Armazenamento de energia no volante do motor é uma tecnologia de armazenamento de energia com elevada densidade de potência, elevada fiabilidade, longa duração e respeito pelo ambiente. Caracteriza-se por levitação magnética total, baixo consumo de energia, resposta rápida, longa duração e elevado número de ciclos de carga e descarga.
1. O que é o armazenamento de energia no volante do motor?
De acordo com os diferentes métodos de armazenamento de energia, as tecnologias de armazenamento de energia dividem-se principalmente em três categorias: armazenamento de energia mecânica (como o armazenamento de energia por bombagem de água, o armazenamento de energia por compressão de ar, o armazenamento de energia por volante de inércia, etc.), armazenamento de energia electromagnética (como o armazenamento de energia electromagnética supercondutora, o armazenamento de energia por supercondensadores, etc.), armazenamento de energia eletroquímica (como as baterias de chumbo-ácido, as baterias de fluxo redox, o armazenamento de energia por baterias de sódio-enxofre, armazenamento de energia de baterias de iões de lítio, etc).
A tecnologia de armazenamento de energia do volante de inércia é um tipo de tecnologias de armazenamento de energia que utiliza motores bidireccionais recíprocos (motores/geradores) para realizar a conversão mútua entre energia eléctrica e energia mecânica de volantes de inércia de alta velocidade. Utiliza um volante rotativo de alta velocidade para armazenar energia sob a forma de energia cinética. Quando há falta ou necessidade urgente de energia, o volante abranda e liberta a energia armazenada.
2. O princípio técnico do armazenamento de energia no volante do motor
O armazenamento de energia do volante de inércia é um dispositivo de armazenamento mecânico que realiza a conversão e o armazenamento mútuos de energia eléctrica e energia cinética mecânica de um volante de inércia rotativo de alta velocidade através de um motor bidirecional recíproco elétrico/gerador. A energia armazenada no volante baseia-se no princípio da massa rotativa. A energia de entrada para um sistema de armazenamento de energia de volante de inércia provém normalmente da rede ou de qualquer outra fonte de energia eléctrica. O volante de inércia está ligado coaxialmente com o motor, mostrando que o controlo do motor pode controlar o volante de inércia.
O volante de inércia é acionado por um motor elétrico, trocando energia eléctrica por energia mecânica e vice-versa. Quando o volante está a armazenar energia, o motor acelera o volante e a energia eléctrica é convertida em energia cinética; quando a energia é libertada, o volante acciona o motor para gerar eletricidade, o volante desacelera e a energia cinética é convertida em energia eléctrica.
3. Características do armazenamento de energia no volante do motor
Como uma nova tecnologia na armazenamento global de energia Na indústria, o armazenamento de energia por volante de inércia tem vantagens únicas em muitos sítios. Atualmente, é uma das tecnologias mais promissoras de armazenamento de energia de alta potência a curto prazo, como se pode ver em:
- O volante de inércia tem uma elevada densidade de armazenamento de energia e uma elevada potência instantânea. Pode produzir mais energia num curto espaço de tempo, o que favorece o lançamento do canhão eletromagnético e o arranque rápido do veículo.
- Ciclo de vida longo. Durante todo o ciclo de vida, a densidade de armazenamento de energia e a vida útil não serão afectadas por sobrecarga ou descarga excessiva, e o volante não será danificado. A sua vida útil depende principalmente da vida dos componentes electrónicos da bateria do volante, geralmente até cerca de 20 anos.
- É fácil medir a profundidade da descarga e a "potência" restante.
- O tempo de carregamento é curto. Geralmente, a bateria pode ser totalmente carregada em poucos minutos.
- Elevada eficiência de conversão de energia. Geralmente, pode atingir cerca de 90%, o que significa que há mais energia disponível e menos dissipação de calor, o que é superior à eficiência de conversão das baterias químicas.
- Proteção ecológica e ambiental, sem poluição.
4. Composição do armazenamento de energia do volante de inércia
O sistema de armazenamento de energia do volante de inércia é composto pelo rotor do volante de inércia, motor, rolamento, interface eletrónica de potência e caixa.
