Как сделать супермаховик своими руками

Супермаховик – накопитель кинетической энергии

Супермаховик – накопитель кинетической энергии.

Супермаховик – один из типов маховика, предназначенный для накопления механической энергии. В отличие от обычных маховиков способен сохранять больше кинетической энергии. За счёт конструктивных особенностей способен хранить до 500 Вт•ч (1,8 МДж) на килограмм веса.

Описание:

Супермаховик — один из типов маховика, предназначенный для накопления механической энергии. В отличие от обычных маховиков способен сохранять больше кинетической энергии.

За счёт конструктивных особенностей способен хранить до 500 Вт·ч (1,8 МДж) на килограмм веса.

Супермаховик впервые был изобретен в 1964 г. советским учёным Н. Гулиа.

Современный супермаховик представляет собой барабан, изготовленный из композитных материалов, например, намотанный из тонких витков стальной, пластичной ленты, стекловолокна, углеродных композитов либо графеновой бумаги. За счёт этого обеспечивается высокая прочность на разрыв и безопасность эксплуатации. При физическом разрушении супермаховик не разлетается на крупные части, как обычный маховик, а разрушается частично; при этом отделившиеся части тормозят барабан и предотвращают дальнейшее разрушение. Для уменьшения потерь на трение супермаховик помещается в вакуумированный кожух. Зачастую используется магнитный подвес.

Преимущества:

– безопасен при разрушении,

– высокий КПД – до 98%,

– экологически чище, не наносят вред окружающей среде,

– работают при любом температурном режиме,

– максимальное время хранения энергии в отличии от других устройств.

Сравнительные характеристики:

Принцип работы:

Кинетическая механическая энергия передается на супермаховик и обратно от супермаховика при помощи ротора – мотор-генератора, который также способен преобразовывать кинетическую механическую энергию обратно в электрическую.

Супермаховик работает в двух режимах: в режиме запасания энергии и режиме отдачи. При работе в режиме запасания энергии подводимая энергия создает вращающий момент на валу и увеличивает скорость вращения маховика. При обратном процессе – запасенная кинетическая энергия превращается в генераторный момент на валу мотор-генератора и впоследствии в электрическую энергию.

Заряжается супермаховик от электродвигателей, от энергии рекуперации при торможении, от стационарных источников энергии, а также от подводимой электрической энергии. В последнем случае мотор-генератор работает как электродвигатель, создает вращающий момент на валу.

Из формулы видно, что запасаемая в маховике кинетическая энергия имеет линейную зависимость от момента инерции вращающейся массы тела маховика и квадратичную зависимость от скорости вращения. Соответственно при росте скорости вращения количество запасаемой энергии будет расти в геометрической прогрессии.

Перспективы использования:

Распространение автономных источников генерации энергии требует ее запасания. Методы запасания энергии различаются по многим параметрам, таким как выходная мощность, количество запасаемой энергии, время хранения, количество циклов заряд/разряд, массогабаритные показатели, энергоемкость, эффективность, стоимость.

Супермаховик является современной энергоэффективной и высокотехнологичной альтернативой различным способам запасания и хранения энергии, таким как акумуляторы, суперконденсаторы, прочие накопители энергии, а также систем со сжатым воздухом, гидроаккумулирующих электростанций.

двигатель супермаховик нурбей гулиа своими руками форум теория купить аккумулятор на автомобиле
супермаховики новые аккумуляторы энергии
чертежи точка опоры оси в азоте для супермаховика 401

Источник

Проклятье аккумуляции, или Почему не слышно про супермаховик?

Если позволите каплю эмоций, я не перестаю удивляться, какие страсти разгораются каждый раз, когда разговор в этой колонке заходит о «чистой энергии». Накал прошлонедельной дискуссии об эффективности солнечных батарей (см. «Домашняя энергонезависимость») оказался таким, что, посмотрев со стороны, можно подумать, будто обсуждают большую политику или как минимум сравнивают операционные системы! И лично для меня это лучшее доказательство того, что тема только кажется отработанной и устоявшейся, а на самом деле даже по элементарным вроде бы вопросам (вроде практической пригодности солнечных батарей в облачную погоду) существуют диаметрально противоположные точки зрения. Так что если у вас есть чем крыть, есть цифры, а тем более личный опыт, очень прошу поучаствовать в новой дискуссии. Потому что сегодня я рискну продолжить начатый в две прошедших недели разговор. Ведь энергию Солнца или ветра мало получить, её мало распределить по потребителям, её ещё жизненно важно научиться накапливать!

