Супермаховик Нурбея Гулиа – механический накопитель энергии
Началом своих исследований Нурбей Гулиа называет задачу, поставленную им самим перед собой в пятнадцать лет – создание «энергетической капсулы»: энергоемкого накопителя безвредной для человека и окружающей среды энергии. С тех пор он изучил множество способов решения, пока не остановился на маховике, известном с начала времен – гончарный круг, что как не маховик?
.
Нурбей Гулиа и один из его супермаховиков
Гибридный автомобиль Гулиа. Передние колеса имели привод от ДВС, а задние от вариатора и маховика
Первые испытания супермаховика Гулиа показали, что даже первая не самая совершенная конструкция, способна обогнать по плотности энергии свинцово-кислотные аккумуляторы при достаточной безопасности: разрыв ленты наступал при разгоне обода до 500 м/с (плотность составляла 100 кДж/кг). Тогда же было выдвинуто предложение использовать его на автомобиле и разработан первый гибрид на базе УАЗ-450Д.
.
Такими установками занимается, например, Beacon Power, где разработаны большие стационарные супермаховики. От модели зависит запасаемая энергия (от 6 до 25 кВт⋅ч) и мощность (от 2до 200 кВт). КПД, как уже говорилось – 98%. Нурбей Гулиа так же не стоит на месте: под его руководством российская компания Kinetic Power разрабатывает свой стационарный накопитель кинетической энергии на базе супермаховика, который может запасти до 100 кВт⋅ч и обеспечить до 300 кВт.
.
Нанотехнологии еще больше увеличивают возможности сумпермаховиков, ведь теоретически дают возможность достичь фантастической плотности энергии: до 2500−3500 МДж/кг. Представьте, на минутку, – на одной раскрутке 150-кг супермаховика, обычный легковой автомобиль будет способен проезжать два миллиона километров.
.
Технологии супермаховика, по совершенно непонятной причине так и не могут заинтересовать крупных инвесторов. Нурбей Гулиа по-прежнему работает над улучшением своего изобретения, разрабатывает возможность изготовления графенового супермаховика (энергоемкость составит 1,2 кВт*ч/кг).
.
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:
| Характеристики: | Аккумулятор | Суперконденсатор | Супермаховик |
| КПД, % | 70 | 95 | 90-98 |
| Энергоемкость, Вт·ч/кг | 150 | 15 | 500 |
| Количество циклов | 10 3 | 10 6 | 10 5 |
| Жизненный цикл, лет | 3-5 | 10 | более 20 |
| Время заряда | часы | секунды | минуты |
| Выходная мощность | средняя | высокая | высокая |
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
Супермаховик советского и российского учёного и изобретателя Н.Гулиа: особенность и область применения
В теории уже сегодня можно создавать автомобили, которые за весь эксплуатационный срок не потребуют и грамма топлива. В этом глубоко убежден советский и российский ученый Нурбей Гулиа. На протяжении всей жизни изобретатель работает с механизмами и устройствами по преобразованию энергии. Конечная цель – создание «энергетической капсулы», которую можно сперва зарядить энергией, а после использовать её в качестве бензобака. Когда речь заходит об эффективных способах накопления энергии, обычно автомобилисты в первую очередь вспоминают аккумуляторную батарею. Гулиа видел перспективы в аккумуляции энергии маховиками, но не простыми, а усовершенствованными. Так в 1964 году ученый представил свое видение правильного использование механической энергии.
Что такое супермаховик Н. Гулиа?
Маховик – один из древнейших механизмов накопления кинетической энергии. Известно, что даже в древности его использовали из практических соображений. Тогда маховик являлся изделием из глины или дерева. Сегодня маховик применяют в различных в транспортной промышленности и в различных механизмах. В системе транспортного средства он способствует сохранению скорости вращения коленчатого вала с выключенным сцеплением. Супермаховик Гулиа тяжелый, но при этом способен быстро крутиться. Изделие состоит из многочисленных намотанных витков стальной пластичной ленты. Конструкция отличается прочностью и устойчивостью. Если он начнет разрушаться, то запутается в своих же частях, и это еще одно из преимуществ изобретения.
Чтобы полностью обезопасить человека от движущихся элементов, можно использовать бронекапсулу с вакуумом внутри. Маховик крепится на подшипниках – это дополнительные силы, препятствующие вращению. Если его установить на подвес из магнитов, то удастся нивелировать сопротивление движению, а это значит, что маховик сможет крутиться долгое время. Для выработки электричества потребуется генератор. Получаемое от супермаховика вращение генератор преобразует в ток. В результате получается точная копия генератора, но без необходимости сжигать топлива – это одна из ключевых целей, которую преследовал Нурбей Гулиа. За счет мотора-генератора можно как раскручивать маховик, так и забирать энергию за счет его вращения.
