NL9002415A - Het bewaren van electrische energie in een vliegwiel. - Google Patents

Description

HET BEWAREN VAN ELECTRISCHE ENERGIE MET EEN VLIEGWIEL.

De moderne samenleving kan van een aantal problemen worden verlost wanneer electrische energie langdurig,efficiënt,pollutie vry met een hoge energie-dichtheid kan worden bewaard. Dit is mogelyk met een vliegwiel.De primaire eigenschap van een vliegwiel is het bewaren van energie maar in de hedendaag -se praktyk meestal voor een korte tyd.Een lange bewaartyd moet worden bereikt door de draaiings verliezen van de rotor klein te maken,hetgeen ook de efficiëntie ten góede komt.In de figuren^, en 5 is het principe van respectivelyk een cylin-drische en een bolvormig vliegwiel getekend waar deze uitvinding over gaat.De rotor(1)van het vliegwiel draait in vacuum3 en op de binnendiamëter zyn de electro-motor(4)en de dynamo(5) aangebracht,die ieder voor zich borstelloos werken en d'aartoe van de halfgeleider techniek gebruik maken.De motor dient voor het opladen en de dynamo voor de ontlading van het vlieg -wiel.T.b.v.de zeer kleine draaiings verliezen is de rotor gelagerd op magnetische levitatie met behulp van de permanente magneten(A),(B),(C)en (D).Hieraan is t.b.v.de stabiliteit van de rotor een klein mechanisch lager(8)toegevoegd.T.b.v de verliezen draait de rotor in vacuum.Het vacuumvat(2)is voor het grootste deel omgeven door een vloeistof(7)(water)die zich binnen het buitenvat(6)bevindt.De constructie van het ge -heel is zo gedimensioneerd dat by een eventuele desintegratie van de rotor,dit proces zich geheel binnen het buitenvat afspeelt.De omzetting van het water in stoom helpt hierby de vrykomende energie te dissiperen.Een grote energie-dichtheid wil zeggen dat het vliegwiel klein en licht moet zyn en de rotor zeer snel moet draaien.Dit vereist het gebruik van zeer sterke en lichte materialen.De krachten die in ieder'volume element van de met een bepaalde snelheid draaiende rotor optreden zyn evenredig met het kwadraat van de afstand(r)tot de as en met het soortelyke gewicht(voortaan s.g.)van dit volume element.De krachten zyn het grootst aan de buitenkant en ne- 2 men naar binnen toe met r af.De uitvinding zorgt ervoor dat 2 het s.g. omgekeerd evenredig met r verandert.Hierdoor wordt bereikt dat ieder volume element in de rotor door gelyke krachten wordt belast waardoor geen laagscheiding kan optreden en het mogelyk is deze vliegwielen te realiseren.Deze homogeniteit van krachten wordt verkregen door tydens het wik kelen van de rotor aan de matrix van de lym en de zeer sterke vezel een zwaar en zeer fynkorrelig poeder per laag in de Juiste hoeveelheid toe te voegen.Door de volgende berekeningen wordt de uitvinding gefundeerd. Berekeningen.

Het arbeids vermogen van beweging(E)dat is opgeslagen in een· volkomen vast lichaam dat met een hoeksnelheid(u3)om zyn as roteert voldoet aan: E =“- Τω2 (Nm) 1

Hierin is T het Massa Traagheids Moment(M.T.M.)van dit lichaam t.o.v. de rotatie as.Het M.T.M. van een cylinder is gelyk aan:

Tcyl= imR2 (kgl“2) 2 en van een bol

Tbol= |mR2 (kgm2) 3

De respectïvelyke massa's M zyn: ncyl“ ^Vli ξ> Qcg) 4 "bof j®3? (kg) 5

De energie-inhoud van deze roterende lichamen is dus: •j__ (Nm) 6 ^01= 305^5^ (Hm) 7

