Техника (видео)

Спойлер: Диски высокой энергии: Маховичный накопитель
Сегодня ученые со всего мира безуспешно пытаются создать недорогой, легкий, компактный и невероятно емкий аккумулятор. А между тем такой накопитель энергии уже существует
Николай Корзинов 23 ноября 2008 45 87038
Эволюция: от маховиков к супермаховикам В качестве накопителей энергии маховики применяют уже несколько тысячелетий, однако качественный скачок в области их энергоемкости произошел только в 1960-х годах, когда были созданы первые супермаховики Двухколесные машины Маховики на транспорте можно использовать в качестве как аккумуляторов энергии, так и гироскопов. На фотографии изображен маховичный концепт-кар Ford Gyron (1961), а впервые гирокар был построен в 1914 году русским инженером Петром Шиловским Проект. Механический гибрид Гулиа (1966) Это, возможно, первый в мире гибридный автомобиль. Его передние колеса приводились от ДВС, тогда как задние — от вариатора и маховика. Такой опытный образец оказался вдвое экономичней, чем базовый УАЗ-450Д Маховичный накопитель, который применяют на американских электростанциях для повышения их КПД. Потери энергии в супермаховиках составляют всего 2% - это достигается в том числе за счет того, что маховик вращается в вакуумном кожухе на магнитных подшипниках Схема работы маховичной машины на топливных элементах Схема работы автомобиля с двигателем внутреннего сгорания
Мир электроники и электричества наступает! Милые поклонникам механики устройства все чаще уступают место машинам с электромоторами и электронными схемами. Однако мир будущего станет более механическим! Так считает профессор Нурбей Гулиа. За последние десятилетия механические накопители энергии заметно прибавили в энергоемкости, и именно их, по мнению ученого, будут использовать во многих устройствах вместо привычных электрохимических аккумуляторов.

Пружина, резина, конденсатор…
Во всем мире вряд ли найдется человек, который посвятил себя разработке маховичных накопителей энергии в большей мере, чем Нурбей Гулиа. Ведь делом своей жизни изобретатель начал заниматься в 15 лет. Тогда советский школьник Нурбей решил изобрести «энергетическую капсулу» — так он назвал накопитель энергии, который должен был стать столь же энергоемким, как бак с бензином, но при этом копить в себе абсолютно безвредную для человека энергию.
Первым делом любознательный школьник опробовал аккумуляторы различных типов. Одним из самых безнадежных вариантов оказался пружинный накопитель. Чтобы обычный легковой автомобиль проехал с таким аккумулятором 100 км пути, последний должен был весить 50 т.

Резиновый аккумулятор показался куда перспективней: накопитель с зарядом на 100 км мог весить «всего» 900 кг. Заинтересовавшись, Нурбей даже разработал резиноаккумулятор инновационной конструкции для привода детской коляски. Один из прохожих, очарованный самоходной коляской, посоветовал разработчику подать заявку в Комитет по изобретениям и даже помог ее составить. Так Гулиа получил первое авторское свидетельство на изобретение.

Вскоре резину сменил сжатый воздух. И опять Нурбей разработал инновационное устройство — относительно компактный гидрогазовый аккумулятор. Однако, как выяснилось в ходе работы над ним, при использовании сжатого газа энергетический «потолок» был невысок. Но изобретатель не сдался: вскоре им был построен пневмокар с подогревом воздуха горелками. Эта машина получила высокую оценку у его друзей, но по своим возможностям была еще далека от того, чтобы конкурировать с автомобилем.

Особенно тщательно будущий профессор отнесся к проработке варианта «электрической капсулы». Нурбей оценил возможности конденсаторов, электромагнитов и, разумеется, собрал всю возможную информацию об электрохимических аккумуляторах. Был даже построен электромобиль. В качестве аккумулятора для него конструктор использовал батарею МАЗа. Однако возможности тогдашних электрохимических аккумуляторов Гулиа не впечатлили, не было и оснований ожидать, что в области энергоемкости произойдет прорыв. Поэтому из всех накопителей энергии наиболее перспективными Нурбею Владимировичу показались механические аккумуляторы в виде маховиков, несмотря на то что в то время они ощутимо проигрывали электрохимическим накопителям. Тогдашние маховики, даже сделанные из самой лучшей стали, в пределе могли накопить только 30−50 кДж на 1 кг массы. Если раскручивать их быстрее, они разрывались, приводя в негодность все вокруг. Даже свинцово-кислотные аккумуляторы с энергоемкостью 64 кДж/кг смотрелись на их фоне крайне выигрышно, а щелочные аккумуляторы с плотностью энергии 110 кДж/кг были вне конкуренции. Кроме того, уже тогда существовали страшно дорогие серебряно-цинковые аккумуляторы: по удельной емкости (540 кДж/кг) они примерно соответствовали самым емким на сегодня литий-ионным аккумуляторам. Но Гулиа сделал ставку на столь далекий от совершенства маховик…

