飞轮储能关键技术.doc

飞轮储能系统核心技术分析及应用现状摘要：本文从飞轮储能系统构造原理入手，一方面简介了飞轮储能系统构造构成、工作原理及其工作模式，然后对飞轮转子、支承轴承、真空室、电动/发电机及电力电子装置等核心技术进行了全面分析，并简介了核心技术国内外研究现状，在此基本上对飞轮储能应用现状进行了阐述。核心词：飞轮储能；核心技术；应用现状中图分类号：TK02文献标记码：A文章编号：0、前言随着中华人民共和国经济迅速发展，能源和环境问题成为了中华人民共和国迅速发展重要阻碍。然而，在能源如此短缺状况下，使用当前耗能设备和耗能方式却使得世界上总能量50%～70%白白挥霍了[1]。因而在开发新能源同步，研究如何回收存储被白白挥霍能量也是非常重要。当前储能方式重要有：化学储能、物理储能和超导储能，在这几种储能方式中化学储能技术比较成熟，并已得到广泛应用，但是它使用寿命短、受外界条件影响明显、对环境污染严重。超导储能对技术规定高、对环境规定苛刻暂时还不适合大规模应用。由于物理储能是运用物理办法将能量春初起来，因此不存在对环境污染问题比较适合当今发展规定。物理储能方式重要有抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能。在这几种物理储能方式中飞轮储能以其在使用寿命、充电时间、效率方面突出特点得到了广泛关注。1、飞轮储能系统构造及工作原理1.1飞轮储能系统基本构造飞轮储能系统又称飞轮电池其基本构造是由飞轮、轴承、电动机/发电机、电力电子控制装置、真空室等五个某些构成[2]。其中飞轮是飞轮电池核心部件，普通选用强度高密度相对较小复合材料制作；轴承是支撑飞轮装置，由于磁悬浮支承可以减少摩擦损耗提高系统效率而成为了支撑技术研究热点；飞轮电池电机是一种集成部件，可以在电动和发电两种模式下自由切换，以实现机械能和电能互相转换；电力电子控制装置重要是对输出和回馈电能进行控制，通过对电力电子控制装置操作可以实现对飞轮电机各种工作规定控制；真空室功用有两个即为飞轮提供真空环境减少风阻损耗和在飞轮高速旋转破裂时起到保护周边人员和设备作用。图1给出了一种飞轮储能系统构造简图。图1飞轮储能系统构造简图1.2飞轮储能系统工作原理飞轮储能系统是运用高速旋转飞轮将能量以动能形式存储起来装置。它有三种工作模式即充电模式、保持模式、放电模式。充电模式即飞轮转子从外界吸取能量使飞轮转速升高将能量以动能形式存储起来；放电模式即飞轮转子将动能传递给发电机，发电机将动能转化为电能在通过电力控制装置输出适合于用电设备电流和电压，实现了机械能到电能转化；保持模式即当飞轮转速达到预定值时既不在吸取能量也不向外输出能量如果忽视自身能量损耗其能量保持不变。高速旋转飞轮以动能形式存储能量可以表达为[3]：（1.1）式中v—飞轮边沿线速度，m—飞轮质量，J—飞轮转动惯量，ω—飞轮角速度。由式（1.1）可知飞轮具备能量与飞轮转动惯量、飞轮角速度平方成正比，由此可知提高飞轮储能量办法有增大飞轮转动惯量和提高飞轮转速。由于可将飞轮看似薄圆盘因而求飞轮转动惯量公式为：QUOTE（1.2）式中r—飞轮转动半径。有公式（1.2）可知增长飞轮转动惯量办法有增长飞轮转动半径和增长飞轮质量，然而在普通设计状况下在保证能量容量一定状况下应尽量缩减飞轮质量和体积，因此增长飞轮存储能量办法普通为提高飞轮转速和减少飞轮质量。图2给出了飞轮储能系统工作原理简图。图2飞轮储能系统工作原理简图2、飞轮储能系统核心技术分析及研究状况早在20世纪50年代飞轮储能技术就得到了人们关注，并将其应用于电动汽车中。但是受到当时技术水平限制，未能获得突破性进展。直到20世纪90年代，由于与飞轮电池储能有关技术获得了突破性进展，才使得飞轮电池储能进入了迅速发展阶段。2.1飞轮转子技术分析与研究现状2.1.1飞轮转子技术分析飞轮电池是依托飞轮转子高速旋转来存储能量，从飞轮储能原理可知飞轮转速越高其存储能量就越多，然而随着飞轮转速升高，飞轮在离心力作用下使其内部所受应力不断增大，受材料许用应力限制使得飞轮转速不也许无限制增长。为了保证飞轮可以安全可靠地运营在选取飞轮材料时必要进行应力计算，依照计算成果仔细选取飞轮材料，对于一种薄壁圆筒飞轮有[4]：2.1式中：—材料最大抗拉强度，pa；—材料密度，；—飞轮转动惯量，；—飞轮转子极限角速度，rad/s；—飞轮旋转半径，m。e为飞轮在高速旋转时引起应力达到材料抗拉强度极限值时单位质量转子所存储能量，即飞轮极限储能密度。由公式2.1可知飞轮储能密度与材料抗拉强度成正比，与飞轮材料密度成反比。因而为了增长飞轮储能密度应当选用高比强度（）材料制作飞轮。表1给出了不同飞轮材料物理参数，其中储能密度值是计算等厚圆盘飞轮理论值。从表中可以看出高强度钢和铝合金在抗拉强度和储能密度两个方面均不及复合材料，这也是初期飞轮储能技术难以获得突破进展