Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

RU2601590C1 - Electromechanical superconductive power accumulator - Google Patents

Electromechanical superconductive power accumulator Download PDF

Info

Publication number
RU2601590C1
RU2601590C1 RU2015115350/07A RU2015115350A RU2601590C1 RU 2601590 C1 RU2601590 C1 RU 2601590C1 RU 2015115350/07 A RU2015115350/07 A RU 2015115350/07A RU 2015115350 A RU2015115350 A RU 2015115350A RU 2601590 C1 RU2601590 C1 RU 2601590C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
flywheel
rotor
energy
superconducting
module
Prior art date
Application number
RU2015115350/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Иванович Смоленцев
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" (ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" (ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)") filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" (ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)")
Priority to RU2015115350/07A priority Critical patent/RU2601590C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2601590C1 publication Critical patent/RU2601590C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/02—Additional mass for increasing inertia, e.g. flywheels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08—Structural association with bearings
    • H02K7/09—Structural association with bearings with magnetic bearings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Superconductive Dynamoelectric Machines (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)

Abstract

FIELD: energy.
SUBSTANCE: invention relates to power engineering. Electromechanical superconductive power accumulator comprises housing, wherein are placed synchronous motor-generator with stator and windings system, rotor-flywheel, support permanent magnets located in the lower part of the rotor-flywheel, permanent excitation magnets arranged on the inner side of the rotor-flywheel surface, guide support with bearing located in the lower part of the synchronous motor-generator, superconducting plates, cryostat, high-temperature superconducting suspension, formed by support permanent magnets and superconducting plates. Housing is made of two interconnected modules - module of the cryostat and module of the synchronous motor-generator. Superconducting plates of high-temperature superconducting suspension are located in the cryostat module. Rotor-flywheel, internal cavity of which is evacuated, is located in the synchronous motor-generator module.
EFFECT: increase in energy efficiency and energy saving of energy accumulator.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в транспортных системах с электрическим приводом, электрических сетях для буферизации пиковых нагрузок, для использования в локальных электрических сетях (ЛЭС) с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ).The invention relates to the field of energy and can be used in transport systems with electric drive, electrical networks for buffering peak loads, for use in local electrical networks (LES) with renewable energy sources (RES).

Из уровня техники известны кинетические накопители энергии, в которых электрическая энергия преобразуется в механическую энергию маховика и сохраняется в таком виде до тех пор, пока маховик не остановится (Патент на изобретение РФ №2504889, «Накопитель энергии», МПК H02K 7/02, опубл. 20.01.2014; патент на изобретение РФ №2417504, «Супермаховиковый накопитель энергии», МПК H02K 16/04, опубл. 27.04.2011; патент на изобретение РФ №2456734, «Накопитель энергии», МПК H02K 7/02, опубл. 20.07.2012).Kinetic energy storage devices are known from the prior art in which electrical energy is converted into mechanical energy of the flywheel and stored in this form until the flywheel stops (Patent for the invention of the Russian Federation No. 2504889, “Energy Storage”, IPC H02K 7/02, publ. 01/20/2014; patent for the invention of the Russian Federation No. 2417504, "Super-flywheel energy storage device", IPC H02K 16/04, publ. 04/27/2011; patent for the invention of the Russian Federation No. 2456734, "Energy storage", IPC H02K 7/02, publ. 07/20/2012).

Известен кинетический накопитель энергии (патент на полезную модель РФ №133986, «Кинетический накопитель энергии с магнитным ВТСП подвесом», МПК H02K 7/02, опубл. 27.10.2013), предназначенный для работы в качестве резервных и аварийных источников питания бортовых электроэнергетических систем атмосферных летательных аппаратов и космических энергоустановок, а также других ответственных потребителей.Known kinetic energy storage (patent for utility model of the Russian Federation No. 133986, "Kinetic energy storage with magnetic HTS suspension", IPC H02K 7/02, publ. 10/27/2013), designed to work as backup and emergency power sources for onboard electric power systems of the atmosphere aircraft and space power plants, as well as other responsible consumers.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по своей технической сущности является кинетический накопитель энергии с магнитным высокотемпературным сверхпроводниковым (ВТСП) подвесом (Патент РФ №97018, «Кинетический накопитель энергии», МПК H02K 7/00, опубл. 20.08.2010), содержащий корпус, в котором размещен обращенный мотор-генератор с неподвижным статором и ротор-маховик с бесконтактным сверхпроводящим подвесом на основе кольцевого блочного ВТСП массива. Этот накопитель энергии принят в качестве прототипа.Closest to the proposed invention in its technical essence is a kinetic energy storage device with a magnetic high-temperature superconducting (HTSC) suspension (RF Patent No. 97018, "Kinetic energy storage", IPC H02K 7/00, publ. 08/20/2010), containing a housing, which houses a reversed motor generator with a fixed stator and a rotor-flywheel with a non-contact superconducting suspension based on an annular block HTSC array. This energy storage device is adopted as a prototype.

