Un volant este un sistem rotativ care permite stocarea și eliberarea energiei cinetice . O masă (disc, inel, cilindru, posibil cuplată într-un sistem contrarotant ...) fixată pe o axă este setată în rotație prin aplicarea unui cuplu , crescând viteza de rotație și, prin urmare, energia stocată. Cantitatea de energie este proporțională cu pătratul vitezei de rotație.
Caracteristica sa fizică este momentul de inerție care exprimă distribuția maselor în jurul axei.
De exemplu, la motoarele termice , volanta - adesea asociată cu roata dințată a demarorului și ambreiajul - absoarbe neregularitatea cuplului motorului smuls de pistoane . Adăugarea volantului face posibilă reducerea vibrațiilor.
În plus, volanta poate stoca excesul de energie în faza de acționare (explozie), pentru a fi utilizată la trecerea neutrului (compresie). Fenomenul este cu atât mai vizibil cu cât numărul de pistoane este redus, iar viteza de funcționare este redusă.
Concasoarele, pentru a face pietriș, sunt acționate de motoare electrice a căror funcționare este foarte regulată. Cu toate acestea, rocile zdrobite impun, în funcție de dimensiunea sau forma lor, tensiuni bruște și violente care ar putea determina blocarea motorului. Energia cinetică stocată în volant permite trecerea punctelor dure întâlnite de concasor.
Dând viteză cilindrului rotativ, i se furnizează energie care poate fi recuperată prin conversia acestei energii cinetice într-o altă energie (electrică de exemplu) care are ca efect încetinirea treptată a vitezei volantului.
Capacitatea volanelor este de obicei între 3 și 133 kWh . Timpul de încărcare este de obicei de ordinul a câteva minute, iar autonomia este în general între 15 și 30 de minute .
Timpul de răspuns foarte redus permite o reactivitate ridicată a sistemului pentru încărcare și descărcare, ceea ce permite utilizarea volanelor în rețeaua electrică ca stocare pe termen scurt pentru a regla generarea de energie sau pentru a netezi generarea de energie.
Sistemele de la 2 la 6 kWh sunt utilizate în releele de telecomunicații.
Cele mai mari două instalații ale „fermelor” de volante realizate de Beacon Power (în) sunt Statele Unite și sunt capabile să furnizeze o putere maximă de 20 MW timp de 5 minute (pentru un total de 1, 66 MWh ).
Metoda poate pune, pentru instalațiile mobile, o problemă din cauza comportamentului giroscopic al volantului care, când se rotește cu viteză mare, impune forțe enorme asupra rulmenților. În plus, alegerea materialului este determinată de rezistența și viteza maximă periferică.
Tabel de date pentru diferite materiale utilizate, volant sub formă de coroană subțire cu raza interioară ri = 20 cm , raza exterioară r0 = 25 cm , grosimea volantului h = 40 cm .
Material | 60% fibra de carbon si rasina | 60% fibre de aramidă și rășină | 60% fibra de sticla si rasina | 30NCD16 oțel călit | Titan TA6V | Aluminiu 7075 T6 |
---|---|---|---|---|---|---|
Densitate ρ (kg / m 3 ) | 1500 | 1350 | 2.000 | 7.800 | 4.500 | 2.700 |
Masa volantului (kg) | 42.4 | 38.2 | 56,5 | 220,5 | 127.2 | 76.3 |
Rezistența la tracțiune σ (MN / m 2 ) | 4.200 | 2.880 | 2.600 | 1000 | 800 | 500 |
Viteza periferică maximă v max (m / s) | 2366 | 2.066 | 1.612 | 506 | 596 | 609 |
Viteza de rotație maximă (rpm) | 90.400 | 78.900 | 61.600 | 19.300 | 22.800 | 23.200 |
Energie cinetică (kWh) | 26.719 | 18.322 | 16.541 | 6,362 | 5.089 | 3.181 |
Densitatea energiei (Wh / kg) | 638 | 486 | 296 | 29 | 40 | 42 |
Rețineți că pentru aceeași formă de volant - deci la volum constant - energia cinetică maximă este proporțională cu limita elastică a materialului utilizat (a doua linie de jos) independent de densitatea sa.
