ch-3- almacenamiento de energia

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3. Almacenamiento de Energa

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Almacenamiento de Energa

La energa elctrica tiene la caracterstica de poder ser transformada en otros tipos de energa en forma relativamente fcil y con altas eficiencias.

vA energa mecnica aprox. 100% vA energa trmica 100%

Por otro lado tiene la gran desventaja de que no puede ser almacenada y debe ser utilizada en la misma cantidad en que se genera.

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Esto presenta un inconveniente significativo desde el punto de vista de las fuentes de energa alternativa

Principalmente debido a que tanto la energa elica como solar y

mareomotriz son esencialmente intermitentes. Por otro lado el uso de celdas de combustible requiere de

almacenamiento de energa debido a su limitada capacidad de sobrecarga y lento tiempo de respuesta.

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Es por esto que es necesario incorporar elementos de almacenamiento de energa en los sistemas de energa alternativa.

En particular en sistemas aislados el almacenamiento de energa

es esencial pues no se cuenta con la red para suplir diferencias momentneas entre suministro y demanda.

Puesto que la energa elctrica no puede almacenarse

directamente es necesario transformarla en otros tipos de energa.

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Electrical EnergyStorage Devices

Direct Storage Indirect Storage

Natural ReservoirArtificial ReservoirMagneticallyElectrically

Supercapacitors SMES Batteries Flywheels

Hydrogen Compressed air Heat

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De los distintos tipos de almacenamiento de energa disponibles para el caso de las energas alternativas existen cuatro tipos que destacan

Almacenamiento qumico : Bateras Almacenamiento electroesttico : Sper condensadores

Almacenamiento magntico: SMES (Super Conducting Energy Storage) Almacenamiento neumtico: Aire Comprimido Almacenamiento mecnico: Volante de inercia

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Almacenamiento de Energa - Bateras

Las bateras son la fuente de almacenamiento de energa ms utilizada en la actualidad.

La energa se almacena en forma qumica y debe ser convertida a

energa elctrica por medio de una reaccin electroqumica. Existen diferentes tipos de bateras dependiendo del tipo de

reaccin utilizada, electrodos y electrolito En general la eficiencia de ciclo cerrado de las bateras esta en el

rango de 85 - 90%

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Existen dos tipos de bateras electroqumicas Primarias Secundarias

Bateras primarias: Este tipo de bateras convierten la energa qumica en energa elctrica. La conversin de energa es irreversible y luego de descargar la batera esta debe ser eliminada.

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Bateras secundarias: tambin conocidas como bateras recargables. La reaccin qumica en la batera secundaria es reversible, despus de la descarga la batera puede ser recargada inyectando corriente DC desde una fuente exterior. En el ciclo de carga y descarga una pequea fraccin de la

energa es perdida en forma de calor. La eficiencia de ciclo cerrado de una batera secundaria esta habitualmente en el rango de 80 85 %.

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Tpicamente una batera esta compuesta de un nodo, ctodo y electrolito entre ellos.

La batera almacena energa electroqumica entre

las placas a bajo potencial elctrico, tpicamente unos pocos volts.

Las bateras son construidas en base a numerosas

celdas conectadas en serie y paralelo para lograr el voltaje y corriente necesarios.

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La capacidad de la celda se denota por C y se mide en ampre / hora (Ah). El valor de capacidad C de una batera en Ah se refiere a la corriente en aperes

con la que se puede descargar una batera durante el periodo de una hora.

Luego de esto la batera puede ser considerada como descargada. Las especificaciones de una batera se dan en funcin de su voltaje medio

durante la descarga y su capacidad en Ah

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El producto entre el valor de la capacidad de una batera y su voltaje de placa entrega el valor de watt / hora que esta puede suministrar.

Por otro lado, las razones de carga y descarga de la batera habitualmente se

especifican en funcin de su capacidad en Ah. Por ejemplo:

Cargar una batera de 100 Ah a C/10 implica suministrar una corriente de 10A.

