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磁悬浮飞轮电池飞轮电池

2018/06/19192 作者:佚名
导读: 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

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,由到96km/h加速时间为6.5秒。

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。

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。

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=jw^2决定。式中j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。

飞轮电池与其它电池的比较

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

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

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。

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

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。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。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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