Маховик

Маховик (Маховое колесо) -- массивный вращающийся диск, использующийся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии. Также маховиком называют регулировочное колесо, похожее по форме.

Использование

Используется в машинах, имеющих неравномерное поступление или использование энергии, накапливая энергию, когда поступление энергии выше чем расход, и отдавая её, когда потребление превышает поступление энергии. Также используется в гибридном двигателе в качестве накопителя энергии и для рекуперативного торможения.

Часто функцию маховика выполняет массивный вращающийся элемент механизма. Такие как гончарный круг, массивные колеса водяной мельницы или массивные зубчатые колеса.

Помимо энергии, вращающийся маховик накапливает ещё и момент импульса, что используется для ориентации космических аппаратов. Наиболее доступный пример маховика-- вращающийся диск электро-проигрывателя виниловых пластинок.

Свойство маховика сохранять направление оси вращения используется в гироскопах. Чем выше вес маховика, тем дольше сохраняется его движение.

История

Эффект маховика использовался с древнейших времен. Например в гончарном круге, ветряных мельницах.

Маховик со старой фабрики

Согласно американскому медиевисту Линну Уайту немецкий монах Теофил упоминает в своём трактате «О различных искусствах» несколько машин, в которых применяется маховик.

Во время промышленной революции, Джеймс Уатт применил маховик в паровой машине для выравнивания движения и преодоления мертвых положений поршня^[2], и его современник Джеймс Пикард использовал маховик в сочетании с кривошипно-шатунным механизмом для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное^[3].

Использование маховика в качестве аккумулятора энергии ограничивается тем, что при превышении допустимой окружной скорости происходит разрыв маховика приводящий к большим разрушениям. Это вынуждает создавать маховики с очень большим запасом прочности, что приводит к снижению их эффективности.

Следствием этого является малая (по сравнению с другими видами аккумуляторов) удельная энергоёмкость.

В мае 1964 года Гулия Нурбей Владимирович подал заявку на изобретение супермаховика -- энергоёмкого и разрывобезопасного маховика.

Супермаховик

Супермаховимк -- один из типов маховика, накопитель механической энергии. За счёт конструктивных особенностей способен хранить до 500 ватт*часов (1.8 МДж) на килограмм веса. Изобретён в 1964 году советским инженером Нурбеем Владимировичем Гулиа.

Супермаховик представляет собой барабан, намотанный из тонких витков стальной, пластичной ленты, стекловолкна. За счёт этого обеспечивается колоссальная прочность на разрыв, поэтому современные маховики изготовлены из углеродных композитов. Для уменьшения потерь на трение супермаховик помещается в вакуумированный кожух.

Законченный вид супермаховик принимает тогда, когда он способен запасать и отдавать энергию. Для этого создаётся мотор-генератор, где статором является барабан, а ротором -- ось, вокруг которой он вращается. Таким образом, при подключении в сеть он будет запасать энергию, а при подключении нагрузки -- отдавать. КПД этого преобразования достигает 98 %.

Преимущества и недостатки супермаховика

Супермаховик сочетает в себе долговечность и умеренную цену, безопасен^[3] при разрушении. Как уже было сказано, его КПД очень велик. Недостатком супермаховиков является большой момент импульса, который будет препятствовать изменению направления оси вращения маховика.

Дополнительным недостатком супермаховика является отсутствие отработанной простой трансмиссии, позволяющей использовать его на транспорте. В настоящий момент проводятся эксперименты по передаче энергии вращения супермаховика на колёса транспортного средства посредством супервариатора.

Использование

Изобретатель супермаховика, профессор Гулиа, в первую очередь собирался применить его как накопитель энергии для автомобилей и даже построил несколько образцов такого транспорта.

Однако, последние успешные достижения относятся к другим областям. Компания Beacon Power, основанная в США в 1997 году, сделала существенный шаг, разработав серию больших стационарных супермаховиков для применения в промышленных энергосетях. Супермаховики производства Beacon Power способны запасать энергию в 6 и 25 киловатт*часов в зависимости от модели и мощность в 2 и 200 киловатт соответственно.

Американская компания рассчитывает продавать их местным компаниям, а также сама оказывать услугу «регулирования частоты». Строительство регулирующей электростанции на супермаховиках мощностью 20 МВт. началось в конце 2009 года. Поскольку энергосистема США существует в условиях наличия множества местных поставщиков энергии и открытого энергетического рынка, необходимость регулирования мощности создает немало проблем. Проблем, собственно три: запасание «лишней» энергии, когда потребление снижается, восполнение недостатков во время пиков потребления, регулирование частоты тока. По расчетам Beacon Power супермаховики, объединенные в батарею по 10 накопителей, смогут обеспечивать мощность в 1 мегаватт и запасать энергию в 250 киловатт-часов. Изменение частоты в сети при этом парируется за время порядка 5 миллисекунд.