Descargar una batera a C/2 implica descargar la batera a una razn de 50A

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Tipos de bateras Hoy en da existen al menos seis tipos de bateras secundarias

(recargables). Plomo Acido (Pb acido) Nquel Cadmio (NiCd) Nquel Metal (NiMH) Ion de litio (Li-ion) Litio polmetro (Li-poly) Zinc - Aire

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El potencial promedio generado por los distintos tipos de bateras depende principalmente de la reaccin electroqumica utilizada.

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Almacenamiento de Energa - Bateras Parmetros importantes a considerar al momento de escoger un tipo de

batera son la densidad de energa y energa especifica.

La densidad de energa se refiere a la cantidad de energa que puede suministrar una batera en funcin de su volumen Wh/lt.

Por Otro lado la energa especifica se refiere a la cantidad de energa almacenada por kilogramo.

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Batera de plomo-acido Entre las bateras utilizadas hoy en

da la batera de plomo-acido es la ms comn.

Esto principalmente por lo

maduro de la tecnologa y por su bajo costo.

Sin embargo este tipo de batera

tiene la densidad de energa por unidad de peso o volumen mas baja.

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Durante la descarga de la batera de plomo-acido la reaccin electroqumica produce agua y sulfato de plomo.

El agua generada diluye el acido sulfrico utilizado como electrolito, con lo

que su gravedad especifica disminuye a medida que la batera se descarga.

La carga de la batera revierte el proceso devolviendo la batera a su

estado original.

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Las bateras de plomo-acido son fabricadas en distintos tipos.

Bateras de ciclo superficial: utilizadas generalmente en vehculos donde se requiere de una breve descarga desde la batera.

Bateras de ciclo profundo: utilizadas cuando ciclos repetidos de carga y descarga son requeridos.

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Adems la batera de plomo-acido tambin est disponible en versiones selladas.

Un ejemplo de esto son las bateras que utilizan un gel en lugar de una

solucin de acido como electrolito. La principal ventaja de este tipo de bateras es que pueden ser montadas en

variadas posiciones. Sin embargo su alto costo limita su uso a aplicaciones especificas.

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Batera de Nquel Cadmio Las bateras de Nquel Cadmio tambin constituyen una tecnologa madura. Este tipo de batera tiene electrodos positivos fabricados de cadmio y electrodos negativos fabricados de hidrxido de nquel Los dos electrodos estn separados por una pelcula de Nylon y un electrolito de hidrxido de potasio. Todo el conjunto es fijado en un contenedor de acero inoxidable

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Producto de su construccin sellada y su menor peso las bateras de NiCd han sido ampliamente utilizadas en aplicaciones mviles.

Adems las bateras de NiCd poseen un ciclo de descarga

profunda mas extenso que las bateras de plomo-acido. Se tiene por otro lado que son mas tolerantes a la temperatura

que las bateras de plomo acido.

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La principal desventaja de las bateras de NiCd es el efecto memoria.

El efecto memoria tiene la particularidad de degradar la

capacidad de la batera si esta no es utilizada por un periodo largo.

Por otro lado, recientemente las bateras de NiCd han sido

cuestionadas desde el punto de vista ambiental. Por esto hoy en da las bateras de NiCd estn siendo

reemplazadas rpidamente por NiMH

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Bateras de Nquel-Hidruro Metlico Las bateras de NiMH son en realidad una extensin de las bateras de

NiCd. La mayor diferencia constructiva de la batera de NiMH utiliza un nodo

de hidruro metlico en lugar de cadmio. Con lo que se elimina el riesgo ambiental de la batera NiCd

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Adems de la ausencia de cadmio las bateras de NiMH se caracterizan por tener un efecto memoria despreciable.

La principal desventaja de las bateras de NiMH es que no son

capaces de suministrar pulsos de energa. Por otro lado este tipo de batera tiene una tasa de auto

descarga considerable (

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29


Comparacin entre NiCd y NiMH

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Bateras de Li Ion Las bateras de Li Ion son relativamente nuevas en el mercado del

almacenamiento de energa. Ofrecen una densidad de energa que es tres veces mayor que bateras de plomo -

acido. Adems la batera de Li Ion genera mayor tensin 3.5 V en lugar de 2 V para

plomo acido 1.2 V para otras tecnologas. Por lo que se requieren menor numero de celdas para lograr una tensin dada,

reduciendo el costo de fabricacin.

