TrasportiEdit
AutomotiveEdit
Negli anni ’50, autobus alimentati a volano, noti come gyrobus, sono stati utilizzati a Yverdon (Svizzera) e Ghent (Belgio) e ci sono ricerche in corso per realizzare sistemi a volano che siano più piccoli, più leggeri, più economici e con una maggiore capacità. Si spera che i sistemi a volano possano sostituire le batterie chimiche convenzionali per applicazioni mobili, come per i veicoli elettrici. I sistemi a volano proposti eliminerebbero molti degli svantaggi degli attuali sistemi di alimentazione a batteria, come la bassa capacità, i lunghi tempi di ricarica, il peso elevato e la breve vita utile. I volani potrebbero essere stati usati nella Chrysler Patriot sperimentale, anche se questo è stato contestato.
I volani sono stati proposti anche per l’uso nelle trasmissioni a variazione continua. Punch Powertrain sta attualmente lavorando su un tale dispositivo.
Durante gli anni ’90, Rosen Motors sviluppò un powertrain automobilistico ibrido di serie alimentato da una turbina a gas che utilizzava un volano a 55.000 giri/min per fornire raffiche di accelerazione che il piccolo motore a turbina a gas non poteva fornire. Il volano immagazzinava anche energia attraverso la frenata rigenerativa. Il volano era composto da un mozzo in titanio con un cilindro in fibra di carbonio ed era montato a cardano per ridurre al minimo gli effetti giroscopici negativi sulla manovrabilità del veicolo. Il prototipo del veicolo è stato testato con successo su strada nel 1997, ma non è mai stato prodotto in serie.
Nel 2013, Volvo ha annunciato un sistema a volano montato sull’asse posteriore della sua berlina S60. L’azione frenante fa girare il volano fino a 60.000 giri/min e ferma il motore anteriore. L’energia del volano viene applicata tramite una trasmissione speciale per alimentare parzialmente o completamente il veicolo. Il volano in fibra di carbonio di 20 centimetri (7.9 in) e 6 chilogrammi (13 lb) gira nel vuoto per eliminare l’attrito. Quando è associato a un motore a quattro cilindri, offre fino al 25 per cento di riduzione del consumo di carburante rispetto a un sei cilindri turbo di pari prestazioni, fornendo una spinta di 80 cavalli (60 kW) e permettendo di raggiungere i 100 chilometri all’ora (62 mph) in 5,5 secondi. L’azienda non ha annunciato piani specifici per includere la tecnologia nella sua linea di prodotti.
Nel luglio 2014 GKN ha acquisito la divisione Williams Hybrid Power (WHP) e intende fornire 500 sistemi a volano elettrico in fibra di carbonio Gyrodrive agli operatori di autobus urbani nei prossimi due anni Come implica il nome dell’ex sviluppatore, questi sono stati originariamente progettati per applicazioni di Formula uno di corse automobilistiche. Nel settembre 2014, Oxford Bus Company ha annunciato che sta introducendo 14 autobus ibridi Gyrodrive di Alexander Dennis sulla sua operazione Brookes Bus.
Veicoli ferroviariModifica
I sistemi a volano sono stati utilizzati sperimentalmente in piccole locomotive elettriche per lo smistamento o la commutazione, ad esempio la Sentinel-Oerlikon Gyro Locomotive. Le locomotive elettriche più grandi, ad esempio la British Rail Class 70, sono state talvolta dotate di booster a volano per superare gli spazi vuoti nella terza rotaia. Volani avanzati, come il pacchetto da 133 kWh dell’Università del Texas a Austin, possono portare un treno da una partenza da fermo fino alla velocità di crociera.
Il Parry People Mover è un vagone ferroviario che è alimentato da un volano. È stato provato la domenica per 12 mesi sulla Stourbridge Town Branch Line nelle West Midlands, in Inghilterra, durante il 2006 e il 2007 e doveva essere introdotto come servizio completo dall’operatore ferroviario London Midland nel dicembre 2008 una volta ordinate due unità. Nel gennaio 2010, entrambe le unità sono in funzione.
Elettrificazione delle ferrovieModifica
FES può essere usato a bordo delle ferrovie elettrificate per aiutare a regolare la tensione della linea migliorando così l’accelerazione dei treni elettrici non modificati e la quantità di energia recuperata indietro alla linea durante la frenata rigenerativa, abbassando così le bollette energetiche. Prove hanno avuto luogo a Londra, New York, Lione e Tokyo, e la Long Island Rail Road di New York MTA sta ora investendo 5,2 milioni di dollari in un progetto pilota sulla linea West Hempstead Branch della LIRR. Questi girano fino a 37800rev/min, e ogni unità da 100 kW può immagazzinare 11 megajoule (3,1 kWh) di energia riutilizzabile, circa abbastanza per accelerare un peso di 200 tonnellate metriche da zero a 38 km/h.
