Come sono disposti e funzionano i dispositivi di accumulo dell'energia (cinetica) del volano

FES è l'abbreviazione di accumulo di energia del volano, il che significa accumulo di energia utilizzando un volano. Ciò significa che l'energia meccanica viene accumulata e immagazzinata in forma cinetica mentre una ruota massiccia ruota ad alta velocità.

L'energia meccanica così accumulata può essere successivamente convertita in energia elettrica, per la quale il sistema a volano è abbinato a una macchina elettrica reversibile in grado di funzionare sia in modalità motore che generatore.

Quando l'energia deve essere immagazzinata, la macchina elettrica funge da motore e fa ruotare il volano alla velocità angolare richiesta mentre consuma energia elettrica da una fonte esterna, convertendo in effetti l'energia elettrica in energia meccanica (cinetica). Quando l'energia immagazzinata deve essere trasferita al carico, la macchina elettrica entra in modalità generatore e l'energia meccanica viene rilasciata mentre il volano decelera.

I sistemi di accumulo di energia più avanzati basati su volani hanno una densità di potenza piuttosto elevata e possono competere con i tradizionali sistemi di accumulo di energia.

Le installazioni di batterie cinetiche basate su super volani, in cui il corpo rotante è costituito da un nastro di grafene ad alta resistenza, sono considerate particolarmente promettenti a questo proposito. Tali dispositivi di memorizzazione possono immagazzinare fino a 1200 W * h (4,4 MJ!) di energia per 1 CHILOGRAMMO di massa.

I recenti sviluppi nel campo dei super volani hanno già consentito agli sviluppatori di abbandonare l'idea di utilizzare trasmissioni monolitiche a favore di sistemi di cinghie meno pericolosi.

Il fatto è che i sistemi monolitici erano pericolosi in caso di rottura di emergenza e potevano accumulare meno energia. Quando si rompe, il nastro non si disperde in grandi frammenti, ma si rompe solo parzialmente; in questo caso, le parti separate della cinghia arrestano il volano sfregando contro la superficie interna dell'alloggiamento e ne impediscono l'ulteriore distruzione.

L'elevata intensità di energia specifica dei super volani realizzati con nastro di avvolgimento o fibra di interferenza è ottenuta grazie a una serie di fattori che contribuiscono.

Innanzitutto, il volano funziona nel vuoto, il che riduce notevolmente l'attrito rispetto all'aria. Per questo, il vuoto nell'alloggiamento deve essere costantemente mantenuto da un sistema di creazione e mantenimento del vuoto.

In secondo luogo, il sistema deve essere in grado di bilanciare automaticamente il corpo rotante. Vengono prese misure tecniche speciali per ridurre le vibrazioni e le vibrazioni giroscopiche. Insomma, i sistemi volano sono molto impegnativi dal punto di vista progettuale, pertanto il loro sviluppo è un processo ingegneristico complesso.

Sembrano essere più adatti come cuscinetti sospensioni magnetiche (comprese quelle superconduttrici).… Tuttavia, gli ingegneri hanno dovuto abbandonare i superconduttori a bassa temperatura nelle sospensioni, poiché richiedono molta energia. I cuscinetti volventi ibridi con corpi in ceramica sono molto migliori per velocità di rotazione medie. Per quanto riguarda i volani ad alta velocità, è risultato economicamente accettabile e molto economico utilizzare superconduttori ad alta temperatura nelle sospensioni.

Uno dei principali vantaggi dei sistemi di accumulo FES, dopo la loro elevata intensità energetica specifica, è la loro durata relativamente lunga, che può raggiungere gli anni 25. A proposito, l'efficienza dei sistemi a volano basati su strisce di grafene raggiunge il 95%. Inoltre, vale la pena notare la velocità di ricarica. Questo, ovviamente, dipende dai parametri dell'impianto elettrico.

