Introducción al almacenamiento de energía en volante superconductor de alta temperatura

1. Introducción a los modos de almacenamiento de energía

¿Cuáles son los tipos de tecnologías de almacenamiento de energía y cuáles son sus características?

2. Introducción al almacenamiento de energía del volante

2.1 Cojinete de almacenamiento de energía del volante

Como se puede ver en la figura, el sistema de almacenamiento de energía del volante se divide aproximadamente en las siguientes partes:

Carcasa de vacío

La carcasa de vacío es un sistema auxiliar en el dispositivo de almacenamiento de energía del volante. El objetivo principal de colocar el rotor del volante giratorio de alta velocidad en el vacío es reducir la pérdida de resistencia al viento del sistema del rotor del volante. Los resultados de la investigación de Acamley et al. muestran que el alto vacío reducirá la capacidad de disipación de calor dentro del sistema de almacenamiento de energía, lo que provocará que aumente la temperatura del rotor del volante. En comparación con el alto vacío, un entorno de helio es más propicio para reducir la pérdida de viento.

Rotor de volante

Los primeros rotores de volante estaban hechos principalmente de acero o aleación de aluminio, lo que tenía las desventajas de ser pesado, lenta velocidad de rotación y baja densidad de almacenamiento de energía. Para mejorar su rendimiento, actualmente se utilizan fibras continuas de alto rendimiento como refuerzos y materiales de resina como matriz, combinados con tecnología de bobinado pretensado y ajuste de interferencia de anillos múltiples, para crear rotores de volante compuestos con peso ligero y alta densidad de almacenamiento de energía. Los sistemas de almacenamiento de energía producidos por Socomec en Francia y Beacon Power en Estados Unidos utilizan rotores de volante compuestos.

Sistema de soporte

Los métodos de soporte de rodamientos de los sistemas de almacenamiento de energía de ruedas incluyen principalmente rodamientos mecánicos, rodamientos magnéticos pasivos y rodamientos magnéticos activos. Cuando el rotor del volante gira a alta velocidad, los cojinetes mecánicos tradicionales consumen más energía. Para mejorar la eficiencia de todo el sistema de almacenamiento de energía, a menudo se utilizan cojinetes magnéticos como método de soporte de baja energía. Sin embargo, para evitar daños al sistema del rotor causados ​​por fallas en los cojinetes magnéticos, actualmente se utiliza la solución de soporte de cojinetes auxiliares mecánicos combinados con cojinetes magnéticos.

Máquina multifunción todo en uno

El motor/generador integrado es la fuente de energía central de todo el sistema de almacenamiento de energía del volante. La conversión de energía mecánica y energía eléctrica se logra mediante la conversión mutua de potencia/generador. El uso de un motor/generador integrado puede mejorar en gran medida la utilización del espacio de todo el sistema y reducir el peso total del sistema de almacenamiento de energía.

Rectificador

El convertidor de potencia es un componente clave del control de conversión de energía en el sistema de volante de almacenamiento de energía. Tiene funciones de modulación de frecuencia, voltaje constante y rectificación. La aplicación de convertidores de potencia mejora la flexibilidad y controlabilidad de los sistemas de volante. Durante el proceso de carga, el convertidor de potencia utiliza dos métodos de control de conversión de frecuencia: control de par constante y control de potencia constante para convertir la corriente alterna en corriente continua y accionar el motor para acelerar la rotación del volante. Cuando el volante alcanza su velocidad máxima, el dispositivo de conversión de potencia proporciona bajo voltaje para mantener la velocidad del volante y reducir la pérdida de energía del sistema del rotor.

2.2 Rodamientos superconductores de alta temperatura

La idea de utilizar superconductores para realizar rodamientos magnéticos se propuso ya en 1945, pero no fue hasta 1987 que se descubrió que el Los rodamientos funcionan en el rango de temperatura del nitrógeno líquido (77 K). Esta visión se ha hecho realidad con el material superconductor de alta temperatura YBCO. Las propiedades únicas de fijación del flujo magnético de los superconductores de alta temperatura permiten a las PYMES lograr una levitación estable sin ningún control externo, lo que demuestra un gran atractivo para los investigadores.

Basado en las características de fijación del flujo magnético de los materiales superconductores de alta temperatura, SMB muestra muchas ventajas:

No existe una fuente de suspensión estable ni enlaces de control adicionales.

Alta velocidad, la velocidad experimental alcanza las 520.000 r/min.

La pérdida es pequeña y el coeficiente de fricción es solo 10-7, que es varios órdenes de magnitud menor que el coeficiente de fricción de los rodamientos mecánicos (10?3) y los rodamientos magnéticos convencionales (electromagnéticos) (10? ?4). En comparación con los rodamientos mecánicos y los rodamientos magnéticos activos existentes, las ventajas del SMB se reflejan principalmente en los tres puntos anteriores.

Los rodamientos de almacenamiento de energía del volante se dividen principalmente en tres categorías: rodamientos mecánicos, rodamientos magnéticos activos AMB y rodamientos magnéticos superconductores SMB.

Su comparación es la siguiente:

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Tabla 1: Comparación de rendimiento de rodamientos mecánicos, rodamientos magnéticos activos y SMB

Rodamiento magnético superconductor Rodamientos magnéticos activos Cojinetes mecánicos

Coeficiente de fricción 1e-71e-41e-3

Desgaste

Está disponible el sistema de control

Piezas auxiliares Dispositivo criogénico Sensor Ninguno

Sin límite de velocidad

Baja capacidad de carga y alta capacidad de carga

Baja rigidez y alta rigidez

Entonces el orden de magnitud aquí es ¿Qué concepto?