- rotor do volante
A energia armazenada num volante de inércia é determinada pela forma e material do rotor. A energia é linearmente proporcional ao momento de inércia e ao quadrado da sua velocidade angular, pelo que a energia armazenada num volante de inércia pode ser optimizada aumentando a velocidade de rotação ou aumentando o momento de inércia. Isto oferece duas opções para os sistemas de armazenamento em volante de inércia: sistemas de armazenamento em volante de inércia de baixa velocidade (normalmente até 10.000 rpm) e sistemas de armazenamento em volante de inércia de alta velocidade (até 100.000 rpm).
Os volantes de baixa velocidade são normalmente feitos de materiais metálicos mais pesados e são suportados por rolamentos mecânicos ou magnéticos. Os volantes de alta velocidade utilizam geralmente materiais compósitos mais leves mas mais resistentes e requerem normalmente rolamentos magnéticos. Os volantes de alta velocidade podem frequentemente custar até 5 vezes mais do que os volantes de baixa velocidade.
- motor
O motor bidirecional recíproco elétrico/gerador é acoplado ao volante do motor para realizar a conversão de energia e carregamento da bateria processo do volante de inércia. Esta máquina funciona como um motor, armazenando energia cinética para o volante, acelerando-o e extraindo eletricidade da fonte de alimentação.
A energia armazenada no volante de inércia é extraída pelo mesmo motor elétrico que actua como gerador, pelo que o volante de inércia abranda no processo de conversão da energia cinética em eletricidade. Os motores normalmente utilizados em sistemas de armazenamento de energia em volantes de inércia são os motores de indução (IM), os motores de ímanes permanentes (PM) e os motores de relutância variável (VRM). Os motores de indução são utilizados em aplicações de alta potência devido à sua robustez, binário elevado e baixo custo. As limitações de velocidade, os controlos complexos e os requisitos de manutenção mais elevados são os principais problemas dos motores de indução.
- Os motores de indução de alimentação dupla (DFIM) são atualmente utilizados em aplicações de sistemas de armazenamento de energia em volantes de inércia devido ao seu controlo flexível e às menores taxas de conversão de energia, reduzindo assim o tamanho da eletrónica de potência.
- O motor de relutância variável tem as características de um desempenho estável, baixa perda ao ralenti e uma vasta gama de velocidades. Para o funcionamento a alta velocidade, os motores de relutância variável têm um mecanismo de controlo mais simples do que os motores de indução. As suas desvantagens são o baixo fator de potência, a baixa densidade de potência e a grande flutuação do binário. Tanto a relutância comutada como a relutância síncrona são adequadas para sistemas de armazenamento de energia de volante de inércia de alta velocidade.
- O motor de ímanes permanentes tem uma elevada eficiência, uma elevada densidade de potência e uma baixa perda no rotor, sendo o motor mais utilizado nos sistemas de armazenamento de energia do volante de inércia. É amplamente utilizado em aplicações de alta velocidade. Os principais problemas dos motores de ímanes permanentes são a perda em marcha lenta devido à perda de corrente de Foucault do estator, o preço elevado e a baixa resistência à tração.
- Os motores de corrente contínua sem escovas (BLDCM), os motores síncronos de ímanes permanentes (PMSM) e as máquinas de matriz de Halbach (HAM) são os principais tipos de motores de ímanes permanentes utilizados em aplicações de sistemas de armazenamento de energia em volantes de inércia.
- rolamento
O armazenamento de energia no volante de inércia requer rolamentos para manter o rotor no lugar com fricção muito baixa, enquanto fornece o mecanismo de suporte para o volante de inércia. Os sistemas de rolamentos podem ser mecânicos ou magnéticos, consoante o peso, a vida útil e a redução das perdas.
Os rolamentos mecânicos de esferas são tradicionalmente utilizados, mas, em comparação com os rolamentos magnéticos, os rolamentos mecânicos de esferas têm maior atrito e exigem custos de manutenção mais elevados devido à degradação do lubrificante. Estas deficiências podem ser atenuadas através da utilização de um sistema híbrido de rolamentos magnéticos e mecânicos. Os rolamentos magnéticos não têm perdas por atrito e não necessitam de lubrificação.
As chumaceiras magnéticas permanentes (passivas), as chumaceiras magnéticas activas (AMB) e as chumaceiras magnéticas supercondutoras (SMB) são os principais tipos de sistemas de chumaceiras magnéticas.
