Хранение энергии маховика: почему бы не использовать диамагнетики комнатной температуры вместо сверхпроводников?

Накопление энергии на маховике вызвало некоторый интерес со стороны академических кругов и промышленности из-за его способности эффективно хранить избыточную электрическую энергию в кинетической форме.

В современных конструкциях используются магнитные подшипники , чтобы свести к минимуму сопротивление вращающейся массы, полностью поднимая ее в вакуумную камеру. Наиболее серьезные исследовательские усилия, по-видимому, направлены на внедрение этих подшипников со сверхпроводящими магнитами, охлаждаемыми до 50 К или ниже, чтобы воспользоваться явлением, называемым закреплением потока , которое, по-видимому, происходит в этих условиях.

Это закрепление потока стабилизирует маховик таким образом, что одни постоянные ферромагнетики при комнатной температуре (представляющие собой набор точечных зарядов) не могут этого сделать из-за теоремы Эрншоу .

Однако существуют также такие материалы, как висмут и пиролитический углерод, которые даже при комнатной температуре проявляют диамагнитные силы , вполне способные стабилизировать объекты, левитирующие в магнитном поле постоянными ферромагнетиками.

Почему бы не использовать эти диамагнитные материалы вместо сверхпроводящих и значительно снизить сложность, стоимость и потери на охлаждение конструкции маховика?

Вот иллюстрация, которую я сделал, чтобы продемонстрировать тип конфигурации, который я имею в виду:Маховик с диамагнитной стабилизацией

Одной из возможных причин использования сверхпроводников может быть то, что закрепление потока может меньше страдать от вихревых токов («электромагнитное сопротивление»), чем диамагнетики при комнатной температуре, но я не уверен, как оценить влияние этого эффекта, если таковой имеется; поэтому ответ, который пытается пролить свет на этот аспект, был бы очень признателен.

Это все круто, за исключением того, что проблемы с накоплением энергии маховика связаны не с подшипниками, а с долговременной стабильностью маховика. У этих вещей есть только один режим отказа, и это катастрофа / взрыв. Плотность энергии также ниже, чем у методов хранения химических веществ, поэтому вы не получаете большого успеха с этим методом, за исключением, возможно, таких приложений, как гибридные автобусы. Однако в этом случае электроприводы уже зарекомендовали себя как простые, надежные, дешевые и долговечные.
+1 от меня. Похоже на потенциально интересный вопрос.
@CuriousOne Вы, кажется, уделяете большое внимание мобильности, но я склонен видеть, что накопитель энергии маховика устанавливается в основном в стационарных условиях, предпочтительно под землей. Я не думаю, что это такая большая катастрофа, если ротор сломается, пока все это находится под землей. В любом случае, это выходит за рамки этого вопроса, но, как показывает третья ссылка, которую я включил, я думаю, можно с уверенностью сказать, что некоторые крупные игроки в отрасли серьезно относятся к накоплению энергии маховика.
Катастрофа с маховиками заключается в том, что вы сразу теряете все вложения, система не подлежит ремонту, как должно быть хорошее техническое решение. Другие методы хранения просто не имеют этой проблемы, когда они выходят из строя, они выходят из строя осторожно, и их можно отремонтировать за небольшую часть их первоначальной стоимости. А что касается серьезности игроков... Это пусть решит реальность. Когда я получаю 1% своей энергии от маховиков, значит, на каком-то уровне к этому относятся серьезно.
Это все равно, что сказать, что до тех пор, пока 1% вашей энергии не будет получено в результате ядерного синтеза, энергия ядерного синтеза не будет восприниматься всерьез ни на каком уровне... несмотря на многомиллиардные проекты, такие как ИТЭР. Я надеюсь, что мы сможем действовать не так, как будто у нас есть повестка дня, которую нужно продвигать, а вместо этого сосредоточимся на физике вопроса, который я задал.
Несколько лет назад журнал Scientific American опубликовал статью об этом. Самая интересная конструкция маховика (на мой взгляд) состояла из длинной струны, намотанной в форме цилиндра и переплетенной в эту форму. Когда этот маховик был чрезмерно раскручен, он ломал одну нить за раз, создавая «пушистый шарик», который полировал внутреннюю часть своего контейнера. Таким образом, режимы отказов некоторых маховиков не являются катастрофическими.
На 2-м и 4-м стационарных ферромагнетиках моей иллюстрации (вид сверху) есть глупая ошибка полярности, но я, вероятно, не успею их исправить до четверга.
@WilliamBudd Я изучал это в последнее время и пришел к выводу, что эффект диамагнетизма, вероятно, недостаточно силен. Точных цифр у меня нет, но если учесть, что кусок висмута едва ли может стабилизировать ~1 граммовый неодимовый магнит (очень сильное магнитное поле) с помощью грузоподъемного магета, то речь идет о восстанавливающих силах на порядок менее 1 миллиньютона. Вы, вероятно, могли бы стабилизировать очень легкий «маховик» с помощью этого, но настоящие маховики весят по крайней мере несколько тонн, любая систематическая вибрация или гироскопический эффект приведет ваш вал к диамагнетикам.
Однако это вполне может быть применимо в космическом корабле (я думаю, что исследования диамагнитных подшипников продолжаются).

