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飞轮储能原理
飞轮储能原理
1引言
飞轮储能思想早在一百年前就有人提出,但是由于当时技术条件的制约,在很长时间内都没有突破。
直到20世纪60~70年代,才由美
国宇航局(NASA)Glenn研究中心开始把飞轮作为蓄能电池应用在卫星上。
到了90年代后,由于在以下3个方面取得了突破,给飞轮储能技术带来了更大的发展空间。
(1)高强度碳素纤维复合材料(抗拉强度高达8.27GPa)的出现,大大增加了单位质量中的动能储量。
(2)磁悬浮技术和高温超导技术的研究进展迅速,利用磁悬浮和真空技术,使飞轮转子的摩擦损耗和风损耗都降到了最低限度。
(3)电力电子技术的新进展,如电动/发电机及电力转换技术的突破,为飞轮储存的动能与电能之间的交换提供了先进的手段。
储能飞轮是种高科技机电一体化产品,它在航空航天(卫星储能电池,综合动力和姿态控制)、军事(大功率电磁炮)、电力(电力调峰)、通信(UPS)、汽车工业(电动汽车)等领域有广阔的应用前景。
2飞轮储能系统的工作原理和基本结构
2.1飞轮储能的工作原理
飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置,突破了化学电池的局限,用物理方法实现储能。
通过电动/发电互逆式双向电机,电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换与储存,并通过调频、整流、恒压与不同类型的负载接口。
在储能时,电能通过电力转换器变换后驱动电机运行,电机带动飞轮加速转动,飞轮以动能的形式把能量储存起来,完成电能到机械能转换的储存能量过程,能量储存在高速旋转的飞轮体中;之后,电机维持一个恒定的转速,直到接收到一个能量释放的控制信号;释能时,高速旋转的飞轮拖动电机发电,经电力转换器输出适用于负载的电流与电压,完成机械能到电能转换的释放能量过程。
整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出过程。
2.2飞轮储能系统的基本结构
典型的飞轮储能系统由飞轮本体、轴承、电动/发电机、电力转换器和真空室5个主要组件构成。
在实际应用中,飞轮储能系统的结构有很多种。
图1是一种飞轮与电机合为一个整体的飞轮储能系统。
飞轮贮能系统是由高速飞轮转子磁轴承系统、电动/发电机、电力变换系统和真空罩等部分组成。
图1为飞轮储能系统模块示意图。
飞轮本体是飞轮储能系统中的核心部件,作用是力求提高转子的极限角速度,减轻转子重量,最大限度地增加飞轮储能系统的储能量,目前多采用碳素纤维材料制作。
轴承系统的性能直接影响飞轮储能系统的可靠性、效率和寿命。
目前应用的飞轮储能系统多采用磁悬浮系统,减少电机转子旋转时的摩擦,降低机械损耗,提高储能效率。
飞轮储能系统的机械能与电能之间的转换是以电动/发电机及其控制为核心实现的,电动/发电机集成一个部件,在储能时,作为电动机运行,由外界电能驱动电动机,带动飞轮转子加速旋转至设定的某一转速;在释能时,电机又作为发电机运行,向外输出电能,此时飞轮转速不断下降。
显然,低损耗、高效率的电动/发电机是能量高效传递的关键。
电力转换装置是为了提高飞轮储能系统的灵活性和可控性,并将输出电能变换(调频、整流或恒压等)为满足负荷供电要求的电能。
真空室的主要作用是提供真空环境,降低电机运行时的风阻损耗。
3飞轮储能系统的应用
3.1免蓄电池磁悬浮飞轮储能UPS
(1)在市电输入正常,或者在市电输入偏低或偏高(一定范围内)的情况下,UPS通过其内部的有源动态滤波器对市电进行稳压和滤波,保证向负载设备提供高品质的电力保障,同时对飞轮储能装置进行充电,UPS利用内置的飞轮储能装置储存能量。
(2)在市电输入质量无法满足UPS正常运行要求,或者在市电输入中断的情况下,UPS将储存在飞轮储能装置里的机械能转化为电能,继续向负载设备提供高品质并且不间断的电力保障。
(3)在UPS内部出现问题影响工作的情况下,UPS通过其内部的静态开关切换到旁路模式,由市电直接向负载设备提供不问断的电力保障。
