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    飛輪電池儲能技術(shù)分析

    2018-01-26 10:15:20趙志芳
    通信電源技術(shù) 2018年2期
    關(guān)鍵詞:飛輪電能儲能

    趙志芳

    (晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程系,山西 晉中 030600)

    0 引 言

    目前,常用的儲能方式主要有物理儲能、化學(xué)儲能以及超導(dǎo)儲能。其中,化學(xué)儲能技術(shù)已經(jīng)比較成熟,并得到了廣泛應(yīng)用。但是,化學(xué)儲能技術(shù)很容易受到環(huán)境的影響,使用周期較短,且電池廢棄后對環(huán)境污染嚴(yán)重。超導(dǎo)儲能技術(shù)對技術(shù)條件要求較高,在運(yùn)行過程中需要的能量較少,不會污染環(huán)境。然而,由于超導(dǎo)線圈必須在低溫條件下運(yùn)行,所以超導(dǎo)儲能技術(shù)無法大規(guī)模運(yùn)用。物理儲能技術(shù)通過物理儲能方式將能量儲能起來。在當(dāng)前全球環(huán)境惡化、資源危機(jī)的情況下,物理儲能技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。目前,物理儲能技術(shù)主要有抽水儲能、壓縮空氣儲能以及飛輪儲能技術(shù)。其中,飛輪儲能技術(shù)由于在儲能效率、時間等方面優(yōu)勢明顯,具有廣闊的應(yīng)用前景。

    1 飛輪電池儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

    1.1 飛輪電池儲能結(jié)構(gòu)

    飛輪、軸承、電動機(jī)、電力電子控制裝置等元件構(gòu)成了飛輪電池儲能系統(tǒng)。其中,飛輪整個系統(tǒng)的關(guān)鍵元件,直接影響飛輪電池儲能的效果。因此,一般選擇強(qiáng)度高、密度小的復(fù)合材料。軸承是支撐飛輪的裝置;飛輪電池電機(jī)是一個集成裝置,可以確保飛輪電池在電動和發(fā)電兩種模式下實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能的互換;真空室的主要作用是為飛輪提供一個真空環(huán)境,確保飛輪在一個損耗低、飛輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工作環(huán)境下工作時不會對設(shè)備和人員造成損害;電子電力控制裝置則是對儲能系統(tǒng)的輸出和回饋電能進(jìn)行控制,以確保飛輪電機(jī)的各種工作要求。

    1.2 飛輪儲能系統(tǒng)的工作原理

    飛輪儲能系統(tǒng)是通過高速運(yùn)轉(zhuǎn)飛輪將能量從動能轉(zhuǎn)化為電能并存儲起來的裝置,具有充電、放電、儲能功能。其中,電力電子變換裝置為電能驅(qū)動電動機(jī)提供旋轉(zhuǎn)動力,在電能驅(qū)動機(jī)的帶動下飛輪旋轉(zhuǎn),并將動能儲存起來[1]。當(dāng)電動機(jī)外部需要電能時,飛輪帶動發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn),將存儲的動能轉(zhuǎn)化為電能,并通過電力電子變換裝置轉(zhuǎn)換為符合外部裝置需要的電壓和頻率的電能。飛輪儲能系統(tǒng)與其他電池儲能系統(tǒng)不同,它的輸入、輸出結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立,因此不需要設(shè)置兩臺發(fā)動機(jī),減少了整個發(fā)電系統(tǒng)的重量。但是,飛輪儲能系統(tǒng)在運(yùn)行過程中速度非???,可以達(dá)到50 000 r/min,普通的材料無法達(dá)到轉(zhuǎn)動要求。因此,一般用碳纖維制作飛輪。碳纖維重量輕、強(qiáng)度大,可以進(jìn)一步減輕整個儲能結(jié)構(gòu)的重量和充放電過程中的能量損耗,從而達(dá)到節(jié)能目的。飛輪是整個飛輪儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,飛輪的重量對儲能效果具有決定性作用。飛輪儲能能量公式是E=mv2=Jω2,其中m表示飛輪質(zhì)量,v表示飛輪邊緣線的速度,J表示飛輪的轉(zhuǎn)動慣性力,ω表示飛輪的角速度??梢钥闯觯w輪的能量和轉(zhuǎn)動慣性、飛輪的角速度平方呈正比。所以,如果要提高飛輪的儲能能量,可以采用增大飛輪的轉(zhuǎn)動慣性或者提高飛輪轉(zhuǎn)速。由此,得到飛輪轉(zhuǎn)動慣性公式J=mr2,其中m表示飛輪質(zhì)量,r表示飛輪轉(zhuǎn)動的半徑。從上述內(nèi)容可以得到,如果想要提高電池儲能效果,必須縮小飛輪的質(zhì)量和體積[2]。

