Com estan disposats i com funcionen els dispositius d'emmagatzematge d'energia del volant (cinètic).
FES és l'abreviatura d'emmagatzematge d'energia del volant, que significa emmagatzematge d'energia mitjançant un volant. Això significa que l'energia mecànica s'acumula i s'emmagatzema en forma cinètica a mesura que una roda massiva gira a gran velocitat.
L'energia mecànica així acumulada es pot convertir posteriorment en electricitat, per la qual cosa el sistema de volant es combina amb una màquina elèctrica reversible capaç de funcionar tant en mode de motor com de generador.
Quan cal emmagatzemar energia, la màquina elèctrica serveix de motor i fa girar el volant a la velocitat angular requerida mentre consumeix energia elèctrica d'una font externa, de fet, convertint l'energia elèctrica en energia mecànica (cinètica). Quan l'energia emmagatzemada s'ha de transferir a la càrrega, la màquina elèctrica entra en mode generador i s'allibera energia mecànica a mesura que el volant es desaccelera.
Els sistemes d'emmagatzematge d'energia més avançats basats en volants tenen una densitat de potència força alta i poden competir amb els sistemes d'emmagatzematge d'energia tradicionals.
Les instal·lacions de bateries cinètiques basades en súper volants, on el cos giratori està fet de cinta de grafè d'alta resistència, es consideren especialment prometedores en aquest sentit. Aquests dispositius d'emmagatzematge poden emmagatzemar fins a 1200 W * h (4,4 MJ!) d'energia per 1 KILOGRAM de massa.
Els desenvolupaments recents en el camp dels súper volants ja han permès als desenvolupadors abandonar la idea d'utilitzar accionaments monolítics a favor de sistemes de cinturons menys perillosos.
El fet és que els sistemes monolítics eren perillosos en cas de ruptura d'emergència i podien acumular menys energia. Quan es trenca, la cinta no s'escampa en grans fragments, sinó que només es trenca parcialment; en aquest cas, les parts separades del cinturó detenen el volant d'inèrcia fregant la superfície interior de la carcassa i eviten la seva destrucció posterior.
L'alta intensitat d'energia específica dels super volants fets de cinta de bobinat o fibra d'interferència d'interferència s'aconsegueix a causa d'una sèrie de factors que contribueixen.
En primer lloc, el volant funciona al buit, la qual cosa redueix molt la fricció en comparació amb l'aire. Per a això, el buit a l'habitatge s'ha de mantenir constantment mitjançant un sistema de creació i manteniment de buit.
En segon lloc, el sistema ha de ser capaç d'equilibrar automàticament el cos giratori. Es prenen mesures tècniques especials per reduir les vibracions i les vibracions giroscòpiques. En definitiva, els sistemes de volant són molt exigents des del punt de vista del disseny, per tant el seu desenvolupament és un procés d'enginyeria complex.
Sembla que són més adequats com a coixinets suspensions magnètiques (incloses les superconductores).… No obstant això, els enginyers van haver d'abandonar els superconductors de baixa temperatura en suspensions, ja que requereixen molta energia. Els coixinets híbrids amb cossos de ceràmica són molt millors per a velocitats de rotació mitjanes. Pel que fa als volants d'inèrcia d'alta velocitat, s'ha trobat que és econòmicament acceptable i molt econòmic utilitzar superconductors d'alta temperatura en suspensions.
Un dels principals avantatges dels sistemes d'emmagatzematge FES, després de la seva alta intensitat energètica específica, és la seva vida útil relativament llarga, que pot arribar als 25 anys.Per cert, l'eficiència dels sistemes de volant basats en tires de grafè arriba al 95%. A més, val la pena destacar la velocitat de càrrega. Això, per descomptat, depèn dels paràmetres de la instal·lació elèctrica.