Hierin is het s.g.van het roterende lichaam. Uit deze ver-gelykingen valt af te leiden, dat de cylinder per kg gewicht, by dezelfde hoeksnelheid,een grotere hoeveelheid energie' kan opslaan dan de bol. Ca.25% meer. De cylinder zal op grond hiervan worden berekend. Het binnenste van de cylinder draagt niet veel by aan de energie-inhoud. Bovendien is die ruimte nodig voor het onderbrengen van de motor, dynamo en de lage-ring.Wy hebben dus te doen met een holle cylinder waarvoor geldt dat de verhouding van de binnenstraal (ΐΐφ)βη de buiten-

straal (R) voldoet aan: D

/> R0 F> ΊΓ 8

De energie-inhoud van deze cylinder met een gat voldoet aan: Ecy 1= R4 h νυ2 (1 ) (Nm) 9 u?=2Un en dit geeft in vergelyking 9 :

Ecyl= R4· h n2^ (1 -ƒ&*) (Nm) 10

Nu geldt dat 1kwh gelyk is aan 3 »6 10 Nm. Hieruit volgt:

Ecyl_ (1-M) kwh 11 7 3,6 10^ '

In de snel draaiende rotor van het vliegwiel treden tangen-tiale (P.) en radiale (P ) spanningen op die vMdoen aan de vergelykingen 12 en 13.

Pt= n2 r(3+V)(R2+R^lR /-o) -(1 +3V)r2 P& 12 P = f29 n2(R2+R2 S^O -r2X3+V) Pa 13 r

Hierin is v de Poisson verhouding,die op 0,3 gesteld mag worden en is r de afstand van de rotatie-as waar deze span-

O

ningen optreden. Verder geldt:R en RQin ra., ^in kg/nren is n het aantal omwentelingen per seconde.De maximale spanning ^tmax treedt op aan de omtrek van het gat (r=RQ)en de maximale radiale spanning P^^^treedt op voor r=N[0Q en voldoet aan: 0 0 p n2(R-Ror(3+v) Pa 14- rmax 2 1

Vergelyking 14- laat zien dat Prlnaxvoc,r R=H0 Selyk is aan nul d.w.z. dat voor een cylinder met een zeer dunne wanddikte (RMR )P zeer klein is.Dit is precies dat wat nodig is,pmdat de sterke vezel waaruit het vliegwiel wordt gewikkeld meestal zeer sterk is in de tangentiale richting ,doch veel zwakker is voor een radiale belasting.Hieruit volgt dat het vliegwiel opgebouwd moet worden uit dunne lagen.

Stel R=0,6m.Ro=0,24-m en h=2Rm.Volgens vergelykingl2 verloopt de tangentiale spanning in de rotor als de kromme Pj.in fig.

1 aangeeft.De radiale spanning Pris zoals uit vergelyking13 volgt en fig.1 laat zien aan het gat(r=R^en aan de omtrek nul en maximum voor r=YR.RQ.Stel de wanddikte van de holle cylinder is 2,5mm. R is dus O,6r-O,'OO25-.0,5975m.Dè' tangenti- o 2 2 ale spanning aan de omtrek is dus P^j.^ <jpn .2,86024- en-.aan de binnenkant van de dunne wand gelyk ^ aan: <T(2 2

Pt= 2 T n .2,87581.De tangentiale spanning aan de binnenkant van deze dunne cylinder is dus slechts 1 ,0054-4- maal groter dan aan de buitenkant d.w.z.een .gering verschil.

De maximale radiale spanning voor t^[r.Rq is gelyk aan:

Ptmax=^2en2°O0002065 en dus reeds 7.10”^maal kleiner dan voor nog dunnere cylinders in overeenstemming met de radiale sterkte van de vezel te brengen.

De buitenste laag van de rotor wordt het zwaarst belast.

In die laag mag de tangentiale spanning niet de maximaal toelaatbare waarde P^maxoverschryden.Vergelyking 12 levert, wanneer R, RQ,êen^ zyn gekozen,het maximale toerental (n) op.dat by deze P-j.max maximaal toelaatbaar is.Alle binnen-lïggemde lagen roteren met dezelfde hoeksnelheid maar worgden, omdat ze een kleinere straal bezitten*minder belast.

