Projekt programu Účinná přeměna a skladování energie Strategie AV21 pro rok 2016
Odpovědný řešitel: 
prof. Ing. Jaroslav Zapoměl, DrSc.
Zúčastněná pracoviště: Ústav termomechaniky AV ČR, v. v. i., Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i., Ústav přístrojové techniky AV ČR, v. v. i.

Setrvačníkové akumulátory patří spolu s akumulátory elektrickými k nejčastěji používaným prostředkům pro skladování energie. Skládají se z pěti hlavních částí: rotoru (setrvačníku), ložisek, pláště, motor-generátoru a elektrického zařízení pro jejich spojení s vnějším elektrickým obvodem (elektrickou sítí). Setrvačník má obvykle vrstevnatou strukturu. Vyrábí se z vysokopevnostní oceli, titanu, vysokopevnostních hliníkových slitin, uhlíkových nebo skelných vláknových kompozitních materiálů nebo z kevlaru. K uložení setrvačníku se používají ložiska valivá (ocelová nebo častěji keramická) nebo ložiska magnetická (aktivní, pasivní, případně supravodivá).

Na rozdíl od akumulátorů elektrických se setrvačníkové akumulátory vyznačují některými přednostmi: mají dlouhou životnost, počet cyklů nabití a hlubokého vybití je prakticky neomezen, mají možnost velkého příkonu a výkonu při nabíjení a vybíjení a ani hluboké vybití nezpůsobí jejich poškození. Jejich nevýhodou je vysoká míra samovybíjení (a to i v případě, kdy je setrvačník uložen v magnetických ložiskách a otáčí se ve vakuu).

Správný návrh konstrukčního provedení setrvačníkového akumulátoru závisí vždy na zdroji energie, kterým se setrvačník nabíjí (energie ze sítě nebo energie odpadní nebo mařená během technologického procesu), a na účelu, ke kterému má sloužit.
Technologie akumulace energie pomocí setrvačníkových akumulátorů není nová a jejich výrobci v současné době disponují rozsáhlou databází znalostí. Současný výzkum v této oblasti se proto soustředí na některé speciální aplikace (z hlediska jejich určení, funkce, pracovních podmínek).

Vysokoteplotní supravodivá ložiska pracují na principu Meissnerova jevu. Ukázalo se, že ve zvláštních keramických materiálech na bázi sloučenin Y, B, C a dalších prvků se po zchlazení a v přítomnosti  vnějšího magnetického pole vybudí supravodivé proudy vytvářejí svá magnetická pole, a obě magnetická pole spolu vzájemně interagují. Uvnitř keramického materiálu se vzájemně ruší (Meissnerův jev). Výsledkem je, že mezi keramickým materiálem (supravodivým magnetem) a zdrojem vnějšího magnetického pole (permanentním magnetem) působí síla, která udržuje obě tělesa od sebe v konstantní vzdálenosti. Zároveň však, na rozdíl od dvou permanentních magnetů (Earnshowův teorém), stabilizuje jejich vzájemnou polohu ve směru kolmém k magnetickým indukčním čarám. Meissnerův jev umožňuje stabilní levitaci permanentního magnetu nad (případně pod) magnetem supravodivým. K vybuzení Meissneriova jevu je zapotřebí keramický materiál zchladit na nízkou teplotu. Postačuje teplota tekutého dusíku (77 K), nižší teplota zvyšuje únosnost supravodivého magnetu.

Cílem projektu pro zahajovací rok 2016 byl návrh a výroba experimentálního zařízení pro studium supravpodivých ložisek setrvačníku. Vyrobené zařízení se skládá ze dvou hlavních částí: konstrukčního rámu a svislého rotoru. Rotor je spojen s rámem jedním axiálním a jedním radiálním supravodivým ložiskem. Každé ložisko je tvořeno permanentním magnetem spojeným s rotující částí a keramickým materiálem, který se po zchlazení a v přítomnosti magnetického pole permanentního magnetu stává supramagnetem. K chlazení se používá tekutý dusík.

Výsledky experimentů s vybuzením Meissnerova jevu jsou znázorněny na obr. 1 a 2.

Obr. 1 Obr. 2

Vyrobené experimentální zařízení se skládá ze dvou hlavních částí: konstrukčního rámu a svislého rotoru (setrvačníku). Experimentální rotor je spojen s rámem jedním axiálním a jedním radiálním supravodivým ložiskem. Rám zařízení je tvořen základovou deskou s dvěma sloupky, které jsou opatřený vnějším závitem. Oba sloupky jsou spojeny příčným ramenem, kterém je výškově stavitelné. Axiální ložisko je spojeno se základovou deskou, těleso radiálního ložiska s příčným ramenem. Hlavními částmi obou ložisek jsou axiální permanentní magnety, jenž jsou spojeny s rotující částí, a keramický materiál spojený se stacionární částí, který se po zchlazení a v přítomnosti magnetického pole permanentního magnetu stává supravodivým magnetem. Součástí ložiskových těles jsou nádržky na tekutý dusík, který se používá ke chlazení a v němž jsou ponořeny supravodivé keramické segmenty. Vyrobené experimentálního zařízení je patrno obrázků 3–6.

 

Obr. 3 Obr. 4
   
Obr. 5 Obr. 6

Tento projekt propojuje několik oblastí fyziky: mechaniku těles a plynů, magnetismus, termomechaniku nízkých teplot, oblast technické realizace. Tomu odpovídá i propojení řešitelských ústavů.