«Капсула» разрастается
Помните, мы говорили, что ученые разрабатывают проекты гигантских накопителей энергии на основе сверхпроводящих катушек – четверть километра диаметром и 50—70 м высотой. И накапливать они должны десятки миллионов мегаджоулей энергии. Такие накопители нужны для аккумулирования энергии в период ночных недогрузок электростанций и для выделения ее при перегрузках в часы «пик». Наиболее чувствительны к недогрузкам и перегрузкам атомные электростанции, на долю которых с каждым годом приходится все больше и больше вырабатываемой электроэнергии.
А пригодны ли супермаховики для накопления столь огромных количеств энергии и что они будут представлять собой в этом случае?
Применение маховичных накопителей на электростанциях тесно связано с именем известного русского изобретателя-самоучки А. Г. Уфимцева, которого М. Горький назвал «поэтом техники». Изобретения Уфимцева были необычайно широкого диапазона – от керосиновых ламп до самолетов. Тщательно проанализировав различные способы накопления энергии для ветро-электростанций, в том числе «водородное» и тепловое аккумулирование, он пришел к выводу, что маховичный накопитель подходит для этих целей лучше других.
Первый маховичный аккумулятор был построен А. Г. Уфимцевым в 1920 году из паровозного буфера. Маховик имел массу всего 30 кг и вращался в вакуумной камере, из которой был откачан воздух до давления около 5 гПа (гектопаскаль), совершая 12 тыс. оборотов в минуту. Вывод мощности из камеры осуществлялся электрическим путем с помощью мотор-генератора.
Электромаховичный накопитель А. Г. Уфимцева
Более крупную модель накопителя с маховиком массой 320 кг А. Г. Уфимцев создал в 1924 году. После зарядки маховик обеспечивал равномерное горение нескольких электроламп по 1000 свечей в течение часа. Этот накопитель Уфимцев применил на ветроэлектростанции, которая существует в городе Курске и сейчас. Все куряне знают «ветряк Уфимцева» на улице Семеновской и гордятся им.
Маховик А. Г. Уфимцева, как и сверхпроводящие накопители, аккумулировал электроэнергию в периоды ее избытка, во время порывов ветра, а затем равномерно распределял ее даже при полном отсутствии ветра. Крутиться он мог без подзарядки около 14 ч.
Идеи одаренного русского самоучки воплощены сегодня во многих маховичных накопителях для электростанций. Например, американский изобретатель Аллан Милнер разработал супермаховичный накопитель для солнечной электростанции. Известно, что солнечный свет, преобразованный в электроэнергию, может питать потребителей только днем, да и то в безоблачную погоду. А для того чтобы использовать эту энергию ночью и в пасмурные дни, ее необходимо предварительно накапливать, и по возможности с минимальными потерями.
Накопитель Милнера состоит из супермаховика диаметром около метра, массой 2 т, вращающегося со скоростью 15 тыс. оборотов в минуту. Супермаховик подвешен на шести магнитных подшипниках, причем подвеска подстрахована обычными шарикоподшипниками. Разгон супермаховика и отбор энергии осуществляются мотор-генератором с постоянными магнитами, наиболее экономичным из известных машин подобного типа. Накопитель аккумулирует почти 150 МДж энергии, при этом потери составляют всего около 12 %.
У такого накопителя плотность энергии в полтора раза выше, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов, а долговечность – выше во много раз. К слову, маховичный накопитель подобного типа разрабатываю сейчас и я вместе с германскими коллегами из фирмы SEEBa и университета города Циттау. С помощью данного накопителя немецкая сторона рассчитывает повысить экономичность городского электротранспорта, о чем речь пойдет ниже.
