飞轮储能技术

飞轮储能技术研究

汽车08-2班张吉泉0707130226

摘要：介绍了飞轮储能技术的基本原理和应用.飞轮储能技术作为一种新型能源储备方式，具有大储能、高功率、无污染、适用广、维护简单、可实现连续工作等优点越来越为世界各国所重视，成为研究热点。

关键词:飞轮储能;电力;复合材料;飞轮电池

引言：近年来.世界各地屡屡发生大面积停电等重人电力事故.美国、加拿人、英国、瑞典、意人利等都遭遇了地铁瘫痪、民航、铁路运输中断等事故.经济损失达上千亿美元.大面积停电和严重缺电能够迅速波及整个网络.其损失和造成的影响都是难以估量的.采取一些有效的措施把用电低谷时多余的电能储存起来.在用电高峰时释放出来缓解用电压力是各国都在积极考虑的问题.现在己采取的储能技术有机械储能（飞轮、抽水、弹簧、压缩空气等)、热能蓄能(显热、潜热、蒸发、融解、升华等)、电磁蓄能(电容器、超导等)和化学蓄能(蓄电池、合成燃料、浓度差发电、物理化学能量等).其中发展最快、规模最大的是抽水蓄能.其次是压缩空气蓄能.排在第二位的就是飞轮蓄能.飞轮蓄能装置可配置在城市和用电中心附近的变电所.用来调峰调频.它的规模己达几十和几百MW级.特别是由于高温超导磁力轴承的开发和应用.将加速飞轮储能技术的发展.与其他形式的储能方式相比较.飞轮储能具有大容量、高效率、无限循环寿命、零排放、无污染和装置对环境无要求等优点.

1飞轮储能原理

飞轮储能系统主要包括3个部分:(1)转子系统;(2)支撑转子的轴承系统;(3)转换能量和功率的电动/发电机系统.另外还有一些支持系统，如真空、深冷、外壳和控制系统.基木结构如图1所示.

1 .1飞轮转子

飞轮转子是飞轮储能系统的一个重要的组成部分.储存在飞轮内的动能E用下式表示为

式中J和w分别表示飞轮的转动惯量和转动角速度.考虑到制造飞

轮所用材料强度的限制.其转动角速度有一个上限.超过此上限.飞轮将会因离心力而发生破坏.因此.储能计算公式则可表示为式中e为飞轮单位重量的储能

能。Ｋs为飞轮形状系数ρ为材料的比

重.，σ为材料的许用应力.由式(2)可以比较出不同材料制造的飞轮的

储能效率.经过研究与试验.发现复合材料是制造储能飞轮最好的材

料.近年来.山于高强度碳素纤维的出现.飞轮允许线速度可达500m/s~1000m/s,增加了单位飞轮的动能储量。

1 .2电动机发电系统

飞轮储能装置中有一个内置电机，它既是电动机也充当发电机.在充电时，它作为电动机给飞轮加速，当放电时，它又作为发电机给外设供电，此时飞轮的转速不断下降，而当飞轮空闲运转时，整个装置则以最小损耗运行.由于电机转速高，运转速度范围大，且工作在真空之中，散热条件差，所以电机的工作性能要求非常高.从系统结构和降低功耗的思想出发，现在常用的电机有永磁无刷电机、三相无刷直流电机、磁阻电机和感应电机.其中以永磁无刷直流/交流电机应用居多，特别是应用在转速30 000 r/min以上的系统中.永磁电机结构简单，成本低，恒功率调速范围宽，在各种条件下都有较高的效率.口前永磁电机的转速可以达到200 000 r/min，而且调速非常容易.美国Indig能源公司的飞轮电池采用了三相高效的永磁无刷电机，其能量转换效率大于95%。

1.3其他系统

飞轮储能系统还包括真空腔、外壳和控制系统等.真空腔的主要功能有2点:一是提供真空环境.降低风损、提高效率;二是屏蔽事故.飞轮转子的转速必须非常高可达200 000 r/min 才会有高的储能密度.在空气环境中高速运转的飞轮转子会造成极高风阻损耗.因此.飞轮转

子必须在真空中工作.日前真空度一般可达到Pa均数量级。高速运转的飞轮转子如果发

生断裂.将会有碎片飞出.那么包裹在飞轮外而的壳体是否能有效地阻止碎片穿透伤人是人们所关心的问题.所以.飞轮的外壳要求选用密度小、强度高的复合材料.电力转换器是储能飞轮系统的控制元件.它控制电机.实现电能与机械能的相电力转换器在输入电能时.可将交流电转换成直流.驱动电动机;而在输出电能时则将直流变成交流.并且具有调频、稳流、恒压等功能.美国Beacon动力公司采用脉冲宽度调制转换器.实现从直流母线到二相变频交流的双向能量转换.马德兰也己开发出“敏捷微处理器电力转换系统”，用于电力转换器的控制。

