飞轮电池

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  飞轮电池是20世纪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。

简介

  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,飞轮电池比能量可达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研制的飞轮电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,由静止到96km/h加速时间为6.5秒。

工作原理

  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=1/2jω^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;ω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。

优缺点

  优点
  飞轮电池兼顾了化学电池、燃料电池和超导电池等储能装置的诸多优点,主要表如下几个方面:
  (1)能量密度高:储能密度可达100~200wh/kg,功率密度可达5000~l0000w/kg。
  (2)能量转换效率高:工作效率高达百分之90。
  (3)体积小、重量轻:飞轮直径约二十多厘米,总重在十几千克左右。
  (4)工作温度范围宽:对环境温度没有严格要求。
  (5)使用寿命长:不受重复深度放电影响,能够循环几百万次运行,预期寿命20年以上。
  (6)低损耗、低维护:磁悬浮轴承和真空环境使机械损耗可以被忽略,系统维护周期长。
  缺点
  (1)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,容易解体,所以飞轮一般都采用碳纤维制成,制造飞轮的碳纤维材料目前还很贵,成本比较高。
  (2)飞轮一旦充电,就会不停转动下去。当我不用电时,飞轮还在那里转动,浪费了能量。例如给一辆飞轮电池汽车充电后,该汽车可以行驶三小时,汽车走了两个小时后,车主需要就餐半小时,那么,这半小时,飞轮就在那里白白转动。不过,也有人说,飞轮空转时,由于没有负载,能量损失不会太大,比目前存放一段时间不用的蓄电池损失的能量还要小。如果静止不动,几乎没有能量损失。解决的办法:给飞轮电池配备化学充电电池,当不需要用电时,可把飞轮转动的电能充进化学电池中。但是给飞轮电池配备化学电池带来的问题是,增加了汽车或设备的重量。

应用领域

  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。
  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。
  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、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·h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。
  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。
  军用车辆
  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。

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