Dispositivos de armazenamento de energia cinética para a indústria de energia

O tema da melhoria da eficiência energética provavelmente nunca perderá sua relevância. Devido a este fato, muitas instituições hoje estão desenvolvendo dispositivos de armazenamento de energia mais eficientes. E uma das soluções promissoras nessa área é o uso de armazenamento de energia cinética (em movimento) baseado em volantes de alta energia.

Suas áreas de aplicação podem variar desde pequenas fontes ininterruptas independentes para residências particulares até grandes instalações industriais que acumulam energia durante a rotação de um volante e, no momento certo, a liberam no nível de potência necessário, protegendo a rede contra surtos de tensão.

A vantagem de tais unidades é que o volante maciço é capaz de converter imediatamente a energia cinética acumulada em energia elétrica, fornecendo assim ao equipamento do consumidor a energia necessária.

Tais dispositivos são caracterizados por custos operacionais mínimos, alto grau de automação e nenhuma necessidade de manutenção regular.

Depois de carregar até a capacidade total em alguns minutos, o volante liberará a energia armazenada, se necessário, por alguns segundos, enquanto os parâmetros operacionais normais da rede podem não suportar altas correntes de pico.

Como funciona

O volante recebe a rotação de uma máquina elétrica por meio de um eixo ou outro mecanismo de transmissão e, se necessário, repassa a energia acumulada pelo eixo em modo gerador, sendo que a própria máquina que gira o volante pode funcionar naquele momento como gerador.

Um sistema de controle automatizado com sensores para controlar os parâmetros tornará o processo de ganho de velocidade seguro e em uma situação crítica reagirá tanto ao alcance de uma velocidade perigosa de rotação do volante quanto à necessidade de mudar imediatamente para o modo de retorno do energia cinética acumulada.

Recursos e capacidades

Desta forma, os dispositivos de armazenamento cinético permitem resolver os problemas de acumulação, armazenamento temporário e posterior conversão de energia para garantir modos de potência de equipamentos ótimos, mesmo com parâmetros extremamente fora do padrão. Como resultado, é coberta a mais ampla gama de aplicações possíveis desta solução técnica.

Um conversor eletromecânico deste tipo tem uma série de vantagens. A intensidade de energia específica dos dispositivos de armazenamento cinético é maior que a dos capacitores e, em termos de potência específica (corrente) fornecida à carga, eles estão à frente das baterias de ácido e das células de combustível.

Ao mesmo tempo, os dispositivos de armazenamento cinético são compactos, ecológicos, têm uma eficiência de cerca de 90%, têm uma longa vida útil de mais de 10 anos, são fáceis de manter e o recurso de trabalho é praticamente ilimitado, além disso, o O sistema de refrigeração é cem vezes mais barato do que os dispositivos de armazenamento por indução supercondutores (SPINs). …

Centros médicos, instalações nucleares, centros de armazenamento de dados, armazéns bancários, indústrias químicas - em qualquer lugar onde o backup de energia seja necessário para alimentar usuários críticos, os dispositivos de armazenamento cinético serão úteis. O que podemos dizer sobre a compensação de cargas de pico para grandes sistemas de energia, e é por isso que há interrupções de energia em áreas urbanas inteiras.

O que é usado agora

Por dez anos, o desenvolvimento de dispositivos de armazenamento cinético não parou em várias regiões do mundo, especialmente nos EUA e na Alemanha, e nos últimos anos na Rússia.

A ATZ da Alemanha produz drives de 20 MJ capazes de fornecer potência de até 250 kW, equipados com um sistema de sincronização de rede. Além disso, as dimensões do dispositivo não excedem 1,5 metros.

O volante do motor é feito de fibra de carbono de alta resistência e é montado em uma suspensão de cerâmica HTSC. A máquina elétrica que acelera o volante do ATZ e gera eletricidade está completa baseado em ímãs permanentes de terras raras.

A American Beacon Power produz acumuladores cilíndricos de 6 kWh e 25 kWh que podem ser usados ​​em clusters para garantir a estabilidade dos parâmetros atuais nas redes elétricas industriais do país.

Estágios de projeto do KNE

Ao projetar um dispositivo de armazenamento cinético, os desenvolvedores resolvem os seguintes problemas de engenharia: calcular o motor-gerador, selecionar os rolamentos, calcular o volante, bem como os sistemas de resfriamento, monitoramento e controle e, em seguida, prosseguir para a produção.

Com base na finalidade de um modelo de acionamento específico, as máquinas elétricas integradas neles podem ser diferentes em princípio. No entanto, há uma vantagem inegável máquinas elétricas síncronas… Nas máquinas síncronas, não há escovas e os ímãs permanentes do rotor permitem obter uma alta potência específica do motor-gerador.

Rolamentos e suspensões são mais adequados para rolamentos sem contato, como aqueles baseados em supercondutores de alta temperatura (HTSC).

Embora tais sistemas exijam resfriamento especial, eles são perfeitamente estabilizados sem fonte de alimentação: um indutor de um conjunto de ímãs permanentes interage com uma matriz HTSP em um estado supercondutor. Não há perdas por atrito, mesmo no ar, as vibrações são mínimas mesmo em altas velocidades e a estrutura é centralizada automaticamente durante a operação.

Um exemplo de dispositivo desenvolvido no MAI russo

O campo magnético dos ímãs permanentes interage com os blocos HTSP ativados e, após a instalação do suporte, o volante simplesmente se inclina sobre o criostato (levita sobre ele a uma distância inferior a 1 cm), sem se mover na direção radial.

A interação eletromagnética dos polos do estator e do rotor cria um torque resultante que acelera o volante e, assim, energiza o inversor.E como não há perdas nos suportes acumuladas na forma cinética, a energia é armazenada por muito tempo e, se necessário, consumida pela conversão para o modo gerador.

No processo de acumular os 500 kJ nominais completos de energia, o volante é acelerado em 300 segundos para 6.000 revoluções por minuto. Ele pode facilmente fornecer uma potência de 10 kW por 25 segundos continuamente, uma vez que a potência nominal retirada da planta é de 250 kJ respectivamente, uma carga de 1 kW pode ser garantida para ser fornecida por 4 minutos.

A frequência da tensão de entrada durante o carregamento é de 50 Hz a uma tensão de rede padrão de 220-240 volts. O volante pesa 100 kg e o momento de inércia é de aproximadamente 3,6 kg * m2.

Quanto ao modo gerador, a frequência atual durante a seleção é de 200 Hz em três fases em tensões de 160 a 240 volts. A potência nominal máxima para seleção é de 11 kW.

Perspectivas para a Rússia e a CEI

Mais recentemente, a empresa russa Kinetic Power criou sua própria versão de dispositivos estacionários de armazenamento de energia cinética baseados em super volantes. Um desses dispositivos de armazenamento é capaz de armazenar até 100 kWh de energia e fornecer energia de curto prazo de até 300 kW.

Nas condições do mercado russo, um grupo de vários desses dispositivos de armazenamento é capaz de equalizar a heterogeneidade diária da carga elétrica de uma região inteira, substituindo usinas de bombeamento caras e volumosas.

Além disso, conforme observado no início, dispositivos de armazenamento cinético podem ser usados ​​para fornecer energia ininterrupta a equipamentos com os mais altos níveis de responsabilidade.As propriedades únicas desses desenvolvimentos garantem uma resposta do dispositivo no nível de centésimos de segundo, o que permite aos usuários não interromper o fornecimento de energia por um segundo.