2.3 Volante de inercia de fibra de carbono

Volante de inercia de fibra de carbono

Comparación de las propiedades de los materiales del rotor del volante

Nombre del material Resistencia del material GPa Densidad del material kg/ m3 de almacenamiento Densidad de energía Wh/kg

Aleación de aluminio 0.6280036.1

Acero de alta resistencia 2.7800056.8

e Fibra de vidrio 3.531.9

Fibra de vidrio 4.82520320.6

Fibra de Kevlar 3.81450441.1

Fibra de espectro 3.0970520.6

Fibra de carbono T7007.01780662.0

Fibra de carbono t10005438 00.338 07945.7

【1】China continúa "empaquetando" fibra de carbono T700 a 200 yuanes el kilogramo.

Las empresas nacionales de fibra de carbono más grandes en ese momento incluían: Shanghai Petrochemical Company Acrylic Division, Zhongfu Shenying Carbon Fiber Co., Ltd., Zhejiang Juxin Carbon Fiber Co., Ltd., Xi'an Kangben Materials Co. ., Ltd., y Shenyang Zhongheng New Materials Co., Ltd., base de industrialización de alta tecnología de fibra de carbono de Jilin, Harbin Tianshun Chemical Technology Development Co., Ltd., fibra de carbono de tecnología Kingfa, Corporación Nacional de Petróleo de China, etc.

2.4 Parte de la electrónica de potencia

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2.5 Diseño modular y de cluster

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Cálculo de costes

Tesla Powerwall

10 $13.000 por kWh

$3500 por 10 kWh

En comparación, una batería de flujo de 250kW fabricada por Primus Power cuesta $500/kWh y una batería nanométrica fabricada por Aquion cuesta aproximadamente lo mismo. El informe de Moody's de junio de 2015 estimó que "el coste de inversión de las baterías hoy en día se acerca a los 500-600 dólares/kWh".

El almacenamiento de energía se divide principalmente en dos tipos: tipo de energía y tipo de potencia. La capacidad de almacenamiento de energía de tipo energético es grande, la velocidad de reacción es lenta y el número de cargas y descargas es limitado. El tipo de potencia tiene una velocidad de respuesta rápida y una capacidad pequeña.

Ya sea que se trate de un almacenamiento de energía magnética superconductora o de un almacenamiento de energía de volante superconductor de alta temperatura, la principal ventaja radica en la gran potencia de descarga. En comparación con el almacenamiento de energía química, la tasa de autodescarga no es significativa, pero puede ser similar. Las bobinas superconductoras, los cojinetes superconductores de alta temperatura y la tecnología de refrigeración de GM también están relativamente maduros. Los filamentos de fibra de carbono T-800 nacionales y las cintas YBCO se pueden producir en masa.

El principal problema es el precio. El Powerwall de Tesla puede hacer esto por 3.500 dólares con una batería de 10 kWh, y las baterías químicas generales cuestan 500 dólares/kWh. El prototipo doméstico SMES puede alcanzar 1 MJ, el estadounidense 100 MJ y el japonés 2,4 GJ. Tenga en cuenta que 1 kWh = 3,6 MJ es mayor que el Powerwall en términos de volumen, peso y precio. de ciclos, profundidad de descarga y potencia de descarga. Lo mismo ocurre con el almacenamiento de energía del volante superconductor de alta temperatura. Su energía por unidad de masa/volumen es peor que la del SMES, pero su parte de electrónica de potencia es más simple. Después de todo, los motores de volante no necesitan estar protegidos contra campos magnéticos fuertes. Prototipo doméstico HTS-FESS 1MJ, Boeing americano 10kWh.

Permítanme darles algunos cálculos con brazalete. 2GJ = 555 kWh. Una carga cuesta 50 centavos. El modelo de potencia máxima ahorra 280 yuanes, pero el costo es de al menos varios millones de yuanes. Por lo tanto, el coste del almacenamiento de energía eléctrica como almacenamiento de energía a gran escala sigue siendo demasiado alto. (De lo contrario, se denomina tipo de potencia)

Por lo tanto, todas las aplicaciones actuales se encuentran en el campo militar y en proyectos de demostración, y el costo es un poco alto para aplicaciones a gran escala. La solución actual radica en el almacenamiento de energía compuesto múltiple, el almacenamiento de energía no coincidente y el almacenamiento de energía eléctrica para lograr un equilibrio entre la gestión de la energía y el ajuste dinámico.

Cuando releí la pregunta, me horroricé al ver que todo el artículo estaba fuera de tema. Mi respuesta es la siguiente:

Personalmente, no creo que haya ningún problema técnico. . Después de todo, Estados Unidos, Japón y Alemania gastaron dinero para encontrar una manera.

Acerca de Microcontrol New Energy

Shenzhen Microcontrol New Energy Technology Co., Ltd. (conocida como Microcontrol o Microcontrol New Energy) es un líder mundial en tecnología de almacenamiento de energía física. La empresa tiene su sede en Shenzhen y cubre América del Norte, Europa, Asia, América Latina y otras regiones. Con la tecnología de energía de levitación magnética líder en el mundo que es "segura, confiable y eficiente", muchas empresas de Fortune 500, como Huawei, GE, ABB, Siemens y Emerson, confían ampliamente en sus productos y servicios.

Frente a las tres principales tendencias de la energía del futuro: "más limpia, de alta densidad y digital", la compañía continúa brindando soluciones sistemáticas para el transporte, almacenamiento, reciclaje y gestión de datos de energía para industrias estratégicas emergentes.