Малогабаритный супермаховичный накопитель национальной лаборатории «Лауренс-Ливермор» (США)
Наиболее современный малогабаритный супермаховичный накопитель разработала знаменитая национальная лаборатория «Лауренс-Ливермор» (США), пожалуй, лучшая лаборатория в мире военной техники. Накопитель высотой 40 см, объемом 40 л и массой 75 кг содержит супермаховик, навитый из высокопрочного углепластика (графитового волокна со связкой), выдерживающего напряжения в 7 ГПа и обеспечивающего колоссальную плотность энергии – 545 Вт·ч/кг. Супермаховик вращается с максимальной частотой 60 тыс. оборотов в минуту, накапливая энергию до 1 кВт·ч и развивая мощность до 100 кВт. Таким образом, весь агрегат – с корпусом, магнитной подвеской и обратимой электромашиной (мотор-генератором) мощностью в 100 кВт, с супермаховиком и его ступицей – имеет плотность энергии около 14 Вт·ч/кг и плотность мощности – 1,34 кВт/кг. КПД накопителя – около 0,92. Пока этот накопитель – подлинное чудо техники, настоящая «энергетическая капсула», только малогабаритная.
Живут идеи А. Г. Уфимцева и в проекте американского ученого Стивена Поста, который предложил для крупной электростанции гигантский супермаховик, имеющий массу 200 т, диаметр 5 м и развивающий 3500 оборотов в минуту. Такой супермаховик может накопить уже свыше 70 тыс. МДж энергии. Чуть меньшей энергоемкостью обладают маховичные системы для бесперебойного питания, которые уже выводит на рынок фирма AFS Trinity. Эти агрегаты могут объединяться в сети, что повышает общую энергоемкость системы.
Гигантский супермаховичный накопитель Стивена Поста
Супермаховик Стивена Поста предполагается собрать в виде концентрических колец, навитых из кремниевого волокна и насаженных одно на другое с небольшим зазором, заполненным эластичным веществом, например резиной. Затем его заключат в герметичный корпус и соединят с валом мощного мотор-генератора. Сильная магнитная подвеска разгрузит подшипники от громадной тяжести супермаховика. В случае разрыва супермаховика выделится энергия, равная взрыву тысячи тонн тола, но в момент разрыва корпусу передастся не более 1-2 % этой энергии. Остальная энергия будет выделяться достаточно медленно, преобразуясь в тепло. На всякий случай супермаховик все же намечено установить под землей на безопасной глубине.
Большие перспективы сулят так называемые кольцевые супермаховики, о которых упоминалось выше. Единственной подвижной частью такого супермаховика является кольцо, навитое из высокопрочного волокна и помещенное в вакуумную камеру в форме бублика – тора. Поскольку кольцевой супермаховик лишен центра, в нем наиболее полно реализуются прочностные свойства волокон. Кольцо-супермаховик удерживается в камере в подвешенном состоянии с помощью магнитных опор, размещенных в нескольких местах по окружности. Само кольцо служит ротором мотор-генератора, а те места, где стоят обмотки магнитов, – статором. Это упрощает отбор энергии и зарядку супермаховика.
Кольцевой супермаховик
Если сравнить кольцевой супермаховик со стальным маховиком из самой прочной стали, то выявится следующее. Плотность энергии первого в 2-3 раза больше, чем второго, и достигает 0,5 МДж/кг. Потери на вращение у него в 50-100 раз меньше, чем у стального, благодаря чему он может свободно вращаться в течение 750, а в перспективе – 12 тыс. ч, то есть продолжительность его вращения без остановки – 500 суток, или полтора года! Особенно перспективен кольцевой супермаховик при использовании для его изготовления новых сверхпрочных нановолокон и лент из углерода – суперкарбона, когда плотность энергии возрастает еще в тысячи раз! Ведь вращающийся с космической скоростью супермаховик находится в вакууме и ни с чем не контактирует.
Супернакопитель энергии
Конструкция кольцевого накопителя привела меня с соавторами к идее «сверхнакопителя» энергии, который тоже был признан изобретением. Мы решили «переложить» с маховика на землю огромные разрывные напряжения, возникающие во вращающемся кольце. Но практически осуществить это будет возможно только в накопителях гигантских размеров.