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Como desventaja de las bateras de Li Ion se tiene que el electrodo de litio reacciona con cualquier electrolito liquido, creando una pelcula apaciguadora.

Cada vez que la batera se carga y descarga el litio es

removido del electrodo, con lo que una nueva superficie de litio queda expuesta al electrolito y una nueva pelcula es formada.

Para compensar este efecto se utilizan electrodos

relativamente gruesos, aumentando el costo. Adems son vulnerables a las sobrecargas por lo que

un sistema de manejo de la batera es siempre necesario

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Batera de Litio polmetro Esta es una batera de litio con electrolito polmetro. Es construida en base a una pelcula de litio metlico adherida a una

pelcula delgada de electrolito polmetro slido. El polmetro slido mejora la energa especifica de la celda actuando

como electrolito y separador al mismo tiempo.

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Batera de Zinc Aire

Este tipo de batera tiene un electrodo negativo de zinc un electrolito de hidrxido de potasio, y un electrodo positivo de carbn.

Oxigeno del aire es reducido en el electrodo de carbn y el electrodo de zinc es

oxidado. Durante la descarga se absorbe oxigeno del aire convirtindolo en iones de

oxigeno que son transportados al nodo de zinc. Durante la carga regenera oxigeno, por lo que es esencial contar con un sistema de

manejo de aire adecuado.


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Circuito equivalente Para representar la operacin de la batir en estado estacionario es

necesario utilizar un circuito equivalente. La batera puede ser representada en forma simplificada por una fuente

de tensin con una pequea resistencia en serie.

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La fuente de tensin corresponde a el voltaje de circuito abierto de la batera, el que disminuye linealmente con el estado de carga de la batera.

La resistencia serie de la batera es funcin de el estado de carga de la

batera y aumenta linealmente con la carga.

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De acuerdo al teorema de mxima transferencia de potencia la mxima carga que la batera puede suministrar esta dada por cuando la resistencia de la carga iguala la resistencia interna de la batera

Como los valores de Ei y Ri varan en funcin del SOC la mxima potencia que

puede obtenerse de la batera tambin cambia en funcin del estado su estado de carga.

Por otro lado la eficiencia de la batera tambin cambia en funcin del SOC,

disminuyendo a medida que esta se descarga

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Las caractersticas de rendimiento que deben tomarse en cuanta a la hora de disear un sistema de bateras pueden resumirse en

vVoltajes de carga y descarga vRazn de carga / descarga vEficiencia energtica de ciclo cerrado v Impedancia interna vAumento de temperatura vVida til en trminos de ciclos de c/d

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Voltajes de carga y descarga La variacin en el voltaje de la celda durante un ciclo tpico de carga y descarga es

funcin del tipo de batera utilizada Por ejemplo para una batera con 1.2 V en circuito abierto (NiCd o NiMH)

tendremos

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El potencial es mximo cuando la batera esta completamente cargada SOC = 1. Cuando la batera comienza a ser descargada el potencial cae rpidamente al nivel de

trabajo (1.2V). Al final de su capacidad SOC = 0 el potencial llega a 1V.

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Durante la carga comenzando desde SOC = 0 el potencial rpidamente aumenta para estabilizarse a un nivel de 1.45 V

Una vez que SOC = 1 ha sido alcanzado el voltaje en los terminales de la batera

aumenta a su valor mximo de 1.55 V.

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La caracterstica de carga y descarga tambin es funcin de cuan rpido la batera sea cargada y descargada.

Esto es la caracterstica depende del valor de la corriente que sea inyectada o extrada

de la batera.

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Razn de carga / descarga (c/d) Luego de descargar una cierta cantidad de

Ah de una batera se requiere de una cantidad mayor de Ah para volver a la batera a su condicin de plena carga.

Se define como razn de carga / descarga

como la razn de Ah extrados y Ah inyectados para mantener el mismo estado de carga.

Esta razn depende de tanto de la razn de

descarga, razn de carga y temperatura.