    2 飛輪電池儲能技術(shù)分析

    2.1 飛輪轉(zhuǎn)子技術(shù)

    根據(jù)飛輪電池儲能系統(tǒng)的工作原理可以得出,飛輪轉(zhuǎn)速越快,電池儲存的能量越多。但是,飛輪在離心力作用下,飛輪系統(tǒng)承受的額應(yīng)力不斷增加,這對飛輪材料的要求較高。在選擇飛輪材料時,要充分考慮飛輪承受的應(yīng)力。所以,需使用高強(qiáng)度、低密度的復(fù)合纖維飛輪。目前,選擇的碳纖維復(fù)合材料的輪緣線速度可以達(dá)到1 000 m/s,超過了子彈速度,完全能夠滿足飛輪電池的轉(zhuǎn)速要求。因此,要促進(jìn)飛輪電池的大范圍應(yīng)用,只有等到碳纖維復(fù)合材料的誕生[3]。

    2.2 支撐軸輪技術(shù)

    支撐軸輪不僅要承受飛輪自身的質(zhì)量,而且要承受飛輪在高速旋轉(zhuǎn)過程中造成的離心力,所以對支撐軸輪的強(qiáng)度要求較高。支撐軸承分為機(jī)械軸承、組合式軸承和磁懸浮軸承等。機(jī)械軸承的摩擦小、承載轉(zhuǎn)速能力低,所以無法作為高速飛輪支撐系統(tǒng);磁懸浮軸承在沒有機(jī)械接觸的情況下承載,不會出現(xiàn)機(jī)械摩擦損耗,從而提高了飛輪電池儲能系統(tǒng)的運(yùn)行效率,延長了軸承使用時間。韓國電力公司研發(fā)的組合軸承飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到了12 000 r/min,美國波音公司研制的高溫超導(dǎo)磁軸承小型飛輪儲能電池,在全速飛輪時可以存儲5 kW/h的動能,并能提供3 kW三相208 V的電源電力負(fù)載[4]。我國西安交通大學(xué)研制的高溫超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲能樣機(jī),能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械能、電能的相互轉(zhuǎn)換,飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到了13 000 r/min。

    2.3 電動/發(fā)電機(jī)技術(shù)

    在飛輪電池儲能系統(tǒng)中,動能和電能的轉(zhuǎn)換依靠電動/發(fā)電技術(shù)完成的。所以,電動/發(fā)電機(jī)技術(shù)性能的優(yōu)劣直接影響飛輪電池的儲能效率[5]。飛輪儲能系統(tǒng)充電過程中,飛輪轉(zhuǎn)速必須增加到設(shè)計(jì)的極限,才能滿足電動/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求。放電過程中,飛輪轉(zhuǎn)速下降,電動/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也逐步下降,對電動/發(fā)電機(jī)的要求較高。目前,能夠達(dá)到高轉(zhuǎn)速、高效率的電機(jī)有永磁電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)等。2009年,韓國忠南大學(xué)設(shè)計(jì)出一臺高速雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī),電機(jī)功率可達(dá)30 kW/20 000 r·min-1,并確保電機(jī)在6 000~13 804 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的效率在99%以上。沈陽工業(yè)大學(xué)研制的磁懸浮軸承支撐系統(tǒng),采用釘子換組繞組結(jié)構(gòu)的高速永磁電機(jī)/發(fā)電機(jī),轉(zhuǎn)速為75 kW/60 000 r·min-1,不僅可以提高發(fā)電機(jī)的冷卻效率,而且增加了轉(zhuǎn)子的剛度。

    2.4 飛輪儲能技術(shù)

    近年來,隨著環(huán)境問題和能源危機(jī)問題的突出,環(huán)保節(jié)能電動汽車成為汽車工業(yè)未來發(fā)展的方向。美國特拉斯、日本豐田以及中國的比亞迪也紛紛開始研發(fā)純電動汽車和混合動力汽車。與傳統(tǒng)的化學(xué)蓄電池相比[6],飛輪儲能電池密度大、充電速度快、轉(zhuǎn)換效率高、電池使用時間長等,所以將其應(yīng)用于新能源汽車,可以提高汽車的制動效率。

