El almacenamiento de energía del volante ( FES ) funciona acelerando un rotor ( volante ) a una velocidad muy alta y manteniendo la energía en el sistema como energía rotacional . Cuando se extrae energía del sistema, la velocidad de rotación del volante se reduce como consecuencia del principio de conservación de la energía ; Agregar energía al sistema da como resultado un aumento en la velocidad del volante.
La mayoría de los sistemas FES utilizan electricidad para acelerar y desacelerar el volante, pero se están desarrollando dispositivos que utilizan directamente energía mecánica . [1]
Los sistemas FES avanzados tienen rotores hechos de compuestos de fibra de carbono de alta resistencia, suspendidos por cojinetes magnéticos y que giran a velocidades de 20.000 a más de 50.000 rpm en un recinto de vacío. [2] Estos volantes pueden acelerarse en cuestión de minutos, alcanzando su capacidad energética mucho más rápidamente que otras formas de almacenamiento. [2]
Un sistema típico consta de un volante sostenido por un cojinete de elementos rodantes conectado a un motor-generador . El volante y, a veces, el motor-generador pueden estar encerrados en una cámara de vacío para reducir la fricción y la pérdida de energía.
Los sistemas de almacenamiento de energía con volante de inercia de primera generación utilizan un gran volante de acero que gira sobre cojinetes mecánicos. Los sistemas más nuevos utilizan rotores compuestos de fibra de carbono que tienen una mayor resistencia a la tracción que el acero y pueden almacenar mucha más energía para la misma masa . [3]
Para reducir la fricción , a veces se utilizan cojinetes magnéticos en lugar de cojinetes mecánicos .
El coste de la refrigeración llevó al pronto abandono de los superconductores de baja temperatura para su uso en cojinetes magnéticos. Sin embargo, los rodamientos superconductores de alta temperatura (HTSC) pueden ser económicos y posiblemente prolongar el tiempo en el que se puede almacenar energía de forma económica. [4] Es más probable que los sistemas de rodamientos híbridos sean los primeros en utilizarse. Históricamente, los cojinetes superconductores de alta temperatura han tenido problemas para proporcionar las fuerzas de elevación necesarias para los diseños más grandes, pero pueden proporcionar fácilmente una fuerza estabilizadora. Por tanto, en los rodamientos híbridos, los imanes permanentes soportan la carga y se utilizan superconductores de alta temperatura para estabilizarla. La razón por la que los superconductores pueden funcionar bien estabilizando la carga es porque son diamagnetos perfectos . Si el rotor intenta desviarse del centro, una fuerza de restauración debida a la fijación del flujo lo restaura. Esto se conoce como rigidez magnética del rodamiento. La vibración del eje de rotación puede ocurrir debido a la baja rigidez y amortiguación, que son problemas inherentes a los imanes superconductores, lo que impide el uso de cojinetes magnéticos completamente superconductores para aplicaciones de volante.
Dado que la fijación del fundente es un factor importante para proporcionar la fuerza de estabilización y elevación, el HTSC se puede fabricar mucho más fácilmente para FES que para otros usos. Los polvos HTSC se pueden moldear en formas arbitrarias siempre que la fijación del flujo sea fuerte. Un desafío continuo que debe superarse antes de que los superconductores puedan proporcionar toda la fuerza de elevación para un sistema FES es encontrar una manera de suprimir la disminución de la fuerza de levitación y la caída gradual del rotor durante el funcionamiento causada por la fluencia del material superconductor.
En comparación con otras formas de almacenar electricidad, los sistemas FES tienen una larga vida útil (duran décadas con poco o ningún mantenimiento; [2] la vida útil de ciclo completo citada para los volantes varía desde más de 10 5 hasta 10 7 ciclos de uso). [5] alta energía específica (100–130 W·h/kg, o 360–500 kJ/kg), [5] [6] y gran potencia máxima de salida. La eficiencia energética ( relación de energía gastada por energía entrante ) de los volantes de inercia, también conocida como eficiencia de ida y vuelta, puede llegar al 90%. Las capacidades típicas oscilan entre 3 kWh y 133 kWh. [2] La carga rápida de un sistema se produce en menos de 15 minutos. [7] Las altas energías específicas que a menudo se citan en los volantes de inercia pueden ser un poco engañosas, ya que los sistemas comerciales construidos tienen una energía específica mucho menor, por ejemplo, 11 W·h/kg o 40 kJ/kg. [8]
Aquí está la integral de la masa del volante y la velocidad de rotación (número de revoluciones por segundo).
