Accumulo di energia a volano è una tecnologia di accumulo di energia ad alta densità di potenza, alta affidabilità, lunga durata e rispetto dell'ambiente. È caratterizzata da levitazione magnetica completa, basso consumo energetico, risposta rapida, lunga durata, elevato numero di cicli di carica e scarica.
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1. Che cos'è l'accumulo di energia a volano?
In base ai diversi metodi di stoccaggio dell'energia, le tecnologie di stoccaggio dell'energia si dividono principalmente in tre categorie: stoccaggio meccanico dell'energia (come lo stoccaggio dell'energia dell'acqua pompata, lo stoccaggio dell'energia dell'aria compressa, lo stoccaggio dell'energia dei volani, ecc.), stoccaggio elettromagnetico dell'energia (come lo stoccaggio dell'energia elettromagnetica superconduttiva, lo stoccaggio dell'energia dei supercondensatori, ecc.), stoccaggio elettrochimico dell'energia (come lo stoccaggio dell'energia delle batterie al piombo, delle batterie a flusso redox, delle batterie al sodio-zolfo, batterie agli ioni di litio per l'accumulo di energia, ecc.).
La tecnologia di accumulo dell'energia a volano è una sorta di tecnologie di stoccaggio dell'energia che utilizza motori bidirezionali reciproci (motori/generatori) per realizzare la conversione reciproca tra energia elettrica ed energia meccanica di volani rotanti ad alta velocità. Utilizza un volano rotante ad alta velocità per immagazzinare energia sotto forma di energia cinetica. Quando l'energia manca o è necessaria, il volano rallenta e rilascia l'energia immagazzinata.
2. Il principio tecnico dell'accumulo di energia a volano
L'accumulo di energia a volano è un dispositivo di accumulo meccanico che realizza la conversione e l'accumulo reciproco di energia elettrica ed energia cinetica meccanica di un volano rotante ad alta velocità attraverso un motore elettrico/generativo bidirezionale reciproco. L'energia immagazzinata nel volano si basa sul principio della massa rotante. L'energia in ingresso per un sistema di accumulo di energia a volano proviene solitamente dalla rete o da qualsiasi altra fonte di energia elettrica. Il volano è collegato coassialmente al motore, il che dimostra che il controllo del motore può controllare il volano.
Il volano rotante è azionato da un motore elettrico che scambia energia elettrica con energia meccanica e viceversa. Quando il volano accumula energia, il motore lo fa accelerare e l'energia elettrica viene convertita in energia cinetica; quando l'energia viene rilasciata, il volano fa girare il motore per generare elettricità, il volano decelera e l'energia cinetica viene convertita in energia elettrica.
3. Caratteristiche dell'accumulo di energia a volano
Come nuova tecnologia nel stoccaggio globale dell'energia L'accumulo di energia a volano presenta vantaggi unici in molti settori. Attualmente è una delle più promettenti tecnologie di accumulo di energia a breve termine ad alta potenza, come mostrato in:
- Il volano ha un'alta densità di accumulo di energia e un'elevata potenza istantanea. Può produrre più energia in breve tempo, il che favorisce il lancio del cannone elettromagnetico e l'avvio rapido del veicolo.
- Lungo ciclo di vita. Durante l'intero ciclo di vita, la densità di accumulo dell'energia e la durata di servizio non saranno influenzate da sovraccarichi o sovrascarichi e il volano non sarà danneggiato. La sua durata dipende principalmente dalla vita dei componenti elettronici della batteria a volano, generalmente fino a circa 20 anni.
- È facile misurare la profondità di scarica e la "potenza" residua.
- Il tempo di ricarica è breve. In genere, la batteria può essere caricata completamente in pochi minuti.
- Alta efficienza di conversione dell'energia. In genere, può raggiungere circa 90%, il che significa che c'è più energia disponibile e meno dissipazione di calore, il che è superiore all'efficienza di conversione delle batterie chimiche.
- Protezione dell'ambiente e dell'ambiente, nessun inquinamento.
4. Composizione dell'accumulo di energia a volano
Il sistema di accumulo di energia a volano è composto da rotore a volano, motore, cuscinetto, interfaccia elettronica di potenza e involucro.
