Comment les dispositifs de stockage d'énergie du volant d'inertie (cinétique) sont disposés et fonctionnent

FES est l'abréviation de stockage d'énergie par volant d'inertie, ce qui signifie stockage d'énergie à l'aide d'un volant d'inertie. Cela signifie que l'énergie mécanique est accumulée et stockée sous forme cinétique lorsqu'une roue massive tourne à grande vitesse.

L'énergie mécanique ainsi accumulée peut ensuite être convertie en électricité, pour laquelle le système de volant d'inertie est associé à une machine électrique réversible capable de fonctionner à la fois en mode moteur et en mode générateur.

Lorsque l'énergie doit être stockée, la machine électrique sert de moteur et fait tourner le volant d'inertie à la vitesse angulaire requise tout en consommant de l'énergie électrique à partir d'une source externe, en convertissant l'énergie électrique en énergie mécanique (cinétique). Lorsque l'énergie stockée doit être transférée à la charge, la machine électrique passe en mode générateur et l'énergie mécanique est libérée lorsque le volant décélère.

Les systèmes de stockage d'énergie les plus avancés basés sur des volants d'inertie ont une densité de puissance assez élevée et peuvent rivaliser avec les systèmes de stockage d'énergie traditionnels.

Les installations de batteries cinétiques basées sur des super volants d'inertie, où le corps rotatif est constitué d'un ruban de graphène à haute résistance, sont considérées comme particulièrement prometteuses à cet égard. De tels dispositifs de stockage peuvent stocker jusqu'à 1200 W * h (4,4 MJ !) d'énergie pour 1 KILOGRAMME de masse.

Les développements récents dans le domaine des super volants d'inertie ont déjà permis aux développeurs d'abandonner l'idée d'utiliser des entraînements monolithiques au profit de systèmes à courroie moins dangereux.

Le fait est que les systèmes monolithiques étaient dangereux en cas de rupture d'urgence et pouvaient accumuler moins d'énergie. Lors de la rupture, la bande ne se disperse pas en gros fragments, mais ne se casse que partiellement; dans ce cas, les parties séparées de la courroie arrêtent le volant en frottant contre la surface interne du carter et empêchent sa destruction ultérieure.

L'intensité énergétique spécifique élevée des super volants d'inertie fabriqués à partir de ruban d'enroulement ou de fibre d'interférence d'interférence est obtenue grâce à un certain nombre de facteurs contributifs.

Premièrement, le volant d'inertie fonctionne dans le vide, ce qui réduit considérablement les frottements par rapport à l'air. Pour cela, le vide dans le boîtier doit être maintenu en permanence par un système de création et de maintien du vide.

Deuxièmement, le système doit être capable d'équilibrer automatiquement le corps en rotation. Des mesures techniques spéciales sont prises pour réduire les vibrations et les vibrations gyroscopiques. En bref, les systèmes de volant d'inertie sont très exigeants du point de vue de la conception, leur développement est donc un processus d'ingénierie complexe.

Ils semblent être plus appropriés comme roulements suspensions magnétiques (y compris supraconductrices)… Cependant, les ingénieurs ont dû abandonner les supraconducteurs à basse température dans les suspensions, car ils nécessitent beaucoup d'énergie. Les roulements hybrides avec des corps en céramique sont bien meilleurs pour les vitesses de rotation moyennes. Quant aux volants d'inertie à grande vitesse, il s'est avéré économiquement acceptable et très économique d'utiliser des supraconducteurs à haute température dans les suspensions.

L'un des principaux avantages des systèmes de stockage FES, après leur intensité énergétique spécifique élevée, est leur durée de vie relativement longue, qui peut atteindre les années 25. À propos, l'efficacité des systèmes de volant d'inertie à base de bandes de graphène atteint 95%. De plus, il convient de noter la vitesse de charge. Cela dépend bien sûr des paramètres de l'installation électrique.

