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飞轮电池

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  • 发布时间:2014/9/19 9:04:41
  • 作者:银河电气

一、飞轮电池简介

  飞轮电池是一种新型高效的环保电池,是一种以动能方式存储能量的机械电池。一般由高速飞轮、电动/发动机、轴承支撑系统、电子变换器、真空室等组成。由于具有储能密度高、使用寿命长、工作温度范围宽、效率高、储能状况容易测量、无污染等优点而日益受到人们的关注。

二、飞轮电池储能原理

  飞轮电池包括三个核心部分:一个飞轮,电动机/发电机和电力电子变换装置。

飞轮电池储能原理图

图1 飞轮电池储能原理

  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。

三、飞轮电池储能过程

  电能输入电动机带动飞轮旋转,也就是飞轮电池的充电过程,飞轮达到预定转速即为充电完成。至此,飞轮将在真空室中保持高速旋转。由于飞轮采用磁悬浮技术,几乎没有机械摩擦,也就是说几乎没有能量损耗,所以飞轮也将维持在高速一直旋转。当外界需要电能时,飞轮带动发电机转动发电,飞轮的转速也会随之降低,发电机发出的电经过电力电子输出设备转换成需要的电能,达到储能的目的。

四、飞轮电池的优点

  现在,使用最多最广的储能电池无疑是化学电池,它将电能转变为化学能储存,再转化为电能输出,它价格低廉,技术成熟,但污染严重,效率低下,充电时间长,用电时间短,使用过程中电能不易控制。
  另一储能电池是超导电池,它把电能转化为磁能储存在超导线圈的磁场中,由于超导状态下线圈没有电阻,所以能量损耗非常小,效率也高,对环境污染也小。但由于超导状态是线圈处于极低温度下才能实现,维持线圈处于超导状态所需要的低温需耗费大量能源,而且维持装置过大,不易小型化,所以家用市场前景不强。
  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,主要表现如下几个方面:
  1、能量密度高:储能密度可达100~200 wh/kg,功率密度可达5000~10000 w/kg
  2、能量转换效率高:工作效率高达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。

  飞轮电池的研究也已经进行了很多年,在理论上它是完美的储能设备,由于目前的各种技术的局限,导致飞轮电池并没有实现民用。笔者相信在之后的某个时期,飞轮电池将代替目前的储能设备实现大面积的推广,发挥它巨大的作用。

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作者:hb_yinhe
湖南银河电气有限公司(http://www.vfe.cc


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