    3 飛輪電池儲能技術(shù)發(fā)展方向

    1994年,美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室用碳纖維制作了一個儲能飛輪。它使用超導(dǎo)磁懸浮,飛輪直徑為38 cm,重11 kg,飛輪線轉(zhuǎn)速可達(dá)到1 000 m/s。它的儲存能量能同時將10個100 W的燈泡點(diǎn)燃2~5個小時。1995年,美國得輪系統(tǒng)公司研發(fā)了一種可用于汽車的機(jī)電電池,電池直徑23 cm、長度18 cm,重量為23 kg。這種機(jī)電電池使用20萬轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)的碳纖飛輪,每個電池的儲電可達(dá)到1 kW/h。將12個機(jī)電電池安裝在IMPACT轎車上,能使該車以100 km/h的速度行駛480 km。此外,這種機(jī)電電池的儲能電能是鉛酸電池的2.5倍,使用壽命是鉛酸電池的8倍,但比功率是鉛酸電池的25倍,所以儲能效果十分明顯。隨后,日本科學(xué)家根據(jù)飛輪電池比功率高的特性,設(shè)置了引發(fā)可控?zé)岷司圩冄b置。這種裝置的飛輪直徑可達(dá)6.4 m,高度達(dá)1 m,重量達(dá)255 t,儲能的電能可供具有150個車廂的列車以100 km/h的速度行駛。近年來,我國的飛輪電池儲能技術(shù)也得到了很大進(jìn)步。英利集團(tuán)在2011年1月研發(fā)了1 kWh儲能飛輪機(jī)。受材料和技術(shù)的限制[7],目前飛輪電池價(jià)格非常昂貴,小場合的場地應(yīng)用優(yōu)勢并不明顯,但一些大型儲能裝置的節(jié)能效果非常好。

    目前,在太空領(lǐng)域的飛船、空間站、人造衛(wèi)星等領(lǐng)域,飛輪電池一次可以提供同質(zhì)量化學(xué)電池2倍的功率。美國的太空總署空間站就安裝了48個飛輪電池,一起可以持續(xù)供電超過150 kW的電能。與化學(xué)電池相比,飛輪電池每年可以節(jié)省200萬美金的電能。此外,飛輪電池在火車、汽車等交通運(yùn)輸領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。尤其是在當(dāng)前新能源汽車領(lǐng)域[8],采用內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)混合動力的飛輪電池,充電快,放電完全。汽車在正常行駛或者剎車過程中,飛輪電池自動對電池充電,當(dāng)汽車在上坡或者加速過程中,飛輪電池釋放電力給汽車提供動力,確保汽車在一個比較平穩(wěn)的狀態(tài)下運(yùn)行,從而達(dá)到減小消耗、延長發(fā)動機(jī)使用時間的作用。美國TEXAS大學(xué)研制了一款汽車飛輪電池,電池可以為汽車提供150 kW·h的能量,確保汽車達(dá)到100 km/h的運(yùn)行速度。德國西門子公司對火車領(lǐng)域進(jìn)行研究,研發(fā)了一種長1.5 m、寬0.75 m的飛輪電池,可提供3 MW的功率。

    4 結(jié) 論

    飛輪電池儲能技術(shù)作為一種新型的能源設(shè)備,隨著特殊材料技術(shù)、電子電力技術(shù)的發(fā)展,未來將廣泛應(yīng)用于社會各個領(lǐng)域,并將作為獨(dú)立能源向電池儲能系統(tǒng)提供電力。

    參考文獻(xiàn):

    [1] 張新賓.飛輪儲能式汽車制動能量回收模擬試驗(yàn)研究[D].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2016.

    [2] 項(xiàng)倩雯.飛輪電池用五自由度單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)及運(yùn)行控制[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2013.

    [3] 張 毅.太陽能飛輪系統(tǒng)的儲能研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2016.

    [4] 張 冰.具有飛輪電池儲能的移動電站研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2011.

    [5] 孫 杰.飛輪儲能電源恒壓放電控制方法的研究[D].天津:天津大學(xué),2011.

    [6] 何 翼.飛輪電池控制系統(tǒng)研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2011.

    [7] 趙晗彤.基于飛輪儲能系統(tǒng)的光伏直流微網(wǎng)電壓控制方法的研究[D].北京:華北電力大學(xué),2016.

    [8] 欒 衛(wèi).飛輪儲能式電動汽車充電站關(guān)鍵技術(shù)研究[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2011.

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