2 .Aangezien evenredig is met r en met ^,is de enige manier om de binnenliggende lagen ook met Pj.max te belasten,de verandering van het soortelyke gewicht (^>)van de matrix, omgekeerd evenredig met r2 .Wanneer £ R de laagdikte is en(a)'het aantal lageii van de· rotor-van&f dè buitènkant gerekend is,dan''is de tangentiale spanning in de a-de laag:

Pta= ( R > Ptmax = ( 1 -f Ptmax 15

Om P gelyk aan P^.max te maken moet het s.g.van die laag dus met een factor Z -10 z= 16 groter worden gemaakt dan p

Een cylindrisch vliegwiel bezit (b) lagen met dus ieder een dikte van £R meter, (b) voldoet aan: Λ ύ h=LTr- 17

De energie inhoud vanfeet op deze wyze gelaagde cylindrische vliegwiel voldoet voor h = 2 R aan: j_ vort, .8 2

In deze vergelyking wordt dus n berekend met vergelyking12 voor de buitenste laag van de rotor,dat is voor Rq= R(1-ê). Voor zeer dunne lagen, b.v. èèn vezel dik,wordt door de vergroting van het s.g. per laag volgens vergelyking 16, bereikt dat alle lagen door gelyke krachten worden belast.Deze homogene belastingen wezen,van ieder volume element van de rotor heeft tot gevolg dat er geen splitsing van de lagen kan optreden. Hierdoor is het mogelyk betrouwbare cylin- drische of bolvormige vliegwielen te maken met bestaande vezels.De sterkste vezels die momenteel beschikbaar zyn bezitten een maximale sterkte van 2,8 10^ Pascal (F ) voor 9 a

Aramide Twaron en van 3,4 10 P voor Carbon fibre Tenax. Voor een maximaal toelaatbare tangentiale spanning P. =

a u UlCLA

1,25 10r P zyn met behulp van de verge lykingen 12 en 18 de belangrykste grootheden van e.en homogeen belaste* drische rotor berekend. In tabel 1 zyn de resultaten van deze berekening als functie van R(voor,/3 =0,5) en als functie van/j (voor R=0,5m) gegeven.De figuren 2 en 3 geven hetzelfde "weer.In figuur 7 is de berekende energie-inhoud van zeer grote homogene rotoren gegeven .De vergroting Z van het s.g.^ is aan technische mogelykheden gebonden.De voor de vergroting van het s.g.in aanmerking komende metaalpoeders bezitten een s.g.van rond de 8000 kg per m . Zmaxkan daardoor niet groter dan 5 worden gemaakt.Tabel 1 laat zien dat een vliegwiel dat 1OOkwh moet kunnen bewaren,een rotor met een straal van 0,5 m.en een Z =4moet bezitten en met max een snelheid van 300 omwentelingen per seconde,dat is 18000 omw./sec,moet draaien.De hoogte h van de rotor is 1m. Deze rotor weegt 1480 kg,waarvan 800 kg vezel is en 680 kg lym plus vulmiddel,dat is dus een fynkorrelig metaalpoeder, is.In figuur 4 is het principe ontwerp van het cylindrische vliegwiel getekend en figuu^ 5. geeft dit van een bolvormig vliegwiel.De sneldraaiende rotor moet. voldoende ruimte in het vacuumvat(2)hebben om de volume vergroting t.g.v.de rek van de vezel,mogelyk te maken.De vloeistof(7)die het vacuumvat omgeeft heeft meerdere functies.De aanwezige hoeveelheid water moet in staat zyn om by een desintegratie van de rotor de daarin opgeslagen 100 kwh te dissiperen.Om 1kg koud water in stoom om te zetten is ca.600kcal.nodig. 1kwh=864kcal.en dus is de benodigde hoeveelheid water 100x864/600=144 liter.De andere functie van het water is de koeling van de electronische onderdelen die voor het water bereikbaar zyn.By de desintegratie van de rotor wordt ook veel energie geabsorbeerd door de verpulvering van de rotor en het stuk gaan van het vacuumvat,waarna het water de resterende energie kan dissiperen.Ook kan een licht bolvormig vliegwiel(b • v.voor Ptmax=10.109Pa)t .b.v een cardanische en . schok absorberende ophanging,voor mobiel gebruik, in het water zwevend worden gemaakt,In figuur 6 is de invloed van de P^max °P de energie-dichtheid van het vliegwiel gegeven. Hieruit blykt dat de dimensionering ten nauwste samenhangt met de vooruitgang op het gebied van de zeer sterke vezels. In dit opzicht zal de technologie van het vliegwiel zich niet onderscheiden van de vooruitgang die de historie van iedere technologie laat zien.