Per exemple, un recuperador d'energia en un volant de metro que funciona durant l'acceleració i desacceleració del tren es carrega i es descarrega en 15 segons. Es creu que per aconseguir una alta eficiència del sistema d'emmagatzematge del volant, la càrrega nominal i el temps de descàrrega no han de superar una hora.
L'aplicabilitat dels sistemes FES és força àmplia. Es poden utilitzar amb èxit en diversos dispositius d'elevació, proporcionant un estalvi d'energia de fins a un 90% durant la càrrega i descàrrega. Aquests sistemes es poden utilitzar eficaçment per a la càrrega ràpida de bateries de transport elèctric, per estabilitzar la freqüència i la potència en xarxes elèctriques, en fonts d'alimentació ininterrompuda, en vehicles híbrids, etc.
Amb tot això, els sistemes d'emmagatzematge del volant tenen unes característiques notables.Per tant, si s'utilitza un material d'alta densitat, el consum específic d'energia del dispositiu d'emmagatzematge disminueix a causa d'una disminució de la velocitat de rotació nominal.
Si s'utilitza un material de baixa densitat, el consum d'energia augmenta a causa de l'augment de la velocitat, però això augmenta els requisits de buit, així com de suports i segells, i el convertidor elèctric es fa més complex.
Els millors materials per als súper volants són les corretges d'acer d'alta resistència i els materials fibrosos com el Kevlar i la fibra de carboni. El material més prometedor, com s'ha indicat anteriorment, segueix sent la cinta de grafè no només pels paràmetres acceptables de resistència i densitat, sinó sobretot per la seva seguretat en el trencament.
El potencial de trencament és un obstacle important per als sistemes de volant d'inèrcia d'alta velocitat. Els materials compostos que s'enrotllen i s'enganxen en capes es desintegren ràpidament, primer deslaminant-se en filaments de petit diàmetre que s'entrellacen i es desacceleren a l'instant, i després en una pols brillant. La ruptura controlada (en cas d'accident) sense danys al casc és una de les principals tasques dels enginyers.
L'alliberament d'energia de ruptura es pot mitigar amb un fluid encapsulat o un revestiment de la carcassa interior semblant a un gel que absorbirà l'energia si es trenca el volant.
Una manera de protegir-se d'una explosió és posar el volant sota terra per aturar qualsevol residu que volaria a velocitat de bala en cas d'accident. Tanmateix, hi ha casos en què el vol de fragments es produeix cap amunt des del terra, amb la destrucció no només del casc, sinó també dels edificis adjacents.
Finalment, mirem la física del procés.L'energia cinètica d'un cos en rotació ve determinada per la fórmula:
on I és el moment d'inèrcia d'un cos en rotació
la velocitat angular es pot representar de la següent manera:
Per exemple, per a un cilindre continu, el moment d'inèrcia és:
i llavors l'energia cinètica d'un cilindre sòlid a través de la freqüència f és igual a:
on f és la freqüència (en revolucions per segon), r és el radi en metres, m és la massa en quilograms.
Prenguem un exemple aproximat per entendre-ho. Una caldera de 3 kW bull aigua en 200 segons. A quina velocitat ha de girar un volant d'inercia cilíndric continu de 10 kg de massa i 0,5 m de radi perquè durant el procés d'aturar-lo hi hagi prou energia per bullir l'aigua? Que l'eficiència del nostre generador-convertidor (capaç de funcionar a qualsevol velocitat) sigui del 60%.
Respon. La quantitat total d'energia necessària per bullir la tetera és de 200 * 3000 = 600.000 J. Tenint en compte l'eficiència, 600.000 / 0,6 = 1.000.000 J. Aplicant la fórmula anterior, obtenim un valor de 201,3 revolucions per segon .
Vegeu també:Dispositius d'emmagatzematge d'energia cinètica per a la indústria elèctrica
Una altra manera moderna d'emmagatzemar energia: Sistemes d'emmagatzematge d'energia magnètica superconductors (SMES)