соответствующего увеличения прочности замедлит максимальную скорость вращения маховика без разрыва, следовательно, не увеличит общее количество энергии, которое может хранить маховик.)
Когда прочность на разрыв внешней оболочки композитного маховика превышена, оболочка сломается, и колесо разлетится на куски, поскольку внешнее сжатие колеса теряется по всей окружности, высвобождая всю его накопленную энергию сразу; это обычно называют «взрывом маховика», поскольку фрагменты колеса могут достигать кинетической энергии, сравнимой с энергией пули. Композитные материалы, которые намотаны и склеены слоями, имеют тенденцию быстро распадаться, сначала на нити малого диаметра, которые перепутываются и замедляют друг друга, а затем на раскаленный порошок; литой металлический маховик выбрасывает большие куски высокоскоростной шрапнели.
Для литого металлического маховика пределом разрушения является прочность связи границ зерен поликристаллического литого металла. Алюминий в частности страдает от усталости и может образовывать микротрещины от повторяющегося низкоэнергетического растяжения. Угловые силы могут привести к тому , что части металлического маховика выгнутся наружу и начнут волочиться по внешнему защитному сосуду или полностью отделятся и будут беспорядочно подпрыгивать внутри. Остальная часть маховика теперь сильно разбалансирована, что может привести к быстрому отказу подшипника из-за вибрации и внезапному ударному разрушению больших сегментов маховика.
Традиционные маховиковые системы требуют прочных защитных сосудов в качестве меры предосторожности, что увеличивает общую массу устройства. Выделение энергии при отказе может быть демпфировано желатиновой или инкапсулированной жидкой внутренней оболочкой корпуса, которая будет кипеть и поглощать энергию разрушения. Тем не менее, многие клиенты крупномасштабных маховиковых систем хранения энергии предпочитают закапывать их в землю, чтобы остановить любой материал, который может вырваться из защитного сосуда.
Системы хранения энергии с маховиком, использующие механические подшипники, могут терять от 20% до 50% своей энергии за два часа. [17] Большая часть трения, ответственного за эту потерю энергии, возникает из-за изменения ориентации маховика из-за вращения Земли (эффект, аналогичный тому, который демонстрирует маятник Фуко ). Этому изменению ориентации противостоят гироскопические силы, создаваемые угловым моментом маховика, таким образом оказывая силу на механические подшипники. Эта сила увеличивает трение. Этого можно избежать, выровняв ось вращения маховика параллельно оси вращения Земли. [ необходима цитата ]
Напротив, маховики с магнитными подшипниками и высоким вакуумом могут поддерживать 97% механического КПД и 85% эффективности кругового движения. [18]
При использовании в транспортных средствах маховики также действуют как гироскопы , поскольку их угловой момент обычно имеет тот же порядок величины, что и силы, действующие на движущееся транспортное средство. Это свойство может быть пагубным для характеристик управляемости транспортного средства при повороте или движении по неровной поверхности; движение по склону насыпи может привести к частичному отрыву колес от земли, поскольку маховик противодействует боковым наклонным силам. С другой стороны, это свойство может быть использовано для поддержания баланса автомобиля, чтобы он не перевернулся во время резких поворотов. [19]
Когда маховик используется исключительно для воздействия на положение транспортного средства, а не для хранения энергии, его называют реактивным колесом или гироскопом управляющего момента .
Сопротивление углового наклона можно почти полностью устранить, установив маховик в правильно примененный набор карданных подвесов , что позволит маховику сохранить свою первоначальную ориентацию, не влияя на транспортное средство (см. Свойства гироскопа ). Это не избавляет от усложнения блокировки карданного подвеса , поэтому необходим компромисс между количеством карданных подвесов и угловой свободой.
Центральная ось маховика действует как одинарный карданный подвес, и если выровнена вертикально, обеспечивает 360 градусов рыскания в горизонтальной плоскости. Однако, например, для движения в гору требуется второй карданный подвес тангажа, а для движения по склону насыпи требуется третий карданный подвес крена.
Хотя сам маховик может иметь форму плоского кольца, для свободного вращения карданного вала внутри транспортного средства требуется сферический объем, чтобы маховик мог свободно вращаться внутри. Предоставленный самому себе, вращающийся маховик в транспортном средстве будет медленно прецессировать вслед за вращением Земли и прецессировать еще сильнее в транспортных средствах, которые преодолевают большие расстояния по изогнутой сферической поверхности Земли.
