Un volante es un sistema giratorio que permite el almacenamiento y la liberación de energía cinética . Una masa (disco, anillo, cilindro, eventualmente acoplada en un sistema de contrarrotación ...) fijada sobre un eje se pone en rotación mediante la aplicación de un par , aumentando su velocidad de rotación y por tanto la energía almacenada. La cantidad de energía es proporcional al cuadrado de la velocidad de rotación.
Su característica física es el momento de inercia que expresa la distribución de masas alrededor del eje.
Por ejemplo, en los motores térmicos , el volante, a menudo asociado con la corona dentada de arranque y el embrague , absorbe la irregularidad del par motor impulsado por los pistones . La adición del volante reduce las vibraciones.
Además, el volante puede almacenar el exceso de energía en la fase de conducción (explosión), para su uso en el cruce neutral (compresión). El fenómeno es tanto más notorio cuanto que el número de pistones es bajo y la velocidad de funcionamiento es baja.
Las trituradoras, para hacer grava, son accionadas por motores eléctricos cuyo funcionamiento es muy regular. Sin embargo, las rocas trituradas imponen, según su tamaño o forma, tensiones repentinas y violentas que pueden hacer que el motor se pare. La energía cinética almacenada en el volante permite el paso de los puntos duros que encuentra la trituradora.
Al dar velocidad al cilindro giratorio, se le suministra energía que puede recuperarse convirtiendo esta energía cinética en otra energía (eléctrica por ejemplo) que tiene el efecto de ralentizar gradualmente la velocidad del volante.
La capacidad de los volantes suele estar entre 3 y 133 kWh . El tiempo de carga suele ser del orden de unos pocos minutos y la autonomía generalmente entre 15 y 30 minutos .
El tiempo de respuesta muy bajo permite una alta reactividad del sistema de carga y descarga, lo que permite el uso de volantes en la red eléctrica como almacenamiento a corto plazo para regular la generación de energía o para suavizar la generación de energía.
Los sistemas de 2 a 6 kWh se utilizan en relés de telecomunicaciones.
Las dos mayores instalaciones de "granjas" de volantes fabricadas por Beacon Power (en) , son Estados Unidos, y son capaces de entregar una potencia máxima de 20 MW durante 5 minutos (para un total de 1,66 MWh ).
El método puede plantear, para instalaciones móviles, un problema debido al comportamiento giroscópico del volante que, cuando gira a alta velocidad, impone enormes fuerzas sobre los cojinetes. Además, la elección del material está determinada por su resistencia y velocidad periférica máxima.
Tabla de datos para los diferentes materiales utilizados, volante en forma de corona fina con radio interior ri = 20 cm , radio exterior r0 = 25 cm , grosor volante h = 40 cm .
Material | 60% fibra de carbono y resina | 60% fibra de aramida y resina | 60% fibra de vidrio y resina | 30NCD16 acero endurecido | Titanio TA6V | Aluminio 7075 T6 |
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Densidad ρ (kg / m 3 ) | 1500 | 1350 | 2.000 | 7.800 | 4.500 | 2700 |
Masa del volante (kg) | 42,4 | 38,2 | 56,5 | 220,5 | 127,2 | 76,3 |
Resistencia a la tracción σ (MN / m 2 ) | 4.200 | 2.880 | 2600 | 1000 | 800 | 500 |
Velocidad periférica máxima v max (m / s) | 2366 | 2.066 | 1,612 | 506 | 596 | 609 |
Velocidad de rotación máxima (rpm) | 90,400 | 78,900 | 61,600 | 19,300 | 22,800 | 23.200 |
Energía cinética (kWh) | 26,719 | 18.322 | 16.541 | 6.362 | 5.089 | 3.181 |
Densidad energética (Wh / kg) | 638 | 486 | 296 | 29 | 40 | 42 |
Tenga en cuenta que para la misma forma de volante, por lo tanto a volumen constante, la energía cinética máxima es proporcional al límite elástico del material utilizado (la segunda línea desde la parte inferior) independientemente de su densidad.
Ejemplos de instalaciones móvilesEste principio se ha utilizado durante mucho tiempo en los llamados juguetes de fricción pequeños . También se utiliza en diferentes vehículos:
En la década de 1950, una variante del trolebús , el Gyrobus , operaba con un volante colocado debajo del piso. Se utilizaron en varias ciudades belgas y suizas. Este sistema permitió recorrer varios kilómetros sin contaminación antes de la recarga, que se realizaba durante las paradas.
