Anàlisi experimental de la problemàtica de càrrega-descàrrega de ACEE aplicables en transports
Authors:   , Garrigosa i Garcia Ramón 
Published: July 2023

lt's a well-known fact that the flywheel stores energy inside, and this energy is proportional to the rotational speed and the moment of inertia. lf the moment of inertia increases, the energy increases in the same proportion to it. But if the rotational speed increases, the energy increases in the quadratic portian. Then, the faster the rotation, the greater the energy storage becomes.
lf it engages an electric machine with a flywheel, this is Kinetic storage. The electric machine will behave as a motor in the loading process and also as a generator in the download process. Far that, the electric motor's efficiency has to be higher in both directions.
In this dissertation, we took a look at different types of public transports, such as cars, busses, trams, trains and metros to install an electric energy store. Metros and trains both have higher mass and speed than the rest transports, far that, reason they have greater possibility be fitted with the electrical energy kinetic storage. This machine could save a lot energy in the braking process with these public transport types. Furthermore, the frequency (or repetitive) of the braking process in each station help to save more energy. In this way, the electrical energy kinetic store could be a feasible, effective and cost effective system.
In fact, there are two options of installation: On board or fixe. Both options have their technical advantages and disadvantages (commented in this dissertation). But, we don't have any the information about the cost-effectiveness because public transport operating companies are keeping it to themselves.
This dissertation goes further and it studies the possibility to install or apply the electrical energy kinetic storage on ships. The two main reasons are the following: modern vessels move by electrical energy (not by mechanical engines) with new propulsion systems and the waves always affect the speed to the vessel. Ship's speed fluctuate constantly making speed variations are more frequent, repetitive and constant that we thought it. Waves directly affect ships' propulsion systems and this greatly increases energy consumption.
Electrical energy kinetic storage gains and stores energy from propulsion system, as the ship comes down a wave which is later returned as the ship climbs back up. This system helps always aids the ship's propulsion system. The energy interchange between both systems will be constant and frequent (on any given wave). And the electrical energy kinetic storage will adapt to the instantaneous needs of the ship because this system returns the energy required by the vessel at all times. As we can see, this application could have a high possibilities to success making it a viable option.
To avoid any interference with the vessel's propulsion systems, the energy save installation will be a complementary system with another propulsion system located at the ship's hull. Furthermore to support ship propulsion, this could help to stabilize the ship on any wave with a special program. Then, the electrical energy kinetic storage will save energy consumption and will be a comfort system when waves are bigger.
A prototype (designed and built far this dissertation) has a flywheel of steel with 35kg of weight and 22,SKJ energy store capacity at 1.500rpm. We had sorne loading and download tests over a 100% electric car. We simulated loads to the electrical energy kinetic storage from car brake energy. But the energy was smaller than expected because only the rotational masses accumulated energy and the car failed to run.
We have verífied in the tests, the high load and down load power in the firsts moments. The load and download power reached at round 11SkW and the mean power arrived at 11,6kW. As we see it, the power is high and the current is high too in the first seconds. This forces everything to oversize, from the electric machine to the electronic equipment.
L'energia emmagatzemada a un volant d'inèrcia es proporcional a la velocitat de rotació i al moment d'inèrcia. Un augment de moment correspon a un increment proporcional lineal. Però un augment de velocitat, correspon a un increment quadràtic. Per tant, un volant d'inèrcia emmagatzema molt més energia quan més velocitat de rotació té. Si acoblem una maquina elèctrica, aquesta es comporta com a motor en el procés de carrega i es comporta com a generador en el procés de descarrega. El flux d'energia és en els dos sentits i el rendiment de la maquina elèctrica ha de ser elevat ambdós sentits . Dels mitjans de transport analitzats (cotxe públic o privat, bus, tramvia, tren i metro), el tren i metro son els mitjans de transport amb més possibilitats d'implantar un sistema acumulador per la seva velocitat i pes. Per tant, durant el procés de frenat, l'energia recuperable és prou gran i freqüent perquè la instal·lació d'un acumulador sigui factible, eficaç i rendible. Ara bé, hi han dues opcions: acumulador fixe o acumulador embarcat. Cada opció té els seus avantatges i desavantatges i les empreses d'explotació de transport públic no donen a conèixer els seus resultats al tractar-se de valor econòmics. Però aquest treball estudia la possibilitat d'instal-lació d'un sistema acumulador d'energia en un vaixell. Això es deu a dues raons: Els vaixells moderns van canviant la propulsió directa mecànica per sistemes de propulsió elèctrica i, per un altre costat, les ones provoquen oscil-alcions en el vaixell. És a dir, les ones provoquen variacions de la velocitat i aixo, desestabilitzen el sistema de propulsió provocant un augment considerable del consum de combustible. Les variacions de velocitat son molt freqüents, constants i es repeteixen sempre. L'excés d'energia al sistema de propulsió quan el vaixell baixa de l'ona s'emmagatzemaria a l'acumulador i, quan el vaixell remunta l'ona, l'acumulador entregaria l'energia recolzant el sistema de propulsió. Aquest intercanvi d'energia seria constant i freqüent. El sistema acumulador d'energia sempre s'ajustaria a les necessitats instantànies del vaixell , entregant l'energia demanada en cada moment. Tot plegat fa que la instal·lació d'un sistema acumulador d'energia dins d'un vaixell elèctric tingui moltes probabilitats d'èxit. Per evitar conflictes o interferències amb el sistemes de propulsió elèctrics principal del vaixell, la instal-lació del sistema acumulador es complementaria amb uns propulsors distribuïts pel casc del vaixell. A més, de recolzar la propulsió del vaixell, es podria desenvolupar un software per aconseguir un sistema d'estabilització del vaixell. Així, a més d'estalviar combustible, el sistema acumulador podria millorar el confort dels passatgers en cas d'un onatge considerable. El segon prototip (dissenyat i construït exclusivament per d'aquest treball) té un volant d'inèrcia d'acer de 33,5kg i una energia emmagatzemable de 22,5kJ a 1.500rpm. Amb aquest segon prototipus varem fer proves de càrrega i descàrrega sobre un vehicle 100% elèctric ja que ens permetia un nivell més gran d'intercanvi d'energia. Per apropar-nos al màxim a la realitat, el cotxe elèctric es va instal-lar als rodets del banc de proves del Laboratori de Motors Tèrmics. D'aquesta manera varem poder simular carregues de l'acumulador a partir de l'energia de frenat del cotxe. Desgraciadament, la falta d'energia cinètica (cotxe estàtic) del cotxe, no permetia fer unes preves de carrega com desitjàvem. Per aixo, ens varem concentrar en les proves de descarrega de l'acumulador sobre el cotxe elèctric. Durant aquestes proves hem observat que la potencia de carrega de l'acumulador durant el primer segon és prou important, al voltants de 115kW mentre que la potencia mitja durant la carrega és de 11,6kW. Com veiem la potencia instantània és molt gran. Això es tradueix en un corrent molt elevat durant els primers mili-segons que obliga a sobredimensionar els equips electrònics i elèctrics