У полноповоротного карданного подвеса есть дополнительные проблемы с передачей мощности в маховик и из него, поскольку маховик может потенциально полностью переворачиваться один раз в день, прецессируя по мере вращения Земли. Полное свободное вращение потребовало бы токосъемных колец вокруг каждой оси карданного подвеса для силовых проводников, что еще больше усложняет конструкцию.
Чтобы уменьшить использование пространства, система карданного подвеса может иметь конструкцию с ограниченным движением, используя амортизаторы для смягчения резких быстрых движений в пределах определенного количества градусов углового вращения вне плоскости, а затем постепенно заставляя маховик принимать текущую ориентацию транспортного средства. Это уменьшает пространство движения карданного подвеса вокруг кольцевого маховика от полной сферы до короткого утолщенного цилиндра, охватывая, например, ± 30 градусов тангажа и ± 30 градусов крена во всех направлениях вокруг маховика.
Альтернативным решением проблемы является использование двух соединенных маховиков, вращающихся синхронно в противоположных направлениях. Они будут иметь общий угловой момент, равный нулю, и никакого гироскопического эффекта. Проблема с этим решением заключается в том, что когда разница между импульсом каждого маховика отлична от нуля, корпус двух маховиков будет демонстрировать крутящий момент. Оба колеса должны поддерживаться на одинаковой скорости, чтобы угловая скорость оставалась на нуле. Строго говоря, два маховика будут оказывать огромный крутящий момент в центральной точке, пытаясь согнуть ось. Однако, если бы ось была достаточно прочной, никакие гироскопические силы не оказали бы чистого воздействия на герметичный контейнер, поэтому никакого крутящего момента не было бы замечено.
Для дальнейшего уравновешивания сил и распределения деформации один большой маховик можно уравновесить двумя маховиками половинного размера с каждой стороны, или маховики можно уменьшить в размере, чтобы они стали серией чередующихся слоев, вращающихся в противоположных направлениях. Однако это увеличивает сложность корпуса и подшипника.
В 1950-х годах автобусы с маховиками, известные как гиробусы , использовались в Ивердоне ( Швейцария ) и Генте ( Бельгия ), и ведутся постоянные исследования по созданию маховиковых систем, которые будут меньше, легче, дешевле и будут иметь большую емкость. Есть надежда, что маховиковые системы смогут заменить обычные химические батареи для мобильных приложений, таких как электромобили. Предлагаемые маховиковые системы устранят многие недостатки существующих систем питания от батарей, такие как низкая емкость, длительное время зарядки, большой вес и короткий срок службы. Маховики, возможно, использовались в экспериментальном Chrysler Patriot , хотя это и оспаривается. [20]
Маховики также были предложены для использования в бесступенчатых трансмиссиях . Punch Powertrain в настоящее время работает над таким устройством. [21]
В 1990-х годах Rosen Motors разработала серийную гибридную автомобильную трансмиссию с газовой турбиной , использующую маховик с частотой вращения 55 000 об/мин для обеспечения всплесков ускорения, которые не мог обеспечить небольшой газотурбинный двигатель. Маховик также сохранял энергию посредством рекуперативного торможения . Маховик состоял из титановой ступицы с цилиндром из углеродного волокна и был установлен на карданном подвесе для минимизации неблагоприятных гироскопических эффектов на управляемость автомобиля. Прототип автомобиля успешно прошел дорожные испытания в 1997 году, но так и не был запущен в массовое производство. [22]
В 2013 году Volvo анонсировала систему маховика, установленную на задней оси ее седана S60. Торможение вращает маховик со скоростью до 60 000 об/мин и останавливает установленный спереди двигатель. Энергия маховика применяется через специальную трансмиссию для частичного или полного питания транспортного средства. 20-сантиметровый (7,9 дюйма), 6-килограммовый (13 фунтов) маховик из углеродного волокна вращается в вакууме, чтобы устранить трение. В сочетании с четырехцилиндровым двигателем он обеспечивает до 25 процентов снижения расхода топлива по сравнению с сопоставимым по производительности турбированным шестицилиндровым двигателем, обеспечивая наддув в 80 лошадиных сил (60 кВт) и позволяя ему достигать 100 километров в час (62 мили в час) за 5,5 секунды. Компания не объявляла о конкретных планах по включению этой технологии в свою линейку продуктов. [23]