La energía específica máxima de un rotor de volante depende principalmente de dos factores: el primero es la geometría del rotor y el segundo son las propiedades del material que se utiliza. Para rotores isotrópicos de un solo material, esta relación se puede expresar como [9]
dónde
El valor más alto posible para el factor de forma [10] de un rotor de volante es , que sólo puede alcanzarse mediante la geometría teórica del disco de tensión constante . [11] Una geometría de disco de espesor constante tiene un factor de forma de , mientras que para una varilla de espesor constante el valor es . Un cilindro delgado tiene un factor de forma de . Para la mayoría de los volantes con eje, el factor de forma está por debajo o aproximadamente . Un diseño sin eje [12] tiene un factor de forma similar a un disco de espesor constante ( ), lo que permite duplicar la densidad de energía.
Para el almacenamiento de energía, son deseables materiales con alta resistencia y baja densidad. Por esta razón, los materiales compuestos se utilizan frecuentemente en volantes avanzados. La relación resistencia-densidad de un material se puede expresar en Wh/kg (o Nm/kg); Ciertos materiales compuestos pueden alcanzar valores superiores a 400 Wh/kg.
Varios rotores de volante modernos están fabricados con materiales compuestos. Los ejemplos incluyen el volante compuesto de fibra de carbono de Beacon Power Corporation [13] y el volante PowerThru de Phillips Service Industries. [14] Alternativamente, Calnetix utiliza acero de alto rendimiento de grado aeroespacial en la construcción de su volante. [15]
Para estos rotores, la relación entre las propiedades del material, la geometría y la densidad de energía se puede expresar mediante un enfoque de promedio ponderado. [dieciséis]
Uno de los principales límites del diseño del volante es la resistencia a la tracción del rotor. En términos generales, cuanto más fuerte sea el disco, más rápido podrá girar y más energía podrá almacenar el sistema. (Hacer el volante más pesado sin el correspondiente aumento de fuerza disminuirá la velocidad máxima a la que el volante puede girar sin romperse, por lo tanto, no aumentará la cantidad total de energía que el volante puede almacenar).
Cuando se excede la resistencia a la tracción de la cubierta de unión exterior de un volante compuesto, la cubierta de unión se fracturará y la rueda se romperá a medida que la compresión de la rueda exterior se pierde en toda la circunferencia, liberando toda su energía almacenada a la vez; Esto se conoce comúnmente como "explosión del volante", ya que los fragmentos de la rueda pueden alcanzar una energía cinética comparable a la de una bala. Los materiales compuestos que se enrollan y pegan en capas tienden a desintegrarse rápidamente, primero en filamentos de pequeño diámetro que se enredan y frenan entre sí, y luego en polvo al rojo vivo; un volante de metal fundido arroja grandes trozos de metralla a alta velocidad.
Para un volante de inercia de metal fundido , el límite de falla es la fuerza de unión de los límites de grano del metal moldeado policristalino . El aluminio, en particular, sufre fatiga y puede desarrollar microfracturas debido a estiramientos repetidos de baja energía. Las fuerzas angulares pueden hacer que partes de un volante de metal se doblen hacia afuera y comiencen a arrastrarse sobre el recipiente de contención exterior, o que se separen por completo y reboten aleatoriamente alrededor del interior. El resto del volante ahora está gravemente desequilibrado, lo que puede provocar una falla rápida del rodamiento debido a la vibración y una fractura repentina por impacto de grandes segmentos del volante.
Los sistemas de volante tradicionales requieren recipientes de contención resistentes como medida de seguridad, lo que aumenta la masa total del dispositivo. La liberación de energía por falla se puede amortiguar con un revestimiento interior de la carcasa líquido gelatinoso o encapsulado, que hervirá y absorberá la energía de destrucción. Aún así, muchos clientes de sistemas de almacenamiento de energía con volante de inercia a gran escala prefieren incrustarlos en el suelo para detener cualquier material que pueda escapar del recipiente de contención.
