Cómo se organizan y funcionan los dispositivos de almacenamiento de energía de volante (cinético)

FES es la abreviatura de almacenamiento de energía del volante, lo que significa almacenamiento de energía mediante un volante. Esto significa que la energía mecánica se acumula y almacena en forma cinética a medida que una rueda masiva gira a alta velocidad.

La energía mecánica así acumulada puede convertirse posteriormente en electricidad, para lo cual el sistema de volante se combina con una máquina eléctrica reversible capaz de operar tanto en modo motor como generador.

Cuando se necesita almacenar energía, la máquina eléctrica sirve como motor y gira el volante a la velocidad angular requerida mientras consume energía eléctrica de una fuente externa, en efecto, convirtiendo la energía eléctrica en energía mecánica (cinética). Cuando la energía almacenada necesita transferirse a la carga, la máquina eléctrica entra en modo generador y la energía mecánica se libera a medida que el volante se desacelera.

Los sistemas de almacenamiento de energía más avanzados basados ​​en volantes tienen una densidad de potencia bastante alta y pueden competir con los sistemas de almacenamiento de energía tradicionales.

Las instalaciones de baterías cinéticas basadas en súper volantes, donde el cuerpo giratorio está hecho de cinta de grafeno de alta resistencia, se consideran particularmente prometedoras en este sentido. Dichos dispositivos de almacenamiento pueden almacenar hasta 1200 W * h (¡4,4 MJ!) de energía por 1 KILOGRAMO de masa.

Los desarrollos recientes en el campo de los súper volantes ya han permitido a los desarrolladores abandonar la idea de utilizar transmisiones monolíticas en favor de sistemas de correas menos peligrosos.

El hecho es que los sistemas monolíticos eran peligrosos en caso de ruptura de emergencia y podían acumular menos energía. Al romperse, la cinta no se dispersa en fragmentos grandes, sino que solo se rompe parcialmente; en este caso, las partes separadas de la correa detienen el volante rozando contra la superficie interna de la carcasa y evitan que se destruya más.

La alta intensidad de energía específica de los súper volantes hechos de cinta de bobinado o fibra de interferencia de interferencia se logra debido a una serie de factores que contribuyen.

En primer lugar, el volante funciona en vacío, lo que reduce en gran medida la fricción en comparación con el aire. Para ello, el vacío en la carcasa debe ser mantenido constantemente por un sistema de creación y mantenimiento de vacío.

En segundo lugar, el sistema debe poder equilibrar automáticamente el cuerpo giratorio. Se toman medidas técnicas especiales para reducir las vibraciones y las vibraciones giroscópicas. En resumen, los sistemas de volante son muy exigentes desde el punto de vista del diseño, por lo que su desarrollo es un proceso de ingeniería complejo.

Parecen ser más adecuados como rodamientos. suspensiones magnéticas (incluidas las superconductoras)… Sin embargo, los ingenieros tuvieron que abandonar los superconductores de baja temperatura en suspensiones, ya que requieren mucha energía. Los rodamientos híbridos con cuerpos cerámicos son mucho mejores para velocidades de rotación medias. En cuanto a los volantes de alta velocidad, se ha encontrado que es económicamente aceptable y muy económico usar superconductores de alta temperatura en suspensiones.

Una de las principales ventajas de los sistemas de almacenamiento FES, tras su alta intensidad energética específica, es su vida útil relativamente larga, que puede alcanzar los 25 años.Por cierto, la eficiencia de los sistemas de volantes basados ​​en tiras de grafeno alcanza el 95%. Además, cabe destacar la velocidad de carga. Esto, por supuesto, depende de los parámetros de la instalación eléctrica.

Por ejemplo, un recuperador de energía en un volante de metro que opera durante la aceleración y desaceleración del tren se carga y descarga en 15 segundos. Se cree que para lograr una alta eficiencia del sistema de almacenamiento del volante, el tiempo nominal de carga y descarga no debe exceder una hora.

La aplicabilidad de los sistemas FES es bastante amplia. Se pueden utilizar con éxito en varios dispositivos de elevación, proporcionando ahorros de energía de hasta un 90 % durante la carga y descarga. Estos sistemas se pueden utilizar de forma eficaz para la carga rápida de baterías de transporte eléctrico, para la estabilización de frecuencia y potencia en redes eléctricas, en fuentes de alimentación ininterrumpida, en vehículos híbridos, etc.

Con todo esto, los sistemas de almacenamiento de volante tienen características notables.Por lo tanto, si se utiliza un material de alta densidad, el consumo de energía específico del dispositivo de almacenamiento disminuye debido a la disminución de la velocidad de rotación nominal.

Si se utiliza un material de baja densidad, entonces el consumo de energía aumenta debido al aumento de la velocidad, pero esto aumenta los requisitos de vacío, así como de soportes y sellos, y el convertidor eléctrico se vuelve más complejo.

Los mejores materiales para supervolantes son las correas de acero de alta resistencia y los materiales fibrosos como el Kevlar y la fibra de carbono. El material más prometedor, como se señaló anteriormente, sigue siendo la cinta de grafeno no solo por los parámetros aceptables de resistencia y densidad, sino principalmente por su seguridad en la rotura.

La posibilidad de rotura es un obstáculo importante para los sistemas de volante de inercia de alta velocidad. Los materiales compuestos que se enrollan y pegan en capas se desintegran rápidamente, primero se delaminan en filamentos de pequeño diámetro que instantáneamente se enredan y se desaceleran entre sí, y luego en un polvo brillante. La ruptura controlada (en caso de accidente) sin dañar el casco es una de las principales tareas de los ingenieros.

La liberación de energía de ruptura se puede mitigar con un revestimiento interior de la carcasa similar a un gel o fluido encapsulado que absorberá la energía si se rompe el volante.

Una forma de protegerse contra una explosión es poner el volante bajo tierra para detener cualquier escombro que volaría a la velocidad de una bala en caso de accidente. Sin embargo, hay casos en que el vuelo de fragmentos se produce hacia arriba desde el suelo, con la destrucción no solo del casco, sino también de los edificios adyacentes.

Finalmente, veamos la física del proceso.La energía cinética de un cuerpo en rotación está determinada por la fórmula:

donde I es el momento de inercia de un cuerpo en rotación

la velocidad angular se puede representar de la siguiente manera:

Por ejemplo, para un cilindro continuo, el momento de inercia es:

y entonces la energía cinética para un cilindro sólido a través de la frecuencia f es igual a:

donde f es la frecuencia (en revoluciones por segundo), r es el radio en metros, m es la masa en kilogramos.

Tomemos un ejemplo aproximado para entender. Una caldera de 3 kW hierve agua en 200 segundos. ¿A qué velocidad debe girar un volante cilíndrico continuo de 10 kg de masa y 0,5 m de radio para que durante el proceso de parada haya suficiente energía para hervir el agua? Sea la eficiencia de nuestro generador-convertidor (capaz de operar a cualquier velocidad) del 60%.

Respuesta. La cantidad total de energía necesaria para hervir la tetera es de 200 * 3000 = 600 000 J. Teniendo en cuenta la eficiencia, 600 000 / 0,6 = 1 000 000 J. Aplicando la fórmula anterior, obtenemos un valor de 201,3 revoluciones por segundo.

Ver también:Dispositivos de almacenamiento de energía cinética para la industria energética

Otra forma moderna de almacenar energía: Sistemas de almacenamiento de energía magnética superconductora (SMES)