Проклятието на натрупването или защо не чувате за супер маховика
Наистина, каква е ползата от същата трикиловатова слънчева електроцентрала от Икеев, заемаща покрива на частна къща, ако тя, способна да задоволи нуждите на цялото домакинство в излишък, работи само през светлата част на деня? Би било идеално да натрупате излишъка, оставащ по време на генерирането („яденето“ на три киловата не е шега, малко домакински уреди поглъщат дори киловат и такива устройства, като правило, не работят дълго: проточен бойлер, фурна ... Вярно, имам биткойн платформа от един и половина киловата, която отоплява къщата, но това е рядкост, съгласете се) и да я раздавам, ако е необходимо през нощта. Е, да кажем, че през нощта и сумрака, което отнема, да речем, 18 часа, къщата се нуждае от същите три киловата. Това означава, че домакинско устройство за съхранение на енергия трябва да съхранява приблизително 54 киловатчаса. Много ли е или малко?
Слънчева електроцентрала Solana
Глоба. И решението на този проблем „на челото“, чрез инсталиране на електрическа батерия с приемливи размери и експлоатационни свойства, тоест литиево-йонна, вече е възможно. Освен това се произвеждат серийни образци на акумулаторни батерии с точно такъв капацитет: това са батерии за електрически превозни средства - например познатияModel S от Tesla Motors, чийто основен пакет включва батерия с капацитет 60 kWh. Има само един проблем: такова решение струва 10 хиляди щатски долара, тоест е по-скъпо от цялата слънчева електроцентрала от същатаIKEA. И на цените наElon Musk може да се вярва: въпреки че сглобяват батериите си от чужди клетки (основата е произведена отPanasonic ), те се използват не само в автомобили, но и в домакински слънчеви електроцентрали, инсталирани отSolar City (един от проектите на Musk, един от най-големите инсталатори на слънчеви панели в Съединените щати). Тъй като естествено няма търсене на такива батерии, Solar City досега се е ограничил до инсталирането на сравнително малки батерии, които могат да поддържат основните електрически нужди на средностатистически дом само по време на краткотрайни прекъсвания на захранването.
Но не всички новини са лоши. Фигурата, която получихме по-горе, може да се каже, че е филистимска. И професионалистите казват това: захранването с енергия в къщата трябва да бъде най-малко три (облачни) дни и за предпочитане пет (тогава батериите ще издържат по-дълго)! Така че в сегашния си вид електрическите батерии са неприемливи дори за битови нужди, да не говорим за мощни електроцентрали. Но как да бъдем? И как се измъкват проектантите на големи мощности?
За да се отговори на този въпрос, достатъчно е да се погледнат ултрамодерните "чисти" електроцентрали, които се въвеждат в експлоатация. Да кажем настанцияSolana, пусната наскоро в Съединените щати - обхващаща площ отняколко квадратни километра и най-мощната на планетата (280 MW, 70 хиляди средно домакинства). И така: без нанотехнологии, без чудеса на електрохимията. Всичко е просто: част от събраната слънчева топлина се използва за загряване на голям резервоар с разтопена сол (някои соли, да речем, глауберовата, са твърди, когато се охлаждат, преминават в течна форма, когато се нагряват), а през нощта топлината, върната от солта, загрява водата до пара и завърта турбината. И това решение (по-точно неговият мащаб) се нарича „повратна точка за слънчевата енергия“! Ето го, върхът на чистите технологии на 21 век: солена нагревателна подложка за два милиарда долара!
Солана отвътре: солена нагревателна подложка плюс водна пара
Това е едновременно смешно и тъжно. Смешно е - защото в проблема с натрупването на енергия няма да избягаме от технологиите отпреди сто години. Тъжно - защото решението на този проблем, доколкото знам, съществува отдавна, а честта на откритието и разработката принадлежи на нашия сънародник. Нарича се със странната дума "superflywheel".
