Volante

Dispositivo mecánico para almacenar energía rotacional.

Locomotora de vapor 1802 de Trevithick , que utilizaba un volante para distribuir uniformemente la potencia de su único cilindro.

Un volante es un dispositivo mecánico que utiliza la conservación del momento angular para almacenar energía de rotación ; una forma de energía cinética proporcional al producto de su momento de inercia y el cuadrado de su velocidad de rotación . En particular, suponiendo que el momento de inercia del volante es constante (es decir, un volante con masa fija y un segundo momento de área que gira alrededor de algún eje fijo), entonces la energía (de rotación) almacenada está directamente asociada con el cuadrado de su velocidad de rotación.

Dado que un volante sirve para almacenar energía mecánica para su uso posterior, es natural considerarlo como un análogo de energía cinética de un inductor eléctrico . Una vez resumido adecuadamente, este principio compartido de almacenamiento de energía se describe en el concepto generalizado de acumulador . Al igual que con otros tipos de acumuladores, un volante inherentemente suaviza desviaciones suficientemente pequeñas en la salida de potencia de un sistema, desempeñando así efectivamente el papel de un filtro de paso bajo con respecto a la velocidad mecánica (angular o no) del sistema. Más precisamente, la energía almacenada en un volante donará un aumento en la producción de energía ante una caída en la entrada de energía y, a la inversa, absorberá cualquier exceso de entrada de energía (potencia generada por el sistema) en forma de energía rotacional.

Los usos comunes de un volante incluyen suavizar la salida de potencia en motores alternativos , almacenar energía , entregar energía a velocidades más altas que la fuente, controlar la orientación de un sistema mecánico usando un giroscopio y una rueda de reacción , etc. Los volantes generalmente están hechos de acero y giran sobre rodamientos convencionales; estos generalmente están limitados a una velocidad máxima de revolución de unos pocos miles de RPM . ^[1] Los volantes de inercia de alta densidad de energía pueden estar hechos de compuestos de fibra de carbono y emplear cojinetes magnéticos , lo que les permite girar a velocidades de hasta 60.000 RPM (1  kHz ). ^[2]

Historia

Un volante de inercia variable, concebido por Leonardo da Vinci

El principio del volante se encuentra en el huso neolítico y en el torno de alfarero , así como en las piedras de afilar circulares de la antigüedad. ^[3] A principios del siglo XI, Ibn Bassal fue pionero en el uso del volante en noria y saqiyah . ^[4] El uso del volante como dispositivo mecánico general para igualar la velocidad de rotación está, según la medievalista estadounidense Lynn White , registrado en el De diversibus artibus (Sobre varias artes) del artesano alemán Theophilus Presbyter (ca. 1070 –1125) quien registra la aplicación del dispositivo en varias de sus máquinas. ^{[3] [5]}

En la Revolución Industrial , James Watt contribuyó al desarrollo del volante de inercia en la máquina de vapor , y su contemporáneo James Pickard utilizó un volante combinado con una manivela para transformar el movimiento alternativo en movimiento giratorio. ^[6]

Física

Un volante producido en masa

La energía cinética (o más específicamente la energía rotacional ) almacenada por el rotor del volante se puede calcular mediante . ω es la velocidad angular y es el momento de inercia del volante alrededor de su eje de simetría. El momento de inercia es una medida de la resistencia al par aplicado sobre un objeto que gira (es decir, cuanto mayor sea el momento de inercia, más lento acelerará cuando se aplique un par determinado). El momento de inercia se puede conocer por la masa ( ) y el radio ( ). Para un cilindro sólido es , para un cilindro vacío de paredes delgadas es aproximadamente , y para un cilindro vacío de paredes gruesas con densidad constante es . ^[7] ${\textstyle {\frac {1}{2}}I\omega ^{2}}$ ${\displaystyle I}$ ${\textstyle m}$ ${\displaystyle r}$ ${\textstyle {\frac {1}{2}}mr^{2}}$ ${\textstyle mr^{2}}$ ${\textstyle {\frac {1}{2}}m({r_{\mathrm {external} }}^{2}+{r_{\mathrm {internal} }}^{2})}$

Para un diseño de volante dado, la energía cinética es proporcional a la relación entre la tensión circular y la densidad del material y la masa. La resistencia a la tracción específica de un volante se puede definir como . El material del volante con la mayor resistencia a la tracción específica producirá el mayor almacenamiento de energía por unidad de masa. Ésta es una de las razones por las que la fibra de carbono es un material de interés. Para un diseño dado, la energía almacenada es proporcional a la tensión circunferencial y al volumen. ^{[ cita necesaria ]} ${\textstyle {\frac {\sigma _{t}}{\rho }}}$