- rotore del volano
L'energia immagazzinata in un volano è determinata dalla forma e dal materiale del rotore. L'energia è linearmente proporzionale al momento d'inerzia e al quadrato della velocità angolare, quindi l'energia immagazzinata da un volano può essere ottimizzata aumentando la velocità di rotazione o aumentando il momento d'inerzia. Ciò offre due opzioni per i sistemi di accumulo a volano: sistemi di accumulo a bassa velocità (tipicamente fino a 10.000 giri/min) e sistemi di accumulo a volano ad alta velocità (fino a 100.000 giri/min).
I volani a bassa velocità sono generalmente realizzati con materiali metallici più pesanti e sono supportati da cuscinetti meccanici o magnetici. I volani ad alta velocità utilizzano generalmente materiali compositi più leggeri ma più resistenti e in genere richiedono cuscinetti magnetici. I volani ad alta velocità possono spesso costare fino a 5 volte il costo dei volani a bassa velocità.
- motore
Il motore elettrico/generativo bidirezionale reciproco è accoppiato con il volano per realizzare la conversione di energia e carica della batteria del volano. Questa macchina agisce come un motore, accumulando energia cinetica per il volano accelerandolo e prelevando elettricità dalla fonte di alimentazione.
L'energia accumulata sul volano viene estratta dallo stesso motore elettrico che funge da generatore, quindi il volano rallenta nel processo di conversione dell'energia cinetica in elettricità. I motori comunemente utilizzati nei sistemi di accumulo di energia a volano sono i motori a induzione (IM), i motori a magneti permanenti (PM) e i motori a riluttanza variabile (VRM). I motori a induzione sono utilizzati in applicazioni ad alta potenza grazie alla loro robustezza, alla coppia elevata e al basso costo. Le limitazioni di velocità, i controlli complessi e i maggiori requisiti di manutenzione sono i problemi principali dei motori a induzione.
- I motori a induzione a doppia alimentazione (DFIM) sono attualmente utilizzati nelle applicazioni dei sistemi di accumulo di energia a volano, grazie alla loro flessibilità di controllo e alla minore potenza di conversione, riducendo così le dimensioni dell'elettronica di potenza.
- Il motore a riluttanza variabile ha le caratteristiche di stabilità delle prestazioni, bassa perdita al minimo e ampio intervallo di velocità. Per il funzionamento ad alta velocità, i motori a riluttanza variabile hanno un meccanismo di controllo più semplice rispetto ai motori a induzione. Gli svantaggi sono il basso fattore di potenza, la bassa densità di potenza e la grande fluttuazione di coppia. Sia la riluttanza commutata che la riluttanza sincrona sono adatte per i sistemi di accumulo di energia a volano ad alta velocità.
- Il motore a magneti permanenti ha un'elevata efficienza, un'alta densità di potenza e una bassa perdita del rotore ed è il motore più comunemente utilizzato per i sistemi di accumulo di energia a volano. È ampiamente utilizzato nelle applicazioni ad alta velocità. I problemi principali dei motori a magneti permanenti sono la perdita al minimo dovuta alle correnti parassite dello statore, il prezzo elevato e la bassa resistenza alla trazione.
- I motori DC senza spazzole (BLDCM), i motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) e le macchine ad array di Halbach (HAM) sono i principali tipi di motori a magneti permanenti utilizzati nelle applicazioni dei sistemi di accumulo di energia a volano.
- cuscinetto
L'accumulo di energia a volano richiede cuscinetti che mantengano il rotore in posizione con un attrito molto basso, fornendo al contempo il meccanismo di supporto per il volano. I sistemi di cuscinetti possono essere meccanici o magnetici, a seconda del peso, della durata e della riduzione delle perdite.
I cuscinetti a sfera meccanici sono tradizionalmente utilizzati, ma rispetto ai cuscinetti magnetici, i cuscinetti a sfera meccanici hanno un attrito maggiore e richiedono costi di manutenzione più elevati a causa della degradazione del lubrificante. Queste carenze possono essere attenuate utilizzando un sistema ibrido di cuscinetti magnetici e meccanici. I cuscinetti magnetici non hanno perdite per attrito e non richiedono lubrificazione.
I cuscinetti magnetici permanenti (passivi) (PMB), i cuscinetti magnetici attivi (AMB) e i cuscinetti magnetici superconduttori (SMB) sono i principali tipi di sistemi di cuscinetti magnetici.