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Eficiencia energtica La eficiencia energtica de ciclo cerrado, o bien la eficiencia del ciclo carga

descarga de la batera se define como la razn entre la energa suministrada y la energa inyectada a la batera.

Para una batera de capacidad C con voltaje de descarga de 1.2 V y voltaje de

carga de 1.45 y razn c/d = 1.1 V tendremos que La eficiencia energtica en tanto

C1.2dasuministra =Energia

1.1C1.45inyectada =Energia

75.01.145.1

2.1=

=C

Cenergeticah

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Resistencia interna El calculo de eficiencia energtica anterior indica que 25% de la energa se pierde

en un ciclo cerrado de carga y descarga. Esta caracterstica de la batera puede ser vista como una resistencia Ri disipando

calor El valor de esta resistencia es funcin de la capacidad de la batera, temperatura y

estado de carga. Mientras mayor sea la capacidad de la batera mayor ser el rea de los electrodos

y por lo tanto menor su resistencia. Por otro lado Ri varia segn el estado de carga como se vio anteriormente

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Eficiencia de carga

La eficiencia de carga se define como la razn entre los Ah convertidos en energa electroqumica y los Ah inyectados a la batera.

Al comienzo de el proceso de carga todos los Ah inyectados son convertidos en

energa electroqumica. Sin embargo al aproximarse el SOC a 1 prcticamente nada de la energa inyectada

es convertida. El punto de inflexin cuando la eficiencia de carga comienza a disminuir depende

de la razn de carga. Por ejemplo para una razn de carga C/2 la eficiencia de carga es cercana al 100%

hasta aproximadamente 75% del SOC

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Auto descarga y carga por goteo (trickle charge) Aun cuando una batera se mantenga con sus terminales en circuito abierto esta se

descargara lentamente. A fin de mantener el estado de carga de la batera es necesario contrarrestar este

efecto continuando la carga de la batera en forma constante. Esto se hace mediante la carga por goteo, en que la batera se carga a menos de un

1% de su capacidad. Una vez que la batera alcanza SOC = 1 la eficiencia de carga se torna cero, por lo

que toda la energa inyectada se transforma en calor. Para evitar esto el controlador de carga debe cambiar el modo de operacin para

continuar la carga de la batera solo por goteo.

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Efecto Memoria La principal desventaja de las bateras de NiCd es el efecto memoria. El efecto memoria consiste en la habilidad de la batera para recordar el punto en

que en el pasado entrego la mayor parte de su carga. Esto es, si por ejemplo una batera de NiCd se ha descargado repetidamente en un

25% de su capacidad la batera recordara este punto de operacin. En ciclos subsiguientes al tratar de descargar la batera ms all del 25% el

potencial caer en forma mas acelerada reduciendo la energa que la batera puede entregar

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Para reducir el efecto memoria es necesario reacondicionar la batera. El reacondicionamiento consiste en descargar la batera hasta que su voltaje sea

prcticamente cero, y luego cargar hasta que el potencial de cada celda alcance 1.55V

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Efecto de la temperatura

Como se menciono en secciones anteriores la temperatura afecta el rendimiento de las bateras en la siguiente forma.

La capacidad y eficiencia de carga disminuyen al aumentar la temperatura

La capacidad disminuye si la temperatura esta sobre o bajo cierto rango. Adems disminuye rpidamente si la temperatura esa bajo el punto de congelacin

La auto descarga aumenta al aumentar la temperatura La resistencia interna de la batera aumenta con la temperatura

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Vida til de la batera La vida til de la batera esta directamente influenciada con el desgate de los

electrodos debido a la repeticin de los ciclos de carga/descarga. El nmero de veces que una batera puede ser cargada y descargada esta dado por

el tipo de electroqumica utilizado. Adems la vida til de una batera depende fuertemente de la profundidad de

descarga de la batera. Otros factores que afectan la vida til de la batera son la concentracin de

electrolito, y porosidad de los electrodos.

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Diseo de un banco de bateras El diseo de un banco de bateras para una aplicacin en particular se realiza en

base a los siguientes requerimientos.

