飞轮储能电池_POWER YOUR LIFE_百度空间

  

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。

一、  何谓飞轮储能电池

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。

它的原理图如图1所示:

           

从原理图可看出,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。它的结构图如图2所示。从结构图可以看出,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     决定。式中 为飞轮的转动惯量,与飞轮的形状和重量有关; 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。
二、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。下面通过表—1来具体比较三者的优缺点。


表—1      三种电池性能比较
                              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                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

三、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310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xx,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、{zy}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、xx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{zy}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。



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