De fabricage van het vliegwiel zal gebruik moeten maken van de modernste technieken op het gebied van de automatisering en de robotisering.Het vliegwiel biedt te veel mogelykheden aan del samenleving om hier op te noemen.Enkele belangryke voordelen mogen niet onvermeld blyven n.l.

Het vliegwiel werkt geruisloos by kamertemperatuur.

Het vliegwiel is vry van polluties.

Een 1OOkwh vliegwiel maakt de electrische auto compatibel met de hedendaagse auto.Hierdoor is de fossiele-brandstof verbruikende auto geleidelyk door de electrische auto te te vervangen.

Het vliegwiel kan de foto-electrische electriciteits productie tot grote bloei brengen.

LITERATUUR.

POST R.F./POST S.F.'fLIWHEEl" Scie.ntific American Dec.1973

II II

ROLSTON J.A. Reinforced plastic for rotating structures S.P.E. Journal April 1963 blz. 387/391 TIMOSHENKO S. ' Strength of materials Van Nostrand 1956 tl LENGER A. .Electrische-energie opslag met behulp van een

II

vliegwiel Polytechnisch tydschrift Pt 32 nr6

II II

LENGER A. Energie in de samenleving Ag on Elsevier 1974-

Claims (1)

1. CONCLUSIES. Een vliegwiel dient in principe voor het bewaren van energie.In het algemeen is in de praktyk de bewaartyd kort.De lagering op magnetische levitatie en de rotatie in vacuum maken het mogelyk de bewaartyd sterk te vergroten.Het beschikbaar komen van lichte en zeer sterke vezels opent de mogelykheid om veel electrische-energie in een vliegwiel te bewaren.Toch is dat tot nu toe niet gebeurd met een cylin-drisch of bolvormig vliegwiel.De hoofdoorzaak hiervan is de inhomogene belasting van de volume elementen van de rotor. De vliegwielen van figuur U en 5»met het kenmerk van de homogene belasting van ieder volume element van de rotor, maakt de bouw van betrouwbare cylindrische en bolvormige vliegwielen mogelyk.De constructie met het kenmerk,dat van iedere laag van de zeer sterke vezel waarvan de rotor wordt gewikkeld,het soortelyke gewicht door toevoeging van een zeer fynkorrelig zwaar poeder aan de matrix van deze vezel en de. lym, zodanig wordt vergroot dat in de draaiende rotor iedere vezellaag van de rotor door dezelfde krachten wordt belast, wordt de noodzakelyke homogeniteit van krachten in de rotor verkregen. Door de toepassing van moderne techno-logien is het mogelyk de motor voor het opladen en de dynamo voor het ontladen van het vliegwiel inwendig in het vliegwiel onder te brengen.Hierdoor ontstaat het compacte geheel dat door de figuren | en 5 wordt aangegeven met het kenmerk om als de energie-bron van een electrische-auto te fungeren, die compatibel is met de auto met explosie-motor en waardoor een geleidelyke invoering van de electrische-auto mogelyk is .De constructie van de figuren Λ en 5 wordt gekenmerkt door een hoge energie-dichtheid en bezitp^e ^eedutoepassings mogelykheden om hier te beschryven. Deze mogelykheden zyn samen van evenveel belang voor de hedendaagse samenleving als de electrische-energie dat zelf is voor de samenleving.