- Il PMB ha un'elevata rigidità, un basso costo e una bassa perdita. Tuttavia, i PMB hanno dei limiti nel fornire stabilità e sono generalmente considerati come sistemi di supporto ausiliari.
- L'AMB è azionato da un campo magnetico generato da una bobina portatrice di corrente che controlla la posizione del rotore. Il costo delle AMB è elevato, il sistema di controllo è complesso e l'energia consumata durante il funzionamento aumenta le perdite del sistema. Per garantire una buona efficienza del sistema complessivo, è necessario trovare un compromesso tra velocità e perdite.
- SMB garantisce alta velocità, assenza di attrito, lunga durata, compattezza e stabilità. È il miglior cuscinetto magnetico per il funzionamento ad alta velocità, poiché stabilizza il volano senza alimentazione elettrica o sistemi di posizionamento. Tuttavia, l'SMB richiede un sistema di raffreddamento criogenico perché funziona a temperature molto basse; negli ultimi anni, tuttavia, è stato migliorato grazie all'utilizzo di superconduttori ad alta temperatura (HTS). Lo svantaggio principale del sistema SMB è che è molto costoso.
5. Prestazioni dei parametri della tecnologia di accumulo di energia a volano
| Progetto | Accumulo di energia a volano ad alta velocità |
|---|---|
| Maturità tecnologica | Commerciale |
| Densità di energia (W.h/kg) | 32 |
| Densità di potenza (W/kg) | 4500 |
| Efficienza di conversione energetica, % | ＞85 |
| Livello di potenza/MW | 0～20 |
| Tempo di scarica continua | 1ms～1min |
| Tasso di autoscarica (%/mese) | 2~20 |
| Anni di servizio | 20 |
| Numero di cicli | Più di un milione di volte |
| Tempo di avvio/ms | ＜2 |
| Velocità corrispondente/ms | ＜2 |
| Costo dell'energia (yuan/kW) | 1700～2000 |
| Costo dell'energia (yuan/kW.h) | 100000～400000 |
| Costo di esercizio e manutenzione/(yuan/kW) | 50～100 |
6. Vantaggi tecnici dell'accumulo di energia a volano
Dal confronto tecnico tra i vari metodi di accumulo di energia, si evince che l'accumulo di energia a volano ha un'elevata efficienza (fino a 90%), una grande potenza istantanea (livello di un singolo megawatt), una rapida velocità di risposta (diversi millisecondi) e una lunga durata (10 È una delle tecnologie di accumulo di energia ad alta potenza a breve termine più promettenti al momento.
7. Scenari di applicazione dell'accumulo di energia a volano
- Transito ferroviario
I vantaggi dell'alta densità di potenza e dell'alta efficienza dell'accumulo di energia a volano si adattano perfettamente al sistema di transito ferroviario e il suo effetto di risparmio energetico supera di gran lunga quello di altre apparecchiature di risparmio energetico.
Nei costi operativi del trasporto ferroviario urbano, come le metropolitane, i costi dell'elettricità rappresentano circa 40% e l'energia di trazione dei treni rappresenta 45%-60% del costo totale dell'elettricità per le operazioni di metropolitana, di cui 17% è energia di frenatura rigenerativa riciclabile. L'energia di frenata recuperata viene generalmente consumata per dissipare il calore della resistenza, con il problema dello spreco di risorse e dell'impatto sulla rete elettrica. L'uso di un dispositivo di accumulo di energia a volano può far risparmiare 15% di consumo di energia di trazione.
- Rete elettrica
L'accumulo di energia a volano ha un'elevata potenza, una risposta rapida e una lunga durata, ed è adatto alla regolazione dei picchi della rete elettrica e alla regolazione della frequenza.
Alcuni Paesi europei hanno applicato i sistemi di accumulo di energia a volano alla regolazione dei picchi della rete elettrica e alla regolazione della frequenza. Attualmente, molte località in Cina hanno avviato progetti di accumulo di energia a volano per la regolazione dei picchi della rete elettrica e la regolazione della frequenza. Si prevede che il ritmo delle applicazioni dell'accumulo di energia a volano nella regolazione dei picchi della rete elettrica e nella regolazione della frequenza continuerà ad accelerare.