В июле 2014 года GKN приобрела подразделение Williams Hybrid Power (WHP) и намерена поставить 500 углеродных волокон Gyrodrive электрических маховиковых систем городским автобусным операторам в течение следующих двух лет [24] Как следует из названия бывшего разработчика, они изначально были разработаны для гонок Формулы-1 . В сентябре 2014 года Oxford Bus Company объявила, что она представляет 14 гибридных автобусов Gyrodrive от Alexander Dennis на своем предприятии Brookes Bus. [25] [26]
Системы маховиков экспериментально использовались в небольших электровозах для маневрирования или переключения , например, Sentinel-Oerlikon Gyro Locomotive . Более крупные электровозы, например, British Rail Class 70 , иногда оснащались усилителями маховиков, чтобы переносить их через зазоры в третьем рельсе . Усовершенствованные маховики, такие как 133 кВт-ч пакет Техасского университета в Остине , могут разогнать поезд с места до крейсерской скорости. [2]
Parry People Mover — это дрезина , которая приводится в движение маховиком. Она испытывалась по воскресеньям в течение 12 месяцев на ветке Stourbridge Town в Западном Мидленде , Англия, в 2006 и 2007 годах и должна была быть введена в качестве полноценного сервиса оператором поездов London Midland в декабре 2008 года после заказа двух единиц. В январе 2010 года обе единицы были введены в эксплуатацию. [27]
FES может использоваться на линии электрифицированных железных дорог для регулирования линейного напряжения, тем самым улучшая ускорение немодифицированных электропоездов и количество энергии, возвращаемой обратно в линию во время рекуперативного торможения , тем самым снижая счета за электроэнергию. [28] Испытания проводились в Лондоне, Нью-Йорке, Лионе и Токио, [29] а железная дорога Лонг-Айленда Нью-Йоркского MTA в настоящее время инвестирует 5,2 млн долларов в пилотный проект на ветке LIRR West Hempstead Branch . [30] Эти испытания и системы хранят кинетическую энергию в роторах, состоящих из композитного цилиндра из углеродного стекла, заполненного порошком неодима-железа-бора, который образует постоянный магнит. Они вращаются со скоростью до 37 800 об/мин, и каждый блок мощностью 100 кВт (130 л. с.) может хранить 11 мегаджоулей (3,1 кВт·ч) повторно используемой энергии, что примерно достаточно для разгона груза массой 200 метрических тонн (220 коротких тонн; 197 длинных тонн) с нуля до 38 км/ч (24 мили в час). [29]
Системы хранения энергии на основе маховика, выпускаемые с 2001 года, [update]имели емкость, сопоставимую с батареями, и более быструю скорость разрядки. Они в основном используются для выравнивания нагрузки для больших систем батарей, таких как бесперебойное питание для центров обработки данных, поскольку они экономят значительное количество места по сравнению с системами батарей. [31]
Техническое обслуживание маховика в целом обходится примерно в половину стоимости традиционных систем ИБП на аккумуляторах. Единственное техническое обслуживание — это базовая ежегодная профилактическая процедура и замена подшипников каждые пять-десять лет, что занимает около четырех часов. [7] Более новые системы маховиков полностью левитируют вращающуюся массу с помощью не требующих технического обслуживания магнитных подшипников , тем самым исключая техническое обслуживание и отказы механических подшипников. [7]
Стоимость полностью установленного маховикового ИБП (включая регулирование мощности) составляла (в 2009 году) около 330 долларов за киловатт (при полной нагрузке в течение 15 секунд). [32]
Давно существующей нишей на рынке для маховиковых систем питания являются объекты, где испытываются автоматические выключатели и аналогичные устройства: даже небольшой бытовой автоматический выключатель может быть рассчитан на отключение тока силой10 000 или более ампер, а более крупные устройства могут иметь номинальные значения отключения100 000 или1 000 000 ампер. Огромные переходные нагрузки, создаваемые преднамеренным принуждением таких устройств демонстрировать свою способность прерывать моделируемые короткие замыкания, имели бы неприемлемые последствия для местной сети, если бы эти испытания проводились непосредственно от электросети здания. Обычно такая лаборатория будет иметь несколько больших наборов мотор-генераторов, которые могут раскручиваться до нужной скорости в течение нескольких минут; затем двигатель отключается перед проверкой автоматического выключателя.
Для экспериментов по термоядерному синтезу в токамаке требуются очень высокие токи в течение коротких интервалов времени (в основном для питания больших электромагнитов в течение нескольких секунд).
Также не-токамак: синхротрон «Нимрод» в лаборатории Резерфорда-Эпплтона имел два маховика весом 30 тонн.