Веднага трябва да ви предупредя: описвайки това творение на инженерната мисъл, не мога да бъда абсолютно обективен. Защото книгата за супер маховика попадна в ръцете ми, когато бях на около десет години, и се превърна в един от градивните елементи, върху които се формира любовта ми към технологиите. Затова още веднъж повтарям, че ще се радвам на всякакви аргументи и аргументи. Но по същество. Още през 1986 г. издателство "Детска литература" (!) публикува книгата на съветския изобретателНурбей Гулия "В търсене на" енергийна капсула "" (копие от нея, като рядко издание, е в мрежата). С хумор и много просто,Гулия описва в него развитието си като инженер (както приятелите му решават:казват, че ако няма други таланти, има само един път!) и изход към задачата, която се е превърнала в основна в живота му. Това е задачата за натрупване на енергия - още тогава, преди тридесет години, изправени в пълен ръст. След като е преминал през механични, термични, електрически, химични решения, след като е разгледал това, което скоро ще се превърне в нанотехнологии,Gulia ги отхвърли по една или друга причина - и се спря на идея, позната от древността: масивно въртящо се тяло, маховик.
Намираме маховика навсякъде, от грънчарското колело и примитивните водни помпи до превозните средства от 20-ти век и космическите жироскопи. Като енергиен акумулатор, той е забележителен с това, че може бързо да се ускорява („зарежда“) и бързо да се спира (след получаване на значителна „изходна мощност“). Има един проблем: неговата енергийна интензивност е недостатъчна, за да претендира за ролята на универсална "енергийна капсула". Плътността на съхраняваната енергия трябва да се увеличи поне сто пъти. Но как да стане това? Ако увеличим скоростта, маховикът ще се счупи и натрупаната енергия ще причини ужасни разрушения. Увеличаването на размера също не винаги е възможно. Пропускайки дълъг, интересен слой от изследване и размисъл (силно препоръчвам книгата, тя все още се чете днес!), Приносът на Gulia може да се сведе до следното: той предложи да направи маховика не монолитен, а намотан - например от стоманен кабел или лента. Увеличава се якостта, последствията от разкъсване се намаляват до незначителни, а енергийната интензивност дори на домашно направени проби надвишава параметрите на индустриалните разработки. Той нарече този дизайн супер маховик (и патентова една от първите опции през 1964 г.).
Докато работи върху идеята, той излезе с идеята да навие маховик от графитни влакна (не забравяйте, че фулерените бяха получени едва тогава и не се говори за графен), или дори повечеекзотични материали като азот. Но дори 20-килограмов супер маховик, направен от въглеродни влакна, технически възможен дори тогава, преди тридесет години, можеше да съхрани достатъчно енергия, за да премести кола в продължение на 500 километра, със средна цена от 60 американски цента на сто километра хвърляне.
В случай на супермаховици няма смисъл да се занимавате със сравнителни оценки - независимо дали става въпрос за съхранена енергия на единица маса или характеристики на производителност: теоретично те превъзхождат всички налични алтернативни решения. И областите на приложение се предложиха сами. Поставен във вакуум, върху магнитно окачване, с ефективност над 90%, издържащ на невъобразим брой цикли на зареждане-разреждане, способен да работи в най-широки температурни диапазони, супер маховикът може да се върти с години и обещава фантастични неща: кола с едно зареждане може да измине хиляди километри или дори целия си експлоатационен живот, електроцентрала с многостотин метров супер маховик, скрит в основата, би съхранява достатъчно енергия, за да осветява цялата Земя и така нататък, и така нататък. Но ето въпроса: тридесет години минаха, защо не виждаме супер маховици около нас?
Честно да ви кажа, не знам отговора. Технически затруднения? Да, и дизайна на супер маховика, и плавния подбор на енергията са проблеми с главна буква, но май са решени. От време на време чувате за малки, нишови приложения. Но точно там, където се възлагаха основните надежди - в енергетиката и автомобилостроенето - супермаховикът не намери масово приложение. Преди няколко години американската компанияBeacon Power поръча малка станция за съхранение на енергия със супер маховик близо до Ню Йорк, но днес нищо не се чува за проекта, а самата компания живее на хляб и вода.
НурбейGulia все още работи върху подобряването на своето потомство и преди година беше отбелязан със съобщение за възможността за изграждане на графенов супер маховик (с прогнозна специфична консумация на енергия от 1,2 kWh / kg, тоест с порядък по-висок от литиево-йонните батерии). Но, ако разбирам правилно, той постигна търговски успех с другата си разработка (супервариатор, оригинална механична трансмисия), но по някаква причина супермаховикът остава под въпрос.