Volante de inercia: sistemas y materiales aplicados en medios de transporte de
pasajeros.
FESS Technology: Systems and Materials Applied in Passenger Transport.
Remache A.
Instituto Superior Tecnológico Kachariy, Quito, Ecuador
e-mail: abel.remache@itk.edu.ec
Información del artículo
Recibido: febrero 2020
Aceptado: mayo 2020
RESUMEN
Se ha realizado un estudio del uso de la energía cinética a través de la tecnología de los volantes de inercia FESS. Se
detalla el principio de funcionamiento, su estructura interna, configuraciones y diversas consideraciones técnicas que
fueron necesarias para su implementación en varias aplicaciones en la actualidad. Se identifican los usos en medios de
transporte de sistemas KERS, el uso de tecnología de levitación a través de los HTS, aplicaciones hibridas y sistemas
Gimbal entre otros. Se define el uso de materiales ya que es primordial para su capacidad energética y costo final en el
desarrollo de esta tecnología. Para finalizar se analiza el potencial que tiene un volante de inercia y las limitaciones a
las que se enfrenta en el ámbito de construcción, costos, materiales y densidad energética. Se concluye que los volantes
se han integrado a aplicaciones sencillas y avanzadas, con ventajas tales como un costo ambiental bajo, larga vida útil,
bajo mantenimiento y poca fricción, reducción de emisiones, entre otras. Entre las desventajas están la baja densidad de
energía, costos, uso de materiales poco accesibles, peso, entre otros; por ende, la investigación actual trabaja en estos
campos.
Palabras clave: energía cinética, volantes de inercia, transporte, materiales
ABSTRACT
A study of the use of kinetic energy through the technology of FESS inertia wheels has been carried out. It details the
operation principle, its internal structure, configurations and various technical considerations that were necessary for its
implementation in several applications at present. It identifies the uses in means of transport of KERS systems, the use
of levitation technology through the HTS, hybrid applications and Gimbal systems among others. The use of materials
is defined as it is essential for their energy capacity and final cost in the development of this technology. Finally, the
potential of a flywheel and the limitations it faces in the field of construction, costs, materials and energy density are
analyzed. It is concluded that the flyers have been integrated into simple and advanced applications, with advantages
such as a low environmental cost, long service life, low maintenance and low friction, reduction of emissions, among
others. Among the disadvantages are the low energy density, costs, use of materials that are not very accessible, weight,
among others; therefore, current research works in these fields.
Keywords: kinetic energy, FESS technology, transportation, materials
1. Introducción
Según Schutlz (2014), las áreas de importancia en el
uso vigente del volante inercial está relacionado con:
Industria automotriz, Fuentes de alimentación
ininterrumpibles, Militar / Defensa,
Almacenamiento de energía de red,
Aerogeneradores [1].
Diversas aplicaciones en volantes de inercia han
generado buenos resultados como por ejemplo
volantes de inercia con una capacidad de energía
específica del rotor de 195 Wh / kg, comparable con
las baterías de iones de litio. [2]. Otras aplicaciones
van desde la gestión de energía conectada a la red
hasta el lanzamiento de aeronaves
electromagnéticas. Las configuraciones de rotor
predominantes están estructuradas mediante discos,
cilindros sólidos y cilindros de pared gruesa
fabricados en carbono y compuesto de vidrio o acero
de alta resistencia [3].
Este estudio se concentra en aplicaciones
relacionadas a los medios de transporte, en las que
los volantes son utilizados en el almacenamiento y
ahorro significativo de energía en sistemas
automotrices. Mencionando un ejemplo, vehículos
de transporte de pasajeros como automóviles y
trenes tienen este sistema y varios son capaces de
ahorrar hasta un 15% de combustible en conducción
por ciudad [4], siendo accionado en frenadas y
paradas, en varios casos dependiendo de su sistema
el motor de combustión se detiene y, así, se ahorra el
consumo innecesario del combustible que produce
gases contaminantes y cuyo costo es elevado en la
actualidad.
2. Desarrollo
2.1. Funcionamiento y generalidades
Un volante de Inercia es un dispositivo mecánico
giratorio utilizado para almacenar energía cinética
rotatoria. Los volantes tienen un momento
significativo de inercia y por ende resisten
variaciones en la velocidad de rotación. La cantidad
de energía almacenada en un volante es proporcional
al cuadrado de su velocidad de rotación (Ver
ecuación 1). La energía se transfiere a un volante a
través de la aplicación de par externo, incrementando
así su velocidad de rotación, y por lo tanto su energía
almacenada. Un volante libera su energía
almacenada aplicando un par a una carga mecánica,
de esta forma se reduce su rotación. [5]
En la actualidad y generalmente, el volante de inercia
está dentro de un contenedor al vacío para eliminar
la pérdida de fricción causada por el aire y
suspendido por cojinetes para una operación estable.