En la práctica es común un volante accionado por un motor eléctrico. La potencia de salida del motor eléctrico es aproximadamente igual a la potencia de salida del volante. Se puede calcular mediante , donde es el voltaje del devanado del rotor , el voltaje del estator y el ángulo entre dos voltajes. Se pueden almacenar cantidades cada vez mayores de energía de rotación en el volante hasta que el rotor se rompa. Esto sucede cuando la tensión circular dentro del rotor excede la resistencia máxima a la tracción del material del rotor. La tensión de tracción se puede calcular mediante , donde es la densidad del cilindro, es el radio del cilindro y es la velocidad angular del cilindro. ${\textstyle (V_{i})(V_{t})\left({\frac {\sin(\delta )}{X_{S}}}\right)}$ ${\displaystyle V_{i}}$ ${\displaystyle V_{t}}$ ${\displaystyle \delta }$ ${\displaystyle \rho r^{2}\omega ^{2}}$ ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle \omega }$

Diseño

Un volante con aro tiene un aro , un cubo y radios . ^[8] El cálculo del momento de inercia del volante se puede analizar más fácilmente aplicando varias simplificaciones. Un método es asumir que los radios, el eje y el cubo tienen momentos de inercia cero, y que el momento de inercia del volante proviene únicamente de la llanta. Otra es agrupar los momentos de inercia de los radios, el cubo y el eje, que pueden estimarse como un porcentaje del momento de inercia del volante, siendo la mayoría de la llanta, de modo que . Por ejemplo, si los momentos de inercia del cubo, los radios y el eje se consideran insignificantes y el espesor de la llanta es muy pequeño en comparación con su radio medio ( ), el radio de rotación de la llanta es igual a su radio medio y por tanto . ^{[ cita necesaria ]} ${\displaystyle I_{\mathrm {rim} }=KI_{\mathrm {flywheel} }}$ ${\displaystyle R}$ ${\textstyle I_{\mathrm {rim} }=M_{\mathrm {rim} }R^{2}}$

Un volante sin eje elimina los orificios anulares, el eje o el cubo. Tiene una mayor densidad de energía que el diseño convencional ^[9] pero requiere un sistema de control y rodamiento magnético especializado. ^[10] La energía específica de un volante está determinada por , donde está el factor de forma, la resistencia a la tracción del material y la densidad. ^{[ cita necesaria ]} Mientras que un volante típico tiene un factor de forma de 0,3, el volante sin eje tiene un factor de forma cercano a 0,6, de un límite teórico de aproximadamente 1. ^[11] ${\textstyle {\frac {E}{M}}=K{\frac {\sigma }{\rho }}}$ ${\displaystyle K}$ ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \rho }$

Un supervolante consta de un núcleo sólido (cubo) y múltiples capas delgadas de materiales flexibles de alta resistencia (como aceros especiales, compuestos de fibra de carbono, fibra de vidrio o grafeno) enrolladas a su alrededor. ^[12] En comparación con los volantes convencionales, los supervolantes pueden almacenar más energía y son más seguros de operar. ^[13] En caso de falla, un supervolante no explota ni estalla en grandes fragmentos como un volante normal, sino que se divide en capas. Luego, las capas separadas frenan un supervolante deslizándose contra las paredes internas del recinto, evitando así una mayor destrucción. Aunque el valor exacto de la densidad de energía de un supervolante dependería del material utilizado, en teoría podría llegar a 1200 Wh (4,4 MJ) por kg de masa para los supervolantes de grafeno. ^{[ cita necesaria ]} El primer supervolante fue patentado en 1964 por el científico ruso-soviético Nurbei Guilia. ^{[14] [15]}

Materiales

Los volantes están hechos de muchos materiales diferentes; la aplicación determina la elección del material. En los juguetes infantiles se encuentran pequeños volantes hechos de plomo. ^{[ cita necesaria ]} Los volantes de hierro fundido se utilizan en máquinas de vapor antiguas. Los volantes utilizados en los motores de los automóviles están hechos de hierro fundido o nodular, acero o aluminio. ^[16] Se han propuesto volantes fabricados de acero de alta resistencia o compuestos para su uso en sistemas de frenado y almacenamiento de energía de vehículos.

