O que é sistema de armazenamento de energia do volante?
2024-11-21
O sistema de armazenamento de energia do volante de inércia é um dispositivo de armazenamento de energia para conversão eletromecânica de energia.
O sistema utiliza métodos físicos para armazenar energia e realiza a conversão e armazenamento mútuos entre a energia elétrica e a energia cinética mecânica da roda voadora de alta velocidade através de um motor bidirecional elétrico/gerador recíproco.
O sistema de armazenamento de energia do volante é um sistema de armazenamento de energia mecânica com amplas perspetivas de aplicação. Tem as vantagens de uma elevada densidade de armazenamento de energia, forte adaptabilidade, vasta gama de aplicações, elevada eficiência, longa duração, sem poluição e baixos custos de manutenção.
Os sistemas de armazenamento de energia do volante têm sido utilizados na indústria aeroespacial, no fornecimento de energia UPS, nos transportes, na geração de energia eólica, na indústria nuclear e noutros campos. Com o avanço contínuo da tecnologia de materiais compósitos, da tecnologia de suporte magnético, da tecnologia de máquina integrada com gerador dinâmico e da tecnologia de design de otimização multidisciplinar, tem sido dada cada vez mais atenção à tecnologia de armazenamento de energia do volante, e às novas tecnologias relacionadas continuam a surgir.
Princípio de funcionamento do sistema de armazenamento de energia do volante
Ao armazenar energia, a energia elétrica externa é convertida pelo conversor de energia para fazer funcionar o motor, e o motor aciona o rotor do volante do motor para acelerar até atingir uma determinada velocidade definida. Durante o processo de aceleração do volante, o volante armazena energia sob a forma de energia cinética, completando o processo de armazenamento de energia de conversão de energia elétrica em energia cinética mecânica, e a energia é armazenada no corpo rotativo de alta velocidade do volante. Depois disso, o volante gira à velocidade definida até receber um sinal de controlo para libertação de energia. Ao libertar energia, o motor é utilizado como gerador, e o volante rotativo de alta velocidade arrasta o motor para gerar eletricidade. O conversor de energia emite corrente e tensão adequadas para a carga, completando o processo de libertação de energia de conversão de energia cinética mecânica em energia elétrica. Durante o processo de libertação de energia, a velocidade do volante continua a diminuir. Todo o sistema de armazenamento de energia do volante de inércia realiza a entrada, armazenamento e saída de energia elétrica.
Estrutura do sistema de armazenamento de energia do volante
Um sistema típico de armazenamento de energia do volante do motor é constituído por cinco componentes principais: corpo do volante do motor, rolamento, motor/gerador, conversor de energia e câmara de vácuo.
Nas aplicações práticas, existem muitas estruturas de sistemas de armazenamento de energia em volante. A Figura 1 mostra um esquema da estrutura de um sistema de armazenamento de energia de volante em que um volante e um motor estão integrados num só. O corpo do volante é o componente principal do sistema de armazenamento de energia do volante.
A sua função é aumentar a velocidade angular limite do rotor, reduzir o peso do rotor e maximizar a capacidade de armazenamento de energia do sistema de armazenamento de energia do volante de inércia. É feito principalmente de material de fibra de carbono.
O desempenho do rolamento afeta diretamente a fiabilidade, a eficiência e a vida útil do sistema de armazenamento de energia do volante do motor.
O sistema de armazenamento de energia do volante do motor utilizado adota principalmente um sistema de suspensão magnética para reduzir o atrito quando o rotor do motor gira, reduzir as perdas mecânicas e melhorar a eficiência do armazenamento de energia.
A conversão entre a energia cinética mecânica e a energia elétrica do sistema de armazenamento de energia do volante de inércia é realizada tendo como núcleo o motor/gerador e o seu controlo.
O motor/gerador integra um componente. Ao armazenar energia, opera como um motor, e o motor é acionado por energia elétrica externa para acionar o rotor do volante de inércia para acelerar até uma determinada velocidade definida; ao libertar energia, o motor funciona como gerador e emite energia elétrica para o exterior. Neste momento, a velocidade do volante continua a diminuir. Obviamente, motores/geradores de baixa perda e alta eficiência são a chave para uma transmissão eficiente de energia.
O conversor de energia visa melhorar a flexibilidade e controlabilidade do sistema de armazenamento de energia do volante e converter a energia elétrica de saída em energia elétrica que satisfaça os requisitos de alimentação da carga através de modulação de frequência, retificação ou tensão constante.
A principal função da câmara de vácuo é proporcionar um ambiente de vácuo e reduzir a perda de resistência ao vento quando o motor está a trabalhar.
