Всем, кому когда-либо доводилось сталкиваться с проблемами хранения энергии, знают, что одним из основных проблемных моментов является, дороговизна аккумуляторов и их недолговечность, что существенно уменьшает возможности по сколь-нибудь экономичному хранению электроэнергии.
Однако, есть одна альтернатива, о которой редко говорят, но, тем не менее, она представляет очень интересные возможности — запасание энергии в маховиках!
Самое любопытное заключается в том, что запасание энергии в маховиках очень широко распространено вокруг нас и мы сталкиваемся с этим многократно!
Однако, давайте начнём с самого начала...
Под маховиком понимается массивное колесо, которое может запасать кинетическую энергию во время вращения.
Соответственно, здесь существует 2 варианта для запасания: большой вес и(или) большая угловая скорость.
Маховики издревле сопровождают человечество, так как идея «хранения энергии в колесе», пожалуй, появилась задолго до того, как было открыто электричество и реализовывалась, поначалу, для решения других задач, а задачи для маховика находились без глубоких теоретических обоснований, — просто опираясь на бытовую наблюдательность.
И одной из древнейших реализаций маховика является всем известный гончарный круг — устройство, в виде массивного каменного или керамического толстого диска. Мастер раскручивал этот диск, ставя на его поверхность податливую порцию глины и инерции круга хватало, если её поддерживать, чтобы без рывков крутить диск и создавать тела вращения — горшки, тарелки и иные глиняные сосуды:
Сведения о таких устройствах дошли до нас ещё со времён Древнего Египта и Месопотамии.
В дальнейшем, гончарный круг эволюционировал, получив отдельное приспособление для вращения его ногами — второй диск, связанный осью с первым, а сам был укреплён на столе:
С течением времени маховики нашли своё применение и в устройствах, для создания нитей – прялках:
Которые, тоже эволюционировали, и, со времён средневековых прялок, изображённых выше, дошли до нас уже в механизированном варианте, с ножным приводом (примерная такая, как ниже, у моей прабабушки тоже была):
Также, этот принцип, подобный прялкам (как с ручным, так и с ножным приводом), был широко распространён в разнообразных «точилах» — устройствах для заточки ножей и прочего инвентаря:
С точки зрения современного человека выглядит занятным (и даже, в некоторой степени, вызывающим оторопь), но на таком принципе базировались даже токарные станки!
Ну а что делать, двигатели то ещё не изобрели (а если и изобрели, то они явно не такие дешёвые и массовые, чтобы быть доступным каждому), а «прокачивать цивилизацию» — как‑то надо :-) :
Наступившая эпоха промышленной революции принесла с собой потребность сохранять движение машин, имеющих в цикле своей работы «мёртвые» точки и особенно это касалось разнообразных машин возвратно-поступательного действия: сначала паровых, а затем и внутреннего сгорания, где сам принцип действия машины настоятельно требует наличия маховика, системно запасающего и отдающего энергию для сохранения непрерывного действия машины, в те моменты, когда ничего иного её не движет:
Причём в двигателях, особенно двигателях внутреннего сгорания, мы видим, что привычный нам вид маховика меняет форму, становясь более компактным и эффективным, Т-образной формы:
В дальнейшем, этот вид маховика перекочевал во многие плунжерные (т. е. с поршнем) конструкции — компрессоры и даже электрические приводы, в частности, приводы плунжерных насосов для добычи нефти из скважин с «малым дебитом» (т.е. малой отдачей скважины в течение суток; грубо говоря — нефть идёт, но её мало, просто так бросать жалко и тогда ставят такой насос; причина малого дебита — скажина «иссякла» из за долгой добычи и такое делают перед закрытием иссякшей скважины (т. е. её консервацией) или нефть вязкая, примерно, как майонез и её физически невозможно быстро «высасывать» из земли).
Называются такие насосы ШГН или, более правильно, УШГН — «Установка Штангового Глубинного Насоса».
В массовом сознании, именно такие насосы и ассоциируются, собственно, с «нефтянкой»:
Хотя, это всего лишь малодебитный насос и настоящие высокопроизводительные насосы даже не видно — из земли торчит кусок трубы в метра полтора — два и это всё :-)
А сам насос — длиннющая «колбаса» метров в 400 (!) длиной — «висит» под землёй, на глубине где-то около 2 км (везде, по-разному, в зависимости от расположения нефтеносного пласта)…
Хотя, не все двигатели внутреннего сгорания оснащены им, Т-образная форма маховика встречается только в маленьких двигателях, тогда как в крупных моторах, с большим количеством поршней — маховик выглядит вполне стандартно, в виде диска, расположенного с торца мотора, и насаженного на коленвал:
Причина такой разницы в форме и размерах между маховиками маленьких двигателей внутреннего сгорания (двс) и больших, в том, что у маленьких маховик обычно прячется внутри картера и там просто нет места, чтобы разместить большой диск, поэтому, чтобы сохранить большой импульс маховика в нужный момент — его делают Т-образным (там снаружи ещё стоит большой, относительно лёгкий маховик-вентилятор с магнитами системы зажигания, но это уже частности).