Los sistemas de almacenamiento de energía con volante que utilizan cojinetes mecánicos pueden perder entre el 20% y el 50% de su energía en dos horas. [17] Gran parte de la fricción responsable de esta pérdida de energía se debe al cambio de orientación del volante debido a la rotación de la Tierra (un efecto similar al mostrado por un péndulo de Foucault ). Este cambio de orientación es resistido por las fuerzas giroscópicas ejercidas por el momento angular del volante, ejerciendo así una fuerza contra los cojinetes mecánicos. Esta fuerza aumenta la fricción. Esto se puede evitar alineando el eje de rotación del volante paralelo al eje de rotación de la Tierra. [ cita necesaria ]
Por el contrario, los volantes con cojinetes magnéticos y alto vacío pueden mantener una eficiencia mecánica del 97% y una eficiencia de ida y vuelta del 85%. [18]
Cuando se utilizan en vehículos, los volantes también actúan como giroscopios , ya que su momento angular suele ser de un orden de magnitud similar a las fuerzas que actúan sobre el vehículo en movimiento. Esta propiedad puede ser perjudicial para las características de manejo del vehículo al girar o conducir sobre terreno accidentado; Conducir hacia el costado de un terraplén inclinado puede causar que las ruedas se levanten parcialmente del suelo ya que el volante se opone a las fuerzas de inclinación lateral. Por otro lado, esta propiedad podría utilizarse para mantener el automóvil equilibrado y evitar que vuelque durante las curvas cerradas. [19]
Cuando un volante se utiliza enteramente por sus efectos sobre la actitud de un vehículo, en lugar de para almacenar energía, se le llama rueda de reacción o giroscopio de momento de control .
La resistencia de la inclinación angular se puede eliminar casi por completo montando el volante dentro de un conjunto de cardanes aplicados apropiadamente , permitiendo que el volante conserve su orientación original sin afectar el vehículo (ver Propiedades de un giroscopio ). Esto no evita la complicación del bloqueo del cardán , por lo que es necesario un equilibrio entre el número de cardanes y la libertad angular.
El eje central del volante actúa como un único cardán y, si se alinea verticalmente, permite una orientación de 360 grados en un plano horizontal. Sin embargo, por ejemplo, conducir cuesta arriba requiere un segundo cardán de inclinación y conducir por el costado de un terraplén inclinado requiere un tercer cardán de balanceo.
Aunque el volante en sí puede tener forma de anillo plano, un cardán de libre movimiento montado dentro de un vehículo requiere un volumen esférico para que el volante gire libremente en su interior. Si se lo dejara solo, un volante giratorio en un vehículo precedería lentamente siguiendo la rotación de la Tierra, y precedería aún más en vehículos que viajan largas distancias sobre la superficie esférica curva de la Tierra.
Un cardán de movimiento completo tiene problemas adicionales sobre cómo comunicar energía dentro y fuera del volante, ya que el volante podría potencialmente girar completamente una vez al día, precediendo a medida que la Tierra gira. La rotación libre total requeriría anillos colectores alrededor de cada eje del cardán para los conductores de energía, lo que aumentaría aún más la complejidad del diseño.
Para reducir el uso de espacio, el sistema de cardán puede tener un diseño de movimiento limitado, utilizando amortiguadores para amortiguar movimientos rápidos y repentinos dentro de un cierto número de grados de rotación angular fuera del plano, y luego obligando gradualmente al volante a adoptar la posición del vehículo. orientación actual. Esto reduce el espacio de movimiento del cardán alrededor de un volante en forma de anillo de una esfera completa a un cilindro corto y engrosado, que abarca, por ejemplo, ± 30 grados de inclinación y ± 30 grados de balanceo en todas las direcciones alrededor del volante.
Una solución alternativa al problema es tener dos volantes unidos que giren sincrónicamente en direcciones opuestas. Tendrían un momento angular total de cero y ningún efecto giroscópico. Un problema con esta solución es que cuando la diferencia entre el impulso de cada volante es distinta de cero, la carcasa de los dos volantes exhibiría torque. Ambas ruedas deben mantenerse a la misma velocidad para mantener la velocidad angular en cero. En rigor, los dos volantes ejercerían un enorme momento de torsión en el punto central, intentando doblar el eje. Sin embargo, si el eje fuera lo suficientemente fuerte, ninguna fuerza giroscópica tendría un efecto neto sobre el contenedor sellado, por lo que no se notaría ningún par.
