飞轮储能系统构成、核心技术及应用,机械工程论文

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  • 发布时间:2019-05-15
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简介 1引言 随着人类对能源的需求越来越大,人们对能源的控制技术,特别是对电能的储存技术越来越重视。 目前常见的电储能技术有化学电池储能、蓄水储能、超导储能、超级电容储能和飞轮储能。

  1引言    随着人类对能源的需求越来越大,人们对能源的控制技术,特别是对电能的储存技术越来越重视。 目前常见的电储能技术有化学电池储能、蓄水储能、超导储能、超级电容储能和飞轮储能。     化学电池技术已经很成熟,应用广泛,但它的效率较低,通常只有(70~85)%,功率密度低,充电很慢,通常是小时级,更重要的是化学电池的循环使用寿命比较短,这样就增加了电池的使用成本。 蓄水储能的效率也很低,通常只有75%,因为蓄水储能需要庞大的蓄水装置,其储能密度较低,只有约·kg-1,而且受到环境的影响很大,无法便携使用。 超导储能是新型的高效储能技术,然而它不具备模块化特点,而且一般都需要创造低温环境,适应性不强。

超级电容储能也是新型的高效储能技术,目前它的储能密度还比较低,约为(2~10)Wh·kg-1,该技术还在实验阶段。

    飞轮储能系统储能密度大,功率密度高,对环境的要求低,可模块化,其充放电的时间可以达到分钟级,而且容易检测放电深度,可以应用的场合广泛,同时飞轮储能的使用寿命长,维护简单,大大降低了电能储备成本[1].随着电力电子技术、磁悬浮技术、新材料开发研究等技术的不断发展,飞轮储能技术变得越来越完善,应用的范围也遍及交通、供电、军工、航空航天等领域,成为目前最具有开发前途的储能技术之一。

    2飞轮储能系统原理及结构    飞轮储能系统原理    飞轮储能系统又被称为飞轮电池,是机械能与电能的转换装置。 飞轮储能系统原理图,如图1所示。

从图1中可以看出能量的转化过程。

飞轮储能系统的工作模式有三种:充电、放电和能量保持。

通常给飞轮充电的能量有电能和机械能两种,如图1所示。

目前电能充电方式应用较多,机械能充电在汽车制动能量回收、孤岛风能储存等领域都可以应用。

放电时,飞轮带动发电机使发电机发电,输出的电能经过电力电子设备变成可用的电能。

能量保持阶段,飞轮储能系统既不充电也不放电,保持额定转速运行。     飞轮储能的结构及能量存储    飞轮储能系统最为常见的结构示意图,如图2所示。 主要由飞轮、电机、轴承、真空室和电力电子设备组成。         从式(1)和式(2)可以看出,飞轮储能系统存储的能量与飞轮的质量、半径和旋转角速度呈正相关。

因此要增大飞轮存储能量,主要通过增大飞轮的轮缘质量和飞轮转速。     3飞轮储能关键技术分析    飞轮是储能装置,所以飞轮储能关键技术中最重要的两个因素就是储能和减少损耗。

为了提高飞轮转速,飞轮的材料与高速电机的选择尤其重要。

使用真空室能大大减少飞轮与空气的摩擦损耗,使用磁轴承能够大大降低支承摩损并提高使用寿命。

    飞轮材料的选择    飞轮的储能密度和飞轮能承受的强度会直接影响飞轮材料的选择。

飞轮的储能密度e为:    e=ks∕(3)    式中:ks-飞轮形状系数;-飞轮材料的密度,kg/cm3;-飞轮材料的许用应力,MPa.    由式(3)可以看出,飞轮材料密度成反比,与飞轮材料的许用应力成正比。

几种常见的用于飞轮的材料[2],如表1所示。

从数据中可以看出碳素纤维密度小,强度高,是其中最好的选择。

同时,使用碳素纤维制成的飞轮一旦发生解体,飞轮本身会变成絮状物飞出,降低了事故带来的危害。

        真空室    当前真空室的真空度达到了10-5Pa级,用于减少飞轮旋转过程中与空气的摩擦,同时也防止外力影响飞轮正常运行。 真空室可以使用透明的高强度玻璃钢,这样方便观测飞轮的运行状况。

同等气压下氦气的导热性是空气的七倍,与飞轮的摩擦损耗大约只有空气的七分之一,并且充入氦气的工艺更简单,因此选择氦气作为真空室的介质气体具有一定优势。

    支承技术    在飞轮储能系统的众多损耗中,轴承的损耗占据了很大的比例,随着各种先进轴承技术的问世,这部分损耗可以被大大的减少。 下面将介绍几种用于飞轮储能系统的轴承。

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