Маховик на миллион
Чем выше частота вращения маховика, тем сильнее его частицы «растягивают» диск, пытаясь его разорвать. Поскольку разрыв маховика дело страшное, конструкторам приходится закладывать высокий запас прочности. В результате на практике энергоемкость маховика раза в три ниже возможной, и в начале 1960-х годов самые совершенные маховики могли запасать всего 10−15 кДж энергии на 1 кг. Если же применить более устойчивые к разрыву материалы, прочность маховика станет выше, но такой скоростной маховик становится опасным. Получается порочный круг: прочность материала возрастает, а предельная энергоемкость увеличивается незначительно. Нурбей Гулиа поставил своей задачей вырваться из этого замкнутого круга, и в один памятный день он испытал момент внезапного прояснения. На глаза изобретателю попался тросик, свитый из проволок, — такие обычно применяют в тренажерах для подъема тяжестей. Тросик был примечателен тем, что обладал высокой прочностью и никогда не рвался сразу. Именно этих качеств и не хватало тогдашним маховикам.

Ученый принялся за работу: сначала поэкспериментировал с тросом, скатав из него маховик, а потом заменил проволочки тонкой стальной лентой такой же прочности — ее намотка была плотнее, а для надежности можно было склеить витки ленты между собой. Разрыв такого маховика уже не представлял опасности: при превышении предельной скорости первой должна была оторваться наиболее нагруженная внешняя лента. Она прижимается к корпусу и автоматически затормаживает маховик — никаких несчастных случаев, а оторванную ленту можно приклеить снова.

Первое испытание, когда ленточный маховик Гулиа раскручивался от скоростного электромотора пылесоса, прошло успешно. Маховик вышел на максимальную частоту вращения без разрыва. А затем, когда ученому удалось испытать этот маховик на специальном разгонном стенде, выяснилось, что разрыв наступал только при скорости обода почти 500 м/c или плотности энергии около 100 кДж/кг. Изобретение Гулиа в несколько раз превзошло по плотности энергии самые передовые на то время маховики и оставило позади свинцово-кислотные аккумуляторы.

В мае 1964 года Гулиа первым в мире подал заявку на изобретение супермаховика, но из-за бюрократизма советской патентной системы получил необходимый документ только через 20 лет, когда срок его действия уже истек. Но приоритет изобретения за СССР сохранился. Жил бы ученый на Западе — давно бы стал мультимиллионером.

Через какое-то время после Гулиа супермаховик изобрели и на Западе, и спустя годы ему находят множество применений. В разных странах разрабатываются проекты маховичных машин. Американские специалисты создают беспилотный вертолет, в котором вместо двигателя используют супермаховики. Отправляют супермаховики и в космос. Там для них особенно благоприятная среда: в космическом вакууме нет аэродинамического сопротивления, а невесомость устраняет нагрузки на подшипники. Поэтому на некоторых спутниках связи применяются супермаховичные накопители — они долговечнее электрохимических аккумуляторов и могут долгое время снабжать аппаратуру спутника энергией. Недавно в США стали рассматривать возможность применения супермаховиков в качестве источников бесперебойного питания для зданий. Там уже работают электростанции, которые во время пика потребления энергии увеличивают мощность за счет маховичных накопителей, а при спаде, обычно в ночное время, направляют избытки энергии на раскручивание маховиков. В итоге у электростанции значительно повышается КПД работы. Кроме того, потери энергии в супермаховиках составляют всего 2% - это меньше, чем у любых других накопителей энергии.

Профессор Гулиа тоже времени зря не терял: создал очень удобную маховичную дрель, разработал первый в мире гибридный маховичный автомобиль на базе УАЗ-450Д — он оказался вдвое экономичней обычной машины. Но главное — профессор постоянно совершенствует разные элементы своей маховичной концепции, чтобы сделать ее по-настоящему конкурентоспособной.

Чудо-махомобили
Можно ли вывести супермаховик на уровень самых емких аккумуляторов? Оказывается, это не проблема. Если вместо стали использовать более прочные материалы, то пропорционально вырастет и энергоемкость. Причем, в отличие от электрохимических аккумуляторов, здесь практически нет потолка.