Para equilibrar aún más las fuerzas y distribuir la tensión, un solo volante grande puede equilibrarse con dos volantes de tamaño medio en cada lado, o los volantes pueden reducirse en tamaño para ser una serie de capas alternas que giran en direcciones opuestas. Sin embargo, esto aumenta la complejidad de la carcasa y los rodamientos.
En la década de 1950, los autobuses propulsados por volante, conocidos como girobuses , se utilizaban en Yverdon ( Suiza ) y Gante ( Bélgica ) y se está investigando para fabricar sistemas de volante que sean más pequeños, más ligeros, más baratos y con mayor capacidad. Se espera que los sistemas de volante puedan reemplazar las baterías químicas convencionales para aplicaciones móviles, como los vehículos eléctricos. Los sistemas de volante propuestos eliminarían muchas de las desventajas de los sistemas de energía de batería existentes, como la baja capacidad, los largos tiempos de carga, el gran peso y la corta vida útil. Es posible que se hayan utilizado volantes en el Chrysler Patriot experimental , aunque eso ha sido cuestionado. [20]
También se han propuesto volantes para su uso en transmisiones continuamente variables . Punch Powertrain está trabajando actualmente en un dispositivo de este tipo. [21]
Durante la década de 1990, Rosen Motors desarrolló un sistema de propulsión automotriz híbrido en serie propulsado por turbina de gas que utilizaba un volante de inercia de 55.000 rpm para proporcionar ráfagas de aceleración que el pequeño motor de turbina de gas no podía proporcionar. El volante también almacenó energía mediante frenado regenerativo . El volante estaba compuesto por un cubo de titanio con un cilindro de fibra de carbono y estaba montado en un cardán para minimizar los efectos giroscópicos adversos en el manejo del vehículo. El prototipo del vehículo se probó con éxito en carretera en 1997, pero nunca se produjo en masa. [22]
En 2013, Volvo anunció un sistema de volante instalado en el eje trasero de su sedán S60. La acción de frenado hace girar el volante hasta 60.000 rpm y detiene el motor montado en la parte delantera. La energía del volante se aplica a través de una transmisión especial para impulsar total o parcialmente el vehículo. El volante de inercia de fibra de carbono de 20 centímetros (7,9 pulgadas) y 6 kilogramos (13 libras) gira en el vacío para eliminar la fricción. Cuando se combina con un motor de cuatro cilindros, ofrece hasta un 25 por ciento de reducción en el consumo de combustible en comparación con un turbo de seis cilindros de rendimiento comparable, proporcionando un impulso de 80 caballos de fuerza (60 kW) y permitiéndole alcanzar los 100 kilómetros por hora (62 mph). ) en 5,5 segundos. La empresa no anunció planes específicos para incluir la tecnología en su línea de productos. [23]
En julio de 2014, GKN adquirió la división Williams Hybrid Power (WHP) y tiene la intención de suministrar 500 sistemas de volante eléctrico Gyrodrive de fibra de carbono a operadores de autobuses urbanos durante los próximos dos años [24] . Como lo indica el nombre del desarrollador anterior, estos fueron diseñados originalmente para motores de Fórmula 1. Aplicaciones de carreras . En septiembre de 2014, Oxford Bus Company anunció que introducirá 14 autobuses híbridos Gyrodrive de Alexander Dennis en su operación Brookes Bus. [25] [26]
Los sistemas de volante se han utilizado experimentalmente en pequeñas locomotoras eléctricas para maniobras o maniobras , por ejemplo, la girolocomotora Sentinel-Oerlikon . Las locomotoras eléctricas más grandes, por ejemplo la British Rail Class 70 , a veces han sido equipadas con propulsores de volante para transportarlas sobre los huecos del tercer carril . Los volantes avanzados, como el paquete de 133 kWh de la Universidad de Texas en Austin , pueden llevar un tren desde parado hasta velocidad de crucero. [2]
El Parry People Mover es un vagón propulsado por un volante. Se probó los domingos durante 12 meses en el ramal de Stourbridge Town en West Midlands , Inglaterra , durante 2006 y 2007 y estaba previsto que el operador de trenes London Midland lo presentara como un servicio completo en diciembre de 2008, una vez que se hubieran encargado dos unidades. En enero de 2010 ambas unidades se encuentran en operación. [27]