В самом деле, что проку от той же трёхкиловаттной икеевской солнечной электростанции, занимающей крышу частного дома, если она, способная с избытком удовлетворить потребности целого домохозяйства, работает только в светлое время суток? Идеально было бы накапливать остающийся во время генерации излишек («скушать» три киловатта — не шутка, мало какой бытовой прибор поглощает даже киловатт, и работают такие приборы, как правило, недолго: проточный нагреватель воды, духовка… У меня, правда, греет дом полуторакиловаттный биткойновый риг, но это редкость, согласитесь) и отдавать его по мере надобности ночью. Что ж, предположим, на ночь и сумерки, занимающие, скажем, 18 часов, дому нужны те же самые три киловатта. Значит, бытовой накопитель электроэнергии должен запасти, грубо, 54 киловатт-часа. Много это или мало?

Солнечная электростанция Solana.

Нормально. И решение этой проблемы «в лоб», установкой электрического аккумулятора приемлемых габаритов и эксплуатационных свойств, то есть литий-ионного, уже возможно. Больше того, выпускаются серийные образцы аккумуляторных батарей именно такой ёмкости: это батареи электромобилей — к примеру, знакомого вам Model S от Tesla Motors, базовая комплектация которого включает батарею с ёмкостью 60 кВт•ч. Одна проблема: стоит такое решение 10 тысяч американских долларов, то есть дороже всей солнечной электростанции от той же IKEA. И ценам Элона Маска можно верить: они хоть и собирают свои батареи из чужих элементов (основу производит Panasonic), но используют их не только в автомобилях, а и на бытовых солнечных электростанциях, устанавливаемых компанией Solar City (один из проектов Маска, входит в число крупнейших установщиков солнечных батарей в США). Поскольку спроса на такие батареи, естественно, нет, Solar City пока ограничивается установкой сравнительно небольших аккумуляторов, способных поддержать базовые электропотребности среднего дома лишь на время кратковременных перебоев энергоснабжения.

Но это ещё не все плохие новости. Цифра, которую мы получили выше, можно сказать, обывательская. А профессионалы говорят так: запас энергии в доме должен быть минимум на три (облачных) дня, а лучше — на пять (тогда аккумуляторы прослужат дольше)! Так что в существующем виде электрические аккумуляторы неприемлемы даже для домашних нужд, не говоря уже о мощных электростанциях. Но как же быть? И как выкручиваются проектировщики больших энергогенерирующих объектов?

Чтобы ответить на этот вопрос, достаточно посмотреть на вводимые в строй суперсовременные «чистые» электростанции. Скажем, на стартовавшую на днях в Штатах станцию Solana — занимающую площадь в несколько квадратных километров и самую мощную на планете (280 МВт, 70 тысяч среднестатистических домохозяйств). Так вот: никакого нанотеха, никаких чудес электрохимии. Всё просто: часть собранного солнечного тепла пускают на нагрев здоровенного резервуара с расплавом соли (некоторые соли, скажем, глауберова, твёрдые в охлаждённом состоянии, переходят в жидкую форму при нагревании), и ночью возвращаемое солью тепло нагревает воду до пара и крутит турбину. И вот это решение (точнее, его масштабы) называют «поворотной точкой для солнечной энергетики»! Вот он, пик чистых технологий XXI века: солевая грелка за два миллиарда долларов!

Solana изнутри: солевая грелка плюс водяной пар.

Это и смешно, и грустно одновременно. Смешно — потому что в задаче аккумуляции энергии мы никак не уйдём от технологий столетней давности. Грустно — потому что решение этой задачи, насколько мне известно, существует давно, а честь открытия и разработки принадлежит нашему соотечественнику. Называется оно странным словом «супермаховик».