(4)在市电输入恢复供电,或者在市电输入质量恢复到满足UPS正常运行要求的情况下,则立即切换到市电通过UPS供电的模式,继续向负载设备提供高品质并且不间断的电力保障,并且继续对飞轮储能装置进行充电。
3.2电动汽车电池
目前随着环境保护意识的提高以及全球能源的供需矛盾,开发节能及采用替代能源的环保型汽车,以减少对环境的污染,是当今世界汽车产业发展的一个重要趋势。
汽车制造行业纷纷把目光转向电动汽车的研制。
能找到储能密度大、充电时间短、价格适宜的新型电池,是电动汽车能否拥有更大的机动性并与汽油车一争高下的关键,而飞轮电池具有清洁、高效、充放电迅捷、不污染环境等特点而受到汽车行业的广泛重视。
预计21世纪飞轮电池将会是电动汽车行业的研究热点。
3.3不间断电源
不间断电源由于能确保不间断供电和保证供电质量而在通讯枢纽、国防指挥中心、工业生产控制中心等地方得到广泛使用目前不问断电源由整流器、逆变器、静态开关和蓄电池组等组成。
但目前蓄电池通常都存在对工作温度、工作湿度、输入电压、以及放电深度等条件要求.同时蓄电池也不允许频繁的关闭和开启。
而飞轮具有大储能量、高储能密度、充电快捷、充放电次数无限等优点,因此在不间断电源系统领域有良好的应用前景。
3.4风力发电系统不间断供电
风力发电由于风速不稳定,给风力发电用户在使用上带来了困难。
传统的做法是安装柴油发电机,但由于柴油机本身的特殊要求,在启动后30分钟内才能停止。
而风力常常间断数秒,数分钟。
不仅柴油机组频繁启动,影响使用寿命;而且风机重启动后柴油机同时作用,会造成电能过剩。
考虑到飞轮储能的能量大。
充电快捷,因此,国外不少科研机构已将储能飞轮引入风力发电系统。
美国将飞轮引入风力发电系统,实现全程调峰,飞轮机组的发电功率为300KW,大容量储能飞轮的储能为277KW每小时。
3.5大功率脉冲放电电源
为了避免运载火箭只能使用一次的巨大浪费和减少大气污染,美国正在研究一种磁悬浮直线电动机托架(又名太空电梯)来发射航天飞机,这需要功率巨大、但放电时间非常短促的电源,所以专门减少一个容量巨大的店里系统提供能量,显然是不合理的。
而采用飞轮储能系统,可以实现这一点!
4结束语
飞轮储能技术主要结构和运行方法已经基本明确,目前主要正处于广泛的实验阶段,小型样机已经研制成功并有应用于实际的例子,目前正向发展大型机的趋势发展,但是却有非常多的难点,主要集中在以下几个方面。
(1)转子的设计:
转子动力学,轮毂一转缘边界连接,强度的优化,蠕变寿命;
(2)磁轴承:
低功耗,动力设计,高转速,长寿命;
(3)功率电子电路:
高效率,高可靠性,低功耗电动/发电机;
(4)安全及保护特性:
不可预期动量传递,防止转子爆炸可能性,安全轻型保护壳设计;
(5)机械备份轴承:
磁轴承失效时支撑转子。
飞轮储能系统优势突出,应用广泛,随着技术的成熟和价格的降低,将会是储能领域的一项新的革命。
我国在飞轮技术上与发达国家差距很大,国家应对这一技术加以重视,加大资金和技术的投入,使这项技术早日走向市场化、商品化。
飞轮电池
1引言
飞轮电池是90年代才提出的新概念电池,它突破了化学电池的局限,用物理方法实现储能。
众所周知,当飞轮以一定角速度旋转时,它就具有一定的动能。
飞轮电池正是以其动能转换成电能的。
高技术型的飞轮用于储存电能,就很像标准电池。
飞轮电池中有一个电机,充电时该电机以电动机形式运转,在外电源的驱动下,电机带动飞轮高速旋转,即用电给飞轮电池"充电"增加了飞轮的转速从而增大其功能;放电时,电机则以发电机状态运转,在飞轮的带动下对外输出电能,完成机械能(动能)到电能的转换。
当飞轮电池发出电的时,飞轮转速逐渐下降,飞轮电池的飞轮是在真空环境下运转的,转速极高(高达200000r/min,使用的轴承为非接触式磁轴承。
据称,飞轮电池比能呈可达150W·h/kg,比功率达5000-10000W/kg,使用寿命长达25年,可供电动汽车行驶500万公里。
美国飞轮系统公司已用最新研制的飞轮池成功地把一辆克莱斯勒LHS轿车改成电动轿车,一次充电可行驶600km,由启动到96km/h加速时间为6.5秒。
飞轮储能电池的概念起源于上世纪70年代早期,最初只是想将其应用在电动汽车上,但限于当时的技术水平,并没有得到发展。