FES se puede utilizar al lado de la línea de ferrocarriles electrificados para ayudar a regular el voltaje de la línea, mejorando así la aceleración de los trenes eléctricos no modificados y la cantidad de energía recuperada de regreso a la línea durante el frenado regenerativo , reduciendo así las facturas de energía. [28] Se han llevado a cabo pruebas en Londres, Nueva York, Lyon y Tokio, [29] y Long Island Rail Road de la MTA de Nueva York está invirtiendo ahora 5,2 millones de dólares en un proyecto piloto en el ramal West Hempstead del LIRR . [30] Estas pruebas y sistemas almacenan energía cinética en rotores que consisten en un cilindro compuesto de vidrio y carbono lleno de polvo de neodimio-hierro-boro que forma un imán permanente. Estos giran hasta 37.800 rpm y cada unidad de 100 kW (130 hp) puede almacenar 11 megajulios (3,1 kWh) de energía reutilizable, aproximadamente suficiente para acelerar un peso de 200 toneladas métricas (220 toneladas cortas; 197 toneladas largas). de cero a 38 km/h (24 mph). [29]
Los sistemas de almacenamiento de energía con volante de inercia en producción en 2001 [actualizar]tenían capacidades de almacenamiento comparables a las baterías y velocidades de descarga más rápidas. Se utilizan principalmente para proporcionar nivelación de carga para sistemas de baterías grandes, como un suministro de energía ininterrumpida para centros de datos, ya que ahorran una cantidad considerable de espacio en comparación con los sistemas de baterías. [31]
El mantenimiento del volante en general cuesta aproximadamente la mitad del costo de los sistemas UPS de batería tradicionales. El único mantenimiento es una rutina básica de mantenimiento preventivo anual y el reemplazo de los rodamientos cada cinco a diez años, lo que demora aproximadamente cuatro horas. [7] Los sistemas de volante más nuevos levitan completamente la masa giratoria utilizando cojinetes magnéticos sin mantenimiento , eliminando así el mantenimiento y las fallas de los cojinetes mecánicos. [7]
Los costos de un UPS con volante de inercia completamente instalado (incluido el acondicionamiento de energía) fueron (en 2009) de aproximadamente $ 330 por kilovatio (para 15 segundos de capacidad de carga completa). [32]
Un nicho de mercado de larga data para los sistemas de energía de volante son las instalaciones donde se prueban disyuntores y dispositivos similares: incluso un disyuntor doméstico pequeño puede estar clasificado para interrumpir una corriente de10.000 amperios o más, y las unidades más grandes pueden tener clasificaciones de interrupción de100.000 o1.000.000 de amperios. Las enormes cargas transitorias producidas al forzar deliberadamente a dichos dispositivos a demostrar su capacidad para interrumpir cortocircuitos simulados tendrían efectos inaceptables en la red local si estas pruebas se realizaran directamente desde la energía del edificio. Normalmente, un laboratorio de este tipo tendrá varios conjuntos grandes de motor y generador, que pueden acelerarse durante varios minutos; luego, el motor se desconecta antes de probar un disyuntor.
Los experimentos de fusión Tokamak necesitan corrientes muy altas durante breves intervalos (principalmente para alimentar grandes electroimanes durante unos segundos).
Además, el sincrotrón Nimrod del laboratorio Rutherford Appleton tenía dos volantes de inercia de 30 toneladas.
El portaaviones clase Gerald R. Ford utilizará volantes para acumular energía del suministro de energía del barco, para liberarla rápidamente en el sistema de lanzamiento electromagnético del avión . El sistema de energía a bordo no puede suministrar por sí solo los transitorios de alta potencia necesarios para el lanzamiento de aviones. Cada uno de los cuatro rotores almacenará 121 MJ (34 kWh) a 6400 rpm. Pueden almacenar 122 MJ (34 kWh) en 45 segundos y liberarlos en 2 o 3 segundos. [35] Las densidades de energía del volante son 28 kJ/kg (8 W·h/kg); Incluyendo los estatores y las cajas, esto se reduce a 18,1 kJ/kg (5 W·h/kg), excluyendo el marco de torsión. [35]
Este fue un diseño financiado por el Centro de Investigación Glenn de la NASA y destinado a pruebas de componentes en un entorno de laboratorio. Utilizaba una llanta de fibra de carbono con un buje de titanio diseñado para girar a 60.000 rpm, montado sobre cojinetes magnéticos. El peso estaba limitado a 250 libras (110 kilogramos). El almacenamiento era de 525 Wh (1,89 MJ) y podía cargarse o descargarse a 1 kW (1,3 hp), lo que generaba una energía específica de 5,31 W⋅h/kg y una densidad de potencia de 10,11 W/kg. [36] El modelo funcional que se muestra en la fotografía en la parte superior de la página funcionó a 41.000 rpm el 2 de septiembre de 2004. [37]
La montaña rusa Montezooma's Revenge en Knott's Berry Farm fue la primera montaña rusa del mundo lanzada con un volante y es la última atracción de este tipo que aún funciona en los Estados Unidos. El viaje utiliza un volante de inercia de 7,6 toneladas para acelerar el tren a 55 millas por hora (89 km/h) en 4,5 segundos.
