Надпровідний акумулятор силовий
Власники патенту UA 2466488:
Винахід відноситься до галузі енергетики та транспорту, а саме до акумуляторних джерел електроенергії для живлення тягових електродвигунів. Пристрій містить надпровідний накопичувальний контур у вигляді короткозамкнутого соленоїда. Обмотка соленоїда утворена розташованими на загальній осі N парами. Пари складаються з обмоток основних та концентрично вкладених у них обмоток узгоджувальних соленоїдів. Замикає накопичувальний контур програмована багатовентильна система. Технічний результат полягає у забезпеченні високої потужності та динамічності розподілу енергії. 2 іл.
Винахід відноситься до областей енергетики та транспорту та описує пристрій, що забезпечує зберігання та використання споживачем електроенергії. Переважними споживачами енергії надпровідного акумулятора силового (далі - СПАС) передбачаються тягові установки залізничного транспорту (електропоїзда) та електротягові установки на водному транспорті (судна з електричною тягою).
Застосування СПАС на залізничному та водному транспорті
- дозволяє використовувати електровози на неелектрофікованих залізничних гілках;
- зменшує втрати режиму розгону ТЕД (тягових електродвигунів) у вагонних парах;
- зменшить частоту використання або призведе до повної відмови від реостатного гальма, залишивши його тільки в аварійному режимі;
- суттєво знизить втрати в електромережах, оскільки електроенергія запасається безпосередньо на борту транспорту. У сучасних повітряних лініях електропередачі втрачається до 10% енергії, що передається, і ще більше втрати енергії на перетворення струму (Гінзбург В.Л., Андрюшин Е.А. Надпровідність. Альфа-М., гл. 4, 2006 р.);
- зменшить пікові коливання в мережі, оскільки можепередавати, при необхідності, електроенергію СПАС у мережу, знижуючи навантаження в мережі по довжині дистанції колії між тяговими підстанціями;
- Покращує екологічні характеристики транспорту, оскільки не має відходів (вихлопів в атмосферу).
Як прототипи винаходу взяті пристрої перерозподілу (передачі) електроенергії: надпровідний трансформатор і надпровідний індукційний накопичувач, дія яких заснована на використанні надпровідників.
Відомий ряд промислових об'єктів та проектів, у яких реалізовано управління електроенергією за допомогою надпровідників.
1. Надпровідний трансформатор (Зенкевич В.Б., Сичов В.В. Магнітні системи на надпровідниках, М., 1972; Кремльов М.Г., Надпровідні магніти, «Успіхи фізичних наук», 1967, т.93, v.4 ) забезпечує струми до 20000 ампер при витраті охолоджувача (гелій, азот) 0,3-2 літри на годину. Основною ознакою цього прототипу є накопичення енергії у вигляді магнітного поля соленоїда (первинної обмотки). Цей пристрій, однак, призначений для перетворення та передачі (роздачі) енергії споживачеві, його неможливо використовувати як акумулятор.
2. Надпровідний індукційний накопичувач, розроблений компанією «CryoMagnet» (РФ, м.Москва), в якому реалізовано механізм роздачі енергії надпровідного соленоїда споживачам – основна ознака цього прототипу. Однак енергія, що запасається накопичувачем, становить 0,5 мегаджоуля, що явно недостатньо для електротягових установок, що мають потужності в сотні кіловат.
Пропонований силовий надпровідний акумулятор електроенергії поєднує високу потужність надпровідного трансформатора і необхідну динамічність розподілу енергії індукційного накопичувача. Основною ідеєю єкасетна конструкція накопичувального надпровідного соленоїда СПАС.
Накопичувальний надпровідний соленоїд (1) складається з N однакових відсіків, у кожному з яких розташована первинна накопичувальна обмотка (7, 8). Кожна первинна накопичувальна обмотка складається з двох співвісних надпровідних соленоїдів: основного (7) та узгоджувального (8), що утворюють разом із системою управління (6) «тригер магнітного потоку». Це означає, що сумарний магнітний потік пари соленоїдів кожної первинної накопичувальної обмотки (7, 8) має два стійкі значення. Один стійкий стан «тригера» відповідає паралельному з'єднанню магнітних потоків соленоїдів. Інше - послідовному їх з'єднанню.
Відомо, що величина магнітного потоку в центрі надпровідника кільцевого визначається величиною транспортного струму в провіднику. І, навпаки, зміна зовнішнього магнітного поля призводять до змін величини транспортного струму в надпровідному кільці. В умовах відбору потужності СПАС зовнішнім споживачем ця залежність дозволяє (шляхом зміни стану «тригера магнітного потоку») «конструювати закон Ома», для ланцюга «джерело живлення – споживач», де «джерело живлення» представлено типовим пристроєм відбору потужності – обов'язковим елементом СПАС ( 2), а «споживач» - тяговий електродвигун електровоза та/або магістральна мережа. Варіація сумарного магнітного потоку "тригера магнітного потоку" змінює величину струму відбору (розподілу) потужності і, отже, напруга відбору (розподілу) потужності. «Тригер магнітного потоку» дозволяє регулювати вихідну напругу первинної накопичувальної обмотки в режимі відбору потужності та згладжувати можливі порушення надпровідності регулювання сумарного магнітного потоку соленоїдів (7, 8). Параметрипервинної накопичувальної обмотки вибираються виходячи з вимоги електротягового пристрою на напругу живлення, а накопичувального надпровідного соленоїда в цілому - з вимоги струму. N з'єднаних паралельно первинних накопичувальних обмоток, що мають однакову напругу відбору потужності, визначають загальну напругу відбору (розподілу) потужності всього накопичувального надпровідного соленоїда (1). Ця напруга є напруга живлення тягової електроустановки. У надпровідний контур кожного соленоїда (7, 8) включений кріовентиль (грає роль ключа). В результаті, кожна первинна накопичувальна обмотка підключена до загальної системи через 2 кріовентилі основного (7) і узгоджувального (8) соленоїдів. Усі 2N кріовентилів входять до складу блоку кріовентилів (3) і утворюють систему формування струму відбору (розподілу) потужності. Максимальний струм відбору (розподілу) потужності досягається за всіх закритих вентилях. Якщо всі 2N кріовентилі відкриті, струм відбору потужності дорівнює нулю. Така конструкція дозволяє легко здійснювати необхідну синхронізацію режимів (урівнювання тощо) всіх N первинних накопичувальних обмоток, що підвищує ккд установки.
Таким чином, сукупність технічних вимог до конструкції СПАС укладається в рамки технологічних досягнень теперішнього часу (це стосується струмівводів, ключів-кріовентилів, соленоїдів, схем керування, охолодження тощо). Отже, реалізація винаходу у конкретній установці можлива на базі вже наявних технологічних рішень у галузі кріоенергетики.
Основні технічні вимоги до СПАС (Грищенко А.В., Стрекопытов В.В. Електричні машини та перетворювачі рухомого складу. М.: «Академія», 2005 р.):