Должен предупредить сразу: описывая это творение инженерной мысли, я не могу быть абсолютно объективным. Потому что книга про супермаховик попала в мои руки, когда мне было что-то около десяти лет, и стала одним из кирпичиков, на которых и сформировалось моя любовь к технике. Поэтому ещё раз повторю, что буду рад любым доводам и аргументам. Но — к сути. В далёком 1986 году издательство «Детская литература» (!) выпустило книгу советского изобретателя Нурбея Гулиа «В поисках “энергетической капсулы”» (её копия, как раритетного издания, есть в Сети). С юмором и очень просто Гулиа описывает в ней своё становление инженера (так решили его знакомые: мол, если других талантов нет, дорога одна!) и выход на задачу, которая стала главной в его жизни. Это задача аккумуляции энергии — уже тогда, тридцать лет назад, стоявшая в полный рост. Перебрав механические, термические, электрические, химические решения, заглянув в то, что вскоре станет нанотехнологиями, Гулиа отверг их все по тем или иным причинам — и остановился на идее, известной с древности: массивном вращающемся теле, маховике.

Мы находим маховик везде, от гончарного круга и примитивных водяных насосов до транспортных средств XX века и космических гироскопов. Как аккумулятор энергии он замечателен тем, что его можно быстро разогнать («зарядить») и быстро же остановить (получив значительную мощность «на выходе»). Одна проблема: энергоёмкость его недостаточна, чтобы претендовать на роль универсальной «энергетической капсулы». Плотность запасаемой энергии необходимо увеличить хотя бы в сотню раз. Но как это сделать? Увеличим скорость — маховик разорвёт и запасённая энергия причинит страшные разрушения. Наращивать габариты тоже не всегда возможно. Пропуская многолетний, интереснейший пласт исследований и размышлений (очень рекомендую книгу, читается и сегодня совершенно современно!), собственно вклад Гулиа можно свести к следующему: он предложил делать маховик не монолитным, а навивать — например, из стального троса или ленты. Возрастает прочность, низводятся до ничтожных последствия разрыва, а энергоёмкость даже самодельных образцов превышает параметры промышленных разработок. Эту конструкцию он и назвал супермаховиком (и запатентовал один из первых вариантов ещё в 1964-м).

Прорабатывая идею, он пришёл к мысли навивать маховик из графитового волокна (не забывайте, что фуллерены тогда только получили, а о графене и речи не шло), а то и более экзотических материалов вроде азота. Но даже 20-килограммовый супермаховик из углеродных волокон, технически возможный уже тогда, тридцать лет назад, был способен запасти энергию, достаточную для передвижения легкового автомобиля на 500 километров, со средней стоимостью стокилометрового броска в 60 американских центов.

Углеволоконный супермаховик.

В случае с супермаховиками нет смысла возиться со сравнительными оценками — будь то запасаемая на единицу массы энергия или эксплуатационные характеристики: теоретически они превосходят все имеющиеся альтернативные решения. И области применения напрашивались сами собой. Помещённый в вакуум, на магнитной подвеске, с КПД выше 90%, выдерживающий невообразимое число циклов заряда-разряда, способный работать в широчайших диапазонах температур, супермаховик способен вращаться годами и обещал фантастические вещи: автомобиль от одной зарядки мог бы бегать тысячи километров, а то и весь срок службы, электростанция с упрятанным в фундамент многосотметровым супермаховиком запасала бы энергию, достаточную для освещения всей Земли, и так далее, и так далее. Но вот вопрос: прошло тридцать лет, почему мы же не видим супермаховиков вокруг себя?

Сказать по правде, я не знаю ответа. Технические сложности? Да, и конструкция супермаховика, и плавный отбор энергии — задачи с большой буквы, но они вроде бы решены. Время от времени слышно о мелких, узконишевых применениях. Но именно там, где на него возлагались главные надежды — в энергетике и автомобилестроении — супермаховик массового применения не нашёл. Пару лет назад американская компания Beacon Power ввела в строй небольшую супермаховичную энергоаккумулирующую станцию под Нью-Йорком, но сегодня о проекте ничего не слышно, а сама компания перебивается с хлеба на воду.