La montaña rusa Incredible Hulk en Universal's Islands of Adventure presenta un lanzamiento cuesta arriba que se acelera rápidamente en lugar de la típica caída por gravedad. Esto se logra mediante potentes motores de tracción que impulsan el coche por la pista. Para lograr la breve corriente muy alta necesaria para acelerar un tren de montaña a toda velocidad cuesta arriba, el parque utiliza varios conjuntos de motor-generador con grandes volantes. Sin estas unidades de energía almacenada, el parque tendría que invertir en una nueva subestación o correr el riesgo de cortar la red eléctrica local cada vez que se inicie la atracción.
Los sistemas de almacenamiento de energía Flywheel (FESS) se encuentran en una variedad de aplicaciones que van desde la gestión de energía conectada a la red hasta suministros de energía ininterrumpida. Con el progreso de la tecnología, la aplicación FESS implica una rápida renovación. Los ejemplos incluyen armas de alta potencia, sistemas de propulsión de aviones y sistemas de energía a bordo de barcos, donde el sistema requiere una potencia muy alta durante un período corto, del orden de unos pocos segundos e incluso milisegundos. El alternador pulsado compensado (compulsador) es una de las opciones más populares de fuentes de alimentación pulsadas para reactores de fusión, láseres pulsados de alta potencia y lanzadores electromagnéticos de hipervelocidad debido a su alta densidad de energía y densidad de potencia, que generalmente está diseñado para el FESS. [38] Los compulsadores (alternadores de baja inductancia) actúan como condensadores; pueden girarse para proporcionar energía pulsada para cañones de riel y láseres. En lugar de tener un volante y un generador separados, sólo el gran rotor del alternador almacena energía. Véase también Generador homopolar . [39]
Utilizando una transmisión continuamente variable (CVT), la energía se recupera del tren motriz durante el frenado y se almacena en un volante. Esta energía almacenada luego se utiliza durante la aceleración alterando la relación de la CVT. [40] En aplicaciones deportivas de motor, esta energía se utiliza para mejorar la aceleración en lugar de reducir las emisiones de dióxido de carbono, aunque la misma tecnología se puede aplicar a los automóviles de carretera para mejorar la eficiencia del combustible . [41]
El Automobile Club de l'Ouest , organizador del evento anual de las 24 Horas de Le Mans y de las Le Mans Series , está actualmente "estudiando reglas específicas para el LMP1 que estará equipado con un sistema de recuperación de energía cinética". [42]
Williams Hybrid Power, una filial del equipo Williams F1 Racing, [43] ha suministrado a Porsche y Audi un sistema híbrido basado en volante para el 911 GT3 R Hybrid de Porsche [44] y el R18 e-Tron Quattro de Audi. [45] La victoria de Audi en las 24 Horas de Le Mans de 2012 es la primera para un vehículo híbrido (diésel-eléctrico). [46]
Los volantes se utilizan a veces como reserva giratoria a corto plazo para regular momentáneamente la frecuencia de la red y equilibrar cambios repentinos entre suministro y consumo. La ausencia de emisiones de carbono, tiempos de respuesta más rápidos y la posibilidad de comprar energía en horas de menor actividad se encuentran entre las ventajas de utilizar volantes de inercia en lugar de fuentes tradicionales de energía como las turbinas de gas natural. [47] El funcionamiento es muy similar al de las baterías en la misma aplicación, sus diferencias son principalmente económicas.