А у больших двс, с массивом цилиндров другая проблема: нужен огромный импульс, чтобы в нужные моменты сдвигать с места такую кучу цилиндров, да и места много — поэтому и ставят с торца коленвала большой диск. Всё просто…
Со временем, проникли маховики и в сферу личного транспорта, где, с появлением велосипедов, а затем, и мотоциклов, долгое время считалось, что именно маховик и помогает удерживать равновесие, создавая гироскопический эффект и предотвращая падение ездока:
Однако, последние исследования показали, что это заблуждение: да, гироскопический эффект вносит свою лепту, но, колёса велосипеда/мотоцикла слишком лёгкие, чтобы удержать ездока только за счёт гироскопического эффекта!
И основная причина, почему ездок не падает, — это едва заметные подруливания им (часто, даже не осознаваемые), в сторону падения, что отбрасывает его в противоположную сторону!
Точку в этом вопросе поставила группа инженеров, под руководством Энди Руины (Andy Ruina), проведя исчерпывающие исследования в Cornell University, в 2011 году.
Правда, ради справедливости, стоит отметить, что существовали и транспортные средства, использующие в чистом виде гироскопический эффект маховика, для удержания равновесия!
Например, 2-х колёсный «гирокар Шиловского», который, в своё время, наделал много шума, когда проехался, в 1914 году, по улицам Лондона:
Удерживался автомобиль в равновесии за счёт быстро раскрученного маховика, диаметром в 1м, толщиной в 12 см, и весом в 600 кг, приводимого во вращение электродвигателем, мощностью в 1,25 л.с. и двух 50 кг маятников.
Были и другие подобные конструкции, например, двухколёсный трамвай.
Причина, почему эти аппараты не пошли в массовое производство: их преимущество, в удержании равновесия во время ��вижения, — превращалось в недостаток, потому что если попытаться повернуть — сдвинуть с места маховик, не так-то просто, знаете ли…
Скажем, тот же трамвай — просто сходил с рельс…:-)
Да и энергозатратно, постоянно поддерживать вращение маховика.
Тем не менее, концепция остаётся притягательной и, даже в наше время, кое кто пытается делать аналогичные прототипы:
Упомянув про маховик в роли гироскопа, нельзя не упомянуть и ещё одно его интереснейшее применение: инерциальные системы навигации!
Вкратце: быстро раскручивается маховик и это вращение поддерживается. В дальнейшем, если система, в которой установлен такой маховик, — движется, то, по смещениям системы, относительно стабильного положения маховика, а также отсчёту времени — можно получать ориентиры системы в пространстве и пройденное расстояние.
Этот принцип может применяться для навигации разнообразного транспорта, а также систем вооружения, например, ракет, для наведения на цель, в условиях отсутствия сигналов систем глобального позиционирования (GPS, ГЛОНАСС и т. д.) — например, из-за активного ведения противником радиоэлектронной борьбы.
При этом, что интересно, современные инерциальные системы навигации стоят дешевле, и могут строиться более простым способом, используя элементы, так называемых «микроэлектромеханических систем» (МЭМС), которые изготовляются тем же способом, что и процессорная техника, — литография с травлением, только это уже устройства, содержащие элементы механики.
При этом, по своей точности, они сравнялись с механическими, а по весу и стоимости — существенно меньше их.
Тем не менее, классические механические устройства сохранились в тех сферах, где необходима навигация без коррекции внешними сигналами, в течение многих часов или дней, так как в таких условиях, точность классических систем всё ещё превосходит МЭМС-устройства.
И, раз уж мы заговорили об оружии, нельзя не упомянуть такой интересный факт из истории вооружения: в прошлом, целым рядом конструкторов были проделаны попытки использовать маховик... в роли оружия!
Каким образом: многим не давала покоя мысль, что для выпуска в цель пуль, не обязательно ускорять их с применением сгорания химического топлива, наподобие пороха — потому что можно попробовать их разгонять, используя древний принцип катапульт, только в качестве разгоняющего устройства применив диск!
До нас дошли сведения о целом ряде подобных аппаратов, одним из которых является устройство, разработанное ещё в 1926 году, в СССР, конструкции Г.М.Горшкова:
Как видим, аппарат представляет собой диск, со спиралевидными направляющими, вращающийся на полой оси, через которую в центр диска подаются пули, которые затем скользят по спиралевидным направляющим, ускоряются, и выбрасываются, в определённый момент, с периферии диска, в ствол.
