复合材料飞轮研究进展.pdf

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1、第2期56纤维复合材料No．22014年6月FIBERCoMPoSITESJun．，2014复合材料飞轮研究进展张振龙，高琳(哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨150036)摘要本文对比了复合材料飞轮转子与金属材料飞轮转子的性能，指出复合材料比强度高、密度小等特点使其可以使飞轮具有更高的极限转速和储能能力。同时指出了复合材料各向异性的特点使得其垂直纤维方向强度低，限制了飞轮的最高转速。介绍了目前复合材料飞轮主要采用单层圆环飞轮和多层圆环飞轮2种结构形式。同时指出采用柔性树脂基体，改善树脂和纤维的界面粘结状态和增强树脂本身的强度也是提高复合材料径向强度的有效途径。关键词复合材料飞轮；复合

2、材料转子；飞轮转子；单层圆环飞轮；多层圆环飞轮；储能技术TheResearchProgressofCompositeFlywheelZHANGZhenlong，GAOLin(HarbinFRPInstitute，Harbin150036)ABSTRACTThispapercomparestheperformanceofthecompositeflywheelrotorandthemetalflywheelrotor，Thefly-wheelcanhavehigherlimitspeedandmoreenergystoragecapacityforthehighstrengtha

3、ndlowdensityofcompositemate—rials．Theanisotropyofthecompositemateriallimitsthemaximumspeedoftheflywhee1．Twokindsofstructureofcompositeflywheelareintroduced．Thesingle—ringflywheelandthemulti-ringflywhee1．Usingtheflexibleresinmatrix，enhancingtheinterfaceperformanceofresinandfiber，reinforcingth

4、estrengthofresinconcretecanimprovethestrengthofcompositema—terials．KEYWORDScompositeflywheel；compositerotor；flywheelrotor；thesingle-ringflywheel；themulti．ringflywheel；energystoragetechnology1引言为了增加飞轮转子的储能密度，提高飞轮转子的转速，采用高性能纤维复合材料作为高速飞轮转随着全世界人口的增加，人类生存方式的改变，子材料便成为了一种发展趋势。与金属飞轮转子相能源问题已经成为一个重要的课

5、题。人类在开发新比，复合材料飞轮转子具有质量轻、能量存储密度能源的同时，为了充分利用现有能源，就需要发展更大、使用寿命长、安全性能高等优势，它正在逐步取加先进的储能技术。代金属飞轮转子，成为高速飞轮设计与制造的首选。储能飞轮系统就是众多储能方式中的一种，它国外采用先进复合材料制成的飞轮转子，转子边缘是一种以动能转换来实现能量存储的装置，具有储速度已经超过了1000m／s，飞轮储能密度接近360能密度高、适应性强、应用范围广、能量转换率高、使kJ／kg。用寿命长、无污染和维修花费低等特点。这些特点使它在电力系统调峰、风力发电、汽车供能、空间能2飞轮转子的材料进展源、电磁炮、鱼雷等

6、方面具有广泛的应用空间⋯。储能飞轮系统中最主要的部件就是飞轮转子，对于储能飞轮而言，飞轮的储能能力至关重要。通过飞轮转子的高速旋转实现能量的储存。早期的与传统金属材料相比，先进的高性能增强材料具有转子材料大多是高强度钢或铝合金等金属材料，具比强度高，密度小，而且资源丰富等优点，这使得其有设计简单、加工工艺成熟等优点。但是，金属材料单位储能能力远远超过传统金属材料。表1为不同重量大、能量存储密度低、安全系数低成为其致命的材料飞轮的最大储能能力。缺点。2期张振龙，等：复合材料飞轮研究进展57表1不同材料飞轮的最大储能能力储能密度，必须提高其径向强度，这就导致复合材料飞轮在设计概念上

7、与传统金属飞轮有着很大的不同。目前常用的复合材料飞轮转子大多采用环向缠绕的等厚度圆环状飞轮，包括了单层圆环飞轮(sin—gle—ring)和多层圆环飞轮(multi-ring)。复合材料飞轮转子的结构形式如图1所示J。飞轮的储能能力主要取决于飞轮的旋转速度，I而飞轮转速受到飞轮材料强度的限制。材料的许用单层圆环飞轮应力限制了飞轮的转速不能无限地升高，从而使得(Single-ringflywhee1)飞轮储存的能量受到限制。表2展示了不同材料飞轮的最大极限速度。鏊豢表2不同材质飞轮的极限线速度