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Fundamentos basicos de UPS: Volante de inercia/Flywheel

November 26, 2018

Cuando piensas en Flywheels o Volantes de Inercia, ¿qué es lo primero que te viene en mente? Puedes pensar en grandes motores a vapor con inmensos volantes de inercia, como los que se pueden observar en museos. Preciosas maquinas que potenciaron la era industrial. ¿Pero usted sabe que volantes de inercia aún desempeñan un importante papel en los modernos centros de datos de hoy día? ¿Y que mantienen en funcionamiento a las fábricas que producen chips para el Internet of Things (IoT)? Puede que hoy en día los volantes de inercia no sean tan visibles, pero forman el corazón de nuestros Sistemas de UPS Dinámicos.

 

Este post trata sobre volantes de inercia para almacenar energía. Explica como los volantes de inercia acumulan energía y por qué preferimos a volantes de inercia sobre baterías para nuestro Sistema de UPS Rotativo.

  • ¿Qué es un volante de inercia?

  • Aplicación UPS

  • Volante de inercia vs Baterías

 

¿Qué es un volante de inercia?

 

Un volante de inercia es “Una rueda giratoria pesada en una máquina que se utiliza para aumentar el impulse de la máquina y así aportar (…) una reserva de potencia disponible” de acuerdo al Diccionario Oxford.

 

Esta definición contiene interesantes elementos. Menciona que el propósito de un volante de inercia es almacenar energía y ponerla a disposición para un uso posterior. Esta reserva de energía está disponible en forma de impulso. Esto significa que se necesita potencia para comenzar a girar el volante. Cuanto más pesado es, más fuerza se requiere para aumentar la velocidad. Lo opuesto también es cierto. Para evitar que el objeto gire, se debe aplicar una fuerza opuesta. De lo contrario, sigue girando para siempre, asumiendo que no hay fricción. Así es como un volante almacena energía cinética.

 

La definición menciona que los volantes son pesados. Eso, por supuesto, es relativo. El volante de un motor diésel es pesado si necesita levantarlo con la mano, pero en comparación con el peso total del motor, no lo es tanto. La masa de un volante es uno de los factores que determina la cantidad de energía que puede contener. Entonces, una forma de almacenar mucha energía es hacer que el volante sea pesado. Pero este no es el único factor que cuenta.

 

La fórmula que describe la cantidad de energía cinética en un volante es:

 

E= ½kmr² ω²

 

es la energía cinética en Joule.
es una constante que depende de la forma del volante. Por ejemplo, k = 0.606 para un disco sólido.
es la masa en kilogramos.
es el radio en metros.
ω²es la velocidad angular en radianes por Segundo (simplemente, la velocidad de rotación).

 

Según esta fórmula, el radio y la velocidad tienen más influencia sobre la energía que la masa. Por lo tanto si desea almacenar una gran cantidad de energía en un volante, es más efectivo hacerlo grande y girarlo rápido.

 

Como siempre, las restricciones limitan las posibilidades. La resistencia a la tracción del material del volante determina la velocidad a la que puede rotar y los rodamientos tienen que poder soportar el peso y la velocidad.

 

Aplicación de UPS

 

Los Sistemas de Alimentación Ininterrumpida requieren de una energía de respaldo para poder cubrir interrupciones del suministro eléctrico. La cantidad de energía depende de la potencia de la UPS y del tiempo deseado a cubrir.

Sistemas de UPS Dinámico utilizan volantes de inercia para convertir energía eléctrica a energía cinética y viceversa. Este principio es sobradamente conocido y existen buenas razones para ello:

  • Volantes de inercia son dispositivos simples. En esencia un volante es una pieza redonda de acero, muy resistente y confiable.

  • No hay límite a la cantidad de cargas y descargas.

  • ES una forma muy eficiente para almacenar y recuperar energía.

  • La energía almacenada está disponible al instante que se necesita.

  • El volante de inercia tiene una larga vida útil. El reciclaje y reutilización de los materiales es muy factible al finalizar su vida útil productiva.

El tiempo de respaldo que podemos conseguir en la práctica se mide en segundos. Algunas aplicaciones pueden necesitar un tiempo mayor. En estos casos el UPS utiliza una segunda fuente de energía para alcanzar el tiempo de autonomía necesario. Esta puede ser por ejemplo un motor diésel. En este caso, la funcionalidad del volante de inercia es respaldar el tiempo de arranque del motor diésel.

Fabricantes de UPS Dinámicos desarrollaron diversos diseños para cumplir los requisitos para distintas aplicaciones. En un siguiente post exploraremos los diseños más populares que hay en el Mercado.

 

 

Volantes de inercia versus baterías

 

Muchos de los Sistemas de UPS utilizan baterías para almacenar energía. La mayoría utiliza baterías de plomo. A pesar de que los precios de baterías Li-Ion han bajado considerablemente en los últimos años, las baterías de plomo siguen siendo bastante más baratas. Li-Ion ofrece importantes ventajas, como una mayor capacidad, pero aun así, para la mayoría de aplicaciones de UPS, estas ventajas no compensan la diferencia de precio.

 

Sistemas UPS basados en baterías son sistemas electrónicos basados en tecnología de estado sólido.  El tiempo de respaldo se mide en minutos, o incluso horas. Para la gran parte de los Sistemas UPS, principalmente para aquellos en potencias hasta 100kVA, esta es la tecnología preferida.

 

Las baterías tienen inconvenientes en comparación con volantes de inercia:

  • Baterías, en particular las de plomo, son sensibles a la temperatura. La capacidad disponible disminuye considerablemente a bajas temperaturas. Con temperaturas elevadas se deterioran de forma irreversible las prestaciones de las baterías.

  • Las baterías tienen una limitación en relación con los ciclos de carga y descarga. La capacidad de la batería se degrada con cada ciclo. Después de 500 ciclos completes las baterías alcanzan el final de su vida útil.

  • El impacto medioambiental de las baterías es muy elevado. Los compuestos de plomo en las baterías son extremadamente tóxicos. En plantas de reciclaje se puede y debe reciclar el plomo de las baterías, pero desgraciadamente muchas baterías aun van a parar a vertederos al finalizar su vida útil.

 

Todas estas razones van a favor del Volante de Inercia, pero la principal razón por la que Sistemas UPS utilizan volantes de inercia es que son ideales para aplicaciones con potencias elevadas. Piense por ejemplo en Instalaciones de UPS con potencias superiores a 1 MW en, por ejemplo, Centros de Datos y fábricas.

 

En estas aplicaciones, otra diferencia entre volantes y baterías tiene un factor decisivo. Las baterías de plomo-ácido pueden entregar alrededor de 180 vatios por kilogramo (la potencia específica). Para volantes, esta cifra es mucho mayor. Esto también es así en lo que se refiere a la densidad de potencia, la potencia por volumen. Si almacena la misma cantidad de energía en un volante y en una batería de igual peso o volumen, podrá recuperarla más rápidamente del volante. En otras palabras, si necesita mucha energía por poco tiempo, un volante es más pequeño y pesa menos que una batería. Esto le da a los volantes una importante ventaja en las aplicaciones de UPS de alta potencia hoy en día.

 

Este post es el primero de una serie de Fundamentales para UPS, en el que exploramos conceptos básicos y tecnologías de Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (SAI-UPS). En el siguiente post investigaremos las tecnologías que utilizan los diferentes fabricantes para aprovechar al máximo el Volante de Inercia.

 

Para versión en ingles visite: 

https://hitecelectric.com/ups-fundamentals-about-flywheels/

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