Авианосец класса Gerald R. Ford будет использовать маховики для накопления энергии от источника питания корабля для быстрого высвобождения в электромагнитную систему запуска самолетов . Корабельная система питания не может сама по себе обеспечивать высокие переходные процессы мощности, необходимые для запуска самолетов. Каждый из четырех роторов будет хранить 121 МДж (34 кВт·ч) при 6400 об/мин. Они могут хранить 122 МДж (34 кВт·ч) за 45 секунд и высвобождать их за 2–3 секунды. [35] Плотность энергии маховиков составляет 28 кДж/кг (8 Вт·ч/кг); включая статоры и корпуса, это составляет 18,1 кДж/кг (5 Вт·ч/кг), исключая раму крутящего момента. [35]
Это был проект, финансируемый Исследовательским центром Гленна НАСА и предназначенный для тестирования компонентов в лабораторных условиях. Он использовал обод из углеродного волокна с титановой ступицей, рассчитанной на вращение со скоростью 60 000 об/мин, установленный на магнитных подшипниках. Вес был ограничен 250 фунтами (110 килограммами). Накопитель составлял 525 Вт·ч (1,89 МДж) и мог заряжаться или разряжаться при 1 кВт (1,3 л. с.), что приводило к удельной энергии 5,31 Вт·ч/кг и плотности мощности 10,11 Вт/кг. [36] Рабочая модель, показанная на фотографии в верхней части страницы, работала со скоростью 41 000 об/мин 2 сентября 2004 года. [37]
Американские горки Montezooma 's Revenge в Knott's Berry Farm были первыми американскими горками в мире, работающими с помощью маховика, и последними в своем роде, которые все еще работают в Соединенных Штатах. Аттракцион использует маховик весом 7,6 тонн для разгона поезда до 55 миль в час (89 км/ч) за 4,5 секунды.
Американские горки Incredible Hulk на островах приключений Universal's Islands of Adventure отличаются быстро ускоряющимся подъемом вверх в отличие от типичного падения под действием силы тяжести. Это достигается с помощью мощных тяговых двигателей , которые подбрасывают вагончик вверх по рельсам. Чтобы получить кратковременный очень высокий ток, необходимый для разгона полного поезда до полной скорости в гору, парк использует несколько мотор-генераторных установок с большими маховиками. Без этих энергоаккумулирующих установок парку пришлось бы инвестировать в новую подстанцию или рисковать отключением местной энергосети каждый раз при запуске аттракциона.
Системы хранения энергии на основе маховика (FESS) используются в различных приложениях, от управления энергией, подключенной к сети, до источников бесперебойного питания. С развитием технологий FESS быстро обновляется. Примерами служат мощное оружие, силовые агрегаты самолетов и судовые энергосистемы, где система требует очень высокой мощности в течение короткого периода времени, порядка нескольких секунд и даже миллисекунд. Компенсированный импульсный генератор переменного тока (компульсатор) является одним из самых популярных вариантов импульсных источников питания для термоядерных реакторов, мощных импульсных лазеров и сверхскоростных электромагнитных пусковых установок из-за его высокой плотности энергии и мощности, которая обычно предназначена для FESS. [38] Компульсаторы (генераторы переменного тока с низкой индуктивностью) действуют как конденсаторы, их можно раскручивать для обеспечения импульсной мощности для рельсотронов и лазеров. Вместо того, чтобы иметь отдельный маховик и генератор, только большой ротор генератора переменного тока хранит энергию. См. также Униполярный генератор . [39]
Используя бесступенчатую трансмиссию (CVT), энергия извлекается из трансмиссии во время торможения и сохраняется в маховике. Эта сохраненная энергия затем используется во время ускорения путем изменения передаточного числа CVT. [40] В автоспорте эта энергия используется для улучшения ускорения, а не для снижения выбросов углекислого газа — хотя та же технология может быть применена к дорожным автомобилям для повышения топливной экономичности . [41]
Автомобильный клуб de l'Ouest , организатор ежегодных гонок «24 часа Ле-Мана» и серии Ле-Ман , в настоящее время «изучает специальные правила для LMP1 , которые будут оснащены системой рекуперации кинетической энергии». [42]
Williams Hybrid Power, дочерняя компания Williams F1 Racing team, [43] поставляла Porsche и Audi гибридную систему на основе маховика для Porsche 911 GT3 R Hybrid [44] и Audi R18 e-Tron Quattro. [45] Победа Audi в гонке 24 часа Ле-Мана 2012 года стала первой для гибридного (дизель-электрического) автомобиля. [46]
Маховики иногда используются в качестве краткосрочного вращающегося резерва для мгновенного регулирования частоты сети и балансировки внезапных изменений между поставкой и потреблением. Отсутствие выбросов углерода, более быстрое время отклика и возможность покупать электроэнергию в часы пониженной нагрузки являются одними из преимуществ использования маховиков вместо традиционных источников энергии, таких как турбины на природном газе. [47] Эксплуатация очень похожа на работу батарей в том же приложении, их различия в первую очередь экономические.