Недостаток прототипа заключается в ограничении энергетических показателей (запасенная электрическая энергия, коэффициент полезного действия) из-за газовой среды в корпусе накопителя энергии, состоящей из воздуха и газообразного азота, образующегося при испарении жидкого азота из криостата, охлаждающего кольцевой блочный ВТСП массив сверхпроводящего подвеса ротора-маховика. Газовая среда препятствует разгону ротора-маховика до больших скоростей вращения и ограничивает грузоподъемность сверхпроводящего подвеса из-за снижения эффективности охлаждения сверхпроводящих пластин.The disadvantage of the prototype is the limitation of energy performance (stored electrical energy, efficiency) due to the gaseous medium in the housing of the energy storage device, which consists of air and gaseous nitrogen generated by the evaporation of liquid nitrogen from a cryostat cooling the annular block HTSC array of rotor superconducting suspension - flywheel. The gas medium prevents the flywheel rotor from accelerating to high rotation speeds and limits the carrying capacity of the superconducting suspension due to a decrease in the cooling efficiency of the superconducting plates.

Ограничение скорости вращения ротора-маховика уменьшает, соответственно, запасенную энергию накопителя энергии при его заряде. Уменьшается время выбега ротора-маховика за счет моментов сил аэродинамического трения (сопротивления) в газовой среде, в результате чего снижается коэффициент полезного действия, соответственно снижаются энергосбережение и энергоэффективность накопителя энергии.Limiting the speed of rotation of the rotor-flywheel reduces, respectively, the stored energy of the energy storage device when it is charged. The run-off time of the rotor-flywheel is reduced due to the moments of aerodynamic friction (resistance) in the gaseous medium, as a result of which the efficiency is reduced, respectively, the energy saving and energy efficiency of the energy storage are reduced.

С другой стороны, наличие газовой среды в корпусе снижает эффективность охлаждения сверхпроводящих пластин ВТСП подвеса, уменьшает грузоподъемные характеристики сверхпроводящего подвеса и запасенную электрическую энергию, которая пропорциональна массе ротора-маховика накопителя энергии, что также снижает энергоэффективность накопителя энергии.On the other hand, the presence of a gas medium in the housing reduces the cooling efficiency of the superconducting plates of the HTSC suspension, reduces the lifting characteristics of the superconducting suspension and the stored electrical energy, which is proportional to the mass of the rotor-flywheel of the energy storage device, which also reduces the energy efficiency of the energy storage device.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение энергоэффективности и энергосбережения накопителя энергии.The technical result of the invention is to increase energy efficiency and energy saving energy storage.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в электромеханическом сверхпроводящем накопителе энергии, содержащем корпус, в котором размещены синхронный двигатель-генератор со статором с системой обмоток и ротор-маховик, опорные постоянные магниты, расположенные в нижней части ротора-маховика, постоянные магниты возбуждения, расположенные на внутренней боковой поверхности ротора-маховика, направляющая опоры с подшипником, расположенная в нижней части синхронного двигателя-генератора, сверхпроводящие пластины, криостат, высокотемпературный сверхпроводниковый подвес, образованный опорными постоянными магнитами и сверхпроводящими пластинами, согласно изобретению корпус выполнен из двух соединенных между собой модулей - модуля криостата и модуля синхронного двигателя-генератора, причем сверхпроводящие пластины высокотемпературного сверхпроводникового подвеса расположены в модуле криостата, а ротор-маховик, внутренняя полость которого вакуумирована, расположен в модуле синхронного двигателя-генератора.The specified technical result is achieved due to the fact that in an electromechanical superconducting energy storage device containing a housing in which there is a synchronous motor generator with a stator with a winding system and a rotor-flywheel, supporting permanent magnets located in the lower part of the flywheel rotor, permanent excitation magnets located on the inner side surface of the flywheel rotor, bearing support with a bearing located at the bottom of the synchronous motor-generator, superconducting plates, cryo stat, a high-temperature superconducting suspension formed by supporting permanent magnets and superconducting plates, according to the invention, the housing is made of two interconnected modules - a cryostat module and a synchronous engine-generator module, the superconducting plates of a high-temperature superconducting suspension located in the cryostat module, and the rotor-flywheel, whose inner cavity is evacuated, is located in the module of the synchronous engine-generator.

Выполнение корпуса накопителя энергии сборным и состоящим из двух модулей позволяет оптимизировать решение двух взаимовлияющих технических проблем, что невозможно в прототипе, а именно:The implementation of the housing energy storage team and consisting of two modules allows you to optimize the solution of two mutually affecting technical problems, which is impossible in the prototype, namely:

- вакуумировать внутреннюю полость ротора-маховика до любой технически возможной степени разряжения;- evacuate the internal cavity of the rotor-flywheel to any technically possible degree of vacuum;

- повысить эффективность охлаждения сверхпроводящих пластин за счет уменьшения теплопроводности и, соответственно, тепловых потоков в вакуумированном объеме, разделяющем модуль криостата с находящимися в нем сверхпроводящими пластинами и модуль синхронного двигателя-генератора.- increase the cooling efficiency of superconducting plates by reducing thermal conductivity and, accordingly, heat fluxes in a vacuum volume separating the cryostat module with the superconducting plates located in it and the synchronous engine-generator module.

