Como os dispositivos de armazenamento de energia volante (cinética) são organizados e funcionam

FES é a abreviação de flywheel energy storage, que significa armazenamento de energia usando um flywheel. Isso significa que a energia mecânica é acumulada e armazenada em forma cinética à medida que uma roda maciça gira em alta velocidade.

A energia mecânica assim acumulada pode ser posteriormente convertida em eletricidade, para o que o sistema flywheel é combinado com uma máquina elétrica reversível capaz de operar tanto no modo motor quanto no modo gerador.

Quando a energia precisa ser armazenada, a máquina elétrica funciona como um motor e gira o volante até a velocidade angular necessária enquanto consome energia elétrica de uma fonte externa, na verdade – convertendo energia elétrica – em energia mecânica (cinética). Quando a energia armazenada precisa ser transferida para a carga, a máquina elétrica entra em modo gerador e a energia mecânica é liberada à medida que o volante desacelera.

Os sistemas de armazenamento de energia mais avançados baseados em volantes têm uma densidade de potência bastante alta e podem competir com os sistemas de armazenamento de energia tradicionais.

Instalações de baterias cinéticas baseadas em super volantes, onde o corpo rotativo é feito de fita de grafeno de alta resistência, são consideradas particularmente promissoras nesse aspecto. Esses dispositivos de armazenamento podem armazenar até 1200 W * h (4,4 MJ!) de energia por 1 KILOGRAM de massa.

Desenvolvimentos recentes na área de super volantes já permitiram que os desenvolvedores abandonassem a ideia de usar acionamentos monolíticos em favor de sistemas de correia menos perigosos.

O fato é que os sistemas monolíticos eram perigosos em caso de ruptura de emergência e podiam acumular menos energia. Ao quebrar, a fita não se espalha em grandes fragmentos, mas apenas se quebra parcialmente; neste caso, as partes separadas da correia param o volante esfregando contra a superfície interna da caixa e evitam sua destruição posterior.

A alta intensidade de energia específica de super volantes feitos de fita enrolada ou fibra de interferência de interferência é alcançada devido a vários fatores contribuintes.

Primeiro, o volante opera no vácuo, o que reduz muito o atrito em comparação com o ar. Para isso, o vácuo no invólucro deve ser constantemente mantido por um sistema de criação e manutenção de vácuo.

Em segundo lugar, o sistema deve ser capaz de equilibrar automaticamente o corpo em rotação. Medidas técnicas especiais são tomadas para reduzir vibrações e vibrações giroscópicas. Em suma, os sistemas flywheel são muito exigentes do ponto de vista do design, pelo que o seu desenvolvimento é um processo de engenharia complexo.

Eles parecem ser mais adequados como rolamentos suspensões magnéticas (incluindo supercondutoras)… No entanto, os engenheiros tiveram que abandonar os supercondutores de baixa temperatura em suspensões, pois exigem muita energia. Os rolamentos híbridos com corpos cerâmicos são muito melhores para velocidades rotacionais médias. Quanto aos volantes de alta velocidade, verificou-se ser economicamente aceitável e muito econômico usar supercondutores de alta temperatura em suspensões.

Uma das principais vantagens dos sistemas de armazenamento FES, após sua alta intensidade de energia específica, é sua vida útil relativamente longa, que pode chegar a 25 anos.A propósito, a eficiência dos sistemas flywheel baseados em tiras de grafeno chega a 95%. Além disso, vale a pena observar a velocidade de carregamento. Isso, é claro, depende dos parâmetros da instalação elétrica.

Por exemplo, um recuperador de energia em um volante de metrô que opera durante a aceleração e desaceleração do trem carrega e descarrega em 15 segundos. Acredita-se que, para obter alta eficiência do sistema de armazenamento do volante, o tempo nominal de carga e descarga não deve exceder uma hora.

A aplicabilidade dos sistemas FES é bastante ampla. Eles podem ser usados ​​com sucesso em vários dispositivos de elevação, proporcionando economia de energia de até 90% durante o carregamento e descarregamento. Esses sistemas podem ser usados ​​efetivamente para carregamento rápido de baterias de transporte elétrico, para estabilização de frequência e potência em redes elétricas, em fontes de energia ininterruptas, em veículos híbridos, etc.

Com tudo isso, os sistemas de armazenamento flywheel possuem características marcantes.Portanto, se um material de alta densidade for usado, o consumo específico de energia do dispositivo de armazenamento diminui devido a uma diminuição na velocidade de rotação nominal.

Se for usado um material de baixa densidade, o consumo de energia aumenta devido ao aumento da velocidade, mas isso aumenta os requisitos de vácuo, bem como de suportes e vedações, e o conversor elétrico torna-se mais complexo.

Os melhores materiais para super volantes são cintas de aço de alta resistência e materiais fibrosos como Kevlar e fibra de carbono. O material mais promissor, como observado acima, continua sendo a fita de grafeno não apenas pelos parâmetros aceitáveis ​​de resistência e densidade, mas principalmente por sua segurança na quebra.

O potencial de quebra é um grande obstáculo para sistemas de volante de alta velocidade. Os materiais compostos que são enrolados e colados em camadas se desintegram rapidamente, primeiro delaminando-se em filamentos de pequeno diâmetro que instantaneamente se enredam e desaceleram uns aos outros e, em seguida, em um pó brilhante. A ruptura controlada (em caso de acidente) sem danificar o casco é uma das principais tarefas dos engenheiros.

A liberação de energia de ruptura pode ser mitigada por um fluido encapsulado ou revestimento interno semelhante a gel que absorverá a energia se o volante quebrar.

Uma maneira de se proteger contra uma explosão é colocar o volante no subsolo para parar qualquer detrito que voaria na velocidade de uma bala em caso de acidente. No entanto, há casos em que a fuga de fragmentos ocorre para cima a partir do solo, com a destruição não só do casco, mas também das edificações adjacentes.

Finalmente, vamos olhar para a física do processo.A energia cinética de um corpo em rotação é determinada pela fórmula:

onde I é o momento de inércia de um corpo em rotação

A velocidade angular pode ser representada da seguinte forma:

Por exemplo, para um cilindro contínuo, o momento de inércia é:

e então a energia cinética para um cilindro sólido através da frequência f é igual a:

onde f é a frequência (em revoluções por segundo), r é o raio em metros, m é a massa em quilogramas.

Vamos dar um exemplo aproximado para entender. Uma caldeira de 3 kW ferve água em 200 segundos. Com que velocidade um volante cilíndrico contínuo de 10 kg de massa e 0,5 m de raio deve girar para que, durante o processo de parada, haja energia suficiente para ferver a água? Deixe a eficiência do nosso gerador-conversor (capaz de operar em qualquer velocidade) ser de 60%.

Responder. A quantidade total de energia necessária para ferver a chaleira é de 200 * 3000 = 600.000 J. Levando em consideração a eficiência, 600.000 / 0,6 = 1.000.000 J. Aplicando a fórmula acima, obtemos um valor de 201,3 revoluções por segundo .

Veja também:Dispositivos de armazenamento de energia cinética para a indústria de energia

Outra forma moderna de armazenar energia: Sistemas Supercondutores de Armazenamento de Energia Magnética (SMES)