La eficiencia de un volante está determinada por la cantidad máxima de energía que puede almacenar por unidad de peso. A medida que aumenta la velocidad de rotación o la velocidad angular del volante, aumenta la energía almacenada; sin embargo, las tensiones también aumentan. Si la tensión circunferencial supera la resistencia a la tracción del material, el volante se romperá. Por tanto, la resistencia a la tracción limita la cantidad de energía que puede almacenar un volante.

En este contexto, utilizar plomo como volante en un juguete infantil no es eficiente; sin embargo, la velocidad del volante nunca se aproxima a su velocidad de ráfaga porque el límite en este caso es la fuerza de tracción del niño. En otras aplicaciones, como un automóvil, el volante opera a una velocidad angular específica y está limitado por el espacio en el que debe caber, por lo que el objetivo es maximizar la energía almacenada por unidad de volumen. Por tanto, la selección del material depende de la aplicación. ^[17]

Aplicaciones

Un tractor Landini con volante expuesto

Los volantes se utilizan a menudo para proporcionar una salida de energía continua en sistemas donde la fuente de energía no es continua. Por ejemplo, se utiliza un volante para suavizar las rápidas fluctuaciones de velocidad angular del cigüeñal en un motor alternativo. En este caso, el volante del cigüeñal almacena energía cuando un pistón de disparo ejerce un par sobre él y luego devuelve esa energía al pistón para comprimir una carga nueva de aire y combustible. Otro ejemplo es el motor de fricción que alimenta dispositivos como coches de juguete . En casos poco estresados ​​y económicos, para ahorrar costos, la mayor parte de la masa del volante está hacia el borde de la rueda. Empujar la masa lejos del eje de rotación aumenta la inercia rotacional para una masa total determinada.

También se puede utilizar un volante para suministrar pulsos intermitentes de energía a niveles de potencia que exceden las capacidades de su fuente de energía. Esto se logra acumulando energía en el volante durante un período de tiempo, a un ritmo que sea compatible con la fuente de energía, y luego liberando energía a un ritmo mucho mayor durante un tiempo relativamente corto cuando sea necesario. Por ejemplo, los volantes se utilizan en martillos eléctricos y remachadoras .

Los volantes se pueden utilizar para controlar la dirección y oponerse a movimientos no deseados. Los volantes de inercia en este contexto tienen una amplia gama de aplicaciones: giroscopios para instrumentación, estabilidad de barcos , estabilización de satélites ( rueda de reacción ), mantenimiento del giro de un juguete ( motor de fricción ), estabilización de objetos levitados magnéticamente ( levitación magnética estabilizada por giro ).

Los volantes también se pueden utilizar como compensador eléctrico, como un compensador síncrono , que puede producir o disminuir potencia reactiva pero no afectaría la potencia real. Los propósitos de esa aplicación son mejorar el factor de potencia del sistema o ajustar el voltaje de la red. Normalmente, los volantes utilizados en este campo son similares en estructura e instalación a los del motor síncrono (pero en este contexto se denomina compensador síncrono o condensador síncrono). También existen otros tipos de compensadores que utilizan volantes, como la máquina de inducción monofásica. Pero las ideas básicas aquí son las mismas: los volantes están controlados para girar exactamente a la frecuencia que desea compensar. Para un compensador síncrono, también es necesario mantener el voltaje del rotor y el estator en fase, que es lo mismo que mantener el campo magnético del rotor y el campo magnético total en fase (en el marco de referencia giratorio ).

Ver también

• Acumulador (energía)
• Embrague
• Fuente de alimentación ininterrumpida rotativa diésel.
• Volante bimasa
• hilandero inquieto
• Entrenamiento del volante
• Lista de momentos de inercia