- O PMB tem uma elevada rigidez, baixo custo e baixas perdas. No entanto, os PMB têm limitações em termos de estabilidade e são geralmente considerados como sistemas de rolamentos auxiliares.
- O AMB é acionado por um campo magnético gerado por uma bobina portadora de corrente que controla a posição do rotor. O custo do AMB é elevado, o sistema de controlo é complexo e a energia é consumida durante o funcionamento, o que aumenta as perdas do sistema. Para garantir uma boa eficiência do sistema global, é necessário estabelecer um compromisso entre a velocidade e as perdas.
- O SMB proporciona alta velocidade, sem fricção, longa vida útil, funcionamento compacto e estável. É o melhor rolamento magnético para funcionamento a alta velocidade, uma vez que estabiliza o volante do motor sem energia eléctrica ou sistemas de posicionamento. No entanto, o SMB requer um sistema de arrefecimento criogénico porque funciona a temperaturas muito baixas; mas nos últimos anos, foi melhorado através da utilização de supercondutores de alta temperatura (HTS). A principal desvantagem do sistema SMB é o facto de ser muito caro.
5. Parâmetros de desempenho da tecnologia de armazenamento de energia do volante de inércia
| Projeto | Armazenamento de energia em volantes de inércia de alta velocidade |
|---|---|
| Maturidade tecnológica | Comercial |
| Densidade energética (W.h/kg) | 32 |
| Densidade de potência (W/kg) | 4500 |
| Eficiência de conversão de energia, % | ＞85 |
| Nível de potência/MW | 0～20 |
| Tempo de descarga contínua | 1ms～1min |
| Taxa de auto-descarga (%/mês) | 2~20 |
| Anos de serviço | 20 |
| Número de ciclos | Mais de um milhão de vezes |
| Tempo de arranque/ms | ＜2 |
| Velocidade correspondente/ms | ＜2 |
| Custo da eletricidade (yuan/kW) | 1700～2000 |
| Custo da energia (yuan/kW.h) | 100000～400000 |
| Custo de funcionamento e manutenção/(yuan/kW) | 50～100 |
6. Vantagens técnicas do armazenamento de energia no volante do motor
Através da comparação técnica de vários métodos de armazenamento de energia, pode verificar-se que o armazenamento de energia por volante de inércia tem uma eficiência elevada (até 90%), uma grande potência instantânea (nível de um único megawatt), uma velocidade de resposta rápida (vários milissegundos) e uma longa vida útil (10 É atualmente uma das tecnologias de armazenamento de energia de alta potência a curto prazo mais promissoras.
7. Cenários de aplicação do armazenamento de energia no volante do motor
- Trânsito ferroviário
As vantagens da elevada densidade de potência e da elevada eficiência do armazenamento de energia do volante de inércia enquadram-se perfeitamente no sistema de trânsito ferroviário, e o seu efeito de poupança de energia excede largamente o de outros equipamentos de poupança de energia.
Nos custos de exploração dos transportes ferroviários urbanos, como o metropolitano, os custos de eletricidade representam cerca de 40% e a energia de tração dos comboios representa 45%-60% do custo total de eletricidade das operações do metropolitano, dos quais 17% são energia de travagem regenerativa reciclável. A energia de travagem recuperada é geralmente consumida pela dissipação do calor da resistência, o que levanta problemas de desperdício de recursos e de impacto na rede eléctrica. A utilização de um dispositivo de armazenamento de energia com volante de inércia pode poupar 15% do consumo de energia de tração.
- Rede eléctrica
O armazenamento de energia do volante de inércia tem alta potência, resposta rápida e longa vida útil, e é adequado para a regulação do pico da rede eléctrica e a regulação da frequência.
Alguns países europeus aplicaram sistemas de armazenamento de energia em volantes de inércia para a regulação do pico da rede eléctrica e a regulação da frequência. Atualmente, muitos locais na China lançaram projectos de armazenamento de energia por volante de inércia para a regulação do pico da rede eléctrica e a regulação da frequência. Prevê-se que o ritmo das aplicações de armazenamento de energia dos volantes de inércia na regulação dos picos da rede eléctrica e na regulação da frequência continue a acelerar.