Для выявления связи между энегоэффективностью, энергосбережением накопителя энергии и снижением сопротивления при вращении ротора-маховика, температурой охлаждения активных пластин ВТСП подвеса рассмотрим два основных режима работы накопителя энергии: режим заряда, или накопления энергии, и режим разряда, или отдачи накопленной энергии.To identify the relationship between energy efficiency, energy storage of the energy storage device and a decrease in resistance during rotation of the flywheel rotor, the cooling temperature of the active HTSC suspension plates, we consider two main modes of operation of the energy storage device: the charge or energy storage mode and the discharge or discharge energy storage mode.

В режиме накопления (заряда) энергии tз происходит преобразование электрической энергии сети, к которой присоединен накопитель, в кинетическую энергию вращающегося ротора-маховика. Следовательно, имеет место следующий баланс энергии:In the mode of accumulation (charge) of energy t s , the electric energy of the network to which the drive is connected is converted to the kinetic energy of the rotating flywheel rotor. Therefore, the following balance of energy takes place:

Figure 00000001
Figure 00000001

где Wэл - электрическая энергия, Дж, полученная накопителем из сети, Wк - кинетическая энергия ротора-маховика, Дж, ΔW(Ω,p) - потери энергии за счет сопротивления вращению ротора-маховика в газовой среде, зависящие от скорости вращения Ω и давления р газовой среды в рабочей полости ротора-маховика.where W el is the electric energy, J received by the drive from the network, W k is the kinetic energy of the flywheel rotor, J, ΔW (Ω, p) is the energy loss due to the resistance to rotation of the flywheel rotor in a gas medium, depending on the rotation speed Ω and pressure p of the gaseous medium in the working cavity of the rotor-flywheel.

Эмпирическое выражение для потерь энергии за счет сопротивления в газовой среде дано в работе [Н.В. Гулиа. Накопители энергии. Изд-во «Наука». - М.: 1980. С. 80].The empirical expression for energy losses due to resistance in a gaseous medium is given in [N.V. Gulia. Energy storage devices. Publishing House "Science". - M .: 1980. S. 80].

Figure 00000002
Figure 00000002

где D - диаметр ротора-маховика, L - высота ротора-маховика. По оценке, приведенной в упомянутой работе, потери энергии за счет аэродинамического сопротивления достигают 85% от общего количества потерь. Из выражения (1) следует следующее выражение для коэффициента полезного действия ηз накопителя энергии в режиме накопления энергииwhere D is the diameter of the rotor-flywheel, L is the height of the rotor-flywheel. According to the estimates given in the aforementioned work, energy losses due to aerodynamic drag reach 85% of the total number of losses. From expression (1) the following expression follows for the efficiency η s of the energy storage in the energy storage mode

Figure 00000003
Figure 00000003

Как следует из формулы (1), остаточный газ в рабочей полости ротора-маховика создает момент сил аэродинамического сопротивления, уменьшающий кинетическую энергию ротора-маховика и препятствующий достижению больших скоростей вращения и, как следствие, увеличению накопленной энергии, поскольку накопленная энергия и скорость вращения ротора-маховика связаны соотношением [Бут Д.А., Алиевский Б.Л., Мизюрин С.Р., Васюкевич П.В. Накопители энергии. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 400 с. 1]:As follows from formula (1), the residual gas in the working cavity of the rotor-flywheel creates a moment of aerodynamic drag forces, which reduces the kinetic energy of the rotor-flywheel and prevents the achievement of high speeds of rotation and, as a consequence, an increase in the stored energy, since the stored energy and speed of rotation of the rotor the flywheel are related by the relation [Booth D.A., Alievsky B.L., Mizyurin S.R., Vasyukevich P.V. Energy storage devices. - M .: Energoatomizdat, 1991 .-- 400 p. one]:

Figure 00000004
Figure 00000004

где Wк - накопленная кинетическая энергия, Дж, J=mr2 - момент инерции ротора-маховика, кг/м2, m - масса ротора-маховика, кг, r - радиус ротора-маховика, м, Ω=2πn, n - скорость вращения, об/сек.where Wк is the accumulated kinetic energy, J, J = mr 2 is the moment of inertia of the flywheel rotor, kg / m 2 , m is the mass of the flywheel rotor, kg, r is the radius of the flywheel rotor, m, Ω = 2πn, n is the speed rotation, rev / sec.