Voltaje y corriente de la aplicacin Razones de carga y descarga de la batera Temperatura de operacin del sistema Vida til en termino de ciclos de carga/descarga

Costo, tamao y peso mximos

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Una vez que se tienen los requerimientos a nivel sistema el banco de bateras se disea en los siguientes pasos

Seleccionar la electroqumica apropiada para la aplicacin (temperatura de operacin, restricciones de peso y costo) Determinar el numero de celdas en serie necesarias para alcanzar el voltaje requerido Determinar los Ah necesarios en base a los requerimientos de la carga. Para los ciclos de carga/descarga especificados determinar la profundidad de descarga mxima permitida. La capacidad total en Ah del banco de bateras se obtiene dividiendo los Ah de descarga por la profundidad de descarga. Determinar el nmero de bateras en paralelo para lograr los Ah requeridos Determinar el aumento de temperatura y sistemas de control necesarios Especificar el sistema de carga y descarga.

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Carga de bateras. Durante el proceso de carga de la batera el cargador debe monitorear

constantemente el estado de carga de la batera y el estado general de sta. En especial deben monitorearse el voltaje , corriente de carga y temperatura. El proceso de carga puede dividirse en tres etapas

Carga masiva, la que entrega entre 80 y 90% de la capacidad de la batera Carga reducida, en la cual la corriente de carga se reduce lentamente para terminar

de cargar la batera Carga por goteo, una vez que la batera ha llegado a SOC 1 se entrega carga para

contrarrestar la auto descarga de la batera

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Los puntos en que el cargador hace el cambio entre los distintos tipos de carga es decidido en base al tipo de batera utilizado.

Por ejemplo bateras de NiCd y NiMH son normalmente cargadas utilizando corriente

constante. El V en los terminales de la bater a se monitorea constantemente y el cambio de

esquema de carga se realiza cuando se detecta que la variacin en la tensin es negativa.

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Por otro lado bateras de Li-ion, las que son extremadamente sensibles a la sobrecarga, son usualmente cargadas utilizando voltaje constante.

Limitando la corriente de carga como sea necesario para mantener la temperatura de

las celdas dentro de sus especificaciones.

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Almacenamiento de Energa Volante de inercia

Volante de inercia En un volante de inercia la energa es almacenada en

forma de energa cintica en una masa girando a alta velocidad.

La conversin entre energa elctrica y mecnica

puede ser realizada a alta eficiencia. Si bien el concepto del volante de inercia es un

concepto antiguo, este ha cobrado relevancia gracias a recientes desarrollos en el rea de los materiales compuestos y el desarrollo de rodamientos magnticos

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Los volantes de inercia estn siendo desarrollados para una variedad de aplicaciones tales como UPS, transporte y aplicaciones estacionarias.

La eficiencia de ciclo cerrado de los sistemas de almacenamiento basados en

volantes de inercia habitualmente esta alrededor de 90%, esto es 10% mayor que la de las bateras.

La cantidad de energa que puede ser almacenada en un volante inercial esta

limitada principalmente por los estres mecnicos producto de la fuerza centrifuga debido a la velocidad de rotacin del volante.

Es por esto que esfuerzos considerables se han invertido en el desarrollo de

nuevos materiales de alta resistencia para la construccin del rotor.

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La energa almacenada en un volante de inercia es funcin de su inercia y del cuadrado de la velocidad de giro.

La fuerza centrifuga en un rotor de densidad a un radio r es calculada con Si el rotor debe conservar su integridad la fuerza centrifuga debe ser soportada por

sus capas exteriores

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Como la velocidad lineal esta dada por el estrs mximo en el rotor es proporcional al cuadrado de la velocidad del extremo exterior del rotor.

El estrs mximo permitido por el material utilizado para fabricar el rotor definir

entonces su mxima velocidad de giro La mxima energa que puede almacenarse en un rotor con radio interno R1 y

externo R2 esta dada por

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En general los volantes de inercia en que R1/R2 1 resultan en un diseo de alta energa especifica para un estrs dado.

Por otro lado mientras ms alta sea la resistencia del material, ms alta ser su

energa especifica. Adems mientras ms baja sea la densidad del material menor ser la fuerza centrifuga que deba soportar.