Ответы (2)

Это хорошая идея. Основная причина, по которой этого никто не сделал, состоит в том, что диамагнетики имеют на 4-5 порядков меньшую магнитную проницаемость. Вдобавок, если у вас есть сверхпроводящая установка, вы можете получить сверхпроводящий магнит, который в несколько раз сильнее, чем постоянный магнит.

Показанная вами установка, вероятно, должна быть в ~ 1000 раз выше, чтобы работать. Хотя, может быть, в космосе. Но опять же, крутить что-то в космосе может быть не лучшей идеей...

+1, потому что я согласен, что конструктивно инженерные допуски должны быть довольно строгими. Тем не менее, поместив диамагнитный корпус в непосредственной близости от вращающихся ферромагнетиков (необычайно сильный неодимовый «редкоземельный» вариант) и удерживая внешние ферромагнетики на максимальном расстоянии, чтобы обеспечить минимальную кривизну силовых линий, я - интуитивно по крайней мере -- ожидайте, что это будет выполнимым предложением. Приятным бонусом может быть и наличие стабилизирующего гироскопического эффекта.

Диамагнитные силы слишком слабы при комнатной температуре, чтобы обеспечить адекватную левитацию/стабилизацию маховиков весом более нескольких граммов. Хорошо для демонстрации плавающих чешуек пиролитического графита между блоками висмута, но не интересно с точки зрения практического накопления энергии.

Единственным исключением являются сверхпроводники, которые в основном представляют собой материалы с бесконечными диамагнитными константами в сверхпроводящем режиме. Boeing производит маховики с подшипниками HTS уже более десяти лет. Выпуск новостей о маховике RTRI 100кВт/300кВт интересен. В нем тоже используются сверхпроводящие подшипники. Для установок, которые могут позволить себе затраты на постоянно работающие криокулеры для поддержания сверхпроводимости подшипников, эта технология работает хорошо.

Диамагнетики не создают силы, необходимой для подъема ротора: это работа постоянных магнитов (красный и зеленый цилиндры на моем рисунке). Цель диамагнетика состоит просто в том, чтобы превратить неустойчивое равновесие в устойчивое равновесие. Учитывая высокоточную установку, результирующие силы, которым должны противодействовать диамагнетики, ничтожны (вы можете представить себе это как очень плавный градиент около вершины холма силовых линий). В любом случае ваше заявление о том, что диамагнитные силы слишком слабы, должно быть подкреплено какой-то наукой, чтобы я мог воспринимать его всерьез.
Хранение энергии маховика: почему бы не использовать диамагнетики комнатной температуры вместо сверхпроводников?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v