Нурбей Гулиа по-прежнему работает над совершенствованием своего детища и год назад отметился сообщением о возможности постройки графенового супермаховика (с расчётной удельной энергоёмкостью 1,2 кВт*ч/кг, то есть на порядок выше литий-ионных аккумуляторов). Но, если я правильно понимаю, коммерческого успеха он добился с другой своей разработкой (супервариатором, оригинальной механической передачей), а вот супермаховик почему-то остаётся под знаком вопроса.

P. S. Я попросил Нурбея Владимировича поучаствовать в дискуссии (хоть надежда, сами понимаете, слабая: на личном сайте его натурально одолевают поклонники).

Источник

СУПЕРТЕХНИКА ОТ СУПЕРМЕНА: СУПЕРМАХОВИК И СУПЕРВАРИАТОР ДЛЯ СУПЕРАВТОМОБИЛЯ

Если бы профессор Нурбей Гулиа жил на Западе, то наверняка был бы мультимиллионером. Супермаховик, который он изобрел в 1964 году, давно применяется во всем мире, что, однако, никак не отразилось на благосостоянии ученого. Из-за бюрократизма советской патентной системы патент был выдан автору. только через 20 лет после подачи заявки, а за эти годы срок действия документа истек. Но профессор взял реванш. Спустя десятилетия он изобрел (и сейчас патентует во многих странах) «супервариатор», который обладает настолько фантастическими характеристиками, что в полной мере оправдывает свою щегольскую приставку.

Когда к нам в редакцию пришло письмо с описанием устройства под названием «супервариатор», мы решили, что это очередная профанация вроде вечного двигателя и гравитолета. Но внизу стояла подпись «Нурбей Гулиа», что заставило взглянуть на устройство по-другому. Тем не менее, несмотря на реноме ученого, его изобретение продолжало казаться абсолютной фантастикой. Крупные компании, специализирующиеся на выпуске коробок передач и вариаторов, тратят огромные деньги на исследования, и вдруг некий российский изобретатель разрабатывает продукт, который по основным показателям заметно превосходит модели ведущих производителей. Разве такое возможно? Впрочем, с другой стороны, вряд ли в мире можно найти ученого, который посвятил бы вариаторам столько же времени. Ведь Гулиа начал заниматься этой темой еще в начале 1960-х.

Вариаторы, или устройства, которые позволяют плавно изменять передаточное отношение привода, получили широкое распространение на автомобилях сравнительно недавно. Подобно автоматической гидродинамической коробке передач, вариатор облегчает управление, но в отличие от нее демонстрирует лучшие показатели разгонной динамики и экономичности. Однако не лишен он и недостатков: диапазон регулирования передаточных отношений у вариаторной коробки передач обычно узок (4–6), а КПД невысок – около 0,85. Впрочем, каждый из этих показателей можно увеличить, но, увы, только за счет другого. Поиском разумного компромисса и занимаются сейчас конструкторы вариаторов, но Гулиа пошел другим путем. Он решил найти способ обойти существующие «вариаторные законы» и заставить этот упрямый механизм работать с максимальным диапазоном и максимальной отдачей на главных режимах. Годы исследований не ушли впустую: Гулиа нашел такой способ. но схема устройства была настолько непростой, что иногда и специалисты не могли до конца понять принципы ее работы. Тогда, чтобы «в доступной форме» доказать возможность существования такого устройства, Гулиа решил создать опытный образец.

При финансовой поддержке одной немецкой компании, ставшей совладельцем немецкого патента профессора, Гулиа в тандеме со своим аспирантом Иваном Бессудновым работали почти год над созданием этого устройства. Профессор признается, что сам не был до конца уверен в том, что аппарат будет работать, но его опасения не подтвердились. Первые же испытания доказали верность догадок Гулиа: супервариатор обладал прямо-таки фантастическими свойствами: диапазон 15–20, КПД на основных режимах – 0,97–0,98! как же такое стало возможным?