Насколько эффективен супермаховик Н.Гулиа?
Со времени разработки конструкции супермаховика прошло уже несколько десятилетий. Система, предложенная ученым, на первый взгляд сегодня может показаться архаичной, но на деле она по сей день остается одной из наиболее эффективных. Показатель КПД достигает отметки в 98%. Если навить маховик из карбонового нановолокна, его удельная энергия составит 1 МВт*ч/кг. Показатель энергии в тысячи раз больше, чем у самых совершенных аккумуляторных батарей. Автомобиль с массой 150 кг в теории способен на одном заряде преодолеть свыше 2 миллионов километров. Таким образом, супермаховик советского и российского ученого Гулиа – конструктивно простое, относительно недорогое изобретение с высочайшим уровнем КПД. Но есть два минуса, которые стоят на пути его массового внедрения.
Первый минус – гироскопический эффект. Он полезен в море для стабилизации корабля, но в автомобиле эффект будет только мешать и препятствовать реализации уникальных систем подвеса. Поскольку во время движения автомобиля на его составные части действуют различные силы, возникают вибрации, риск разрушения супермаховика возрастает в несколько раз. Если это произойдет, то возникнет большое число трудностей. И это второй существенный минус изобретения ученого. Гулиа стремился реализовать супермаховик именно в автомобильном транспорте, было сконструировано несколько образцов, но повсеместного распространения они не получили.
Область применения системы накопления энергии
Представленную ученым систему ставили на общественный транспорт в городе Курск, а также был изобретен грузовой автомобиль с движущей силой от маховика и мотор-генератора. Изначально казалось, что у Советского Союза появился уникальный шанс вывести промышленность на новый уровень и громко заявить о себе с минимальными затратами и без ущерба для экологии. Но в 70-х годах государственное финансирование проекта свернули. Одна из теорий – в Министерстве Промышленности опасались, что предложенное Н.Гулиа изобретение дойдет до Европы и США, что было крайне невыгодно в условиях мирового нефтяного кризиса. Так как советская нефть пользовалась высоким спросом, в высших кругах посчитали не нужным предать уникальное изобретение широкой огласке. Но это только одна из версий.
Ученый не исключает возможность создания графенового супермаховика. Удельная емкость энергии по расчетам составит 1.2 кВт*ч/кг, что существенно выше аналогичного показателя в современных литий-ионных аккумуляторах
По-другому обстоят дела в сфере промышленности. В России Kinetic Power под сопровождением Н.Гулиа разработала стационарный накопитель энергии с супермаховиком в конструкции. Потенциал колоссальный – один маховик способен накопить до 100 КВт*ч энергии и обеспечить мощность до 300 кВт. Уникальность системы в том, что она способна заменить гидроаккумулирующие электростанции и выровнять нагрузку на электрическую сеть целого жилого района. Также система актуальна в домохозяйстве и области электромобилей. По мнению инженеров Skoda, подобную систему рационально использовать для подзарядки аккумуляторов электрического автомобиля. За счет дневного раскручивания маховика вечером возможна отдача энергии в заряд АКБ без нагрузки на городскую электрическую сеть.
Заключение
Задачи с большой буквы – конструкция супермаховика и плавный отбор энергии уже давно решены. Периодически сегодня можно слышать об эффективности реализации системы в узкопрофильных областях. Но там, где на изобретение советского ученого возлагались основные надежды (автомобильная промышленность и энергетика), система не нашла своего применения. Несколько лет назад американская компания Beacon Power решила возвести вблизи с Нью-Йорком частную супермаховичную аккумулирующую станцию.
Но об этом проекте уже сегодня ничего не слышно, а это говорит о том, что эксперимент, по всей видимости, не удался. Если рассматривать главные изобретения ученого – супермаховик и супервариатор – с точки зрения коммерческой перспективы, то второе «детище» Гулиа серьезно выигрывает, да и сам ученый, судя по всему, решил сконцентрироваться над совершенством супервариатора и внедрения его в автомобильную сферу. А вот супермаховик, как и прежде, остается под большим знаком вопроса.
Применение маховиков в автомобильной промышленности
Диски высокой энергии: маховичный накопитель
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.