La composición, tecnología central y aplicación del sistema de almacenamiento de energía del volante
Con la creciente demanda de energía, la gente presta cada vez más atención a la tecnología de control de energía, especialmente a la tecnología de almacenamiento de energía eléctrica. Actualmente, las tecnologías comunes de almacenamiento de energía eléctrica incluyen el almacenamiento de energía en baterías químicas, el almacenamiento de energía en agua, el almacenamiento de energía superconductor, el almacenamiento de energía en supercondensadores, el almacenamiento de energía en volante, etc.
La tecnología de baterías químicas es muy madura y se usa ampliamente, pero su eficiencia es baja, generalmente solo (70 ~ 85 %), la densidad de potencia es baja y la carga es muy lenta y generalmente demora varias horas. Más importante aún, el ciclo de vida de las baterías químicas es relativamente corto, lo que aumenta el costo de su uso. La eficiencia del almacenamiento de agua y de energía también es muy baja, generalmente solo del 75%, porque el almacenamiento de agua y el almacenamiento de energía requieren un dispositivo de almacenamiento de agua enorme, su densidad de almacenamiento de energía es baja, solo alrededor de 0,27 Wh kg-1, y es enormemente afectado por el medio ambiente y no puede usarse de forma portátil. El almacenamiento de energía superconductor es un nuevo tipo de tecnología de almacenamiento de energía de alta eficiencia. Sin embargo, no tiene características modulares y generalmente necesita crear un entorno de baja temperatura, por lo que su adaptabilidad no es fuerte. El almacenamiento de energía con supercondensadores también es una nueva tecnología eficiente de almacenamiento de energía. En la actualidad, su densidad de almacenamiento de energía es todavía relativamente baja, aproximadamente (2 ~ 10) Wh·kg-1. Esta tecnología aún se encuentra en etapa experimental.
El sistema de almacenamiento de energía del volante tiene las ventajas de una alta densidad de almacenamiento de energía, alta densidad de potencia, bajos requisitos ambientales, modularidad, tiempo de carga y descarga minucioso, fácil detección de la profundidad de descarga y amplios campos de aplicación. Al mismo tiempo, el almacenamiento de energía del volante tiene una larga vida útil y un mantenimiento sencillo, lo que reduce en gran medida el coste del almacenamiento de energía eléctrica [1]. Con el desarrollo continuo de la tecnología de electrónica de potencia, la tecnología de levitación magnética y la investigación sobre el desarrollo de nuevos materiales, la tecnología de almacenamiento de energía del volante se está volviendo cada vez más importante.
Principio y estructura del sistema de almacenamiento de energía del volante
2.1 Principio del sistema de almacenamiento de energía del volante
El sistema de almacenamiento de energía del volante, también llamado batería del volante, es un vínculo entre Dispositivo de conversión de energía mecánica y energía eléctrica. El diagrama esquemático del sistema de almacenamiento de energía del volante se muestra en la Figura 1. El proceso de conversión de energía se puede ver en la Figura 1. El sistema de almacenamiento de energía del volante tiene tres modos de funcionamiento: carga, descarga y ahorro de energía. Generalmente hay dos tipos de energía que cargan el volante: energía eléctrica y energía mecánica, como se muestra en la Figura 1. En la actualidad, la carga de energía eléctrica se utiliza ampliamente y la carga de energía mecánica se puede utilizar en campos como la recuperación de energía de frenado de automóviles y el almacenamiento de energía eólica en islas. Durante la descarga, el volante impulsa el generador para generar electricidad y la energía eléctrica de salida se convierte en energía eléctrica utilizable a través de equipos electrónicos de potencia. Durante la etapa de ahorro de energía, el sistema de almacenamiento de energía del volante no carga ni descarga y mantiene su funcionamiento a la velocidad nominal.
2.2 Estructura de almacenamiento de energía del volante y almacenamiento de energía
El diagrama estructural más común del sistema de almacenamiento de energía del volante se muestra en la Figura 2. Se compone principalmente de volante, motor, cojinete, cámara de vacío y equipo electrónico de potencia.
Se puede ver en las fórmulas (1) y (2) que la energía almacenada en el sistema de almacenamiento de energía del volante está relacionada positivamente con la masa, el radio y la velocidad angular de rotación del volante. Por lo tanto, para aumentar el almacenamiento de energía del volante, se logra principalmente aumentando la calidad de la llanta y la velocidad del volante.