В режиме разряда или отдачи энергии tз происходит обратное преобразование накопленной кинетической энергии ротора-маховика в электрическую энергию, причем часть энергии также расходуется на преодоление аэродинамического сопротивления:In the mode of discharge or release of energy t s , the accumulated kinetic energy of the rotor-flywheel is inversely converted to electrical energy, and part of the energy is also spent on overcoming aerodynamic drag:

Figure 00000005
Figure 00000005

где Wэн - электрическая энергия, полученная в результате обратного преобразования кинетической энергии в электрическую энергию. Соответственно, выражение для коэффициента полезного действия будет иметь видwhere W en is the electrical energy obtained as a result of the inverse conversion of kinetic energy into electrical energy. Accordingly, the expression for the efficiency will have the form

Figure 00000006
Figure 00000006

Составим общий баланс энергии по полному циклу tц=tз+tр работы накопителя «заряд-разряд», используя формулы (1) и (5):We compose the total energy balance over the full cycle t c = t s + t p the work of the drive "charge-discharge", using formulas (1) and (5):

Figure 00000007
Figure 00000007

Определим коэффициент полезного действия по полному циклу работы накопителя, используя выражения (3) и (6) с точностью до линейных членов:We determine the efficiency over the full cycle of the drive using expressions (3) and (6) accurate to linear terms:

Figure 00000008
Figure 00000008

Как следует из формул (1, 4), накопленная энергии пропорциональна квадрату скорости вращения и массе ротора-маховика. Следовательно, снижение сопротивления при вращении ротора-маховика в вакууме уменьшает потери энергии в накопителе при ее преобразованиях за время полного цикла работы, что повышает его энергосбережение.As follows from formulas (1, 4), the stored energy is proportional to the square of the rotation speed and the mass of the flywheel rotor. Therefore, a decrease in resistance during rotation of the rotor-flywheel in a vacuum reduces the energy loss in the drive during its transformations during the full cycle of operation, which increases its energy saving.

Как следует из формулы (8), снижение сопротивления при вращении ротора-маховика уменьшает потери энергии, что увеличивает коэффициент полезного действия или энергоэффективность накопителя энергии.As follows from formula (8), a decrease in resistance during rotation of the rotor-flywheel reduces energy loss, which increases the efficiency or energy efficiency of the energy storage.

Рассмотрим влияние эффективности охлаждения активных пластин ВТСП подвеса на энергоэффективность и энергосбережение накопителя энергии.Consider the effect of the cooling efficiency of the active plates of the HTSC suspension on the energy efficiency and energy saving of the energy storage device.

Грузоподъемные характеристики сверхпроводящего подвеса определяются величиной критического магнитного поля, зависящего от температуры охлаждения по следующей формуле [Буккель В. Сверхпроводимость. - М.: Мир, 1975. - 366 с.]:The lifting characteristics of the superconducting suspension are determined by the critical magnetic field, which depends on the cooling temperature according to the following formula [Bukkel V. Superconductivity. - M .: Mir, 1975. - 366 p.]:

Figure 00000009
Figure 00000009

где Нс - критическое магнитное поле, А/м, Н0 - критическое магнитное поле при температуре Т=0 K, Т - температура охлаждения сверхпроводника, Тс - критическая температура сверхпроводника, K.where H c is the critical magnetic field, A / m, H 0 is the critical magnetic field at T = 0 K, T is the superconductor cooling temperature, T c is the critical temperature of the superconductor, K.

Как следует из формулы (9), критическое магнитное поле при снижении температуры сверхпроводника, то есть при увеличении эффективности охлаждения сверхпроводника, растет. Грузоподъемная сила сверхпроводящего подвеса пропорциональна напряженности магнитного поля. Например, для плоской сверхпроводящей пластины в приближении модели Бина получено следующее выражение для удельной силы сверхпроводящего подвеса, действующей на единицу поверхности ВТСП блока [Ковалев Л.К., Конев С.М., Ларионов С.А., Полтавец В.Н. - Сверхпроводниковые магнитные опоры с объемными ВТСП элементами. Электричество. - 2003. - №6]:As follows from formula (9), the critical magnetic field increases with a decrease in the temperature of the superconductor, that is, with an increase in the cooling efficiency of the superconductor. The lifting force of the superconducting suspension is proportional to the magnetic field strength. For example, for a flat superconducting plate in the approximation of the Bean model, the following expression is obtained for the specific force of a superconducting suspension acting on a unit surface of an HTSC block [Kovalev L.K., Konev S.M., Larionov S.A., Poltavets V.N. - Superconducting magnetic supports with bulk HTSC elements. Electricity. - 2003. - No. 6]:

Figure 00000010
Figure 00000010

где Is - критический ток, А/м2, Вхср=µ0Нхср, Тл, µ0 - магнитная постоянная, Нхср - среднее значение напряженности магнитного поля в биновском слое.where I s is the critical current, A / m 2 , V hsr = µ 0 N hsr , T, µ 0 is the magnetic constant, N hsr is the average value of the magnetic field in the bin layer.

