Устройство для накопления электрической энергии Советский патент 1992 года по МПК H02J15/00 

Изобретение относится к электротехнике и энергетике, в частности к накопителям электрической энергии, и может быть использовано в различных областях науки (компактные приборы), гражданской и военной техники для изготовления периодически возобновляемых или восполняемых источников электрической энергии.

Известно, что подвижной состав различных видов транспорта и другой техники (автомобили, тракторы, дорожно-строитель- ные и сельскохозяйственные машины, тепловозы, речные и морские суда, самолеты и т.д.) оснащены двигателями внутреннего сгорания (ДВС). газотурбинными, реактивными двигателями и их модификациями. Указанные двигатели используют, как правило, углеводородное (или, реже, водородное) топливо, которое после сгорания (отработавшие газы) превращаются в углекислый газ, сажу, оксид углерода (недогорание при коэффициентах избытка воздуха а 1,0), оксиды азота и другие токсичные и даже канцерогенные вещества, в том числе соединения свинца при использовании этилированных бензинов. Указанное выше создает неблагоприятную общую экологи ческую обстановку, особенно в городах и крупных населенных пунктах с интенсивным движением транспорта.

Известно также, что подавляющее большинство ГЭС, ТЭЦ (ГРЭС). ТЭ.С. АЭС испытывают в ночное время дефицит в потребителях электрической энергии, в связи с чем в указанное время работают не на полную мощность.

Для решения этой проблемы строят различные накопительные системы, например гидроаккумулирующую станцию: в ночное время электрическая энергия от атомной (АЭС) или гидроэлектрической станции (ГЭС) идет на перекачку огромных масс воды высокого уровня с тем, чтобы при необходимости (пиковые нагрузки или в других случаях) накопленную энергию воды возвратить в сеть, пропуская воду через гидроэлектрогенераторы.

Отсюда возникает необходимость создания различных накопителей, в том числе накопителей электрической энергии длительного действия, особенно для мобильных транспортных средств с высокой удельной энергией (выше, например, чем у кислотных и щелочных аккумуляторов в несколько раз) и высокой экологической надежностью.

Известно устройство для накопления электрической энергии с помощью молекулярных конденсаторов. Однако последние не позволяют длительно сохранять электроэнергию вследствие низкого значения постоянной времени саморазряда (не более 12 сут)- Известно устройство накопления электрической энергии с помощью конденсаторов, срок хранения электрической энергии в которых обеспечивается путем охлаждения их до определенной температуры в конце процесса зарядки. В замороженном состоянии накопленная электрическая энергия может храниться в течение нескольких меся цев. Недостатком известного устройства накопления электрической энергии является необходимость разогрева

конденсатора до рабочей температуры для разряда конденеатора. Кроме того, удельная энергия конденсатора относительно мала.

Известно также устройство для накопления электроэнергии в индуктивное накопительное устройство, согласно которому между накопителем (накопителями), состоящим из параллельно соединенных диода и реактора, имеющего сверхпроводящую обмотку, и источником питания включают кон- денсатор. При этом запасенная энергия конденсатора передается в накопитель (обмотку катушки) с помощью выключателя. Недостатком данного устройства является

малая компактность накопителя, что снижает величину удельной накопленной энергии (малая энергоемкость).

Индуктивность (L) однослойной катушки определяется по зависимости

. .-Ао-Д Р М- , ,

40

а для многослойной цилиндрической обмотки катушки

Up.

где Цй - магнитная (абсолютная) проницае- 5 мость сердцевины катушки (или сердечника)

й -число витков катушки;

F - площадь поперечного сечения катушки;

m - число всех слоев обмотки катушки;

Цр - индуктивность однослойной катушки с диаметром, равным полусумме на- ружного и внутреннего диаметров поперечного сечения катушки.

Электрическая энергия (в виде энергии магнитного поля WL) может быть накоплена в индуктивном накопительном устройстве согласно выражению

WL

где I - электрический ток, протекающий б витках обмотки.