2储能飞轮的应用

飞轮储能技术在许多领域都己经有广泛的应用.特别是在美国、日木、德国等发达国家.储能技术发展的己比较成熟.其主要应用在以下几个方面。

2. 1电力调峰

由于用电高峰与用电低谷时电力负荷差超过l0%以上.所以电力调峰非常重要.飞轮储能发电系统具有能量的存储和释放非常方便的优点.可在任意时间间隔、以任意的规模进行.它可以就近分散放置.且零排放、低噪声.适应环境保护的要求.因此.飞轮储能技术被认为是近期最有希一望和最有竞争力的新型调峰技术.国际上人多数研究机构均将电力调峰定为飞飞轮开发的最终目标.美国的马德兰己于1991年开发出了用于电力调峰的24 kW/h电磁悬浮飞轮系统.飞轮重172. 8 kg.工作转速范围11 610 r/min-46 345 r/min.破坏转速为48 784 r/min.系统输出恒压110 V/240 V.全程效率为81﹪.德国在1996年着手研究储能5 MW /h/100 MW/h的超导磁悬浮储能飞轮电站.电站山10只飞轮模块组成.每只模块重30 t,直径3. 5 m,高6. 5 m.转子运行转速为2 250 r/min~4 500 r/min,最人外缘线速度600 m/s,最大拉应力810 MPa.能量输入、输出采用电动/发电机来实现.系统效率96﹪。

2.2飞轮电池

Texas大学和Texas能源贮备局等联合组成的Texas电动汽车计划研究出可以存贮2 kW /h能量的功率可达100 kW~150 kW的飞轮电池，主要用于电动汽车，在军事上用于战斗车辆、电磁炮、电磁悬浮(在高机动多用途轮式车和M1坦克上己用)、电磁干涉，其运行时的损失只有1﹪ AFS公司和美国Honeywell公司的飞轮电池己经被安装在德国的BMW汽车做实验.ARPA也在进行电动汽车的研究和开发，包括M 113军用人员运输车、Bradley步兵战斗车、高机动多用途轮式车、M939AI货运卡车、电动航空器等.据报道，某些公司设计的纯飞轮系统供电的电动汽车一次充电可行驶450 km~500 km,最高可传输600 kW的能量，这些飞轮夜间充电、白天工作，充电过程简单、方便，既可在家中也可在充电站中进行，一次充电花费仅为6美圆.

飞轮安装在化学电池或内燃机供能的机车上起缓冲器作用与系统协同工作.称之为飞轮混合电池.汽车制动过程中.将制动能耗通过电动机转化为飞轮的机械动能储存起来.成为再生能源.当汽车需人功率工作时.飞轮再通过发动机将动能释放以供系统使用.研究表明.合理设计混合飞轮电池.可节约能耗30﹪。并能减少废气排放量75﹪.美国的威斯康星麦迪逊人学、劳伦斯国家实验室、麻省理工学院、德国的磁电机公司和加拿人的McMaster人学等日前都在此方面有所研究.并取得了一定的成果.

3展望

随着新型材料技术和电力电子技术的发展.飞轮储能技术越来越显示出它的优越性.在各国也越来越受到重视人量的资金投入研究.日前己经取得了一定的成果.许多公司己有产品推向市场.储能飞轮尽管有很多优点.但山于技术上的问题使其成本较高.市场价格也相应提高.所以不能进一步扩大规模.如果能够降低成木.使飞轮储能系统技术进一步成熟.将会有更加广泛的应用.首先应该降低飞轮试验成本.山于飞轮实物强度试验成本比较高.应该人力开展动态仿真研究.同时进行模型试验.采用相似原理模拟实况.其次是降低飞轮生产成本.日前飞轮原材料价格并不高.费用主要用于提高其安全性能方面.由于飞轮储存能量所需要的高速旋转带来极大的离心力的作用.因此对安全性能提出了高的要求.除了应该在原有基础上降低这力方面的成本外，还应该人力发展智能化安全保险研究，预测智能化安全保险研究将是今后的一个热点。

参考文献：

【1】刘玲，李维红。大容量飞轮储能发电系统发展趋势【J】发电设备，1999。

【2】程三海，韦忠朝，王雪帆。飞轮储能技术及其应用【J】电机电器技术，2000。【3】刘任先，陈定宇，飞轮储能电池的发展与应用【J】电池工业，2003。

【4】赵韩，王志铁，王忠臣。新型高效飞轮储能技术及其研究现状【J】中国机械工程，2002。

【5】李雯，张力。车用高速复合材料研究新动态【J】电池工业，2003。