Таким образом, снижение температуры охлаждения активных пластин ВТСП подвеса позволяет увеличить его грузоподъемные характеристики и увеличить массу ротора-маховика. Увеличение массы ротора-маховика в соответствие с формулой (4) увеличит кинетическую энергию ротора-маховика, а в соответствие с формулой (8) увеличит коэффициент полезного действия или энергоэффективность, энергосбережение накопителя энергии.Thus, a decrease in the cooling temperature of the active plates of the HTSC suspension allows one to increase its load-lifting characteristics and increase the mass of the flywheel rotor. An increase in the mass of the rotor-flywheel in accordance with formula (4) will increase the kinetic energy of the rotor-flywheel, and in accordance with formula (8) it will increase the efficiency or energy efficiency, energy saving of the energy storage device.

Модульная конструкция предлагаемого изобретения также обеспечивает удобство эксплуатации и ремонта накопителя энергии.The modular design of the invention also provides ease of use and repair of the energy storage device.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На чертеже показан продольный разрез предлагаемого электромеханического сверхпроводящего накопителя энергии.The invention is illustrated graphic material. The drawing shows a longitudinal section of the proposed electromechanical superconducting energy storage.

Электромеханический накопитель энергии имеет корпус, выполненный из модуля криостата 7 и модуля синхронного двигателя-генератора 3, которые соединены между собой креплением (не указано).The electromechanical energy storage device has a housing made of a cryostat module 7 and a synchronous engine-generator module 3, which are interconnected by a fastener (not specified).

В конструкцию модуля криостата 7 входит крышка-опора 17, опорный фланец 10 с уложенными в его пазы (не показаны) сверхпроводящими пластинами 12, закрепленными сверху крышкой-опорой 17. Полость модуля криостата 7 заполнена жидким азотом 11. Внутренние стенки модуля криостата 7 выполнены из теплоизолирующего материла 14, обладающего низкой теплопроводностью. Опорный фланец 10 выполнен из материала с высокой теплопроводностью, благодаря чему обеспечивается охлаждение сверхпроводящих пластин 12 до температуры Т≤Тс, где Тс - температура перехода сверхпроводящих пластин 12 в состояние сверхпроводимости.The design of the cryostat module 7 includes a support cover 17, a support flange 10 with superconducting plates 12 placed in its grooves (not shown), mounted on top of the support support 17. The cavity of the cryostat module 7 is filled with liquid nitrogen 11. The inner walls of the cryostat module 7 are made of heat insulating material 14 having low thermal conductivity. The supporting flange 10 is made of a material with high thermal conductivity, which ensures the cooling of the superconducting plates 12 to a temperature T≤Tc, where Tc is the transition temperature of the superconducting plates 12 to the state of superconductivity.

Для установки предлагаемого накопителя энергии в плоскости горизонта имеются нивелирующие опоры, расположенные под модулем криостата 7.To install the proposed energy storage device in the horizon plane there are leveling supports located under the cryostat module 7.

В стенке криостата 7 расположен патрубок 15 для заполнения криостата жидким азотом, например, путем его прокачки из криокулеров (не показаны).A pipe 15 is located in the wall of the cryostat 7 for filling the cryostat with liquid nitrogen, for example, by pumping it from cryocoolers (not shown).

Конструкция модуля синхронного двигателя-генератора 3 состоит из ротора-маховика 5, опорных постоянных магнитов 6, закрепленных на нижней части ротора-маховика 5, постоянных магнитов возбуждения 4, расположенных на внутренней боковой поверхности ротора-маховика 5, и крышки-опоры 16.The design of the synchronous engine-generator module 3 consists of a flywheel rotor 5, permanent permanent magnets 6 fixed on the lower part of the flywheel rotor 5, permanent excitation magnets 4 located on the inner side surface of the flywheel rotor 5, and a support cover 16.

Также в нижней части модуля синхронного двигателя-генератора 3 установлена направляющая опора 8 с подшипником 9.Also, in the lower part of the synchronous engine-generator module 3, a guide support 8 with a bearing 9 is installed.

Также в конструкцию модуля синхронного двигателя-генератора 3 входит статор 1, на котором закреплена трехфазная система обмоток 2. На верхней части статора 1 расположены клеммы 21 (клеммы А, В, С) для присоединения источника трехфазного напряжения и выход датчика скорости 20 ротора-маховика 5.Also, the design of the synchronous motor-generator module 3 includes a stator 1, on which a three-phase winding system is fixed 2. On the upper part of the stator 1 there are terminals 21 (terminals A, B, C) for connecting a three-phase voltage source and the output of the speed sensor 20 of the rotor-flywheel 5.

Для вакуумирования полости, в которой размещен ротор-маховик 5, в верхней части модуля синхронного двигателя-генератора 3 расположен ниппель 19.To evacuate the cavity in which the rotor-flywheel 5 is placed, a nipple 19 is located in the upper part of the synchronous engine-generator module 3.

Для визуального наблюдения за положением ротора-маховика 5 в стенке модуля синхронного двигателя-генератора 3 имеется окно 18.For visual observation of the position of the rotor-flywheel 5 in the wall of the module of the synchronous engine-generator 3 there is a window 18.