De esto se desprende que la mxima energa puede ser calculada a partir de En consecuencia un buen diseo para un volante de inercia debe tener una razn

max/ relativamente grande para obtener alta energ a especifica

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Es por esta razn que volantes de inercia metlicos ( con una razn max/ baja) tienen una menor energa especifica que volantes de inercia fabricados en base a fibras polmeras de alta resistencia (grafito, boro, silicio)

Volantes de inercia fabricados en base a estos materiales poseen una energa especifica un orden de magnitud mayor por unidad de volumen que volantes de fabricacin metlica.

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Basado en esto los rotores de los volantes de inercia modernos se fabrican con materiales compuestos dispuestos en dos capas sobre una base de aluminio de una sola pieza.

La capa exterior del rotor se fabrica en base a grafito de alta

resistencia. La capa interna, en tanto, se fabrica en base a fibra de vidrio de

bajo costo. Este tipo de construccin aparte de producir una alta energa

especifica tiene la ventaja de que en el caso de producirse una desintegracin producto de la fuerza centrifuga el rotor tiene la tendencia a mullirse en lugar de fragmentarse

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Componentes de un volante de inercia El sistema de almacenamiento de energa en base

a un volante de inercia consta de los siguientes componentes.

Rotor de alta velocidad Rodamientos de alta velocidad (usualmente

magnticos) Conversor electromecnico de energa,

usualmente una mquina elctrica operada en modo motor y generador Electrnica de potencia Sistema de control

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Utilizar rodamientos de baja friccin y vibraciones es esencial para la aplicacin de volantes de inercia.

Rodamientos convencionales solo pueden operar hasta velocidades

relativamente bajas, velocidades de 100000 rpm solo pueden ser alcanzadas utilizando rodamientos magnticos

Estos rodamientos soportan al rotor por medio de la fuerzas de repulsin y atraccin

De esta forma el contacto mecnico es eliminado, eliminando la friccin.

Por otro lado para eliminar la friccin con el aire el rotor se encapsula en vaco

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La conversin de energa electromecnica se realiza utilizando una mquina elctrica acoplada al rotor del volante de inercia.

La mquina se utiliza en modo motor para acelerar el rotor del volante de forma

de almacenar energa cintica Para recuperar la energa la mquina se opera en modo generador desacelerando

el rotor. Hay dos tipos de mquinas elctricas que presentan caractersticas ventajosas para

esta aplicacin Mquina sincrnica Mquina DC sin conmutador de imanes permanentes

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La tensin producida por la mquina elctrica (magnitud y frecuencia) vara en un amplio rango dependiendo de la velocidad de giro del rotor del volante.

Es por esto que es necesario contar con electrnica de potencia para hacer la interfase con

la carga as como regular la operacin de la mquina elctrica entre los modos generador y motor.

Motor/Generador

Bus side converter

Flywheel

Bus

Storage side converter

Motor Generator

InputElectronics

OutputElectronics

Flywheel

InputPower

OutputPower

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A diferencia de las baterias el estado de carga de un sistema de almacenamiento en base a un volante de inercia es simple de evaluar.

Esto ya que la energa almacenada por el volante de inercia es funcin del

cuadrado de su velocidad de rotacin. El rango de velocidades en que se opera un volante de inercia habitualmente esta

entre 1 y 3 p.u. Por lo cual a bajo SOC el volante de inercia solo almacenara un 0.1 p.u de su

energa, esto es se puede entregar el 90% de la energa almacenada. En cuanto a la vida til del volante de inercia la nica limitante esta dada por la

fatiga del rotor compuesto. Con los materiales actuales se puede llegar a 10000 ciclos de carga/descarga con

profundidades de descarga mayores que las bateras.