La energía cinética se transfiere dentro y fuera del
volante pudiendo funcionar como motor o como
generador dependiendo del ángulo de carga. Al
actuar como motor, la energía eléctrica suministrada
se convierte en par y se aplica al rotor; en el modo
generador, la energía cinética almacenada en el rotor
aplica un par, que se convierte en energía eléctrica.
Aparte del volante se requiere una electrónica de
potencia adicional para controlar la entrada y salida
de potencia, la velocidad, la frecuencia, entre otras
[6].
Figura 1. Estructura del volante de inercia
Fuente: [7]
Formulaciones básicas. - Como se ha mencionado, la
energía cinética almacenada en un volante es
proporcional a la masa y al cuadrado de su velocidad
de rotación acorde con la Ecuación (1).
(1)
Donde: E
k
= Energía cinética almacenada en el
volante (Kinetic energy), I = Momento de inercia, w
= Velocidad angular del volante,
Para los rotores de acero (volantes), la forma
dominante es un cilindro sólido, por lo que se da la
siguiente expresión para I:
(2)
Donde: r = radio, a = longitud del cilindro, m = masa
del cilindro, = densidad del material del cilindro,
Cuando la forma supone un cilindro circular hueco,
conduce a la ecuación 3
(3)
Donde: r
o
= radio externo, r
i
= radio interno
Así la manera más eficiente de aumentar la energía
almacenada es acelerar el volante. El límite de
velocidad se logra a través de cargas inerciales o
resistencia a la tracción. Los materiales más ligeros
desarrollan cargas de inercia más bajas a una
velocidad dada, por lo tanto los materiales
compuestos, con baja densidad y alta resistencia a la
tracción, son excelentes para almacenar energía
cinética [8]. De esta manera la energía cinética por
unidad de volumen y masa se define por [9]:
(4)
(5)
Donde: e
v
=
energía cinética por unidad de volumen,
e
m
= energía cinética por unidad de masa, K = es el
factor de forma, = tensión máxima en el volante.
Las tensiones en un volante de inercia influirán en
las tres dimensiones. Para un rotor construido con un
material no isotrópico, como compuestos con fibra,
la interacción de esfuerzos limitará las dimensiones
prácticas posibles. En diseños cortos (generalmente
volantes de inercia huecos), las tensiones de interés
primario son la tensión radial
(Ecuación 6) y la
tensión del aro
(Ecuación 7) [8]. Para un material
isotrópico, la tensión radial y de aro se expresan
mediante las ecuaciones:
(6)
Donde: = coeficiente de Poisson, r = cualquier
radio dentro del rotor.
(8)
Varios datos de materiales para volantes de inercia
son posibles encontrar en tablas como información
abierta, así como los factores de forma K
2.2 Transporte liviano
2.2.1 Sistema KERS
El sistema KERS (Kinetic Energy Recovery
System), implementado en vehículos de turismo, se
basa en los principios de funcionamiento del volante
de inercia, puede actuar como dinamo-alternador en
fases de frenada, y como motor eléctrico de corriente
continua en fases de aceleración. Pero a diferencia de
la versión mecánica, el KERS eléctrico puede tener
o no baterías químicas para almacenar energía
(Figura 2). Flybrid (empresa desarrolladora KERS)
junto a Magnetti Marelli desarrolló un dispositivo
híbrido entre el eléctrico y el mecánico de 27kg; esta
versión del KERS almacena en una cámara de vacío,
un volante de inercia que gira libre de rozamientos
gracias a la energía cinética recuperada en las
frenadas, que puede producir el giro de un rotor de
reluctancia variable sobre un estator, generando
corriente alterna que rectificada a continua (ac-dc),
alimenta a un motor eléctrico [10].
El KERS ha desarrollado un sistema de vacío,
generando un estado de giro en extremo duradero,
debido a la inercia generada, que solo se pierde en
fases de aceleración cuando la energía cinética se
aplica a la tracción del vehículo. El sistema KERS
mecánico no transforma la energía cinética en
eléctrica, solo utiliza su movimiento para ayuda de
tracción, y por tanto no necesita ningún tipo de motor
eléctrico o batería [10].
Figura 2. Volante de inercia KERS
Fuente: [10]
Los sistemas de recuperación de energía cinética no
obtuvieron los resultados esperados en la Fórmula 1,
pero varias compañías automotrices insertan e
investigan esta tecnología en automóviles de
turismo. Varias aplicaciones se han dado en los
últimos años combinando esta tecnología con la
transmisión CVT (Continuously Variable
Transmission), para mejorar los resultados en
automóviles de cambios automáticos.
Tipos de Sistemas KERS
KERS Mecánico: El KERS mecánico utiliza un
volante como el dispositivo de almacenamiento de
energía y una transmisión variable para controlar y
transferir la energía hacia y desde la línea de
transmisión.
KERS eléctrico: El sistema de recuperación de
energía cinética eléctrica convierte la energía
cinética en energía química para el almacenamiento
y se utiliza un sistema generador de motor eléctrico
como medio de transferencia y control de la energía.