Campos de aplicação do sistema de armazenamento de energia do volante
1. UPS de armazenamento de energia com volante de levitação magnética sem bateria
(1) Quando a entrada da rede elétrica é normal, ou quando a entrada da rede elétrica é baixa ou alta (dentro de um determinado intervalo), o UPS estabiliza e filtra a rede elétrica através do seu filtro dinâmico ativo interno para garantir o fornecimento de energia de alta qualidade ao equipamento de carga e carrega o sistema de armazenamento de energia do volante ao mesmo tempo. O UPS utiliza o dispositivo de armazenamento de energia do volante integrado para armazenar energia.
(2) Quando a qualidade da entrada da rede elétrica não consegue satisfazer os requisitos normais de funcionamento do UPS, ou quando a entrada da rede elétrica é interrompida, o UPS converte a energia mecânica armazenada no sistema de armazenamento de energia do volante em energia elétrica e continua a fornecer energia ininterrupta e de alta qualidade fornecimento ao equipamento de carga.
(3) Quando ocorrem problemas dentro do UPS que afetam o funcionamento, o UPS muda para o modo bypass através do seu interruptor estático interno e a rede elétrica fornece diretamente alimentação ininterrupta ao equipamento de carga.
(4) Quando a entrada da rede elétrica é restaurada, ou quando a qualidade da entrada da rede elétrica é restaurada para satisfazer os requisitos normais de funcionamento da UPS, esta muda imediatamente para o modo em que a rede elétrica é fornecida através da UPS, continua a fornecer fonte de alimentação ininterrupta e de alta qualidade ao equipamento de carga e continua a carregar o dispositivo de armazenamento de energia do volante.
2. Baterias de veículos elétricos
Com a melhoria da consciência de protecção ambiental e a contradição entre a oferta e a procura global de energia, o desenvolvimento de veículos económicos e ecológicos que utilizam energia alternativa para reduzir a poluição ambiental é uma tendência importante no desenvolvimento da indústria automóvel mundial. A indústria automóvel voltou a sua atenção para o desenvolvimento de veículos elétricos. Pode-se descobrir se os veículos elétricos podem ter maior mobilidade e competir com os veículos a gasolina. O sistema de armazenamento de energia do volante tem características de limpeza, alta eficiência, carga e descarga rápida e nenhuma poluição para o ambiente, sendo amplamente valorizado pela indústria automóvel. Espera-se que as baterias de volante sejam um ponto importante de investigação na indústria de veículos elétricos no século XXI.
3. Fonte de alimentação ininterrupta
A fonte de alimentação ininterrupta é amplamente utilizada em centros de comunicação, centros de comando de defesa nacional, centros de controlo de produção industrial, etc. A fonte de alimentação ininterrupta é constituída por retificador, inversor, interruptor estático e bateria.
No entanto, as baterias têm normalmente requisitos de temperatura de trabalho, humidade de trabalho, tensão de entrada e profundidade de descarga. Ao mesmo tempo, as baterias não podem ser desligadas e ligadas com frequência. O sistema de armazenamento de energia do volante tem as vantagens de uma grande capacidade de armazenamento, elevada densidade de armazenamento de energia, carregamento rápido, tempos de carga e descarga ilimitados, pelo que tem boas perspetivas de aplicação no campo do sistema de alimentação ininterrupta.
4. Fonte de alimentação ininterrupta do sistema de geração de energia eólica
Devido à velocidade instável do vento, a geração de energia eólica traz dificuldades aos utilizadores de energia eólica. A abordagem tradicional é instalar um gerador a diesel, mas devido aos requisitos especiais do próprio motor diesel, este só pode ser desligado 30 minutos após o arranque. E a energia eólica é frequentemente interrompida durante segundos ou minutos. O arranque frequente da unidade diesel não afeta apenas a vida útil; mas também depois de a turbina eólica ser reiniciada, o motor diesel funcionará ao mesmo tempo, o que causará excesso de eletricidade. Considerando a grande energia do sistema de armazenamento de energia do volante e o carregamento rápido, muitas instituições estrangeiras de investigação científica introduziram volantes de armazenamento de energia nos sistemas de geração de energia eólica. Os Estados Unidos introduziram volantes no sistema de geração de energia eólica para atingir a regulação total de pico. A potência de geração de energia da unidade do volante de inércia é de 300KW e o armazenamento de energia do volante de armazenamento de energia de grande capacidade é de 277KW por hora.
5. Fonte de alimentação de descarga de impulsos de alta potência
Para evitar o enorme desperdício de veículos lançadores que só podem ser utilizados uma vez e reduzir a poluição do ar, os Estados Unidos estão a estudar um suporte de motor linear de levitação magnética (também conhecido como elevador espacial) para lançar o vaivém espacial. Isto requer uma fonte de alimentação com grande potência, mas com um tempo de descarga muito curto. Portanto, é obviamente irracional construir um sistema energético de grande capacidade para fornecer energia. O uso de um sistema de armazenamento de energia de volante pode conseguir isso.
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