home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #31 / NN_1992_31.iso / spool / sci / electron / 21771 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1992-12-30  |  4.8 KB
  1. Xref: sparky sci.electronics:21771 sci.energy:6516 rec.autos.tech:17286
  2. Path: sparky!uunet!cis.ohio-state.edu!zaphod.mps.ohio-state.edu!uwm.edu!psuvax1!ukma!seismo!skadi!stead
  3. From: stead@skadi.CSS.GOV (Richard Stead)
  4. Newsgroups: sci.electronics,sci.energy,rec.autos.tech
  5. Subject: Re: Flywheel batteries as EV power source
  6. Message-ID: <51725@seismo.CSS.GOV>
  7. Date: 31 Dec 92 00:47:41 GMT
  8. References: <1992Dec15.194558.2556@adobe.com> <30DEC199200153934@pierre.mit.edu>
  9. Sender: usenet@seismo.CSS.GOV
  10. Followup-To: sci.energy
  11. Lines: 80
  12. Nntp-Posting-Host: skadi.css.gov
  13.  
  14. In article <30DEC199200153934@pierre.mit.edu>, chuck@pierre.mit.edu (Chuck Parsons) writes:
  15. >   Second mechanical strength of materials is _not_ greater than the
  16. > strength of the chemical bonds forming the material. 
  17.  
  18. This is something I wanted to address earlier - I have stated that I think
  19. it's true, but haven't been able to prove it.
  20.  
  21. > Consider a thin hoop flywheel. Any flywheel can be thought of as being made
  22. > up of many such hoops. Let the hoop have a fixed cross-sectional area A
  23. > and the average mass of each atom in the material be M.
  24. > 
  25. >   The energy stored in each atom of the hoop is E=.5 M*V**2.
  26. > 
  27. >   When the hoop spins it tries to pull itself apart. It requires
  28. >   on the order of .25*M*V**2/R  _per_ atom  of force to keep the loop intact.
  29.  
  30. That's radial stress.  The hoop stress is larger.  Force in this case on
  31. an atom is M*V**2/D !  That's right, D, not R.  Hoop stress on a thin hoop
  32. in rotation is much larger than radial stress.
  33. The reasoning is as follows:  Hoop stress in the ring rho * V**2.  (rho is
  34. density).  So the stress is M*V**2/v where v is atomic volume (D**3).
  35. The stress is a force acting over atomic area (D**2) so force is M*V**2/D.
  36.  
  37. The remainder of my analysis differs from yours.  The total flywheel energy
  38. is pi*M*V**2*R/D.  Thus the force on a single bond in terms of total
  39. flywheel energy is Ef/pi*R.  The bond force is Ebond/D.  The total chemical
  40. binding force is Ec=2*pi*R*Ebond/D.  So the bond force Ec/2*pi*R.  Then
  41. to keep flywheel force below bond force, Ef < Ec/2.  In other words, the
  42. rotor can only store 1/2 the energy required to disintegrate the material.
  43.  
  44. >    Since for really bitchin materials the heat of vaporization
  45. > is similar the the binding energy, and because real materials have
  46. > defects and fall apart well before the strain (or is it stress)
  47. > aproaches the atomic limit. The flywheel will at _most_ have
  48. > enough energy to vaporize itself, probably much less. The flywheel
  49. > and enclsoure (assuming the enclosure mass is greater thant the flywheel)
  50. > only has to get hot it doesn't have to vaporize.
  51.  
  52. Ok, now let's take a reasonable bond, C-C, for example, which has a
  53. strength of 400 kJ/mole (33 kJ/g).  Now let's look at combustion of gasoline:
  54. 48 kJ/g.  Thus, the flywheel could store at most 16 kJ/g, and a flywheel
  55. storing the energy equivalent of 2 gallons of gas would have a minimum mass of
  56. 51 kg.
  57.  
  58. But how close is this to real materials?  It was posted that carbon-fiber
  59. composite had a strength of 1 Mpsi.
  60. Density of graphite is 2.267 g/cc.  This leads to D=2.06E-10 m.
  61. The energy per atom divided by D is 3.2E-9 N.  The stress is then
  62. the number of atoms in a square meter times this:  7.54E10 N/m^2.
  63. Converting to psi, that's 11 Mpsi.  So real materials only get about
  64. 1/10 th or less strength when compared to the bond energy present.
  65. So a 510 kg flywheel is the minimum feasible flywheel to store that
  66. 2 gallons of gas energy.  Now figure shielding of at least that much
  67. mass, and you have over a ton of material.  And you have yet to install
  68. the electric motor, and left no room for error.
  69.  
  70. How big is that wheel?  Let's say you design it as a cylinder (preserves
  71. the stress and energy assumptions above - if not a cylinder, it stores
  72. less energy per mass and experiences higher stress).  Let's say the walls
  73. are 1 cm thick.  Assume the density is the same as graphite.  Assume it
  74. is 2 flywheels, each the length of the car, and the car is 4 m long.
  75. Then flywheel radius for the 510 kg rotor is 44 cm (the rotors are nearly
  76. a meter wide).  These would fit in the area of the car (two by four meters,
  77. roughly).  But then the passengers, etc., would be 1 meter up, plus shielding
  78. plus road clearance.  Can you see climbing up 5 or 6 feet to get into your car?
  79.  
  80. But it is realistic - I will grant it is possible, would not explode,
  81. but will still be dangerous.  It may be possible to fully shield, but now
  82. I'm worried about a ton of careening composite tossing my body to the
  83. four winds or spreading it thinly across the asphalt.  These suckers will
  84. not vaporize on failure, but rather are likely to conserve a great deal
  85. of the energy as angular momentum, transferred to the still solid housing,
  86. that will then transfer itself whereever it pleases.
  87.  
  88.  
  89. --
  90. Richard Stead
  91. Center for Seismic Studies
  92. Arlington, VA
  93. stead@seismo.css.gov
  94.