Ad esempio, un recuperatore di energia su un volano della metropolitana che funziona durante l'accelerazione e la decelerazione del treno si carica e si scarica in 15 secondi. Si ritiene che per ottenere un'elevata efficienza dal sistema di accumulo del volano, il tempo nominale di carica e scarica non debba superare un'ora.

L'applicabilità dei sistemi FES è piuttosto ampia. Possono essere utilizzati con successo su vari dispositivi di sollevamento, fornendo un risparmio energetico fino al 90% durante il carico e lo scarico. Questi sistemi possono essere efficacemente utilizzati per la ricarica rapida delle batterie dei trasporti elettrici, per stabilizzare la frequenza e la potenza nelle reti elettriche, nei gruppi di continuità, nei veicoli ibridi, ecc.

Con tutto ciò, i sistemi di stoccaggio del volano hanno caratteristiche notevoli.Pertanto, se viene utilizzato un materiale ad alta densità, il consumo energetico specifico del dispositivo di accumulo diminuisce a causa di una diminuzione della velocità di rotazione nominale.

Se viene utilizzato un materiale a bassa densità, il consumo di energia aumenta a causa dell'aumento della velocità, ma ciò aumenta i requisiti per il vuoto, nonché per i supporti e le guarnizioni e il convertitore elettrico diventa più complesso.

I migliori materiali per i super volani sono cinghie in acciaio ad alta resistenza e materiali fibrosi come il kevlar e la fibra di carbonio. Il materiale più promettente, come notato sopra, rimane il nastro in grafene non solo per i parametri accettabili di resistenza e densità, ma soprattutto per la sua sicurezza alla rottura.

Il potenziale di rottura è un ostacolo importante per i sistemi a volano ad alta velocità. I materiali compositi che vengono laminati e incollati a strati si disintegrano rapidamente, prima delaminandosi in filamenti di piccolo diametro che si aggrovigliano istantaneamente e si rallentano a vicenda, quindi in una polvere luminosa. La rottura controllata (in caso di incidente) senza danni allo scafo è uno dei compiti principali degli ingegneri.

Il rilascio di energia di rottura può essere mitigato da un fluido incapsulato o da un rivestimento interno simile a un gel che assorbirà l'energia in caso di rottura del volano.

Un modo per proteggersi da un'esplosione è mettere il volano sottoterra per fermare eventuali detriti che volererebbero alla velocità di un proiettile in caso di incidente. Tuttavia, ci sono casi in cui il volo dei frammenti avviene verso l'alto da terra, con la distruzione non solo dello scafo, ma anche degli edifici adiacenti.

Infine, diamo un'occhiata alla fisica del processo.L'energia cinetica di un corpo rotante è determinata dalla formula:

dove I è il momento d'inerzia di un corpo rotante

la velocità angolare può essere rappresentata come segue:

Ad esempio, per un cilindro continuo, il momento di inerzia è:

e quindi l'energia cinetica per un cilindro solido attraverso la frequenza f è uguale a:

dove f è la frequenza (in giri al secondo), r è il raggio in metri, m è la massa in chilogrammi.

Facciamo un esempio approssimativo per capire. Una caldaia da 3 kW fa bollire l'acqua in 200 secondi. A quale velocità deve ruotare un volano cilindrico continuo di massa 10 kg e raggio 0,5 m in modo che durante il processo di arresto ci sia abbastanza energia per far bollire l'acqua? Lascia che l'efficienza del nostro generatore-convertitore (in grado di funzionare a qualsiasi velocità) sia del 60%.

Risposta. La quantità totale di energia richiesta per far bollire il bollitore è 200 * 3000 = 600.000 J. Tenendo conto dell'efficienza, 600.000 / 0,6 = 1.000.000 J. Applicando la formula precedente, otteniamo un valore di 201,3 giri al secondo .

Guarda anche:Dispositivi di accumulo di energia cinetica per l'industria energetica

Un altro modo moderno per immagazzinare energia: Sistemi di accumulo di energia magnetica superconduttori (SMES)