3 Análisis de tecnologías clave de almacenamiento de energía del volante
El volante es un dispositivo de almacenamiento de energía, por lo que los dos factores más importantes en las tecnologías clave de almacenamiento de energía del volante son el almacenamiento y la pérdida de energía. reducción. Para aumentar la velocidad del volante, la selección del material del volante y del motor de alta velocidad es particularmente importante. El uso de una cámara de vacío puede reducir en gran medida la pérdida por fricción entre el volante y el aire, y el uso de cojinetes magnéticos puede reducir en gran medida la pérdida por fricción del soporte y aumentar la vida útil.
3.1 Selección del material del volante
La densidad de almacenamiento de energía del volante y la resistencia que el volante puede soportar afectarán directamente la selección de los materiales del volante. La densidad de almacenamiento de energía e del volante es:
e=ks∕σρ(3)
Donde: ks——el coeficiente de forma del volante ρ——la densidad de; el material del volante, kg/cm3; σ-esfuerzo admisible del material del volante, MPa;
Se puede ver en la fórmula (3) que la densidad del material del volante es inversamente proporcional a la tensión permitida del material del volante. En la Tabla 1 se muestran varios materiales comúnmente utilizados para volantes [2]. De los datos se puede ver que la fibra de carbono tiene baja densidad y alta resistencia, lo que la convierte en la mejor opción. Al mismo tiempo, una vez que el volante hecho de fibra de carbono se desintegra, el propio volante saldrá volando en forma de flóculo, reduciendo el daño causado por accidentes.
3.2 Cámara de vacío
En la actualidad, el grado de vacío de la cámara de vacío ha alcanzado 10-5 Pa, que se utiliza para reducir la fricción con el aire cuando gira el volante y evitar que el exterior que las fuerzas afecten el funcionamiento normal del volante. La cámara de vacío puede estar fabricada en fibra de vidrio transparente de alta resistencia para facilitar la observación del funcionamiento del volante.
Bajo la misma presión, la conductividad térmica del helio es siete veces mayor que la del aire y la pérdida por fricción con el volante es solo aproximadamente una séptima parte de la del aire. El proceso de llenado de helio es más simple, por lo que se elige helio como gas medio. La cámara de vacío tiene ciertas ventajas.
3.3 Tecnología de soporte
La pérdida de rodamientos representa una gran proporción de las pérdidas en el sistema de almacenamiento de energía del volante. Con la aparición de varias tecnologías avanzadas de rodamientos, las pérdidas de rodamientos se pueden reducir considerablemente. A continuación se presentarán varios rodamientos utilizados en los sistemas de almacenamiento de energía del volante.
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3.3.1 Rodamientos mecánicos
Los rodamientos mecánicos comunes incluyen rodamientos, rodamientos deslizantes, rodamientos amortiguadores de película compresible y rodamientos cerámicos, etc. Debido a las pérdidas por fricción relativamente grandes de los rodamientos y los rodamientos deslizantes, generalmente solo se usan como rodamientos auxiliares en sistemas de almacenamiento de energía de volante de inercia de alta velocidad, y los rodamientos amortiguadores de película de aceite comprimido y los rodamientos cerámicos se utilizan para el almacenamiento de energía del volante [3].
Rodamientos magnéticos pasivos
(1) Los rodamientos magnéticos permanentes son un tipo de rodamientos magnéticos pasivos que utilizan imanes permanentes para mover dos o más anillos magnéticos en dirección axial o radial. Con el continuo desarrollo de los imanes permanentes en los últimos años, su capacidad de carga ha mejorado enormemente y sus aplicaciones se han generalizado cada vez más. Sin embargo, según el teorema de Earnshaw, es imposible levitar de forma estable un objeto en los seis grados de libertad en el espacio basándose únicamente en imanes permanentes. La levitación estable requiere el control activo de al menos uno de ellos [4].
(2) El rodamiento magnético superconductor es también un rodamiento magnético pasivo. Los superconductores tienen el efecto Meissner en un entorno superconductor. Cuando un superconductor está en un campo magnético, el campo magnético interno siempre es igual a cero, es decir, el superconductor presenta un diamagnetismo completo en el campo magnético. Bajo la acción de un campo magnético, se genera una corriente inducida sin pérdidas en la superficie del superconductor y no hay pérdida en el superconductor. Al mismo tiempo, se genera un campo magnético especular con la misma magnitud y dirección opuesta que el magnético original. Se forma el campo, como se muestra en la Figura 3. Este campo magnético puede hacer que los objetos leviten de forma estable.