Exemple de instalații mobileAcest principiu a fost folosit mult timp în așa-numitele jucării de fricțiune . Este, de asemenea, utilizat pe diferite vehicule:
În anii 1950, o variantă a troleibuzului , Gyrobus , funcționa cu un volant întins plat sub podea. Au fost folosite în mai multe orașe belgiene și elvețiene. Acest sistem a făcut posibilă parcurgerea câtorva kilometri fără poluare înainte de reîncărcare, care a fost efectuată în timpul opririlor.
Mai recent, producătorii de tramvaie lucrează din nou la aplicarea volantei în transportul public, în special tramvaiele Alstom Citadis care au fost testate în 2006 la Rotterdam și care folosesc 2 roți contra-rotative pentru a limita efectul giroscopic.
De cele mai multe ori, volanta este o parte rigidă. Datorită greutății și vitezelor mari de funcționare, este aproape întotdeauna o parte cu simetrie de revoluție.
Inerția va fi cu atât mai mare cu cât masa este distribuită departe de axă. În cazul unui motor termic, volanta reprezintă foarte mult în dimensiunile generale; diametrul său mare este apoi folosit pentru a găzdui mecanismul ambreiajului și pentru a găzdui angrenajul inelului de pornire la periferia sa .
La anumite automobile, volanta este formată din două mase legate între ele prin arcuri. Una dintre mase este integrală cu arborele cotit, masa secundară este integrală cu transmisia, cele două fiind conectate prin cleme, un rulment cu bile și arcuri. Acesta constituie un dispozitiv de amortizare care absoarbe variații excesive ale energiei cinetice, reducând astfel tensiunile de torsiune pe transmisie.
Aceste dispozitive mecanice au fost păstrate de mult timp pentru reglarea motoarelor cu aburi. Inerția regulatorului variază în funcție de excentricitatea greutăților. Efectul său de reglare este atunci mai imediat decât cel al simplei volante rigide.
În realitate, această inerție nu este un regulator direct al mișcării mașinii, ci este utilizată pentru a acționa asupra sursei de energie pentru a controla debitul și, prin urmare, viteza de rotație a mașinii: o creștere a vitezei duce la o scădere a admisie (de exemplu, abur), care determină automat o scădere a vitezei de rotație și invers. Este un proces de aservire .
Cercetările în acest domeniu sunt continue și au condus la o inovație foarte diferențiată: un sistem magnetic levitează axa de rotație a volantului (axul) la o distanță fixă de cadru ( rulmenți ), punctele de contact fizic și, prin urmare, fricțiunea este eliminat. Acest proces oferă dublul avantaj al creșterii duratei de viață a sistemului și a optimizării eficienței sale generale.
Energia cinetică a unei mase rotative este
sau:
Energia cinetică a unui punct material este dată de următoarea relație:
sau:
este viteza unghiulară , raza traseului punctului considerat masa elementară a acestui punct.Un volant, sau orice corp care se rotește în jurul unei axe fixe, are pentru energia cinetică suma energiilor cinetice în fiecare punct. Mișcarea de rotație fiind comună tuturor punctelor, se poate factoriza parametrul de viteză unghiulară. Apare apoi expresia momentului de inerție al adunării:
Industria metalelor produce volante mari de peste un secol. Din anii 1970, au fost testate și utilizate noi materiale (fibră de sticlă, fibră de carbon , beton).
O producție dedicată de volante special concepute pentru stocarea energiei și / sau reglarea noilor rețele energetice a apărut în anii 2010, inclusiv în Franța cu zece prototipuri testate într-o zonă de activitate din Toulouse, apoi cu inaugurarea (mijloculseptembrie 2016) o fabrică de 4.000 m 2 la Technopole de l'Aube en Champagne (Troyes / Rosières). Această uzină este închiriată unui consorțiu numit FLYPROD, care a primit un sprijin semnificativ din partea statului pentru o inițiativă selectată ca proiect strategic prin „ viitorul program de investiții ” implementat de ADEME . Proiectul a primit un ajutor de 3,75 milioane EUR dintr-o investiție totală de 14,58 milioane EUR (peste trei ani și jumătate). Aici, este un volant dezvoltat împreună cu Universitatea de Tehnologie din Troyes (UTT), în fibră de carbon, a cărui rotație poate fi mărită în câteva minute până la 10.000 rpm , datorită unei ridicări electromagnetice care limitează fricțiunea.
Obiectivul anunțat este de a produce aproximativ 100 de mașini în 2017 , adică echivalentul a 4 MW de putere de stocare. Energia stocată în aceste volante este restabilită instantaneu prin acționarea unui generator electric .