В основе всего этого беззакония лежат два сравнительно простых механизма – планетарный и дифференциальный, объединенные, правда, хитрым способом. За десятилетия работы с вариаторами профессор Гулиа пришел к выводу, что из всех их разновидностей лучший для автомобиля – планетарный, поскольку при передаточном отношении, близком к единице, КПД у него стремится к 100%. А автомобиль, как известно, наибольшие расстояния преодолевает именно на высоких передачах, когда передаточное отношение коробки приближается к единице. Среди вариаторов, которые могут работать по планетарной схеме, Гулиа выбрал дисковый, способный передавать внушительные мощности. Схема планетарного дискового вариатора (для простоты однорядного) изображена на рис., а рядом описан принцип его работы. По своим характеристикам такой дисковый планетарный вариатор хорош: при диапазоне, равном 10, он может работать с КПД 87–95%, но с помощью дифференциала «хорошиста» можно превратить в гениального «отличника».

Схема объединения дифференциала и планетарного вариатора изображена на рисунке. Если бы передаточное отношение вариатора было равно единице, то все валы вращались бы с одинаковой скоростью, а КПД был бы равен 100%. Но передаточное отношение вариатора больше единицы, поэтому ведомый вал дискового вариатора вращается медленнее ведущего, а ведомый вал супервариатора, исходя из особенностей работы планетарного механизма, будет вращаться медленнее ведущего и быстрее ведомого дискового вариатора. Стало быть, диапазон всего устройства уменьшится по сравнению с дисковым, но зато КПД станет выше – за счет того, что через вариатор теперь будет проходить только часть мощности, а остальная пойдет напрямую от двигателя к ведомому валу. «КПД повысился, диапазон сузился – все как в обычном вариаторе», – может возразить читатель. Пока так и есть, но, чтобы из вариатора сделать супервариатор, достаточно проделать с ним два хитрых «финта». Во-первых, нужно превратить понижающий режим работы в повышающий (конструкция разработанного Гулиа устройства это позволяет), а во-вторых, еще и сузить его диапазон – для увеличения КПД. При этом даже если этот суженный диапазон составит всего 1,5–2, то, используя на первом этапе работы вариатор без дифференциала с диапазоном около 10, а на втором – с дифференциалом и с суженным диапазоном, в результате, согласно теории замкнутых дифференциальных передач, мы получим диапазон около 20. И при этом на основных режимах работы КПД будет выше 97%!

Представленная на рисунке схема носит упрощенный характер: на самом деле изобретенный Гулиа супервариатор куда сложнее. Более подробно с устройством этого механизма можно ознакомиться в новом издании книги Гулиа « В поисках «энергетической капсулы» », которое появится к лету 2006 года (издательство ЭНАС). В оригинале базовый планетарный вариатор является многодисковым (с тремя и более рядами дисков), а его дифференциальный механизм выполнен с применением вместо конических зубчатых колес цилиндрических, которые проще, технологичнее и экономичнее. но сути дела это не меняет. На основных режимах работы КПД вариатора составляет 0,97–0,98, понижаясь лишь до 0,87 в режимах, где требуется высокое передаточное число (например, при трогании с места).

Сейчас профессор Гулиа патентует свое изобретение в ведущих странах мира, чтобы не повторилась та несправедливая история с супермаховиком, и ищет будущих партнеров. Если изобретением заинтересуются такие высокотехнологические производители коробок передач, как, например, ZF Friedrichshafen, супервариатору уготовано великое будущее. Но Гулиа не собирается на этом останавливаться. «Если объединить достоинства супервариатора и супермаховика, то можно создать суперавтомобиль», – говорит ученый.