Gruppi di continuitàModifica
I sistemi di immagazzinamento di energia su ruote volanti in produzione dal 2001 hanno capacità di immagazzinamento paragonabili alle batterie e velocità di scarico più veloci. Sono principalmente utilizzati per fornire il livellamento del carico per grandi sistemi a batteria, come un gruppo di continuità per i centri dati, in quanto risparmiano una notevole quantità di spazio rispetto ai sistemi a batteria.
La manutenzione dei volani in generale è circa la metà del costo dei tradizionali sistemi UPS a batteria. L’unica manutenzione è una routine annuale di manutenzione preventiva di base e la sostituzione dei cuscinetti ogni cinque-dieci anni, che richiede circa quattro ore. I sistemi a volano più recenti fanno levitare completamente la massa rotante utilizzando cuscinetti magnetici che non richiedono manutenzione, eliminando così la manutenzione dei cuscinetti meccanici e i guasti.
I costi di un UPS a volano completamente installato (compreso il condizionamento dell’alimentazione) sono (nel 2009) circa 330 dollari per kilowatt (per 15 secondi di capacità a pieno carico).
Laboratori di provaModifica
Un mercato di nicchia di lunga data per i sistemi di alimentazione a volano sono strutture in cui vengono testati interruttori e dispositivi simili: anche un piccolo interruttore domestico può essere valutato per interrompere una corrente di 10000 o più ampere, e le unità più grandi possono avere capacità di interruzione di 100000 o 1000000 ampere. Gli enormi carichi transitori prodotti costringendo deliberatamente tali dispositivi a dimostrare la loro capacità di interrompere cortocircuiti simulati avrebbero effetti inaccettabili sulla rete locale se questi test fossero fatti direttamente dalla potenza dell’edificio. Tipicamente un tale laboratorio avrà diversi grandi gruppi motore-generatore, che possono essere fatti girare fino alla velocità per diversi minuti; poi il motore viene scollegato prima che un interruttore di circuito venga testato.
Laboratori di fisicaModifica
Gli esperimenti di fusione Tokamak hanno bisogno di correnti molto alte per brevi intervalli (principalmente per alimentare grandi elettromagneti per pochi secondi).
- JET (il Joint European Torus) ha due volani da 775 tonnellate (installati nel 1981) che girano fino a 225 rpm. Ogni volano immagazzina 3,75 GJ e può erogare fino a 400MW.
- L’Helically Symmetric Experiment all’Università del Wisconsin-Madison ha 18 volani da una tonnellata, che sono fatti girare a 10.000 rpm usando motori di treni elettrici riutilizzati.
- ASDEX ha 3 generatori a volano.
- DIII-D (tokamak) alla General Atomics
- il Princeton Large Torus (PLT) al Princeton Plasma Physics Laboratory
Anche il non-tokamak: Nimrod synchrotron al Rutherford Appleton Laboratory aveva due volani da 30 tonnellate.
Sistemi di lancio di aereiModifica
La portaerei di classe Gerald R. Ford userà dei volani per accumulare energia dall’alimentazione della nave, per un rapido rilascio nel sistema di lancio elettromagnetico degli aerei. Il sistema di alimentazione di bordo non può da solo fornire i transitori di alta potenza necessari al lancio degli aerei. Ciascuno dei quattro rotori immagazzinerà 121 MJ (34 kWh) a 6400 rpm. Possono immagazzinare 122 MJ (34 kWh) in 45 secondi e rilasciarli in 2-3 secondi. Le densità di energia del volano sono 28 kJ/kg (8 W-h/kg); includendo gli statori e le casse questo scende a 18,1 kJ/kg (5 W-h/kg), escludendo il torque frame.
Volano G2 della NASA per l’immagazzinamento di energia dei veicoli spazialiModifica
Questo era un progetto finanziato dal Glenn Research Center della NASA e destinato al test dei componenti in un ambiente di laboratorio. Utilizzava un cerchio in fibra di carbonio con un mozzo in titanio progettato per girare a 60.000 rpm, montato su cuscinetti magnetici. Il peso era limitato a 250 libbre. Lo stoccaggio era di 525 W-ora (1,89 MJ) e poteva essere caricato o scaricato a 1 kW. Il modello funzionante mostrato nella foto in cima alla pagina ha funzionato a 41.000 giri al minuto il 2 settembre 2004.
Giostre di divertimentoModifica
Le montagne russe Montezooma’s Revenge alla Knott’s Berry Farm sono state le prime montagne russe lanciate a volano nel mondo e sono l’ultima corsa di questo tipo ancora in funzione negli Stati Uniti. La corsa utilizza un volano di 7,6 tonnellate per accelerare il treno a 55 miglia all’ora (89 km/h) in 4,5 secondi.