Referencias

1. "Los volantes pasan de la tecnología de la era del vapor a la Fórmula 1". Archivado desde el original el 3 de julio de 2012 . Consultado el 3 de julio de 2012 .; "Los volantes pasan de la tecnología de la era del vapor a la Fórmula 1"; Jon Stewart | 1 de julio de 2012, consultado el 3 de julio de 2012.
2. "Avance en la tecnología de volante de inercia de alta velocidad de 'segunda generación' de Ricardo Kinergy". 2011-08-21. Archivado desde el original el 5 de julio de 2012 . Consultado el 3 de julio de 2012 ., "Avance en la tecnología de volante de inercia de alta velocidad de 'segunda generación' de Ricardo Kinergy"; Fecha del comunicado de prensa: 22 de agosto de 2011. Consultado el 3 de julio de 2012.
3. Lynn White, Jr., "Theophilus Redivivus", Tecnología y cultura , vol. 5, núm. 2. (primavera de 1964), Review, págs. 224–233 (233)
4. Letcher, Trevor M. (2017). Ingeniería de energía eólica: un manual para turbinas eólicas terrestres y marinas . Prensa académica . págs. 127-143. ISBN 978-0128094518. Ibn Bassal (1038-75 d.C.) de Al Andalus (Andalucía) fue pionero en el uso de un mecanismo de volante en la noria y la saqiya para suavizar la entrega de potencia desde el dispositivo impulsor a la máquina impulsada.
5. Lynn White, Jr., "Ingeniería medieval y sociología del conocimiento", The Pacific Historical Review , vol. 44, núm. 1. (febrero de 1975), págs. 1–21 (6)
6. Osbourne, Roger (2013). Hierro, vapor y dinero: la creación de la revolución industrial . Casa al azar. pag. 131.ISBN​ 9781446483282.
7. Dunn, DJ "Tutorial - Momento de inercia" (PDF) . FreeStudy.co.uk . pag. 10. Archivado (PDF) desde el original el 5 de enero de 2012 . Consultado el 1 de diciembre de 2011 .
8. Desarrollo de tecnología de contención y rotor de volante, año fiscal 83. Livermore, California: Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, 1983, págs. 1–2
9. Li, Xiaojun; Anvari, Bahar; Palazzolo, Alan; Wang, Zhiyang; Toliyat, Hamid (14 de agosto de 2018). "Un sistema de almacenamiento de energía de volante a escala comercial con un rotor de acero de alta resistencia, sin eje y sin eje". Transacciones IEEE sobre electrónica industrial . 65 (8): 6667–6675. doi :10.1109/TIE.2017.2772205. S2CID  4557504.
10. Li, Xiaojun; Palazzolo, Alan (7 de mayo de 2018). "Control de múltiples entradas y múltiples salidas de un volante de inercia de almacenamiento de energía sin eje a escala comercial con un rodamiento magnético combinado de cinco grados de libertad". Revista de sistemas dinámicos, medición y control . 140 (10): 101008.doi : 10.1115/1.4039857. ISSN  0022-0434.
11. Genta, G. (1985), "Aplicación de sistemas de almacenamiento de energía de volante", Almacenamiento de energía cinética , Elsevier, págs. 27–46, doi :10.1016/b978-0-408-01396-3.50007-2, ISBN 9780408013963
12. "Tecnología | KEST | Almacenamiento de energía cinética". Energía KEST . Consultado el 29 de julio de 2020 .
13. Genta, G. (24 de abril de 2014). Almacenamiento de energía cinética: teoría y práctica de sistemas avanzados de volante. Butterworth-Heinemann. ISBN 978-1-4831-0159-0.
14. Egorova, Olga; Barbashov, Nikolay (20 de abril de 2020). Actas del Simposio USCToMM 2020 sobre sistemas mecánicos y robótica. Naturaleza Springer. págs. 117-118. ISBN 978-3-030-43929-3.
15. [1], "Маховик", publicado el 15 de mayo de 1964 
16. "Volantes: hierro, acero y aluminio". Actuación Fidanza . Archivado desde el original el 10 de octubre de 2016 . Consultado el 6 de octubre de 2016 .
17. Ashby, Michael (2011). Selección de materiales en diseño mecánico (4ª ed.). Burlington, MA: Butterworth-Heinemann. págs. 142-146. ISBN 978-0-08-095223-9.

Otras lecturas

• Weissbach, RS; Karady, GG; Farmer, RG (abril de 2001). "Una fuente de alimentación ininterrumpida combinada y un compensador de voltaje dinámico que utiliza un sistema de almacenamiento de energía de volante". Transacciones IEEE sobre suministro de energía . 16 (2): 265–270. doi : 10.1109/61.915493. ISSN  0885-8977.
• «Generadores Síncronos I» (PDF) . Archivado (PDF) desde el original el 9 de octubre de 2022.
• https://pserc.wisc.edu/documents/general_information/presentations/presentations_by_pserc_university_members/heydt_synchronous_mach_sep03.pdf Archivado el 30 de agosto de 2017 en Wayback Machine.

enlaces externos

• Medios relacionados con volantes en Wikimedia Commons
• Baterías de volante en Lo interesante del día .
• Tecnología de estabilización de microrred basada en volante de inercia., ABB