Для накопления определенного, обычно небольшого, количества электричества (электроэнергии) применяют, например, бумажные конденсаторы, содержащие две тонкие металлические ленты - обкладка или пластины, между которыми размещают диэлектрический материал. При этом емкость С .таких конденсаторов пропорциональна площади S обкладок, диэлектрической (абсолютной) проницаемости материала диэлектрика Јd и обратно пропорциональна расстоянию между обкладками d или, что то же самое, толщине диэлектрика. При этом в диэлектрической прослойке толщиной d возникает связанное с появлением заряда Q соответственно электрическое поле. Возникновение электрического поля сопровождается накоплением в объеме изоляции (диэлектрика) энергии.

С U2 ,

. .. . (

где U - напряжение.

Накапливаемый суммарный заряд С. Энергия электрического поля (энергия заряженного конденсатора) обратима - выделяется при разрядах конденсатора,

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому является накопитель электроэнергии, который имеет расположенные один в другом конденсаторные электроды, проходящие сквозь магнитную катушку, при этом последняя охватывает конденсатор. Диэлектриком между цилиндрическими конденсаторными обкладками (электродами) является высокий вакуум. В таком диэлектрике вокруг внутреннего электрода,как центрального электрода конденсатора, накопившиеся электроны приводятся в круговое вращение по баллистическим траекториям.

Недостаток известного накопителя заключается в относительно низкой компактности устройства, нестабильности траектории движущихся в диэлектрике электронов, малой емкости накопителя (конденсатора), в связи с чем удельная энергия т.е. отношение энергии к массе накопителя или к его габаритам (объему), его невелика.

Целью изобретения является повышение энергоемкости накопителя.

Цель достигается запасанием (накачкой) от источника тока с помощью диодов (тиристоров) и выключателей в конструктивно едином узле совместно двух видов энергии: в

5 виде энергии электрического поля - в диэлектрической прослойке между обкладками конденсатора,изготовленныхиз сверхпроводящего материала, и в виде магнитной энергии - в одной или в обеих об0 кладках того же конденсатора, выполненных в виде электрически разделенных между собой витков или обмоток катушки. При этом индуктивность обмотки катушки (катушек) может быть повышена

5 размещением в ней сердечника с заданной магнитной проницаемостью. Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой гибридное компактное устройство типа конденсатор-катушка, общая энергия которо0 го Wo Wc+WL, т.е. (C- U2+ L- I2), что обеспечивает высокое значение удельной энергии (энергоемкость) при практически неограниченной продолжительности (длительности) сохранения накопленной элект5. рической энергии в связи с использованием сверхпроводников для элементов накопителя - обкладки-обмотки.

В зависимости от материала сверхпроводника, например, олово-ниобий низко0 температурной сверхпроводимости,

; керамические высокотемпературные сверхпроводящие композиции (ВТСП) и другие могут использоваться такие криогены, как, например, жидкий гелий, жидкий азот и т.п.,

5 в которые помещают элементы накопителя или которые прокачивают через элементы накопителя для создания эффекта сверхпроводимости. Как известно, в замкнутой цепи, состоящей из сверхпроводниковых

0 элементов, электрический ток.может циркулировать практически неограниченное время при приемлемых значениях плотности тока и магнитных полей. Так, например, разработанные сверхпроводники типа ВТСП

5 способны обеспечивать высокие значения критических полей при температуре Т 7792 К: критическая плотность тока в сверх. проводящей керамике системы У-Ва-Си-0

может достигать до 10000-50000 А/мм2

0 (тонкие пленки УВа2СизО) при значениях магнитной индукции до 10 Тл.

Подбирая оптимальные значения конструктивных и эксплуатационных параметров элементов накопителя С. L, U, i,Јd //а и др.,

5 можно разработать высокоэффективные по

важнейшему критерию - энергоемкости источники периодически (по мере расхода)

восполняемой электроэнергии для питания

экологически чистых силовых электродвигзтелей различных транспортных машин (автомобилей, тракторов, речных и морских судов, электровозов) и других силовых (и обычных стационарных) установок.

На фиг..1-5 изображена конденсаторная катушка, конструктивные варианты; на фиг. 6 - принципиальная схема накопителя.