В общих чертах идея «сверхнакопителя» такова. Кольцевой маховик в корпусе зарыт в землю горизонтально. На внешней поверхности кольца-супермаховика и на обращенной к ней внутренней поверхности корпуса одноименными полюсами друг к другу уложены сильные постоянные магниты. Взаимодействуя, они сжимают кольцо-супермаховик и растягивают корпус. От корпуса это растяжение передается фундаменту, в котором заключен корпус, а в результате и земле. Иными словами, земля используется в данном случае как гигантский и очень прочный корпус!
Может возникнуть вопрос: хватит ли сил у магнитов, чтобы противостоять колоссальному стремлению частей супермаховика удалиться от центра, а если и хватит, то не будет ли супермаховик «раздавлен» этими силами при остановке?
Все дело здесь, оказывается, в размерах, точнее, в диаметре супермаховика. Чем он больше, тем меньше магнитные силы. По мере разгона магниты супермаховика вследствие его растяжения все теснее поджимаются к соответствующим магнитам на корпусе, зазор между ними делается все меньше, а сила отталкивания – все больше. При остановке происходит обратное явление – магниты маховика отходят от корпуса, зазор увеличивается, и сила отталкивания падает. Поэтому маховик и не «раздавливается» в состоянии покоя.
У хороших постоянных магнитов при малых зазорах сила отталкивания может стократно превышать силу тяжести подвешиваемой массы. Постоянные магниты применяют для вывешивания над магнитными «рельсами» вагонов-магнитопланов. Подобные магнитопланы уже в недалеком будущем будут курсировать между городами со скоростями, доступными сейчас лишь самолетам.
Наш супермаховик-кольцо можно представить в виде как бы непрерывной кольцевой сцепки из таких «вагончиков», только гораздо меньших и состоящих почти из одних магнитов. Крутиться это «гибкое» кольцо будет в вакуумированной трубе, уложенной вокруг электростанции, завода или даже города. Если радиус кольца достигнет, например 16 км (приблизительно столько же у кольцевой автострады вокруг Москвы), то с применением упомянутых постоянных магнитов скорость кольца-супермаховика составит 4 км/с!
Плотность энергии кольцевого гиганта должна быть 8 МДж/кг, при сечении супермаховика всего 0,5 м такая плотность создаст полный запас энергии в накопителе – 2·10Дж, что в 200 раз больше, чем в огромном сверхпроводящем накопителе, спроектированном французскими учеными. Этой энергии вполне хватило бы на освещение всех городов мира в течение вечера. А ведь объем французского накопителя вдвое превосходит объем нашего кольца.
Сегодня учеными разработаны магниты, сила взаимодействия которых в тысячи раз превышает их силу тяжести. К слову, такие магниты от нашей магнитной подвески имеются у меня дома. С ними обращение должно быть особое – если вдруг окажется, что расстояние между ними мало, они мгновенно устремятся навстречу друг другу, ломая все на своем пути. Главное, чтобы на их пути не оказалась рука человека. Сдавливание в сотни килограммов гарантировано!
Если такие магниты поставить на наш сверхнакопитель, то скорость кольца супермаховика достигнет 12,6 км/с и превысит даже вторую космическую скорость. Плотность энергии тогда будет 80 МДж/кг, а вся энергия накопителя составит 2·10Дж. Это значительно больше избыточной энергии электростанций всего мира, хотя по плотности энергии такой сверхнакопитель раз в 40 меньше супермаховика из суперкарбона.
Можно пойти по пути уменьшения размеров накопителя и ограничиться запасом энергии в 10Дж. Получится все-таки достаточно емкий накопитель, способный обеспечить равномерную работу большой электростанции. При радиусе накопителя 0,5 км сечение его подвижных магнитов будет всего 5?5 см. Такой накопитель в виде тонкой кольцевой трубки нетрудно расположить вокруг любой электростанции со всем ее хозяйством.