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Almacenamiento de Energa SMES

Almacenamiento Magntico (SMES) La energa puede ser almacenada en el campo magntico producido por una

bobina (inductor). Como la cantidad de energa almacenada en el campo magntico es funcin de la

corriente que circula por el inductor corrientes de gran magnitud son necesarias. Por otro lado la resistencia del inductor debe ser minimizada de forma que la

energa no se disipe en forma de calor Por esto para el almacenamiento magntico de la energa es necesario utilizar

materiales semiconductores (Superconducting Magnetic Energy Storage)


La energa almacenada en un inductor esta dada por

B: Densidad de flujo magntico producida por la bobina m: permeabilidad del material L: inductancia de la bobina

Por otro lado la relacin entre el voltaje aplicado a un inductor y la corriente que

circula por el En estado estacionario el segundo termino es cero, con lo que la corriente que

circula por el inductor es solo dependiente de la resistencia del inductor.

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[ ] [ ]JLImJBW 232

21

21

==m

dtdILIRV +=

Almacenamiento de Energa SMES La resistencia de la bobina depende de la temperatura, y para la mayor parte de

los materiales esta aumenta al aumentar la temperatura. Si la temperatura de la bobina se reduce la resistencia baja. Para algunos materiales si la temperatura es reducida bajo cierto valor critico Tc su

resistencia cae abruptamente a cero. Bajo esta condicin el material se vuelve superconductor.

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Bajo la temperatura TC no es necesario aplicar una tensin para que la corriente circule por el inductor, con lo una vez que se establece una corriente sus terminales pueden ser cortocircuitados.

Mientras los terminales del inductor estn cortocircuitados la corriente continuara

circulando, dado que no existen prdidas resistivas en el material Con lo que la energa almacenada en el campo magntico del inductor se mantiene

en el tiempo.

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Los componentes principales de un sistema de almacenamiento de energa basado en SMES son

Convertidor AC/DC Convertidor DC/DC Sistema de control de SOC Sistema de refrigeracin

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Los sistemas de almacenamiento magntico en general tienen las siguientes ventajas sobre otros mtodos de almacenamiento de energa

Alta eficiencia de ciclo cerrado (95%) Los tiempos de carga y descarga pueden ser extremadamente cortos, dependiendo

nicamente de la capacidad del convertidor utilizado para la interface. Ausencia de partes mviles en el sistema principal. El sistema secundario de

refrigeracin si posee partes mviles (bombas)

El principal costo de operacin de un SMES esta en mantener el material del inductor bajo su temperatura critica.

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Tpicamente el material superconductor utilizado es niobio-titanio, el cual requiere de una temperatura de alrededor de 9K.

Mantener esta temperatura implica el uso de helio lquido (4k) como refrigerante. Recientemente el descubrimiento de materiales superconductores de alta temperatura

ha re-potenciado a los SMES para aplicaciones de almacenamiento de energa. Actualmente existen tres tipos de materiales superconductores de alta temperatura,

todos fabricados en base a compuestos de cuprato de itrio o bismuto. Estos materiales tienen temperaturas criticas cercanas a los 100 K, lo que implica que

pueden ser refrigerados con nitrgeno lquido el cual requiere menor energa para ser refrigerado.

82

Almacenamiento de Energa Spercondensadores

Los condensadores en general almacenan energa en el campo elctrico que se establece en el dielctrico que separa sus placas.

El valor mximo de tensin que puede soportar un condensador esta dado por el

voltaje de ruptura del dielctrico. Por otro lado la capacidad del condensador es funcin de la permeabilidad del

material e el espesor del dielctrico d y de su rea. Para almacenar grandes cantidades de energa es necesario entonces utilizar

condensadores con capacidad elevada. 83

2

21 CVW =

dAC = e


Los condensadores de doble capa, o tambin conocidos como ultra-condensadores, condensadores electroqumicos o sper condensadores

Estos condensadores se caracterizan por su construccin similar a la de una batera,

donde se tienen dos electrodos porosos con separadores entre ellos inmersos en un electrolito.

84


La carga y energa de un supercondensador estn dados por las mismas expresiones que en un condensador normal.

Sin embargo el valor de la capacidad depende de los fenmenos que ocurren

en los micro poros de los electrodos.

85

Almacenamiento de Energa Sper condensadores

El condensador consta de dos electrodos de carbn particulado formado sobre un polmero conductor.

