Dispositivi di accumulo di energia cinetica per l'industria energetica
Il tema del miglioramento dell'efficienza energetica probabilmente non perderà mai la sua rilevanza. Per questo motivo, molte istituzioni oggi stanno sviluppando dispositivi di accumulo di energia più efficienti. E una delle soluzioni promettenti in quest'area è l'uso dell'accumulo di energia cinetica (in movimento) basato su volani ad alta energia.
I loro ambiti di applicazione possono variare da piccoli gruppi di continuità autonomi per abitazioni private a grandi impianti industriali che accumulano energia durante la rotazione di un volano e al momento giusto la rilasciano al livello di potenza richiesto, proteggendo la rete dagli sbalzi di tensione.
Il vantaggio di tali unità è che il massiccio volano è in grado di convertire immediatamente l'energia cinetica accumulata in energia elettrica, fornendo così all'apparecchiatura di consumo la potenza necessaria.
Tali dispositivi sono caratterizzati da costi operativi minimi, un elevato grado di automazione e nessuna necessità di manutenzione regolare.
Dopo aver caricato a piena capacità in pochi minuti, il volano rilascerà l'energia immagazzinata se necessario per alcuni secondi, mentre i normali parametri operativi della rete potrebbero non sopportare correnti di picco elevate.
Come funziona
Il volano riceve la rotazione da una macchina elettrica tramite un albero o tramite un altro meccanismo di trasmissione e, se necessario, cede l'energia accumulata attraverso l'albero in modalità generatore, e la macchina che fa ruotare il volano stesso può funzionare in quel momento come generatore.
Un sistema di controllo automatizzato con sensori per il controllo dei parametri renderà sicuro il processo di aumento della velocità e in una situazione critica reagirà sia al raggiungimento di una pericolosa velocità di rotazione del volano sia alla necessità di passare immediatamente alla modalità di restituzione del energia cinetica accumulata.
Caratteristiche e capacità
In questo modo, i dispositivi di accumulo cinetico consentono di risolvere i problemi di accumulo, accumulo temporaneo e successiva conversione dell'energia per garantire modalità di alimentazione ottimali delle apparecchiature, anche con parametri estremamente fuori standard. Di conseguenza, viene coperta la più ampia gamma di possibili applicazioni di questa soluzione tecnica.
Un convertitore elettromeccanico di questo tipo presenta numerosi vantaggi. L'intensità energetica specifica dei dispositivi di accumulo cinetico è superiore a quella dei condensatori e, in termini di potenza specifica (corrente) erogata al carico, sono superiori sia alle batterie ad acido che alle celle a combustibile.
Allo stesso tempo, i dispositivi di archiviazione cinetica sono compatti, rispettosi dell'ambiente, hanno un'efficienza di circa il 90%, hanno una lunga durata di oltre 10 anni, sono di facile manutenzione e la risorsa di lavoro è praticamente illimitata, inoltre, il sistema di raffreddamento è cento volte più economico di quello dei dispositivi di memorizzazione a induzione superconduttori (SPIN). …
Centri medici, impianti nucleari, centri di archiviazione dati, magazzini bancari, industrie chimiche: ovunque sia necessario un backup energetico per alimentare utenti critici, i dispositivi di archiviazione cinetica torneranno utili. Che dire della compensazione dei picchi di carico per i grandi sistemi di alimentazione, motivo per cui si verificano interruzioni di corrente in intere aree urbane.
Cosa viene utilizzato ora
Per dieci anni, lo sviluppo di dispositivi di archiviazione cinetica non si è fermato in diverse regioni del mondo, in particolare negli Stati Uniti e in Germania, e negli ultimi anni in Russia.
La tedesca ATZ produce 20 azionamenti MJ in grado di erogare potenza fino a 250 kW, dotati di un sistema di sincronizzazione della rete. Inoltre, le dimensioni del dispositivo non superano 1,5 metri.