Плоский конденсатор (фиг. 1,2) включает две обкладки (пластины 1 и 2 длиной I, имеющие начальные выводы для подсоединения соответственно а и б. Между обкладками располагается изолятор (диэлектрик) 3 толщиной d, а концы обкладок конденсатора С имеют конечные выводы а и б (фиг. 2). Вариант конденсатора обкладки конденсатора на фиг. 1 и 2 сворачивают (намотка) с образованием катушки индуктивности, имеющей конденсаторный провод, при этом элементы такого провода можно изготовлять из различных материалов для целей радиотехники, радиоэлектроники и других отраслей науки и техники, изображенный на фиг. 3, имеет свернутые в спираль (катушка) обкладки 1 и 1 (витки) с расположенными между ними диэлектриками 3, между витками расположен изолятор 4, а внутри катушки размещен сердечник 5 с соответствующей магнитной проницаемостью (Md) .

На фиг. 4 изображена (продольный разрез А-А с фиг. 3) одновитковая (ширина обкладки в) многослойная катушка длиной I в, а на фиг. 5 - многрвитковая многослойная (ширина витка в ) катушка длиной | с определенной индуктивностью (L). Обмотки 1 и 2 конденсаторной катушки выполнены из сверхпроводникового материала (на фиг. 6 условно разделены) и помещены в криоген (жидкий гелий или жидкий азот) б; они соединены соответственно через начальные выводы а и б и конечные выводы а и б с диодами 7 и 8, выключателями 9-18, источником 19 электрического тока (напряжения) и нагрузками 20-22. При этом источник 19 тока и нагрузка 22 могут подключаться в схему только раздельно, а не совместно.

Устройство для накопления электрической энергии работает следующим образом.

При зарядке емкости С обмотки 1 и 2 (обкладки) соединены с источником 19 тока с помощью выключателей 11,13,14,15. При этом все остальные выключатели разомкнуты. В этом случае на обкладки 1 и 2 через начальные выводы а и б подается от источника 19 тока электрическое напряжение U, Свободные заряды (электроны) на обкладках 1 и 2 могут перемещаться, а связанные заряды при поляризации диэлектрика 3 не могут перемещаться, а только, например,.

упруго перемещаться на определенное рас- стояние. Энергия электрического поля

Wc

С1Г

накапливается в объеме диэлект

рика и пропорциональна величине емкости С конденсатора и приложенному к обкладкам напряжению U (точнее квадрату напряжения U2).

Јd S

Так как С

, где площадь каждой

обкладки b (в многовитковой катушке площадь каждой обкладки S 1 t/, фиг. 5), то

Wc,

. Подбирая толщину d

и материал диэлектрика jua , геометрические параметры I, в (в ) и величину напряжения U, можно на обкладках конденсатора накопить значительную величину электрической энергии в виде энергии электрического поля. По окончании зарядки источника 19 тока отсоединяют и выключают выключатели 11,12,14,15.

Вместо источника 19 тока при необходимости разряда обкладки 1 и 2 соединяют с потребителем (нагрузкой 22). Следует отметить, что в качестве источника тока предусматривается использовать вырабатываемую, например. ГЭС

или другой электрической станцией электроэнергию, преимущественно в ночное время, когда существует дефицит потребителей электроэнергии. Далее заряжают катушки индуктивностиПри зарядке левой катушки с обмоткой

(обкладкой) 1 (фиг. 6} с помощью включателей 11-14 обмотку 1 соединяют через диод 7с источником 19 тока (источник постоянного или переменного тока), а остальные включатели оставляют разомкнутыми. Так как в обмотке 1 имеются свободные заряды (электроны), то они начинают циркулировать в замкнутой цепи, создавая ток I. В сверхпроводящей обмотке 1 ток может циркулировать длительное время, так как омическое сопротивление отсутствует. Накопление (запасание).энергии в обмотке 1 будет зависеть от параметров, входящих в вы ражеЁ « Л л АI

ние магнитной энергии WL

где

Lfaftt-F-« ,,

(I - длина катушки). СледО55 вательно,Л/1 -

оЯ-J2

2 -I

, где F - пло1 щадь поперечного сечения катушки 1 (или ; катушки 2).

г Увеличить накопленную в катушке маг- нитную энергию можно путем введения 0

нее сердечника 5 с заданной магнитной проницаемостью fta. .