直到上世纪90年代由于电路拓扑思想的发展,碳纤维材料的广泛应用,以及全世界范围对污染的重视,这种新型电池又得到了高速发展,并且伴随着磁轴承技术的发展,这种电池显示出更加广阔的应用前景,现正迅速地从实验室走向社会。
现在欧美国家已出现实用化产品,而我国在这方面的研究才刚刚起步。
2概念
飞轮储能电池系统包括三个核心部分:
一个飞轮,电动机—发电机和电力电子变换装置。
电力电子变换装置从外部输入电能驱动电动机旋转,电动机带动飞轮旋转,飞轮储存动能(机械能),当外部负载需要能量时,用飞轮带动发电机旋转,将动能转化为电能,再通过电力电子变换装置变成负载所需要的各种频率、电压等级的电能,以满足不同的需求。
由于输入、输出是彼此独立的,设计时常将电动机和发电机用一台电机来实现,输入输出变换器也合并成一个,这样就可以大大减少系统的大小和重量。
同时由于在实际工作中,飞轮的转速可达40000~50000r/min,一般金属制成的飞轮无法承受这样高的转速,所以飞轮一般都采用碳纤维制成,既轻又强,进一步减少了整个系统的重量,同时,为了减少充放电过程中的能量损耗(主要是摩擦力损耗),电机和飞轮都使用磁轴承,使其悬浮,以减少机械摩擦;同时将飞轮和电机放置在真空容器中,以减少空气摩擦。
这样飞轮电池的净效率(输入输出)达95%左右。
实际使用的飞轮装置中,主要包括以下部件:
飞轮、轴、轴承、电机、真空容器和电力电子变换器。
飞轮是整个电池装置的核心部件,它直接决定了整个装置的储能多少,它储存的能量由公式E=jω2决定。
式中j为飞轮的转动惯量,与飞轮的形状和重量有关;ω为飞轮的旋转角速度。
电力电子变换器通常是由MOSFET和IGBT组成的双向逆变器,它们的原理不再叙述,它们决定了飞轮装置能量输入输出量的大小。
2飞轮电池与其它电池的比较
现在,使用最多最广的储能电池无疑是化学电池,它将电能转变为化学能储存,再转化为电能输出,它价格低廉,技术成熟,但污染严重,效率低下,充电时间长,用电时间短,使用过程中电能不易控制。
另一储能电池是超导电池,它把电能转化为磁能储存在超导线圈的磁场中,由于超导状态下线圈没有电阻,所以能量损耗非常小,效率也高,对环境污染也小。
但由于超导状态是线圈处于极低温度下才能实现,维持线圈处于超导状态所需要的低温需耗费大量能源,而且维持装置过大,不易小型化,所以家用市场前景不强。
飞轮电池则兼顾了两者的优点,虽然近阶段的价格较高,但伴随着技术的进步,必将有一个非常广阔的前景。
下面为三者的优缺点比较表。
三种电池性能比较表
电池名称
对比项
化学电池
飞轮电池
超导电池
储能方式
化学能
机械能
电磁能
使用寿命(年)
3~5
>20
~20
技术
成熟
验证
验证
温度范围
限制
不限
不限
相对尺寸(同功率)
大
最小
中间
储能密度
小
大
大
放能深度
浅
深
深
价格
低
高
较高
环境影响
污染
无污染
无污染
3飞轮电池的应用场合及现状
由于技术和材料价格的限制,飞轮电池的价格相对较高,在小型场合还无法体现其优势。
但在下列一些需大型储能装置的场合,使用化学电池的价格也非常昂贵,飞轮电池已得到逐步应用。
(1)太空包括人造卫星、飞船、空间站,飞轮电池一次充电可以提供同重量化学电池两倍的功率,同负载的使用时间为化学电池的3~10倍。
同时,因为它的转速是可测可控的,故可以随时查看电能的多少。
美国太空总署已在空间站安装了48个飞轮电池,联合在一起可提供超过150KW的电能。
据估计相比化学电池,可节约200万美元左右。
(2)交通运输包括火车和汽车,这种车辆采用内燃机和电机混合推动,飞轮电池充电快,放电完全,非常适合应用于混合能量推动的车辆中。
车辆在正常行使时和刹车制动时,给飞轮电池充电,飞轮电池则在加速或爬坡时,给车辆提供动力,保证车辆运行在一种平稳、最优的状态下的转速,可减少燃料消耗,空气和噪声污染,发动机的维护,延长发动机的寿命。
美国TEXAS大学已研制出一汽车用飞轮电池,电池在车辆需要时,可提供150KW的能量,能加速满载车辆到100km/h。
在火车方面,德国西门子公司已研制出长1.5m,宽0.75m的飞轮电池,可提供3MW的功率,同时,可储存30%的刹车能。