После заполнения полости модуля криостата 7 патрубки 15 закрывают и азот может храниться в жидком состоянии продолжительное время. Для того чтобы отводить газообразный азот, образующийся в процессе работы, модуль криостата 7 содержит отводящий патрубок (не показан).After filling the cavity of the cryostat module 7, the nozzles 15 are closed and nitrogen can be stored in a liquid state for a long time. In order to divert nitrogen gas generated during operation, the cryostat module 7 comprises a discharge pipe (not shown).

Опорные постоянные магниты 6 и сверхпроводящие пластины 12 образуют ВТСП подвес, обеспечивающий бесконтактный самоцентрирующийся подвес ротора-маховика 5.The reference permanent magnets 6 and superconducting plates 12 form a HTSC suspension, providing a non-contact, self-centering suspension of the rotor-flywheel 5.

Предлагаемый электромеханический накопитель энергии работает следующим образом.The proposed electromechanical energy storage device operates as follows.

После сборки модулей синхронного двигателя-генератора 3 и криостата 7 производится соединение крышки-опоры 16 с крышкой-опорой 17 при помощи крепления (не показано), после чего осуществляется вакуумная откачка полости ротора-маховика 5, например, с помощью вакуумного насоса (не показан) и закачивание жидкого азота 11 в полость модуля криостата 7 через патрубок заполнения 15.After assembling the modules of the synchronous engine-generator 3 and cryostat 7, the cover-support 16 is connected to the cover-support 17 by means of a fastener (not shown), after which the vacuum cavity of the rotor-flywheel 5 is vacuum-pumped, for example, by means of a vacuum pump (not shown) ) and pumping liquid nitrogen 11 into the cavity of the cryostat module 7 through the filling nozzle 15.

В результате поступления жидкого азота в полость модуля криостата 7 происходит охлаждения сверхпроводящих пластин 12 и их переход в сверхпроводящее состояние. В этом случае сверхпроводящие пластины 12 приобретают свойства диамагнетиков. Магнитное поле, образованное постоянными магнитами 6, взаимодействует с сверхпроводящими пластинами 12, в результате чего возникнет эффект левитации, и ротор-маховик 5 снимется с опоры 8. При этом происходит самоцентрирование по вертикальной и горизонтальной осям ротора-маховика 5. Этот момент левитации ротора-маховика 5 можно наблюдать визуально через смотровое окно 18.As a result of the flow of liquid nitrogen into the cavity of the module of the cryostat 7, the superconducting plates 12 are cooled and they transition to the superconducting state. In this case, the superconducting plates 12 acquire the properties of diamagnets. The magnetic field formed by the permanent magnets 6 interacts with the superconducting plates 12, resulting in a levitation effect, and the rotor-flywheel 5 is removed from the support 8. In this case, self-centering occurs along the vertical and horizontal axes of the rotor-flywheel 5. This moment of rotor levitation the flywheel 5 can be observed visually through the viewing window 18.

Необходимые силовые характеристики ВТСП подвеса обеспечиваются оптимизацией рабочего зазора, образованного нижней поверхностью постоянных магнитов 6 и верхней поверхностью сверхпроводящих пластин 12, выбором материала опорного фланца 10, величиной намагниченности постоянных магнитов 6, величиной разности между температурой сверхпроводящих пластин 12 и температурой их перехода в сверхпроводящее состояние.The necessary power characteristics of the HTSC suspension are provided by optimizing the working gap formed by the lower surface of the permanent magnets 6 and the upper surface of the superconducting plates 12, the choice of material of the supporting flange 10, the magnetization of the permanent magnets 6, the difference between the temperature of the superconducting plates 12 and the temperature of their transition to the superconducting state.

После центрирования ротора-маховика 5 на статор 1 подается трехфазное переменное напряжение. За счет полученной энергии ротор-маховик 5 начинает разгоняться до номинальной скорости вращения. После набора номинальной скорости вращения источник энергии отключается, а ротор-маховик 5 будет продолжать вращаться по инерции в вакууме продолжительное время, тем самым сохраняя затраченную на разгон ротора-маховика 5 электрическую энергию в механическом виде.After centering the rotor-flywheel 5, a three-phase alternating voltage is applied to the stator 1. Due to the energy received, the rotor-flywheel 5 begins to accelerate to the nominal speed of rotation. After the nominal speed of rotation is set, the energy source is turned off, and the rotor-flywheel 5 will continue to rotate by inertia in vacuum for a long time, thereby preserving the mechanical energy expended in accelerating the rotor-flywheel 5.

Для получения электрической энергии из предлагаемого электромеханического сверхпроводящего накопителя энергии необходимо клеммы 21 трехфазной системы обмоток 2 подключить к нагрузке, при этом статор 1 за счет кинетической энергии ротора-маховика 5 будет генерировать электрическую энергию до тех пор, пока кинетическая энергия ротора-маховика 5 не иссякнет.To obtain electrical energy from the proposed electromechanical superconducting energy storage device, it is necessary to connect the terminals 21 of the three-phase winding system 2 to the load, while the stator 1 will generate electric energy due to the kinetic energy of the flywheel rotor 5 until the kinetic energy of the flywheel rotor 5 runs out .

