Магнитопольные накопители энергии

Про ионисторы и конденсаторы уже есть целая тема. Но в древних советских книжкакх когда еще активно изучали физику указано - при накоплении достаточно больших количеств электроэнергии индуктивные накопители получаются выгоднее емкостных.

У емкостных энергия хранится в поле в диэлектрике и он пробивается при определенной напряженности поля Е. У индуктивных накопителей напряженность магнитного поля Н может возрастать условно безконечно.

У накопительного дросселя накапливаемая энергия пропорциональна 5 степени от линейных размеров, а масса только 3 степени.

Для накопления энергии в дросселе требуется создать ток в обмотке. Дальше он поддерживается сам (например можно замкнуть обмотку через ключ), но возникают потери энергии на сопротивление обмотки. Для кратковременного хранения энергии в количестве где-то от 1 мегаджоуля и более магнитопольные накопители выгоднее емкостных, а это всего около трети хозбыт киловатчаса.

Для стационарных объектов масса относительно мало важна, а вот надежность конструкции и срок эксплуатации получается весьма большие.

Надо бы посчитать вариант магнитопольного накопителя для варианта деления мощности электростанции или накопления между днем и вечером для сонцепанелей.

По формуле с http://ens.tpu.ru/POSOBIE_FIS_KUSN/%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%B7%D0%BC/05-5.htm - энергия поля катушки с током 0.5*m*m0*n^2*I^2*V

Для катушки размером 10х10х10 м с 1000 витков при токе 200 а на воздухе получается
0.5*1.25*10^-6*1000^2*200^2*10*10*10 = 25 мегаджоулей или около 7 хозбыт киловат часов.

 

А сколько времени может храниться заряд? доли миллисекунды?

 

Пробовал считать по сопротивлению для катушки 10х10х10 м при 100 витках (круглых, диаметром 3 см меди) и 100 амперах - получается хранится 62 килоджоуля, а мощность потерь при полном токе 2.8 киловата, т. е. хранится минимум десятки секунд.

Надо в счетных таблицах ввести формулы и покрутить параметры чтобы поисследовать про наиболее выгодные соотношения потерь, размеров, цены обмотки, хранимой энергии.

По цене вчера вечером зашел в магазин электротоваров - получается 1 кв мм меди стоит около 4.5 руб, а алюминия 0.6 руб. А сопротивление всего раза в 1.5 отличается. Алюминий таки выгоднее.

Вообщем когда будут бытовые сверхпроводники - тогда обычные акб можно выбрасывать из стационарных систем, ну или только тем, кто магнитных полей боится.

Т. е. получается количество хранимой энергии зависит от размеров, а время хранения зависит от расходов на материал обмотки (чем больше сечение металла тем дольше хранится).

По использованию потерь типовая мысля - катушка тороидная и размещена под строением - потери уходят на подогрев строения, а магнитополе все внутрях катушки и санитарные нормы на величину магнитополя в строении выполнены.

 

25 мегаджоулей если выделятся за 1 милисекунду - это будет процесс со средней мощностью 25 гигават.

 

Мдя - без сверхпроводников конечно трудно хранить энергию долго - минуты и часы, но вот порядка секунды тоже иногда требуется - чтобы запускать двигатели с большими пусковыми токами. Типа как в холодильниках.

Седня еще посчитал вариант накопления энергии в индуктивности - получается при увеличении площади сечения магнитопровода все очень быстро лучшеет при улучшающемся соотношении хранимой энергии к мощности потерь (при фиксированом сечении обмоточного провода) - где-то пропорционально площади, а она растет как квадрат линейных размеров сечения катушки. При этом соотношении больше 2..4 уже можно хранить и отбирать основную часть энергии в течении около 1 секунды, которой достаточно для пуска многих хозбыт двигателей.

Но при росте площади сечения магнитопровода одиночной катушки быстро растет объем и масса магнитопровода и цена его железа. Хотя основная часть магнитопровода как-бы лишняя - чем короче магнитопровод тем выше индуктивность. В итоге вот что получается:

1. Если взять один магнитопровод с размером сечения около 1х1 м и свернуть из него примерно кольцо - длина кольца средняя будет около 3 м и объем около 3 куб м.

2. Если взять 4 магнитопровода с размером сечения 0.5х0.5м - общая площадь сечения все еще 1 м, и свернуть их них кольца - длина кольца будет около 1.6 м и объем каждого 0.5х0.5х1.6=0.4 куб м, 4 штуки - объем 1.6 куб м. Итого меньше примерно в 2 раза. Коэффициент уменьшения зависит от величины разбиения - если 1 большой магнитопровод разбить на 100 мелких с такой же суммарной площадью - они будут легче в (объем 100 мелких - 0.1х0.1х0.3=0.3 куб м) - отношение уже 10 раз. Получается где-то в корень квадратный из числа разбиения.

Итого получается набор из мелких магнитопроводов легче (дешевле) чем один большой. Но что будет по расходу обмоточного провода и потерям буду считать.

Типа "энергия магнитополя" в катушке хранится где-то в зазоре если он есть (там и максимальная напряженность магнитополя) вместо "всего объема железа", а большая часть железа это просто проводник магнитополя, который можно существенно сократить.

Похоже на конденсатор - там энергия хранится в тонком зазоре между пластинами и объем относительно малый.

 

Интересно былобы услышать каких размеров будет "аккумулятор" способный хранить энергию двое суток.
А объем мы наберем количеством, просто в таком акуумуляторе интересно именно то что он будет иметь пожизненую "гарантию".

И уж простите за неграмотность но всетаки не понял как именно это выглядит конструктивно, как я понял это трансформатор на вид, в идеале тороидальный, а энергия хранитса в металле тора.
Тогда по идее лучше всего такой транс делать из листовой стали как делаютса обычные трансформаторы, и чем тоньше металл тем лучше видимо, только намотка больше слоев будет.

П. С.
Ну а теперь в меня надо кинуть табуреткой и сказать "что за ахинею вы несетё", или указать где я не прав.

 

Тоже интересно. Как будет выглядеть эта штука для замены аккумулятора скажем 12В 200А*ч? И сколько, примерно будет стоить современными деньгами.
Но медные провода сечением метр квадратный, скажем прямо, расстраивают.
Пожизненная гарантия, это очень мягко сказано. Я так понимаю такая батарейка отработает от тыщи лет. А может и сто тыщ.

 

Ну насчет гарантии это я образно выразился, понятно что ломатса там нечему и служить оно будет пока сами танком не передете эту конструкцию, если конечно танк не сломаетса.
А еще представьте какой надо будет под такую штуку ФУНДАМЕНТ.
Как никак почти монолитная стале-медная чушка размером с сарай.

 

Для длительного хранения на время от минут и более похоже пока реально собирать только на сверхпроводниках. Там обмотка мелкая, но основная часть системы - холодильник. У буржуинов уже есть комерчески выгодные сверхпроводящие линии электропередач, а тута еще выгоднее - конструкция в виде шара или цилиндра вместо вытянутой линии с большой площадью проникновения тепла.

Есть конечно суровый глобальный вариант - оттащить планету куда-нить на уровень орбиты плутона или дальше чтобы среднегодовая температура на поверхности позволяла сверхпроводящей обмотке валяться на снегу из бывшей атмосферы без принудительного охлаждения.

 

С сарай, это для диодной лампочки и переделанного холодильника типа "Саратов". Минут на 5.
Под нормальную автономку сарай нужен с пирамиду Хеопса.

 

Тогда об этом можно забыть.