Подача пуль по оси производится с помощью сжатого воздуха, а выпуск их с периферии диска осуществляется специальным механическим стопором, открывающемся только в нужный момент, когда канал находится напротив ствола.
При этом эксперты отмечают неоднозначность потребности в стволе: так как в обычном оружии, ствол выполняет роль средства для ускорения пули, здесь же, этим средством является диск и ствол как бы и не нужен...
Несколько позже, уже в 1935 году, альтернативная конструкция была разработана Я.И.Коробовым, где подача пули также осуществлялась в центр диска, а ускорение пули производилось её движением от центра, по прямой, к отверстию в ободе диска.
При этом, что интересно, диск на самом деле был составным, состоящим из двух половин, а пуля, попадая в центр через полый канал, оказывалась между этими половинами, где каждый диск вращался в противоположную другому диску сторону, и на обоих были спиралевидные канавки.
Таким образом, движущаяся пуля получала как ускорение от центра к периферии, так и закручивание её вокруг своей оси, как в обычном огнестрельном оружии:
На картинке выше, можно видеть (в верхней части), как расположены и сходятся друг с другом 2 спиральные канавки — по одной на каждом диске.
Конструкция Коробова в корне решала проблему предыдущей конструкции Горшкова, а именно, низкую точность — благодаря приданию пуле гироскопического эффекта за счёт закрутки, благодаря чему, несмотря на то что прямых исторических свидетельств до нас не дошло, мы можем предположить, что диск Коробова развивал показатели, сходные с показателями обычного огнестрельного оружия.
Несмотря на это, у «дисковых метателей» имелись свои принципиальные проблемы, которые никак не могли быть решены:
необходимость предварительной раскрутки массивного диска, что, в боевых условиях, неприемлемо, так как оружие всегда должно быть готово к бою;
значительный гироскопический эффект вращающегося диска, из-за чего, его совершенно невозможно оперативно поворачивать и наводить на цель;
опасность разрушения диска, из-за действий противника (попадание пули, снаряда, осколка), благодаря чему диск становится крайне опасным для оператора;
необходимость высокоточной обработки ведущих бороздок диска(ов) где даже малейшие неточности будут влиять на рассеивание пуль при стрельбе.
Как мы видим, несмотря на практическую реализуемость подобного устройства, его преследует целый ряд принципиальных проблем, из-за чего такие устройства и не пошли в серию...
Возможно, своё возрождение дисковые метатели могли бы пережить в наше время, в качестве своеобразных стационарных турелей, где горизонтально расположенный диск мог бы метать метаемый снаряд в любом направлении из 360º возможных, с высокой точностью, будучи управляемым электроникой.
Ну и, после рассмотрения всех этих вопросов мы подошли к самому вкусному – а ведь маховик, может быть использован по самому прямому своему назначению, в качестве накопителя энергии, для частного дома, устранив необходимость в аккумуляторах!
Тем не менее, сразу нужно оговориться, что это довольно сложная инженерная задача, и, браться за неё имеет смысл только «из любви к инженерному искусству» :-) так как существуют и более простые варианты, например, так называемые «гравитационные накопители» — бетонные блоки, вода, и т. д. и т. п. поднимаются на высоту, в момент, когда есть электрогенерация.
Когда генерация пропадает (например, ночью), всё это начинает опускаться на прежний уровень, вращая генераторы.
Однако, если бы мы набрались смелости взяться за построение маховика в качестве накопителя, для будущей генерации электроэнергии, то перед нами стали бы во весь рост две основные проблемы: трение воздуха (в меньшей степени) и как подвесить большую массу, с минимальным трением об основу (в большей степени).
Если опираться на результаты экспериментов, проведённых энтузиастами, то, ими было выявлено, что, к примеру, если использовать подшипники для оси, на которой закреплен маховик, то, маховик весом в 0,5 кг останавливается примерно за минуту, в то же время, если использовать магнитный подвес, то это время можно растянуть до примерно получаса.
Практических реализаций идеи использования маховика для частного дома весьма мало, однако, на этой почве отметился французский стартап Energiestro, который разработал бетонный маховик, вращающийся в вакуумной камере (чтобы устранить трение о воздух, о котором мы говорили выше), с магнитным подвесом:
Маховик имеет диаметр в 1 м и вес в 3 тонны, что, позволяет запасать порядка 10 кВт*ч.
Стартап заявляет, что в данный момент, ведутся работы над версиями на 20 и 50 кВт*ч.
Подытоживая этот рассказ, можно отметить, что маховики сопровождают человечество всю его историю, применяясь от простых вариантов до реализации весьма сложных технологий.
И кто знает, что принесёт нам будущее, может быть, новые идеи, как использовать маховик? ;-)