Когда профессор Гулиа начинает рассказывать о проекте «суперавтомобиля», можно подумать, что он писатель-фантаст, а не ученый. Слишком удивительными кажутся его выкладки. «В одном из номеров «Популярной механики» (№7, 2005, с. 16) вы писали про карбоновое нановолокно, – говорит профессор. – Если из такого материала навить супермаховик, то его удельная энергия достигнет 1 Мвт*ч/кг, или в тысячи раз больше, чем у самых перспективных аккумуляторов! Это значит, что на таком накопителе массой в 150 кг легковой автомобиль сможет пройти с одной зарядки свыше 2 миллионов километров – больше, чем способно выдержать шасси. То есть теоретически уже сейчас можно создавать автомобили, которые в течение всего срока службы не требовали бы никакого топлива. Беда в том, что заряжать такие накопители будет не от чего: мощность всех автомобилей в мире в десятки раз больше мощности всех электростанций». Поэтому в качестве альтернативы такой фантастической машине Гулиа предлагает более реальный проект автомобиля: его заправлять топливом все-таки придется, но раза в три реже, чем обычное авто.

Максимальный КПД современного бензинового двигателя всего 25–30%, дизельного выше – около 40%, но беда в том, что реально в городе (даже без учета пробок) двигатель работает с КПД около 7%. Чтобы переводить тепловую энергию топлива в механическую максимально выгодно, надо заставить двигатель работать в оптимальном режиме, близком к максимальной мощности. Если бы автомобиль был оснащен специальным накопителем, с его помощью можно было бы собирать энергию от двигателя, работающего в режиме максимального КПД, а уже из накопителя расходовать ее на движение автомобиля.

«Такая схема позволила бы сократить расход топлива как минимум втрое», – рассказывает Гулиа.
«Нурбей Владимирович, но ведь уже существуют различные гибридные автомобили, которые работают по такой схеме, однако ждать серьезного снижения расхода топлива от них не приходится».
– «Вы правы. но в современных гибридных автомобилях механическую энергию двигателя приходится преобразовывать в электрическую, а затем снова в механическую. Это приводит к слишком большим потерям – энергетическую «пошлину» платить надо. Я же говорю о накопителе механической энергии – супермаховике, работающем в паре с супервариатором».

Опытные образцы подобных автомобилей, оказывается, уже пыталась создать американская компания United technologies, и ей удалось достичь расхода дизельного топлива 3 л на 100 км для автомобиля массой 1500 кг. Но система была достаточно сложна и дорога: в частности, тут были использованы электрогенераторы и полномоментные (без коробки передач) тяговые двигатели, что и не позволило извлечь максимум достоинств из этой схемы. Именно изобретенный супервариатор призван сделать автомобиль куда привлекательнее. При такой схеме работы двигатель периодически автоматически включается и, работая в оптимальном режиме, «дополняет» энергию в накопитель. Кроме того, в этой схеме осуществляется рекуперация энергии на спусках и торможениях, что ведет к фантастической экономии топлива. По данным Гулиа, обычный автомобиль может при этом расходовать всего лишь 1,2 л дизельного топлива на 100 км. но самое любопытное, что это еще не предел экономичности. Если вместо двигателя использовать более экономичные топливные элементы с КПД около 56% (при работе на обычном топливе), то можно достичь еще большей экономичности – до 0,85 л солярки на 100 км! Пожалуй, это реальный ответ повышению цен на автомобильное топливо.

1939. Родился в Тбилиси (там же окончил школу и Политехнический институт).
1961. Сделал первое изобретение, затем изобретает вариаторы новых конструкций.
1962. Поступает в аспирантуру в Москве, через 3 года защищает кандидатскую диссертацию, спустя еще 8 лет – докторскую.
1964–1984. Подает заявку на изобретение супермаховика: из-за затянувшейся экспертизы получает патент только через 20 лет.
1978. Начинает работать в Московском государственном индустриальном университете (МГИУ) профессором кафедры «Автомобили и двигатели». по настоящее время – заведующий кафедры «Детали машин».
2003. Подает международную заявку на изобретение супервариатора, по которой в 2005 году началось патентование в России и за рубежом.

От двигателя вращение подается на входной вал вариатора, на котором жестко закреплены внутренние диски. Они заставляют вращаться конические сателлиты. За счет того, что внешние диски неподвижны, сателлиты участвуют не только в орбитальном движении, вращая водило (выходной вал), но и вращаются вокруг своей оси. Изменение передаточного отношения в механизме обеспечивается за счет радиального перемещения сателлитов на водиле.

Источник