После этого цикл заряда и разряда электромеханического накопителя энергии можно повторять многократно. Для остановки предлагаемого накопителя энергии необходимо остановить вращение ротора-маховика 5, например, путем замыкания клемм 21 (клеммы А, В, С) на балластное сопротивление, а затем слить жидкий азот 11 из полости модуля криостата 7.After this, the cycle of charge and discharge of the electromechanical energy storage device can be repeated many times. To stop the proposed energy storage device, it is necessary to stop the rotation of the rotor-flywheel 5, for example, by closing the terminals 21 (terminals A, B, C) to the ballast resistance, and then drain the liquid nitrogen 11 from the cavity of the cryostat module 7.

Предлагаемое изобретение положено в основу конструкции экспериментального образца электрокинетического накопителя энергии СПЭНЭ-1, проходящего в настоящее время стадию экспериментальных исследований [Смоленцев, Н.И. Разработка накопителя энергии на основе высокотемпературной сверхпроводимости и перспективы его применения в локальных электрических сетях / Смоленцев, Н.И., Четошникова Л.М., Бондарев Ю.Л. // Ползуновский вестник. - 2015. - №1. С. 73-77]. Расчетное значение запасенной энергии составляет 4 МДж, что существенно превышает аналогичный параметр прототипа, равный 0,5 МДж.The present invention is the basis for the construction of an experimental sample of the electrokinetic energy storage SPENE-1, currently undergoing experimental research [Smolentsev, N.I. Development of an energy storage device based on high-temperature superconductivity and prospects for its application in local electric networks / Smolentsev, N.I., Chetoshnikova L.M., Bondarev Yu.L. // Polzunovsky messenger. - 2015. - No. 1. S. 73-77]. The estimated value of the stored energy is 4 MJ, which significantly exceeds the similar parameter of the prototype, equal to 0.5 MJ.

Предлагаемое изобретение может найти применение в энергетике, в электротранспорте, в корабельных силовых установках, а также в энергетических установках космических аппаратов, где проблемы охлаждения сверхпроводников и вакуумирования упрощаются.The present invention can find application in the energy sector, in electric transport, in ship power plants, as well as in the power plants of spacecraft, where the problems of cooling superconductors and evacuation are simplified.

Claims (1)

Электромеханический сверхпроводящий накопитель энергии, содержащий корпус, в котором размещены синхронный двигатель-генератор со статором с системой обмоток и ротор-маховик, опорные постоянные магниты, расположенные в нижней части ротора-маховика, постоянные магниты возбуждения, расположенные на внутренней боковой поверхности ротора-маховика, направляющая опора с подшипником, расположенная в нижней части синхронного двигателя-генератора, сверхпроводящие пластины, криостат, высокотемпературный сверхпроводниковый подвес, образованный опорными постоянными магнитами и сверхпроводящими пластинами, отличающийся тем, что корпус выполнен из двух соединенных между собой модулей - модуля криостата и модуля синхронного двигателя-генератора, причем сверхпроводящие пластины высокотемпературного сверхпроводникового подвеса расположены в модуле криостата, а ротор-маховик, внутренняя полость которого вакуумирована, расположен в модуле синхронного двигателя-генератора. An electromechanical superconducting energy storage device comprising a housing in which a synchronous motor generator with a stator with a winding system and a rotor flywheel are placed, permanent permanent magnets located in the lower part of the flywheel rotor, permanent excitation magnets located on the inner side surface of the flywheel rotor, guide bearing with bearing located at the bottom of the synchronous motor-generator, superconducting plates, cryostat, high-temperature superconducting suspension, formed characterized by supporting permanent magnets and superconducting plates, characterized in that the casing is made of two interconnected modules - a cryostat module and a synchronous engine-generator module, the superconducting plates of a high-temperature superconducting suspension are located in the cryostat module, and the rotor-flywheel, whose internal cavity is evacuated located in the synchronous engine-generator module.
RU2015115350/07A 2015-04-23 2015-04-23 Electromechanical superconductive power accumulator RU2601590C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015115350/07A RU2601590C1 (en) 2015-04-23 2015-04-23 Electromechanical superconductive power accumulator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015115350/07A RU2601590C1 (en) 2015-04-23 2015-04-23 Electromechanical superconductive power accumulator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2601590C1 true RU2601590C1 (en) 2016-11-10

Family

ID=57278224

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015115350/07A RU2601590C1 (en) 2015-04-23 2015-04-23 Electromechanical superconductive power accumulator