Más recientemente, los fabricantes de tranvías están trabajando nuevamente en la aplicación del volante de inercia al transporte público, en particular los tranvías Alstom Citadis que se están probando en 2006 en Rotterdam y que utilizan 2 ruedas contrarrotativas para limitar el efecto giroscópico.
La mayoría de las veces, el volante es una pieza rígida. Debido al peso y las altas velocidades de funcionamiento, casi siempre es una pieza con simetría de revolución.
La inercia será tanto mayor cuanto que la masa se distribuya lejos del eje. En el caso de un motor térmico, el volante representa mucho en el tamaño; su gran diámetro se utiliza luego para alojar el mecanismo de embrague y para acomodar la corona dentada de arranque en su periferia .
En ciertos automóviles, el volante está formado por dos masas unidas por resortes. Una de las masas es integral con el cigüeñal, la masa secundaria es integral con la transmisión, las dos están conectadas por tacos, un rodamiento de bolas y resortes. Esto constituye un dispositivo de amortiguación que absorbe variaciones excesivas de energía cinética, reduciendo así las tensiones de torsión en la transmisión.
Estos dispositivos mecánicos se han conservado durante mucho tiempo para la regulación de las máquinas de vapor. La inercia del regulador varía según la excentricidad de los pesos. Su efecto de regulación es entonces más inmediato que el del simple volante rígido.
En realidad, esta inercia no es un regulador directo del movimiento de la máquina, sino que se utiliza para actuar sobre la fuente de energía para controlar el flujo y, por lo tanto, la velocidad de rotación de la máquina: un aumento de velocidad da como resultado una disminución de entrada (por ejemplo, vapor), que provoca automáticamente una disminución de la velocidad de rotación y viceversa. Es un proceso de esclavitud .
La investigación en este campo es continua y ha dado lugar a una innovación muy diferenciadora: un sistema magnético levita el eje de rotación del volante (el eje) a una distancia fija del bastidor (los cojinetes ), los puntos de contacto físico y por tanto de fricción. es removido. Este proceso proporciona la doble ventaja de aumentar la vida útil del sistema y optimizar su eficiencia general.
La energía cinética de una masa en rotación es
o :
La energía cinética de un punto material viene dada por la siguiente relación:
o :
es la velocidad angular , el radio de la trayectoria del punto considerado la masa elemental de este punto.Un volante, o cualquier cuerpo que gira alrededor de un eje fijo, tiene como energía cinética la suma de las energías cinéticas en cada punto. Siendo común el movimiento de rotación a todos los puntos, se puede factorizar el parámetro de velocidad angular. Entonces aparece la expresión del momento de inercia del montaje:
La industria del metal produce grandes volantes desde hace más de un siglo. Desde la década de 1970, se han probado y utilizado nuevos materiales (fibra de vidrio, fibra de carbono , hormigón).
Una producción dedicada de volantes diseñados específicamente para el almacenamiento de energía y / o la regulación de nuevas redes de energía surgió en la década de 2010, incluso en Francia con diez prototipos probados en un área de actividad de Toulouse, luego con la 'inauguración (mediados deseptiembre de 2016) una planta de 4.000 m 2 en el Technopole de l'Aube en Champagne (Troyes / Rosières). Esta planta está arrendada a un consorcio denominado FLYPROD que recibió un importante apoyo del estado para una iniciativa seleccionada como proyecto estratégico a través del " programa de inversiones futuras " implementado por ADEME . El proyecto recibió una ayuda de 3,75 millones de euros de una inversión total de 14,58 millones de euros (durante tres años y medio). Aquí, se trata de un volante desarrollado con la Universidad Tecnológica de Troyes (UTT), en fibra de carbono, cuya rotación se puede aumentar en unos minutos a 10.000 rpm , gracias a un levantamiento electromagnético que limita la fricción.
El objetivo anunciado es producir alrededor de 100 máquinas en 2017 , es decir, el equivalente a 4 MW de potencia de almacenamiento. La energía almacenada en estos volantes se restaura instantáneamente accionando un generador eléctrico .