Le montagne russe dell’Incredibile Hulk all’Universal’s Islands of Adventure sono caratterizzate da un lancio in salita in rapida accelerazione al contrario della tipica caduta per gravità. Questo è ottenuto attraverso potenti motori di trazione che lanciano l’auto su per la pista. Per raggiungere la breve corrente molto alta richiesta per accelerare un treno completo di coaster a piena velocità in salita, il parco utilizza diversi gruppi generatori di motori con grandi volani. Senza queste unità di energia immagazzinata, il parco dovrebbe investire in una nuova sottostazione o rischiare di mandare in crisi la rete energetica locale ogni volta che la corsa viene lanciata.
Pulse powerEdit
I sistemi di immagazzinamento dell’energia a volano (FESS) si trovano in una varietà di applicazioni che vanno dalla gestione dell’energia collegata alla rete ai gruppi di continuità. Con il progresso della tecnologia, c’è un veloce rinnovamento coinvolto nell’applicazione FESS. Gli esempi includono armi ad alta potenza, gruppi propulsori di aerei e sistemi di alimentazione di bordo, dove il sistema richiede una potenza molto elevata per un breve periodo nell’ordine di pochi secondi e persino millisecondi.L’alternatore pulsato compensato (compulsatore) è una delle scelte più popolari di alimentazione pulsata per i reattori a fusione, i laser pulsati ad alta potenza e i lanciatori elettromagnetici ad ipervelocità a causa della sua alta densità di energia e densità di potenza, che è generalmente progettata per il FESS.I compulsatori (alternatori a bassa induttanza) agiscono come condensatori, possono essere fatti girare per fornire potenza pulsata per cannoni e laser. Invece di avere un volano e un generatore separati, solo il grande rotore dell’alternatore immagazzina energia. Vedi anche generatore omopolare.
Sport motoristiciModifica
Utilizzando una trasmissione a variazione continua (CVT), l’energia viene recuperata dalla trasmissione durante la frenata e immagazzinata in un volano. Questa energia immagazzinata viene poi utilizzata durante l’accelerazione modificando il rapporto del CVT. Nelle applicazioni degli sport motoristici questa energia viene utilizzata per migliorare l’accelerazione piuttosto che ridurre le emissioni di anidride carbonica – anche se la stessa tecnologia può essere applicata alle auto stradali per migliorare l’efficienza del carburante.
Automobile Club de l’Ouest, l’organizzatore dell’annuale 24 Ore di Le Mans e della Le Mans Series, sta attualmente “studiando regole specifiche per la LMP1 che sarà dotata di un sistema di recupero dell’energia cinetica.”
Williams Hybrid Power, una filiale del team Williams F1 Racing, ha fornito a Porsche e Audi un sistema ibrido a volano per la Porsche 911 GT3 R Hybrid e l’Audi R18 e-Tron Quattro. La vittoria di Audi nella 24 Ore di Le Mans 2012 è la prima per un veicolo ibrido (diesel-elettrico).
Accumulo di energia di reteModifica
I volani sono talvolta utilizzati come riserva di rotazione a breve termine per la regolazione momentanea della frequenza di rete e per bilanciare i cambiamenti improvvisi tra fornitura e consumo. Nessuna emissione di carbonio, tempi di risposta più rapidi e capacità di acquistare energia nelle ore non di punta sono tra i vantaggi dell’uso dei volani invece delle fonti tradizionali di energia come le turbine a gas naturale. Il funzionamento è molto simile alle batterie nella stessa applicazione, le loro differenze sono principalmente economiche.
Beacon Power ha aperto un impianto di stoccaggio di energia a volano da 5 MWh (20 MW su 15 minuti) a Stephentown, New York nel 2011 utilizzando 200 volani e un sistema simile da 20 MW a Hazle Township, Pennsylvania nel 2014.
Un impianto di stoccaggio a volano da 2 MW (per 15 minuti) a Minto, Ontario, Canada ha aperto nel 2014. Il sistema a volano (sviluppato da NRStor) utilizza 10 volani in acciaio che girano su cuscinetti magnetici.
Amber Kinetics, Inc. ha un accordo con Pacific Gas and Electric (PG&E) per un impianto di stoccaggio di energia a volano da 20 MW / 80 MWh situato a Fresno, CA con una durata di scarica di quattro ore.
Turbine eolicheModifica
I volani possono essere utilizzati per immagazzinare l’energia generata dalle turbine eoliche durante i periodi non di punta o durante le alte velocità del vento.
Nel 2010, Beacon Power ha iniziato i test del suo Smart Energy 25 (Gen 4) sistema di stoccaggio di energia a volano in un parco eolico a Tehachapi, California. Il sistema faceva parte di un progetto dimostrativo di energia eolica/volano realizzato per la California Energy Commission.
GiocattoliModifica
I motori a frizione usati per alimentare molte macchine giocattolo, camion, treni, action toys e simili, sono semplici motori a volano.
Presse a ginocchieraModifica
Nell’industria, le presse a ginocchiera sono ancora popolari. La disposizione usuale comporta un albero a gomito molto forte e una biella pesante che aziona la pressa. Volani grandi e pesanti sono azionati da motori elettrici, ma i volani fanno girare l’albero a gomiti solo quando le frizioni sono attivate.