3.3.3 Rodamientos magnéticos activos
Los rodamientos magnéticos activos, también conocidos como rodamientos electromagnéticos, controlan los cambios en el campo magnético cambiando el encendido y apagado y el tamaño de la corriente en el control. Circuito y señales de posición de retroalimentación en tiempo real y señales de corriente de salida para ajustar la corriente de control a tiempo para hacer que el estator del rodamiento y el rotor floten de manera estable. El diagrama de bloques de la estrategia de control del rodamiento magnético activo se muestra en la Figura 4.
Rodamientos híbridos
En aplicaciones prácticas, los rodamientos antes mencionados suelen combinarse para conseguir ventajas complementarias.
(1) Se combinan rodamientos mecánicos y rodamientos magnéticos permanentes. La principal desventaja de los rodamientos mecánicos son las elevadas pérdidas por fricción. Los cojinetes magnéticos permanentes pueden ayudar a superar la presión entre el estator y el rotor cuando llega la gravedad, reduciendo así las pérdidas por fricción.
(2) Rodamiento híbrido de imanes permanentes superconductores. El superconductor actúa como estator y el imán permanente actúa como rotor. El rotor puede suspenderse en una posición determinada. Al mismo tiempo, el flujo magnético capturado en el superconductor no se moverá aleatoriamente debido a la fuerza de restricción, lo que garantiza la estabilidad axial y hace que el rotor esté suspendido y estable [5].
(3) Rodamientos híbridos electromagnéticos y de imanes permanentes. Para reducir el consumo de energía, se utilizan imanes permanentes para generar un campo magnético polarizado y la corriente genera un campo magnético de control, como se muestra en la Figura 5.
4 Aplicación del sistema de almacenamiento de energía del volante
Debido a que el sistema de almacenamiento de energía del volante tiene las ventajas de alta densidad de energía, alta eficiencia, ausencia de contaminación, etc., y el nivel técnico es cada vez mayor. y cada vez más perfecto, se está volviendo cada vez más popular. Se ha aplicado en muchos campos.
4.1 Aplicación en el sistema de energía
4.1.1 Ajuste de pico de potencia
El sistema de almacenamiento de energía del volante se utiliza para la regulación de pico con un rápido almacenamiento y liberación de energía. Tiene las ventajas de una alta eficiencia y no se ve afectado por el entorno geográfico. Cuando el consumo de energía es bajo, la energía restante generada se utiliza para impulsar el volante para almacenar energía; cuando el consumo de energía es máximo, el volante hace funcionar el generador y la energía mecánica se convierte en energía eléctrica que coincide con la red eléctrica. el equipo eléctrico. En 2008, se puso en uso comercial una central eléctrica de regulación de frecuencia y almacenamiento de energía de volante de inercia de 5 MW construida por Beacon Power Company en Tyngsboro, Massachusetts. La eficiencia total de la central eléctrica alcanza el 85% y el tiempo de respuesta del sistema es de 4 segundos, lo que tiene ventajas obvias en comparación con la regulación tradicional del generador que requiere un tiempo de respuesta de 5 minutos [7].
4.1.2 Suministro de energía ininterrumpida
El sistema de suministro de energía ininterrumpida (UPS) se utiliza para evitar cortes de energía o cortes de energía en lugares importantes que consumen energía, como departamentos gubernamentales, centros de comando militar. , edificios operativos de hospitales y centros informáticos. La calidad de la energía es inestable. En el pasado se utilizaban con frecuencia baterías químicas. Aunque su tecnología está madura, su vida útil es corta y no admiten operaciones de conmutación frecuentes. Según las estadísticas de la industria, el 70% de las fallas del sistema UPS son causadas por baterías químicas.
En 2007, la empresa estadounidense Active Power aplicó tecnología de almacenamiento de energía de volante al UPS del segundo edificio Taiyuan de China Netcom Shanxi Communications Company [8]. Cuando la red eléctrica es normal, el volante equivale a un motor sin carga de bajo consumo y la velocidad se mantiene a 7700 r/min. Cuando el suministro de energía es anormal o se corta, el sistema de volante puede suministrar energía al instante.