Par exemple, un récupérateur d'énergie sur un volant de métro qui fonctionne pendant l'accélération et la décélération du train se charge et se décharge en 15 secondes. On pense que pour obtenir un rendement élevé du système de stockage du volant d'inertie, le temps de charge et de décharge nominal ne doit pas dépasser une heure.

L'applicabilité des systèmes FES est assez large. Ils peuvent être utilisés avec succès sur divers appareils de levage, permettant d'économiser jusqu'à 90 % d'énergie lors du chargement et du déchargement. Ces systèmes peuvent être utilisés efficacement pour charger rapidement des batteries de transport électrique, pour stabiliser la fréquence et la puissance dans les réseaux électriques, dans les sources d'alimentation sans interruption, dans les véhicules hybrides, etc.

Avec tout cela, les systèmes de stockage à volant ont des caractéristiques remarquables.Ainsi, si un matériau à haute densité est utilisé, alors la consommation d'énergie spécifique du dispositif de stockage diminue en raison d'une diminution de la vitesse de rotation nominale.

Si un matériau à faible densité est utilisé, la consommation électrique augmente en raison de l'augmentation de la vitesse, mais cela augmente les besoins en vide, ainsi qu'en supports et joints, et le convertisseur électrique devient plus complexe.

Les meilleurs matériaux pour les super volants d'inertie sont les courroies en acier à haute résistance et les matériaux fibreux tels que le Kevlar et la fibre de carbone. Le matériau le plus prometteur, comme indiqué ci-dessus, reste la bande de graphène non seulement en raison des paramètres acceptables de résistance et de densité, mais principalement en raison de sa sécurité à la rupture.

Le potentiel de rupture est un obstacle majeur pour les systèmes de volant d'inertie à grande vitesse. Les matériaux composites qui sont roulés et collés en couches se désintègrent rapidement, se détachant d'abord en filaments de petit diamètre qui s'emmêlent et se ralentissent instantanément, puis en une poudre incandescente. La rupture contrôlée (en cas d'accident) sans endommager la coque est l'une des principales tâches des ingénieurs.

La libération d'énergie de rupture peut être atténuée par un fluide encapsulé ou un revêtement intérieur de type gel qui absorbera l'énergie en cas de rupture du volant.

Une façon de se protéger contre une explosion consiste à mettre le volant d'inertie sous terre pour arrêter tout débris qui volerait à la vitesse de la balle en cas d'accident. Cependant, il existe des cas où le vol de fragments se produit vers le haut à partir du sol, avec la destruction non seulement de la coque, mais également des bâtiments adjacents.

Enfin, regardons la physique du processus.L'énergie cinétique d'un corps en rotation est déterminée par la formule :

où I est le moment d'inertie d'un corps en rotation

la vitesse angulaire peut être représentée comme suit :

Par exemple, pour un cylindre continu, le moment d'inertie est :

et alors l'énergie cinétique pour un cylindre solide à travers la fréquence f est égale à :

où f est la fréquence (en tours par seconde), r est le rayon en mètres, m est la masse en kilogrammes.

Prenons un exemple grossier pour comprendre. Une chaudière de 3 kW fait bouillir l'eau en 200 secondes. À quelle vitesse doit tourner un volant d'inertie cylindrique continu de masse 10 kg et de rayon 0,5 m pour que, pendant le processus d'arrêt, il y ait suffisamment d'énergie pour faire bouillir l'eau? Que le rendement de notre générateur-convertisseur (capable de fonctionner à n'importe quelle vitesse) soit de 60 %.

Répondre. La quantité totale d'énergie nécessaire pour faire bouillir la bouilloire est de 200 * 3000 = 600 000 J. En tenant compte de l'efficacité, 600 000 / 0,6 = 1 000 000 J. En appliquant la formule ci-dessus, nous obtenons une valeur de 201,3 tours par seconde .

Voir également:Dispositifs de stockage d'énergie cinétique pour l'industrie de l'énergie

Une autre façon moderne de stocker l'énergie : Systèmes supraconducteurs de stockage d'énergie magnétique (SMES)