Предыдущая публикация
Супер маховик, перспективы развития.
В герметичном коробе с откаченным воздухом, вращающиеся два маховика в противоположных направлениях, разделенные стенкой.
Маховики на магнитном подвесе с одной стороны и на опорном подшипниках с другой из искусственного алмаза, закреплённых на стенке, через демпфер, и на валу. Передача энергии электродинамическое. Ось вращения маховиков свободная от наружного корпуса, на трехосном подвесе, подвесная система крепится к наружному корпусу и к герметичному коробу на демпферы.
Максимальная Энергоплотность Композитного Супермаховика из Углеволокна
Супермаховики представляют собой перспективную технологию для хранения энергии, особенно в контексте возобновляемых источников энергии и электромобилей. Их основное преимущество заключается в высокой энергоплотности и способности быстро выдавать накопленную энергию. В данной статье мы рассмотрим расчет максимально возможной энергоплотности супермаховика, изготовленного из композитных материалов на основе углеволокна.
Теоретические Основы
Энергоплотность супермаховика зависит от механических свойств материала, из которого он изготовлен, и его конструкции. Для углеволокна, обладающего высокой прочностью и низкой плотностью, возможно достижение высокой энергоплотности. Формула для расчета максимально возможной энергоплотности (энергии на единицу объема) маховика выглядит следующим образом:
\[ E_{\text{макс}} = \frac{1}{2} \rho \sigma \left(\frac{v_{\text{макс}}}{\rho}\right)^2 \]
где:
- \( \rho \) — плотность материала маховика,
- \( \sigma \) — предел прочности материала на растяжение,
- \( v_{\text{макс}} \) — максимальная угловая скорость вращения маховика.
Расчет Энергоплотности
Для углеволокна характерны следующие значения:
- Плотность (\( \rho \)): около 1600 кг/м³,
- Предел прочности на растяжение (\( \sigma \)): до 7 ГПа (7 \times 10^9 Па).
Максимальная угловая скорость вычисляется следующим образом:
\[ v_{\text{макс}} = \sqrt{\frac{\sigma}{\rho}} \]
Максимальная возможная энергоплотность тогда будет:
\[ E_{\text{макс}} = \frac{1}{2} \rho \left( \frac{\sigma}{\rho} \right) = \frac{1}{2} \sigma \]
Подставим значения для углеволокна:
\[ E_{\text{макс}} = \frac{1}{2} \times 7 \times 10^9 \text{ Дж/м}^3 = 3.5 \times 10^9 \text{ Дж/м}^3 \]
Таким образом, максимально возможная энергоплотность композитного супермаховика из углеволокна составляет примерно \( 3.5 \times 10^9 \) Дж/м³.
Пересчет Энергоплотности на Массу
Для представления энергоплотности на массу и в киловатт-часах на килограмм (кВт·ч/кг), сначала нужно преобразовать значения из Джоулей на кубический метр в Джоули на килограмм, а затем в кВт·ч/кг.
Энергоплотность на объем можно пересчитать на энергоплотность на массу следующим образом:
\[ E_{\text{массовая}} = \frac{E_{\text{объемная}}}{\rho} \]
Подставим значения:
\[ E_{\text{массовая}} = \frac{3.5 \times 10^9 \text{ Дж/м}^3}{1600 \text{ кг/м}^3} = 2.1875 \times 10^6 \text{ Дж/кг} \]
Теперь преобразуем Джоули в киловатт-часы:
\[ E_{\text{массовая (кВт·ч/кг)}} = \frac{2.1875 \times 10^6 \text{ Дж/кг}}{3.6 \times 10^6 \text{ Дж/кВт·ч}} = 0.6076 \text{ кВт·ч/кг} \]
Таким образом, максимально возможная энергоплотность композитного супермаховика из углеволокна составляет примерно 0.6076 кВт·ч/кг.
Сравнение с Литий-Полимерными Аккумуляторами
Для современных литий-полимерных аккумуляторов серийного производства максимальное значение энергоплотности составляет около 0.2 кВт·ч/кг. Даже если учитывать двукратный запас прочности для маховика, энергоплотность маховика из углеволокна будет превосходить ёмкость аккумулятора в полтора раза.
Заключение
Композитные супермаховики из углеволокна обладают значительным потенциалом для применения в системах хранения энергии благодаря их высокой энергоплотности. Они могут превзойти современные литий-полимерные аккумуляторы по этому показателю, что делает их привлекательным вариантом для использования в различных энергетических приложениях.
Следующая публикация
Нет комментариев