(3)不间断电源飞轮电池可提供高可靠的稳定电源,可提供几秒到几分钟的电能,这段时间足已保证工厂进行电源切换。
德国GmbH公司制造了一种使用飞轮电池的UPS,在5s内可提供或吸收5MW的电能。
(4)军用战斗车辆美国国防部预测未来的战斗车辆在通信、武器和防护系统等方面都广泛需要电能,飞轮电池由于其快速的充放电,独立而稳定的能量输出,重量轻,能使车辆工作处于最优状态,减少车辆的噪声(战斗中非常重要),提高车辆的加速性能等优点,已成为美国军方首要考虑的储能装置。
作为一种新兴的储能方式,飞轮电池所拥有传统化学电池无法比拟的优点已被人们广泛认同,它非常符合未来储能技术的发展方向。
目前,飞轮电池除了上面介绍的应用领域以外,也正在向小型化、低廉化的方向发展。
现在,最可能出现的是手机电池。
可以预见,伴随着技术和材料学的进步,飞轮电池将在未来的各行各业中发挥重要的作用。
(1)飞轮本体飞轮转子是飞轮储能系统的一个重要的组成部分。
飞轮内的能量E用下式表示:
E=JW2(1|2)
式中:
J;飞轮转子轴转动惯量。
W:
飞轮转子角速度(rad/s)。
飞轮单位重量存贮的能量:
e=E/M=9.8×k×δ/p
式中:
k为飞轮形状系数;δ为飞轮产生的最大周向应力;P表示飞轮材料的比重;M为飞轮转子质量。
从储存能量的角度来看,E越大越好;从减轻轴承负荷来看,M越小越好。
根据公式,飞轮材料最好是选取δ/p大的材料。
通常碳素纤维材料的δ/P比强度比其它材料高,所以现在一般都采用超强碳纤维等.
(2)储能飞轮支承系统
飞轮蓄能发电设备的旋转摩擦损耗较大,为了减少旋转摩擦损耗,所以现在一般都采用磁悬浮轴承。
磁悬浮轴承是飞轮储能系统的关键部件。
磁轴承根据磁场性质的不同主要分为被动磁悬浮轴承(PMB)和主动磁悬浮轴承(AMB)两种:
(a)被动磁悬浮轴承
目前被动磁悬浮轴承有代表性的是高温超导磁悬浮轴承。
无源磁悬浮轴承磁场通常是不可控的。
传统的超导体无法满足磁轴承的要求,但是自从高温超导体Y(钇)系发现以来,制造高温超导磁轴承成为可能。
永久磁铁安装在飞轮上,高温超导体安装在底座上并用液氮冷却,利用超导体的特性之一的Meissier效应(超导抗磁性),如图2所示。
永久磁铁的磁通被超导体阻挡而产生排斥力,使飞轮处于悬浮状态。
永磁体和高温超导体之间的排斥力为:
f=μM(H)(dH/dz)V其中:
H为超导体内的场强;M为超导体的磁化强度;V为超导体的有效磁化体积;。
为真空磁导率。
Meissier效应极限值只有数百Gs,超导磁轴承实际用的是超导的另一特性——磁通钉扎性。
在超导体内部有杂质、裂缝被称为钉扎中心的非超导区域,由于超导体内部超导区域有很强的排斥磁通特性,因而磁力线通常会被钉扎中心捕获,钉扎在超导体内,当有足够的磁力线被捕获后,磁体就会悬浮,磁通钉扎性原理如图3所示。
由于高温超导磁轴承具有无需供电、转速高、摩擦小、也不需要复杂的位置控制系统、轴承结构紧凑等特点,因而目前是飞轮轴承系统发展的一个主要方向。
(b)主动磁悬浮系统
主动磁悬浮系统主要是电磁悬浮系统。
电磁悬浮轴承系统主要由转子、电磁铁、传感器、控制系统、功率放大器组合而成。
转子位移变化的信号由传感器测出,传到控制器中,控制器计算后,输出信号,经过功率放大器的放大,输入到电磁铁,产生电磁力,从而保证转子的稳定悬浮。
电磁力可由麦克斯韦公式得出:
式中一间隙中的磁通量:
φ一为真空中的磁导率;A一为电磁铁与转子的正对部分的面积;N一线圈;匝数;I一线圈中的电流;h一电磁铁与转子之间的间隙。
整个电磁轴承系统控制环节示意图如图4所示。
(3)电动/发电机
为了系统结构及降低功耗,故将电动/发电机与飞轮本体做成一体。
目前国内外广泛采用永磁无刷直流电动/发电机互逆式双向一体化电机。
无刷直流电动机具有直流电动机的机械特性,在结构上摒弃了电刷和整流子,因而寿命长,使用可靠,消除接触换向带来的噪声和电磁干扰。
由于功耗还取决于电枢电阻、涡流电流和磁滞损耗,因此无铁静子获得广泛应用。
电机转子选用钕铁硼永磁磁铁使得电机/发电机的体积、重量大大减小。
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