- UPS gruppo di continuità
Accumulo di energia UPS Nel sistema di alimentazione, vi è un gran numero di utenti che hanno elevati requisiti di qualità dell'alimentazione, come la produzione di semiconduttori, i sistemi informatici nelle banche, i sistemi di comunicazione, le apparecchiature mediche di precisione negli ospedali, ecc. Quando la rete elettrica esterna si interrompe o la qualità dell'alimentazione è anormale, per garantire un'alimentazione continua e affidabile a questi utenti, è possibile dotarsi di un gruppo di continuità UPS con accumulo di energia a volano.
- Altri
L'accumulo di energia a volano è adatto anche per l'applicazione nella generazione di energia solare, eolica e in altri sistemi, ed è utilizzato anche nel settore aerospaziale.
8. Stato del mercato globale dell'accumulo di energia a volano
La tecnologia di accumulo di energia a volano è stata sviluppata a partire dalla metà del XX secolo e vanta oltre 50 anni di ricerca, sviluppo e applicazione. Attualmente, la ricerca e lo sviluppo della tecnologia di accumulo di energia a volano a livello mondiale sono concentrati principalmente negli Stati Uniti, in Europa e in Giappone. Questi Paesi sono molto più avanti di altri nella ricerca applicativa di base della tecnologia del volano, nelle tecnologie chiave, nei processi di produzione, nello sviluppo dell'industrializzazione dei prodotti e nelle operazioni di mercato. Attualmente, poiché altri Paesi attribuiscono grande importanza alla tecnologia di accumulo dell'energia e investono massicciamente in essa, la tendenza alla multipolarizzazione sta diventando sempre più evidente.
Stati Uniti: Attualmente gli Stati Uniti occupano una posizione di leadership nella ricerca sulla tecnologia di accumulo dell'energia a volano, grazie soprattutto agli investimenti a lungo termine di istituzioni come il DOE e la NASA a partire dagli anni '70 e al continuo sostegno del mercato dei capitali per oltre 10 anni.
Europa: Tra i molti Paesi europei, la Germania e il Regno Unito sono quelli che hanno svolto le ricerche più approfondite sulla tecnologia di accumulo di energia a volano, e anche Francia, Italia e altri Paesi hanno investito molto.
Giappone: Il Giappone ha una forte forza tecnica nei materiali in fibra di carbonio ad alta resistenza e nei materiali superconduttori ad alta temperatura, che offrono condizioni favorevoli per lo sviluppo della tecnologia di accumulo di energia a volano.
Cina: La Cina ha prestato attenzione alla tecnologia di accumulo di energia a volano sin dagli anni '80. Attualmente, l'accumulo di energia a volano in Cina ha ottenuto molte esperienze di successo nell'applicazione pratica e nella dimostrazione nei settori della generazione di energia, della perforazione petrolifera e della navigazione.
9. Direzione di sviluppo della tecnologia di accumulo di energia a volano
- Il sistema di motori e convertitori si svilupperà a basso costo;
- I rotori ad alta densità energetica si svilupperanno verso i materiali compositi;
- I cuscinetti di supporto si svilupperanno in direzione delle sospensioni magnetiche e dei cuscinetti compositi;
- Miglioramento dell'energia di accumulo autonomo a volano;
- I sistemi di accumulo di energia a volano di grande capacità si svilupperanno in direzione di array modulari
In termini di colli di bottiglia tecnici, per i prodotti di accumulo di energia a volano di grande capacità, quando il momento di inerzia e la velocità massima del rotore del volano superano un certo valore, si dovranno affrontare problemi tecnici e di progettazione, come ad esempio: il materiale del rotore del volano ad alta resistenza e la tecnologia di progettazione e produzione strutturale, la tecnologia di progettazione e produzione dei cuscinetti compositi, la tecnologia di progettazione e produzione del motore bidirezionale, la tecnologia di raffreddamento del motore e dei cuscinetti sotto vuoto, ecc.
Sulla base dell'attuale sviluppo del settore, questo articolo analizza le principali tecnologie di accumulo di energia, le applicazioni di mercato, i problemi e le sfide.
In qualità di anello intermedio della catena industriale dell'accumulo di energia, i 10 principali integratori di sistemi di accumulo di energia in Cina sono responsabili dei fornitori di apparecchiature e dei proprietari dei sistemi di accumulo di energia.
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