Il volano motore è realizzato in fibra di carbonio ad alta resistenza ed è montato su una sospensione in ceramica HTSC. La macchina elettrica che accelera il volano dell'ATZ e genera elettricità è completa basato su magneti permanenti in terre rare.
American Beacon Power produce accumulatori cilindrici da 6 kWh e 25 kWh utilizzabili in cluster per garantire la stabilità dei parametri di corrente nelle reti elettriche industriali del Paese.
Fasi di progettazione KNE
Durante la progettazione di un dispositivo di accumulo cinetico, gli sviluppatori risolvono i seguenti problemi ingegneristici: calcolare il motore-generatore, selezionare i cuscinetti, calcolare il volano, nonché i sistemi di raffreddamento, monitoraggio e controllo, quindi procedere alla produzione.
In base allo scopo di un modello di azionamento specifico, le macchine elettriche integrate in esse possono essere diverse in linea di principio. Tuttavia, c'è un innegabile vantaggio macchine elettriche sincrone… Nelle macchine sincrone non ci sono spazzole, ei magneti permanenti del rotore permettono di ottenere un'elevata potenza specifica del motogeneratore.
Cuscinetti e sospensioni sono più adatti per cuscinetti senza contatto, come quelli basati su superconduttori ad alta temperatura (HTSC).
Sebbene tali sistemi richiedano un raffreddamento speciale, sono comunque perfettamente stabilizzati senza alimentazione: un induttore di un insieme di magneti permanenti interagisce con una matrice HTSP in uno stato superconduttore. Non ci sono perdite per attrito, nemmeno in aria, le vibrazioni sono minime anche ad alte velocità e la struttura viene centrata automaticamente durante il funzionamento.
Un esempio di un dispositivo sviluppato presso il MAI russo
Il campo magnetico dei magneti permanenti interagisce con i blocchi HTSP attivati e, dopo aver installato il supporto, il volano si appoggia semplicemente sul criostato (levita su di esso a una distanza inferiore a 1 cm), senza muoversi nella direzione radiale.
L'interazione elettromagnetica dei poli dello statore e del rotore crea una coppia risultante che accelera il volano e quindi alimenta l'azionamento.E poiché non ci sono perdite nei supporti accumulati in forma cinetica, l'energia viene immagazzinata a lungo e, se necessario, consumata dalla conversione in modalità generatore.
Nel processo di accumulo dei 500 kJ nominali completi di energia, il volano viene accelerato in 300 secondi fino a 6000 giri al minuto. Può erogare facilmente una potenza di 10 kW per 25 secondi continuativi, poiché la potenza nominale prelevata dall'impianto è rispettivamente di 250 kJ, si può garantire l'erogazione di un carico di 1 kW per 4 minuti.
La frequenza della tensione di ingresso durante la ricarica è di 50 Hz a una tensione di rete standard di 220-240 volt. Il volano pesa 100 kg e il momento di inerzia è di circa 3,6 kg * m2.
Per quanto riguarda la modalità generatore, la frequenza corrente durante la selezione è di 200 Hz su tre fasi a tensioni da 160 a 240 volt. La potenza nominale massima selezionabile è di 11 kW.
Prospettive per Russia e CSI
Più recentemente, la società russa Kinetic Power ha creato la propria versione di dispositivi di accumulo di energia cinetica stazionari basati su super volani. Uno di questi dispositivi di accumulo è in grado di immagazzinare fino a 100 kWh di energia e fornire una potenza a breve termine fino a 300 kW.
Nelle condizioni del mercato russo, un gruppo di diversi dispositivi di accumulo di questo tipo è in grado di pareggiare l'eterogeneità giornaliera del carico elettrico di un'intera regione, sostituendo costose e ingombranti centrali di pompaggio.
Inoltre, come notato all'inizio, i dispositivi di memorizzazione cinetica possono essere utilizzati per fornire alimentazione ininterrotta alle apparecchiature con i più alti livelli di responsabilità.Le proprietà uniche di questi sviluppi assicurano una risposta del dispositivo a livello di centesimi di secondo, che consente agli utenti di non interrompere l'alimentazione per un secondo.