Beacon Power abrió una planta de almacenamiento de energía con volante de inercia de 5 MWh (20 MW en 15 minutos) [18] en Stephentown, Nueva York en 2011 [48] utilizando 200 volantes [49] y un sistema similar de 20 MW en Hazle Township, Pensilvania en 2014. [50]
En 2014 se inauguró una instalación de almacenamiento de volante de inercia de 0,5 MWh (2 MW durante 15 minutos) [51] en Minto , Ontario, Canadá. [52] El sistema de volante (desarrollado por NRStor) utiliza 10 volantes de acero giratorios sobre cojinetes magnéticos. [52]
Amber Kinetics, Inc. tiene un acuerdo con Pacific Gas and Electric (PG&E) para una instalación de almacenamiento de energía de volante de inercia de 20 MW / 80 MWh ubicada en Fresno, CA, con una duración de descarga de cuatro horas. [53]
Los volantes se pueden utilizar para almacenar la energía generada por las turbinas eólicas durante los períodos de menor actividad o durante las altas velocidades del viento.
En 2010, Beacon Power comenzó a probar su sistema de almacenamiento de energía con volante Smart Energy 25 (Gen 4) en un parque eólico en Tehachapi, California . El sistema era parte de un proyecto de demostración de energía eólica/volante que se estaba llevando a cabo para la Comisión de Energía de California. [54]
Los motores de fricción utilizados para impulsar muchos coches de juguete , camiones, trenes, juguetes de acción y demás, son simples motores de volante.
En la industria, las prensas de palanca siguen siendo populares. La disposición habitual implica un cigüeñal muy resistente y una biela de alta resistencia que impulsa la prensa. Los volantes grandes y pesados son impulsados por motores eléctricos, pero los volantes hacen girar el cigüeñal sólo cuando se activan los embragues.
Los volantes se pueden utilizar para controlar la actitud. También hay algunas investigaciones sobre el control de movimiento, [55] principalmente para estabilizar sistemas utilizando el efecto giroscópico.
Los volantes no se ven tan afectados por los cambios de temperatura, pueden funcionar en un rango de temperatura mucho más amplio y no están sujetos a muchas de las fallas comunes de las baterías químicas recargables . [56] También son menos potencialmente dañinos para el medio ambiente, ya que están hechos en gran medida de materiales inertes o benignos. Otra ventaja de los volantes es que mediante una simple medición de la velocidad de rotación es posible saber la cantidad exacta de energía almacenada.
A diferencia de la mayoría de las baterías que funcionan solo durante un período finito [ cita necesaria ] (por ejemplo, aproximadamente 10 [ cita necesaria ] años en el caso de las baterías de fosfato de hierro y litio ), un volante tiene potencialmente una vida útil indefinida. Los volantes construidos como parte de las máquinas de vapor James Watt han estado funcionando continuamente durante más de doscientos años. [57] Se pueden encontrar ejemplos funcionales de volantes antiguos utilizados principalmente en molienda y cerámica en muchos lugares de África, Asia y Europa. [58] [59]
La mayoría de los volantes modernos suelen ser dispositivos sellados que necesitan un mantenimiento mínimo durante toda su vida útil. Los volantes con cojinetes magnéticos en recintos de vacío, como el modelo de la NASA que se muestra arriba, no necesitan ningún mantenimiento de cojinetes y, por lo tanto, son superiores a las baterías tanto en términos de vida útil total como de capacidad de almacenamiento de energía, ya que aún se desconoce su vida útil efectiva. Los sistemas de volante con cojinetes mecánicos tendrán una vida útil limitada debido al desgaste.
Los volantes de inercia de alto rendimiento pueden explotar y matar a los transeúntes con metralla a alta velocidad. [ cita necesaria ] Los volantes se pueden instalar bajo tierra para reducir este riesgo. Si bien las baterías pueden incendiarse y liberar toxinas, generalmente hay tiempo para que los transeúntes huyan y escapen de las lesiones.
La disposición física de las baterías se puede diseñar para adaptarse a una amplia variedad de configuraciones, mientras que un volante debe ocupar como mínimo un área y un volumen determinados, porque la energía que almacena es proporcional a su inercia rotacional y al cuadrado de su velocidad de rotación. A medida que un volante se hace más pequeño, su masa también disminuye, por lo que la velocidad debe aumentar y, por tanto, aumenta la tensión sobre los materiales. Cuando las dimensiones son una limitación (por ejemplo, debajo del chasis de un tren), un volante puede no ser una solución viable. [ cita necesaria ]
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