Компания Beacon Power открыла маховиковую установку для хранения энергии мощностью 5 МВт·ч (20 МВт в течение 15 минут) [18] в Стивентауне, штат Нью-Йорк, в 2011 году [48], используя 200 маховиков [49], и аналогичную систему мощностью 20 МВт в Хазл-Тауншип, штат Пенсильвания, в 2014 году [50].
Маховичное хранилище мощностью 0,5 МВт-ч (2 МВт в течение 15 мин) [51] в Минто , Онтарио, Канада, открылось в 2014 году. [52] Маховичная система (разработанная NRStor) использует 10 вращающихся стальных маховиков на магнитных подшипниках. [52]
Компания Amber Kinetics, Inc. заключила соглашение с Pacific Gas and Electric (PG&E) на строительство маховикового хранилища энергии мощностью 20 МВт/80 МВт·ч, расположенного в г. Фресно, штат Калифорния, с продолжительностью разрядки четыре часа. [53]
В 2024 году в Китае начнет работать система маховиковой сети мощностью 30 МВт. [54]
Маховики могут использоваться для хранения энергии, вырабатываемой ветряными турбинами в периоды пониженной нагрузки или при высокой скорости ветра.
В 2010 году Beacon Power начала тестирование своей маховиковой системы хранения энергии Smart Energy 25 (Gen 4) на ветровой электростанции в Техачапи, Калифорния . Система была частью демонстрационного проекта ветроэнергетики/маховика, который проводился для Калифорнийской энергетической комиссии. [55]
Двигатели трения, используемые во многих игрушечных автомобилях , грузовиках, поездах, подвижных игрушках и т. п., представляют собой простые двигатели с маховиком.
В промышленности коленно-рычажные прессы по-прежнему популярны. Обычная конструкция включает в себя очень прочный коленчатый вал и мощный шатун, который приводит в движение пресс. Большие и тяжелые маховики приводятся в движение электродвигателями, но маховики вращают коленчатый вал только при активации муфт.
Маховики могут использоваться для управления ориентацией. Также есть некоторые исследования по управлению движением, [56] в основном для стабилизации систем с использованием гироскопического эффекта.
Маховики не так подвержены неблагоприятному воздействию температурных изменений, могут работать в гораздо более широком диапазоне температур и не подвержены многим обычным отказам химических аккумуляторных батарей . [57] Они также потенциально менее вредны для окружающей среды, поскольку в основном изготовлены из инертных или безвредных материалов. Еще одним преимуществом маховиков является то, что путем простого измерения скорости вращения можно узнать точное количество накопленной энергии.
В отличие от большинства батарей, которые работают только в течение ограниченного периода [ требуется ссылка ] (например, около 10 [58] лет в случае литий-железо-фосфатных батарей ), маховик потенциально имеет неограниченный срок службы. Маховики, построенные как часть паровых двигателей Джеймса Уатта, непрерывно работают уже более двухсот лет. [59] Рабочие образцы древних маховиков, используемых в основном в фрезеровании и гончарном деле, можно найти во многих местах в Африке, Азии и Европе. [60] [61]
Большинство современных маховиков обычно представляют собой герметичные устройства, которым требуется минимальное обслуживание в течение всего срока службы. Маховики с магнитными подшипниками в вакуумных корпусах, такие как модель NASA, изображенная выше, не требуют обслуживания подшипников и поэтому превосходят батареи как по общему сроку службы, так и по емкости хранения энергии, поскольку их эффективный срок службы до сих пор неизвестен. Системы маховиков с механическими подшипниками будут иметь ограниченный срок службы из-за износа.
Высокопроизводительные маховики могут взрываться, убивая прохожих высокоскоростными осколками. [ требуется цитата ] Маховики можно устанавливать под землей, чтобы снизить этот риск. Хотя батареи могут загореться и выпустить токсины, у прохожих обычно есть время убежать и избежать травм.
Физическое расположение батарей может быть спроектировано так, чтобы соответствовать широкому спектру конфигураций, тогда как маховик как минимум должен занимать определенную площадь и объем, поскольку энергия, которую он хранит, пропорциональна его инерции вращения и квадрату его скорости вращения. По мере того, как маховик становится меньше, его масса также уменьшается, поэтому скорость должна увеличиваться, и поэтому нагрузка на материалы увеличивается. Там, где размеры являются ограничением (например, под шасси поезда), маховик может не быть жизнеспособным решением. [ необходима цитата ]
