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飞轮储能技术的应用 1 碳纤维和固体材料的发展 自20世纪50年代以来，人们提出了飞机存储的想法，但没有发现突破。近年来,由于以下三方面的突破,给飞轮储能带来了新的活力:一是高强度碳素纤维和玻璃纤维的出现,飞轮允许线速度可达500—1000m/s,大大增加了单位质量的动能储量;二是电力电子技术的新进展,给飞轮电机与系统的能量交换提供了灵活的桥梁;三是电磁悬浮、超导磁悬浮技术的发展,配合真空技术,极大地降低了机械摩擦与风力损耗。 飞轮储能原理可表示为: 作为电能存贮的手段之一,它与其它形式的贮能方式相比较,优缺点列于表1 。 2 本文发表了可靠性能源技术的进展 2.1 国际能源航空技术现状 飞轮储能系统主要由转子、电动/发电机、电力转换器和真空室四部分组成。 (1) 形飞运业公司 转子系统包括飞轮本体与轴承两部分。 (a)飞轮本体 基于飞轮材料要求比强度σb/ρ(σb材料强度极限,ρ材料密度)最大的设计原则,一般选用超强玻璃纤维(或碳纤维等)——环氧树脂复合材料作为飞轮材料。也有少量文献介绍用铝合金或优质钢材制作飞轮。 复合材料飞轮本体制作工艺主要有预压缠绕和多环热装两种。预压缠绕又分为线缠绕与织带缠绕。 从飞轮形状看,有单层圆柱状、多层圆柱状、纺缍状、伞状、实心圆盘、带式变惯量与轮幅状等。 美国的马里兰大学已经研究成功储能20kWh多层圆柱飞轮,飞轮材料为碳纤维——环氧树脂复合材料,具体参数为:外径0.564m、内径0.254m、厚0.553m、重172.8kg,最大转速46345r/min。 美国休斯顿大学的德克萨斯超导中心致力于纺缍形飞轮开发,这是一种等应力设计,形状系数等于或接近1,材质同样为玻璃纤维复合材料,储能1kWh、重19kg、飞轮外径30.48cm。 美国Satcon技术公司开发伞状飞轮,这种结构有利于电机的位置安放,对系统稳定性十分有利,转动惯量大,节省材料,轮毂强度设计合理。 伊朗Shiraz大学机械工程系研制一种带式可变惯量飞轮,用于电动车,其目的为了节能与系统平稳。 多层复合材料飞轮采用过盈配合,从而可提高转子的极限角速度,增加储能量,减少转子重量。 (b)支承 飞轮的支承方式主要有超导磁悬浮、电磁悬浮、永磁悬浮和机械支承四种,也有四种中的某二种组合。 超导磁悬浮:采用这种方式的研究单位较多,如日本三菱重工,美国阿贡国家实验室等。但最具规模的当数德国,他们正在研制5MWh/100MW超导飞轮储能电站。每只飞轮重达12t,整个电站需要10吨YBazCu(bulk YBCO)材料。系统的效率高达96%。。 电磁悬浮:马里兰大学长期从事电磁悬浮储能飞轮开发,采用差动平衡磁轴承,已完成储能20kWh飞轮研制,系统效率为81%。另外大力开展电磁悬浮飞轮研究的还有劳伦斯国家实验室等。 机械支承:这类支承方式的飞轮一般用于快速充放电系统。如美国Kaman电磁公司研制的电磁炮、电化学炮,要求在几个毫秒时间产出200kA的放电,以满足负载的需要。英国纽卡斯尔大学研制了混合汽车的飞轮电池,美国Satcon技术公司开发的先进飞行器姿态控制系统等。 超导磁悬浮与永磁支承相混合:休斯顿大学采用这种支承方式已浮起19kg的飞轮转子,永磁轴承提供悬浮力,而超导轴承用于消除系统固有磁-磁不稳定相互影响。试验表明,在真空0.93Pa下,混合支承每小时功耗小于5%。 永磁悬浮与机械支承相混合:美国西雅图的华盛顿大学,正在研制1kWh永磁悬浮和宝石轴承混合支承飞轮。永磁悬浮用于立式转子上支承,并卸载以降低下支承的摩擦功耗;宝石轴承作为下支承,同时引入径向电磁支承,作为振动的主动控制,以确保系统的稳定性。 (2) 铁硼永磁磁芯叠片 从系统结构及降低功耗出发,国外研究单位一般均采用永磁无刷同步电动/发电互逆式双向电机。电机功耗还取决于电枢电阻、涡流电流和磁滞损耗,因此无铁静子获得广泛应用,转子选用钕铁硼永磁磁铁。 马里兰大学特别设计了磁芯叠片,磁铁材料和磁芯缠绕方式,电机总效率可达94%。电枢绕线采用三相Δ连接,同时,每相具有1/3极距的交叠;电枢的叠层材料选用Carpenter Hymu80,每片用激光切割并用硅石涂层绝缘,静子钕铁硼表面磁感应强度达3.2kT,大电机气隙中强磁铁产生0.4T的磁通密度。 美国劳伦斯国家实验室应用永磁钕铁硼棒料特别排列成静子,产生一旋转偶极区,转子多相缠绕电感低,静子铜损通过冷却加以控制。 (3) 电力转换系统 电力转换器是储能飞轮系统的控制元件。它控制电机,实现电能与机械能的相互转换。输入电能时,一般将交流电转换成直流,驱动电动机;输出电能则将直流变成交流,并具有调频、整流、恒压等功能。 马里兰大学已开发出“敏捷微处理器电力转换系统”。在电动模块时,“敏捷微处理器电力转换系统”功能为电动机控制器;而发电模块