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1、新型高效飞轮储能技术及其研究现状——赵 韩 杨志轶 王忠臣文章编号:1004-132Ò(2002)17-1521-04新型高效飞轮储能技术及其研究现状赵 韩 杨志轶 王忠臣 摘要:飞轮储能系统具有高比能量、高比功率、高效率、长寿命等优点,被认为是未来理想的储能装置。在对飞轮储能系统的工作原理进行一般性分析的基础上,对飞轮储能的关键技术作了较为详细的分析论述,最后介绍了飞轮储能的研究现状与应用前景。关键词:飞轮储能系统;关键技术;研究现状;应用前景中图分类号:TH133.7 文献标识码:A赵 韩 教授21世纪人类面临着实现经济和
2、社会可持续作为原动机拖动电机发电,经功率变换器输出适发展的重大挑战,环境和能源问题已成为全球最用于负载的电流与电压,从而完成机械能-电能重要的课题。在不断开发新能源的同时,如何更有转换的释放能量过程。由此,整个飞轮储能系统实效地利用现有能源,已引起了人们的日益关注。能现了电能的输入、储存和输出过程。量储存是实现能源高效利用的重要途径。飞轮储能是一种具有广泛应用前景的新型机械储能技术。现代电动ö发电机技术、电力电子技术、新材料技术、磁悬浮技术和控制技术的最新进展,使这一新型储能技术的开发应用成为可能。与飞轮储存的能量E可表示为其它储能技术
3、相比,飞轮储能具有高比能量、高比12E=IX2功率、高效率、无污染、适用范围广、无噪声、长寿式中,I为飞轮的转动惯量,X为飞轮转动角速度。命、维护简单、可实现连续工作、可进行模块化设提高飞轮的储能量有2个途径,一是增加飞[1～3]计制造等优点。在21世纪,这种储能技术势轮转子质量,二是提高飞轮转速。前者可用于固定必会给能量储存带来一场革命,展示出绿色储能应用场合,后者在对质量有严格要求的场合有很技术的发展前景。2好的效果(E正比于X)。1 飞轮储能系统工作原理2 关键技术分析飞轮储能系统,又称为电动机械电池、飞轮电2.1 飞轮转子设计池
4、,是一种机-电能量转换和储存装置。飞轮储能飞轮储能系统的一个重要组成部分是高速旋系统主要由高速飞轮、电动ö发电机、轴承支承系转的飞轮转子,对于飞轮转子的设计一般考虑三统、功率电子变换器、电子控制设备以及附加设备[4]方面的问题:一是飞轮本身的强度,它限定了飞(如真空泵、紧急备用轴承)等组成,是一种积木式轮的最大储能量;二是飞轮材料的选择,要求材料的集成系统。图1是飞轮储能系统工作原理图。飞具有较高的比强度;三是飞轮的结构形式。轮储能就是利用现代功率电子技术,由工频电网(1)飞轮材料选择 任何储能装置一个重要提供的电能,经功率电子变换器驱
5、动电机带动飞的性能指标就是它的比能量,即单位质量储能装轮高速旋转,飞轮以动能的形式把能量储存起来,置的储能量。对于结构、几何尺寸一定的飞轮,其从而完成电能—机械能转换的储能过程。电机维比能量为持一个恒定的转速,直到接受到一个能量释放的Re=Ks控制信号。当需要给负载供电时,高速旋转的飞轮Q式中,Ks为由飞轮的断面形状决定的形状系数(飞轮的断收稿日期:2001—01—07面形状有矩形、圆形、椭圆形等10多种形状,其中等应力基金项目:国家自然科学基金资助项目(59975027);安徽省科圆盘转子的形状系数为1,等厚度圆盘转子的形状系数为委国
6、际合作项目(01088015)0.606[5]);R为材料的许用应力;Q为材料的密度。·1521·中国机械工程第13卷第17期2002年9月上半月为尽可能地提高飞轮的比能量,并尽可能地的旋转功能,消除轴承的摩擦损耗(这也是延长轴减小飞轮断裂的可能性,需采用比强度(许用应承寿命所必须的)是实现高效飞轮的关键。力与密度之比)大的材料来制作飞轮转子。表1给传统机械轴承的摩擦系数较大,不适宜在高出了几种常用飞轮材料的R、Q、e基本数据,其中e速、重载的飞轮储能装置中作飞轮转子承重用,但值为等厚度圆盘飞轮理论比能量值。其结构简单紧凑、坚固,一般作
7、紧急状态时的备用[5]表1 飞轮材料基本数据轴承。RQe近几年来,磁悬浮轴承因具有高转速、无机械材 料(GPa)3(W(kgöm)·hökg)接触、无摩擦、不需润滑、寿命长、动态特性可调等E玻璃纤维3.52540231.9[6]突出优点,特别适合应用在飞轮储能系统中。图S玻璃纤维4.82520320.63是采用主动磁轴承支承的飞轮储能装置图。Kevlar纤维3.81450441.1光谱纤维3.0970520.6碳纤维T-7007.01780662.0碳纤维T-100010.01780945.7高强度合金钢2.7800056.8 由表1
8、可知,高强度合金钢的比能量远远不及高强度纤维材料。钢质飞轮不仅比能量低,而且飞轮一旦破裂,其破坏力大。而纤维复合材料飞轮不仅密度小、强度高,而且资源丰富,性能价格比高,破坏力小。因此纤维复合材料是制造飞轮转