После зарядки катушки 1 производят отключение источника 19 тока с помощью выключателей 11-14 и одновременно замы- кают катушку на себя выключателем 9 с тем, чтобы ток I продолжал циркулировать в обмотке 1. При необходимости выключатель 9 отключают, а катушку замыкают с помощью выключателя 10 на нагрузку (потребитель электроэнергии) 20. Во всех случаях дозировку расхода электроэнергии, переключение схеме можно производить с помощью управляющих тиристоров (не показано).

При зарядке правой катушки 2 (фиг. 6) аналогично вышеописанному производится накопление электроэнергии (в виде магнитной энергии) в обмотке катушки 2 путем соединения ее с источником 19 тока с помощью выключателей 12, 14 и 16. В этой цепи также можно использовать сердечник 5 для увеличения L (Wi).

Изменение направления тока I в данной цепи можно производить заменой (переключением) выводов б на б и б на б. Это важно при одновременном циркулировании тока I в обмотках 1 и 2 (бифилярность обмоток уничтожит их индуктивность, что приведет к ).

Остальные операции: переключение ка- тушки 2 с током на себя или нагрузку 21 с помощью выключателей 18 и 17 соответственно, аналогичны операциям с катушкой 1. Если в накопителе работают сразу обе обмотки1 и 2, то их суммарная энергия Л WL удво-

I . «2 ится, т.е. Ј WL WLI + WLS 2. 2 L

I2- - : .. Консервация запасенной электроэнергии в диэлектрике 3 и в обмотках катушек 1 и 2 производится либо в одном общем блоке, либо в нескольких последовательно или параллельно соединенных накопительных элементах с помощью специальных тиристоров и управляющих схем.

Таким образом, накопитель объединяют в одном гибридном узле конденсатор и обмотку (катушку индуктивности, соленоид), общая энергия которого Ј WL, что обеспечивает высокую компактность и вы

5 0

5 0

5

0 5

.

5

сокую энергоемкость при длительной сохранности запасенной электроэнергии.

Предлагаемое устройство используют в качестве периодически восполняемого по мере расхода электроэнергии источника тока для его эксплуатации, например, на транспортных машинах. Так, двигатель внутреннего сгорания, как правило, поршневой, на автомобиле вместе с топливным баком, топливом, трансмиссией, можно будет заменить на разработанный накопитель электроэнергии и электродвигатели для привода колес (мотор-колесо).

В итоге автомобиль получит следующие преимущества: масса автомобиля (электромобиля) снижается на 40-60% и расход топлива; ликвидируется токсичный выхлоп на 100%; повысятся динамические параметры (скорость, ускорение и время разгона, приемистость и т.д.). Ремонтопригодность силовой установки повысится на 80-90%.

Кроме того, улучшится экологическая надежность автомобиля.

Формула изобретения

1.Устройство для накопления электрической энергии, содержащее конденсатор и катушку индуктивности с выводами для подключения к электрической сети, отличающееся тем. что, с целью повышения энергоемкости, устройство снабжено второй катушкой индуктивности/электрически не связанной с первой, с выводами для подключения к источнику питания, при этом вторая катушка индуктивности связана с первой через диэлектрик с образованием указанного конденсатора.

2.Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что катушки индуктивности выполнены из сверхпроводящего материала.

3.Устройство по п. 1, отличающее- с я тем, что катушки индуктивности выполнены с сердечником.

4.Устройство по тт. 1-3, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит элементы, состоящие из катушек индуктивности с образованием конденсатора, при этом указанные элементы соединены между собой последовательно или параллельно.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для изготовления периодически восполняемых источников электроэнергии. Целью изббретения является повышение энергоемкости. Для этого в созданный обкладками конденсатора единый гибридный узел типа конденсатор-катушка индуктивности накачивается электрическая энергия в виде энергии электрического и магнитного полей. При этом обкладки конденсатора, которые являются и обмотками катушки индуктивности, выполнены из сверхпроводящего материала и погружены в криоген. Индуктивность полученных обмоток катушки можно повышать помещением в нее сердечника с заданной магнитной проницаемостью. Накопление электрической энергии производят в накопителе с помощью источника тока, диодов и выключателей в объеме диэлектрика и за счет циркуляции тока в обмотках 1 и 2. 3 з.п.ф-лы, 6 ил. ел