Супермаховик из кевлара на испытаниях при той же массе накапливал в четыре раза больше энергии, чем стальной. Супермаховик, навитый из углеволокна, может в 20−30 раз превзойти стальной по плотности энергии, а если использовать для его изготовления, например, алмазное волокно, то накопитель приобретет фантастическую энергоемкость — 15 МДж/кг. Но и это не предел: сегодня с помощью нанотехнологий на основе углерода создаются волокна фантастической прочности. «Если из такого материала навить супермаховик, — рассказывает профессор, — плотность энергии может достичь 2500−3500 МДж/кг. А значит, 150-килограммовый супермаховик из такого материала способен обеспечить легковому автомобилю пробег в два с лишним миллиона километров с одной прокрутки — больше, чем может выдержать шасси машины».

За счет того что супермаховик вращается в вакууме, а его ось закреплена в магнитной подвеске, сопротивление при вращении оказывается минимальным. Возможно, такой супермаховик может крутиться до остановки многие месяцы. Однако машина, способная работать в течение всего срока службы без заправок, пока еще не изобретена. Мощности современных электростанций определенно не хватит для зарядки таких серийных чудо-махомобилей.

Но именно автотранспорт, считает профессор, самая подходящая сфера применения супермаховиков. И показатели машин проекта Гулиа, на которых он планирует использовать супермаховики, не менее удивительные. По оценке ученого, «здоровый» расход топлива у бензинового автомобиля должен составлять примерно 1,5 л на 100 км, а у дизельного — 1,2 л.

Как такое возможно? «В энергетике есть неписаный закон: при одинаковых капиталовложениях всегда более экономичен привод, в котором нет преобразований видов и форм энергии, — поясняет профессор. — Двигатель выделяет энергию в виде вращения, и ведущие колеса автомобиля потребляют эту энергию тоже в виде вращения. Значит, не надо преобразовывать энергию двигателя в электрическую и обратно, достаточно передавать ее от двигателя к колесам через механический привод».

Таким образом, механический гибрид оказывается максимально энергосберегающим и, как уверяет ученый, в условиях города снижает расход топлива в три раза! Применение супермаховика, который запасает огромное количество энергии от двигателя, а затем практически без потерь отправляет ее на колеса через супервариатор (см. «ПМ», № 3'2006), позволяет снизить размер и мощность двигателя. Двигатель же в проекте ученого работает только в оптимальном режиме, когда его КПД наиболее высок, поэтому-то «суперавтомобиль» Гулиа столь экономичен. Имеется у профессора и проект использования топливных элементов с супермаховиком. У топливных элементов КПД в пределе может быть почти вдвое выше, чем у ДВС, и составляет около 70%.

«Но почему же при всех достоинствах такой схемы она пока не используется на автомобилях?» — задаем мы очевидный вопрос. «Для такой машины был необходим супервариатор, а он появился сравнительно недавно и сейчас только начинает производиться, — объясняет профессор Гулиа. — Так что такой автомобиль на подходе». Нашему журналу приятно сознавать, что если такой автомобиль появится, то в этом будет и наша заслуга. После того как в «Популярной механике» появилась статья о супервариаторе Гулиа, этим проектом сразу заинтересовались производители приводной техники, и сейчас профессор занимается созданием и совершенствованием своего супервариатора. А значит, стоит надеяться, что ждать суперавтомобиля осталось недолго…

Комментарий-возражение, про тротиловый эквивалент: Если принять в качестве исходной позиции заявленную энергоемкость 2500-3500 МДж/кг, то при массе маховичного накопителя 150 кг, запас энергии составит около 100 тонн в тротиловом эквиваленте. При такойц энергоемкости маховик не может быть безопасным в принципе. Малейшее нарушение целостности маховика приведет к выделению большого количества теплоты, нагреванию, плавлению, разрушению, и как результат еще большему выделению теплоты. Своего рода цепная реакция. И взрыв мощностью до 100 тонн. А если это произойдет в пробке из 100 машин, то взорвуться все машины, и получим в городе взрыв мощностью до 10 килотонн.
Я как-то уже сравнивал энергию запасенную в маховиках с тротиловым эквивалентом год назад. Может быть даже в комментариях к этой самой статье (либо, есть еще одна статья на ПМ, что-то вроде "технологические прорывы года").
Так что я с вами согласен в этом. И мне также кажется, что 2500-3500 МДж/кг это просто нереально. Я лишь говорю, что, видимо, современные супер-маховики все-таки могут запасти в себе приличное количество энергии, чтобы конкурировать, например, с теми же кислотными аккумуляторами. Конкурировать, как я понимаю, в том числе и по цене. Если не ошибаюсь, статья о внедрении маховиковых электростанций в США также есть на ПМ. Поищите.
Главный плюс в таком решении, образно: можно покупать энергию ночью, а потреблять ее днем (это со стороны потребителя).
И да, кстати. Мы тут говорили о влиянии гироскопического эффекта на двиижение транспортного средства (если на борту размещены маховики-аккумуляторы).