- Fonte de alimentação ininterrupta UPS
Armazenamento de energia UPS No sistema de energia, há um grande número de utilizadores que têm elevados requisitos de qualidade de energia, como o fabrico de semicondutores, sistemas informáticos em bancos, sistemas de comunicação, equipamento médico de precisão em hospitais, etc. Quando a rede eléctrica externa é interrompida ou a qualidade do fornecimento de energia é anormal, a fim de assegurar um fornecimento de energia contínuo e fiável a estes utilizadores, pode ser equipada com uma fonte de alimentação ininterrupta UPS com armazenamento de energia no volante do motor.
- Outros
O armazenamento de energia do volante de inércia também é adequado para aplicação na produção de energia solar, na produção de energia eólica e noutros sistemas, sendo também utilizado no domínio aeroespacial.
8. Situação do mercado mundial de armazenamento de energia no volante do motor
A tecnologia de armazenamento de energia por volante de inércia tem sido desenvolvida desde meados do século XX e conta com mais de 50 anos de história de investigação, desenvolvimento e aplicação. Atualmente, a investigação e o desenvolvimento globais da tecnologia de armazenamento de energia por volante de inércia concentram-se principalmente nos Estados Unidos, na Europa e no Japão. Estes países estão muito à frente de outros países no que respeita à investigação básica de aplicação da tecnologia de volante de inércia, tecnologias-chave, processos de fabrico, desenvolvimento da industrialização de produtos e operações de mercado. Atualmente, à medida que outros países atribuem grande importância e investem fortemente na tecnologia de armazenamento de energia, a tendência de multipolarização está a tornar-se cada vez mais evidente.
Estados Unidos: Atualmente, os Estados Unidos ocupam uma posição de liderança na investigação da tecnologia de armazenamento de energia por volante de inércia, o que se deve principalmente ao investimento a longo prazo de instituições como o DOE e a NASA desde a década de 1970 e ao apoio contínuo do mercado de capitais durante mais de 10 anos.
Europa: Entre muitos países europeus, a Alemanha e o Reino Unido são os que mais investigam a tecnologia de armazenamento de energia por volante de inércia, e a França, a Itália e outros países também investiram fortemente.
Japão: O Japão tem uma forte força técnica em materiais de fibra de carbono de alta resistência e materiais supercondutores de alta temperatura, o que proporciona condições favoráveis para o desenvolvimento da tecnologia de armazenamento de energia do volante de inércia.
China: A China tem vindo a prestar atenção à tecnologia de armazenamento de energia por volante de inércia desde a década de 1980. Atualmente, a tecnologia de armazenamento de energia por volante de inércia da China tem conseguido muitas experiências de sucesso na aplicação prática e demonstração nos domínios da produção de energia, perfuração de petróleo e navegação.
9. Direção do desenvolvimento da tecnologia de armazenamento de energia do volante de inércia
- O sistema de motor e conversor evoluirá no sentido do baixo custo;
- Os rotores de elevada densidade energética evoluirão para materiais compósitos;
- Os rolamentos de apoio evoluirão no sentido da suspensão magnética e dos rolamentos compósitos;
- Melhoria do armazenamento autónomo de energia do volante de inércia;
- Os sistemas de armazenamento de energia de volante de inércia de grande capacidade desenvolver-se-ão na direção de matrizes modulares
Em termos de estrangulamentos técnicos, no caso dos produtos de armazenamento de energia em volantes de inércia de grande capacidade, quando o momento de inércia e a velocidade máxima do rotor do volante de inércia excedem um determinado valor, surgem problemas técnicos e de conceção, tais como: material do rotor do volante de inércia de elevada resistência e tecnologia de conceção e fabrico de estruturas, tecnologia de conceção e fabrico de chumaceiras compostas, tecnologia de conceção e fabrico de motores bidireccionais, tecnologia de arrefecimento de motores e chumaceiras em vácuo, etc.
Com base no desenvolvimento atual da indústria, este artigo analisa as principais tecnologias de armazenamento de energia, a aplicação no mercado, os problemas e os desafios.
Enquanto elo intermédio da cadeia industrial de armazenamento de energia, os 10 principais integradores de sistemas de armazenamento de energia da China são responsáveis pelos fornecedores de equipamento e pelos proprietários de sistemas de armazenamento de energia.
Neste artigo, vamos discutir a importância do armazenamento de energia da UPS e como este pode melhorar significativamente as capacidades de backup de energia. Explorar as características e vantagens do armazenamento de energia UPS a partir de agora.
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