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2601590C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2664716C1 (en) * 2017-11-15 2018-08-22 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" Superconducting synchronous electric machine with the armature windings and excitation in the fixed cryostat
RU2760784C1 (en) * 2020-10-23 2021-11-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (СибГУТИ) Electromechanical energy storage apparatus
RU210273U1 (en) * 2021-10-14 2022-04-05 Акционерное общество "Электромашиностроительный завод "ЛЕПСЕ" ELECTRIC MACHINE WITH ELECTROMAGNETIC BRAKING CLUTCH
RU2791601C1 (en) * 2022-05-18 2023-03-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (СибГУТИ) Electromechanical energy storage

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070080595A1 (en) * 2005-06-07 2007-04-12 Shinichi Akiyama Superconductive non-contact rotary device
RU97018U1 (en) * 2010-03-30 2010-08-20 Кацай Александр Владимирович KINETIC ENERGY STORAGE
RU2417504C1 (en) * 2010-02-24 2011-04-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Орловский государственный технический университет" (ОрелГТУ) Super-flywheel energy storage
US7977837B2 (en) * 2004-09-06 2011-07-12 Six One Kaihatsukikou Co., Ltd. Rotary body used for energy storage apparatus, method of manufacturing rotary body, and energy storage apparatus
RU2456734C2 (en) * 2010-04-15 2012-07-20 Даниил Евгеньевич Федоров Energy accumulator
RU133986U1 (en) * 2013-04-09 2013-10-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" KINETIC ENERGY STORAGE WITH MAGNETIC HTSC SUSPENSION

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7977837B2 (en) * 2004-09-06 2011-07-12 Six One Kaihatsukikou Co., Ltd. Rotary body used for energy storage apparatus, method of manufacturing rotary body, and energy storage apparatus
US20070080595A1 (en) * 2005-06-07 2007-04-12 Shinichi Akiyama Superconductive non-contact rotary device
RU2417504C1 (en) * 2010-02-24 2011-04-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Орловский государственный технический университет" (ОрелГТУ) Super-flywheel energy storage
RU97018U1 (en) * 2010-03-30 2010-08-20 Кацай Александр Владимирович KINETIC ENERGY STORAGE
RU2456734C2 (en) * 2010-04-15 2012-07-20 Даниил Евгеньевич Федоров Energy accumulator
RU133986U1 (en) * 2013-04-09 2013-10-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" KINETIC ENERGY STORAGE WITH MAGNETIC HTSC SUSPENSION

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2664716C1 (en) * 2017-11-15 2018-08-22 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" Superconducting synchronous electric machine with the armature windings and excitation in the fixed cryostat
RU2760784C1 (en) * 2020-10-23 2021-11-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (СибГУТИ) Electromechanical energy storage apparatus
RU210273U1 (en) * 2021-10-14 2022-04-05 Акционерное общество "Электромашиностроительный завод "ЛЕПСЕ" ELECTRIC MACHINE WITH ELECTROMAGNETIC BRAKING CLUTCH
RU2791601C1 (en) * 2022-05-18 2023-03-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (СибГУТИ) Electromechanical energy storage
RU219370U1 (en) * 2022-12-13 2023-07-12 ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ VEHICLE ENGINE ELECTRIC START DEVICE

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. A review of flywheel energy storage systems: state of the art and opportunities
Faraji et al. A comprehensive review of flywheel energy storage system technology
Strasik et al. Design, fabrication, and test of a 5-kWh/100-kW flywheel energy storage utilizing a high-temperature superconducting bearing
De Andrade et al. Flywheel energy storage system description and tests
US20100117375A1 (en) Energy storage device and method of use
RU2601590C1 (en) Electromechanical superconductive power accumulator
US20160025111A1 (en) System and method for energy storage and retrieval
JP2003219581A (en) Superconducting flywheel power storage apparatus
Mukoyama et al. Test of REBCO HTS magnet of magnetic bearing for flywheel storage system in solar power system
US9899894B2 (en) Scalable device and arrangement for storing and releasing energy
Long et al. Review of flywheel energy storage system
CN204258324U (en) The compressed air mixed energy storage system that a kind of flywheel is auxiliary
RU2760784C1 (en) Electromechanical energy storage apparatus
Dergachev et al. Flywheel energy storage system with magnetic hts suspension and embedded in the flywheel motor-generator
MIYAZAKI et al. Development of a superconducting magnetic bearing capable of supporting large loads in a flywheel energy storage system for railway application
JP2013106493A (en) Power storage system
Stephan et al. Third generation of flywheels: A promising substitute to batteries
RU2791601C1 (en) Electromechanical energy storage
WO2012062756A1 (en) Power supply
Itoh et al. Development of magnetic assist system in flywheel energy storage system for power load-leveling
Haugan Development of superconducting and cryogenic power systems and impact for aircraft propulsion
Jing et al. Study on key design technologies of a wave energy converter with an HTS linear generator
Mijatovic et al. High temperature superconductor machine prototype
RU2710590C1 (en) Kinetic energy storage with super-flywheel
Oberly Lightweight superconducting generators for mobile military platforms

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20191129

Effective date: 20191129

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200424