4.2 Aplicación en el transporte
4.2.1 Batería del volante del vehículo
Con la creciente escasez de energía y el énfasis en la protección del medio ambiente, países de todo el mundo están investigando Nuevas fuentes de energía para automóviles, el sistema de almacenamiento de energía del volante tiene buenas perspectivas de reemplazar el motor de combustión interna y se denomina batería de volante montada en el vehículo. Las baterías de volante de automóvil tienen las ventajas de ser limpias, libres de contaminación y de carga rápida. 2min En los años 80, Suiza desarrolló el primer coche con batería de volante, cuyo tiempo de carga se controlaba en 2 minutos. A finales de la década de 1990, la Universidad de Texas aplicó sistemas de almacenamiento de energía de volante a vehículos militares. El sistema puede proporcionar de forma intermitente pulsos de salida de 5 MW, con una potencia de salida continua de 350 kW y una pérdida mínima sin carga de menos de 1000 W, lo que puede cumplir con los requisitos de potencia de pulso de un vehículo de reconocimiento militar de 14 toneladas [9].
Batería híbrida con volante de inercia
Los sistemas de almacenamiento de energía con volante de inercia también se pueden utilizar en automóviles con motores de combustión interna o baterías químicas. Cuando el automóvil va cuesta abajo o frena, la energía cinética del automóvil se reduce. convertida en energía mecánica del volante, guárdela; cuando el automóvil requiere una gran potencia en un corto período de tiempo, como acelerar o subir una pendiente, el volante libera energía nuevamente. Esto puede ahorrar alrededor del 30% de energía y permitir una mayor aceleración [10]. Dado que el transporte ferroviario frena con más regularidad que los vehículos de carretera, los volantes pueden recuperar enormes cantidades de energía.
4.3 Aplicación en el sector aeroespacial
El sistema de almacenamiento de energía del volante tiene una larga vida útil y es muy adecuado para alimentar satélites. Al mismo tiempo, el momento de impulso del volante se puede utilizar para controlar eficazmente la actitud del satélite, y reemplazar la batería química original puede reducir el peso del satélite. En febrero de 1986, Francia lanzó el satélite "SPOT", aplicando por primera vez la tecnología del volante de inercia a una nave espacial. Los tres volantes de reacción permiten que la precisión del control de orientación del satélite hacia la Tierra alcance 0,15 y la estabilidad de actitud alcance 0,0001/s.
5 tendencias de desarrollo de tecnologías clave de almacenamiento de energía en volante
Con el avance continuo de la tecnología, el almacenamiento de energía del volante se está desarrollando hacia una gran capacidad, alta eficiencia, ausencia de contaminación, alta seguridad y gran adaptabilidad. El enfoque futuro de la investigación sobre la tecnología de almacenamiento de energía en volante de inercia debería incluir los siguientes aspectos:
(1) Aplicación de nuevos materiales. El uso de nuevos materiales compuestos puede aumentar eficazmente la resistencia y la densidad de almacenamiento de energía de los volantes, y los avances en materiales superconductores de alta temperatura también obtendrán mayores ventajas para los volantes superconductores.
(2) Investigación sobre rodamientos magnéticos. El uso de cojinetes magnéticos reducirá en gran medida la pérdida del sistema de almacenamiento de energía del volante, aumentará su vida útil y también ayudará a aumentar la velocidad del volante.
(3) Investigación sobre motores de alta velocidad. La investigación sobre motores de alta velocidad proporcionará suficiente potencia para que el volante transporte más energía y aumente la resistencia de la batería del volante.
(4) Adoptar métodos de control avanzados. Los métodos de control avanzados pueden hacer que el sistema sea eficiente y receptivo, y los problemas de alta velocidad y pérdida del volante también pueden resolverse de manera efectiva. Los métodos de control modernos se están desarrollando hacia el control inteligente, como el control difuso, el control de redes neuronales y el control adaptativo.
(5) Estructura modular. Múltiples volantes operan en una serie para lograr la modularización de la unidad de volante. Esto puede ampliar enormemente la escala del almacenamiento de energía y aumentar la capacidad de carga.
6 Conclusión
En la actualidad, el almacenamiento de energía del volante no es un método de almacenamiento de energía convencional, pero hay grandes esperanzas en su potencial, especialmente su alta densidad de almacenamiento de energía, alta eficiencia, carga rápida y descarga, Las características como la limpieza y la ausencia de contaminación son reconocidas por las personas. Este artículo presenta y analiza los principios estructurales, las tecnologías clave, las aplicaciones y las tendencias de desarrollo de los sistemas de almacenamiento de energía del volante, señala las limitaciones del almacenamiento de energía del volante y analiza los problemas que sus tecnologías clave deben resolver a través de estas deficiencias. Dado que el almacenamiento de energía del volante tiene muchas ventajas en el campo de la energía, su investigación es de gran importancia.
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.