И ещё про него же
https://russian7.ru/post/pochemu-kgb-zapretil-vechnyy-dvigatel

Спойлер: Почему КГБ запретил «вечный двигатель», созданный советским учёным Гулиа
Какие агрегаты для накопления энергии вам известны? Если провести подобный опрос, то большинство вспомнит лишь аккумуляторные батареи. А ведь есть еще маховики и супермаховики — так называемые «инерционные аккумуляторы» — устройства, способные накапливать и сохранять огромные объемы кинетической энергии. Интересным примером является устройство, созданное и запатентованное советским ученым и инженером Нурбеем Гулиа.

Что такое супермаховик Гулиа
Маховик вы наверняка видели, например, в часах или на коленвале вашего авто. Он представляет собой массивное вращающееся колесо, способное продолжать вращение долгое время после того, как его раскрутят. Супермаховик — это гораздо более совершенное устройство, но с тем же колесом в основе. Для того, чтобы минимизировать потери на трение при вращении, колесо супермаховика помещается в вакуумный кожух и/или располагается на магнитных подвесах. Примерно такой и была конструкция, предложенная Гулиа еще в 1964 году и максимально подробно описанная в его же книге «Инерционные аккумуляторы энергии».

Ученый создал несколько вариантов своего супермаховика, который мог накапливать энергию торможения или запитываться напрямую от электродвигателя и отдавать накопленную инерцию с высочайшим КПД — 98%. Ни один из существующих двигателей сегодня не способен работать с такой эффективностью. Что касается энергии, которую способен накапливать этот супермаховик, то ее во много раз больше, чем способна хранить даже современная аккумуляторная батарея аналогичного размера и массы. К примеру, собранный из современных композитных материалов супермаховик массой 150 кг способен обеспечить легковому автомобилю до 2 млн км хода.

Испытания и эксплуатация
Конечно, первые маховики, изготовленные Гулиа, не были столь совершенны. Но тем не менее они превосходили по своим возможностям все существовавшие тогда аккумуляторы. В эксплуатационном отношении устройство тоже показало себя неплохо. Его устанавливали на нескольких образцах общественного транспорта в Курске, а также был изготовлен грузовой автомобиль, в котором движущей силой был супермаховик с мотор-генератором.

Казалось бы, у СССР появился уникальный агрегат, способный стать мировой сенсацией и вывести промышленность страны на новый уровень. И все это с минимальными затратами и практически без ущерба для экологии. Но в начале 1970-х государственное финансирование проекта было свернуто, а неоднократные попытки Гулиа продвинуть его самостоятельно не нашли отклика в Правительстве.

А почему нет?
Евгений Золотов в книге «Проклятье аккумуляции, или Почему не слышно про супермаховик?» рассказывает, что инициатором закрытия проекта сначала было Министерство Промышленности СССР, а позже его поддержала и верхушка КГБ. На рубеже 1960-70-х бензин в Союзе стоил копейки, а потому тратиться на внедрение супермаховика никто просто не хотел. А с 1973 года из-за нефтяного кризиса стоимость нефти выросла более, чем в 4 раза, и изобретение Гулиа превратилось из ненужного во вредное. Ведь если бы оно попало в Европу или США, то советскую нефть просто перестали бы покупать. Самая что ни на есть угроза государственной безопасности.

Ярослав Горбунов

Почему-то подобные авторы кое-что забывают - при поломке супермаховика вся накопленная им энергия выплеснется наружу в один момент, создав эффект мощного взрыва.
Думаю их запретили только по этой причине.
Но думаю их по-прежнему можно использовать в авиации, особенно беспилотной.
Только технологию возродить.

#18 dyvniy » Пн, 31 октября 2016, 13:29:59

Человек-киборг, который слышит цвет.
https://future.mail.ru/article/roboty_i_kiborgi_d ... ne_rjadom_s_nami_i_vnutri_nas/
http://surfingbird.ru/surf/mir-glazami-nila-harbi ... loveka--odIt07D78#.WBcb1Pp95GN

phpBB [media] link

bookweb

Техника (видео)

Супермаховик

Быстрый ответ

Кто сейчас на форуме (по активности за 15 минут)