Una membrana conductora de iones separa el nodo y ctodo del condensador El espacio restante se llena con un electrolito de hidrxido de potasio. La presencia de microporos en los electrodos resulta en una gran superficie de

contacto, por lo que la capacidad del condensador puede ser extremadamente grande

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La energa almacenada y la densidad de potencia de los supercondensadores estn en un rango entre las bateras y los condensadores convencionales.

Es decir pueden almacenar mayor energa que un condensador convencional

debido a que poseen un valor de capacidad ms alto Por otro lado poseen menor energa que una batera.

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Adems a diferencia de las bateras el voltaje en terminales de un supercondensador disminuye linealmente con el su estado de carga.

Por otro lado la diferencia de potencial existente entre SOC=1 y SOC=0 es

mayor que en el caso de las bateras.

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Aplicaciones tpicas de sper condensadores son: Cargas pulsantes, donde la carga requiere de pulsos de energa de gran magnitud

y corta duracin Mantencin de carga, como por ejemplo para suministrar una carga critica por

segundos o minutos mientras la UPS entra en funcionamiento Pack de bateras eficientes, donde un sper condensador y batera son

conectados en paralelo obtenindose un pack de alta energa y alta potencia.

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A parte de las ventajas descritas anteriormente los sper condensadores son mas ventajosos que las bateras desde el punto de vista de vida til.

Esto ya que no se producen reacciones qumicas en su interior que puedan

consumir los electrodos o electrolito. Tpicamente sper condensadores tienen mas de 100000 ciclos de carga

descarga con una eficiencia de ciclo cerrado de 90%

90

91

Almacenamiento de Energa - Comparacin entre sper condensadores y bateras

1 10 100 1000

1 e 1

1 e 2

1 e 3

1 e 4

1 e 5

1 e 6

1 e 7

1 e 8

1 e 9

1 e 10

Supercapacitors

Flywheels

Batteries

Energy [ Wh / kg ]

Pow

er [

W /

kg ]

A pesar de su mayor costo inicial sper condensadores y volantes de inercia ofrecen ventajas desde el punto de vista de la mantencin y del nmero de ciclos de carga/descarga

Estado Actual

Estado Actual

Almacenamiento de Energa Comparacin entre sper condensadores y bateras

Energy Source Energy

kJ

Energy density [W/h]

Power Density [W/kg]

Price [US$]

Volume [cm3]

Weight [kg]

US$/Wh

Supercapacitors

by Maxwell [-] 8,437 2.34 5000 188 593.8 0.725 80.7

Supercapacitors

by Montena [-] 8,125 2.26 4300 170 486.32 0.525 75.22

Supercapacitors

by Kolban [-] 20,000 5.55 500 2870.31 5 90.09

33 Ah Lead Acid

Battery 1,425 360

Almacenamiento de Energa Aire comprimido

Un mtodo alternativo para almacenar energa es mediante el uso de aire comprimido.

Para esto es necesario contar con los siguientes elementos

Compresor de aire Turbina de expansin Grupo motor generador Tanque o caverna para almacenamiento del aire

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Si tenemos que P y V representan la presin y volumen de aire respectivamente, y si comprimimos tal volumen desde una presin P1 a P2 podemos calcular que el trabajo requerido para realizar la compresin es la energa almacenada o bien

La temperatura al final del proceso de compresin esta dada por La energa almacenada depende del valor de n, cuyo valor isotrpico para el

aire es de 1.4. (1.3 para condiciones normales de trabajo) 94

1)n(PAlmacenada 1122

--

=n

VPVEnergia

nn

PP

TT

1

1

2

1

2

-

=


Energa elctrica es generada al descomprimir el aire va una turbina de expansin conectada a una mquina elctrica.

El sistema puede trabajar en uno de dos modos de operacin Volumen constante: en compresin a volumen constante el aire es

almacenado en tanques o cavernas Presin constante: en compresin a presin constante el aire es

almacenado en un tanque de volumen variable La eficiencia de este tipo de almacenamiento de energa es funcin de todos

los componentes involucrados. Siendo esta habitualmente de un 50%

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ch-3- almacenamiento de energia

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