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脉冲功率储能技术

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  • 发布时间:2017/2/18 16:24:09
  • 作者:ly_yinhe

  随着脉冲功率技术在日常生产生活中的日益普及,其能量储存技术亦受到越来越多的重视。下面本文主要根据现今脉冲功率技术中主要的电容储能、电感储能、化学储能、机械储能等储能方式,介绍其相关特点及应用原理。

电容储能

  电容储能是被研究最早的一种储能方式,也是目前应用最广的储能方式。其技术成熟,可用于毫秒、微妙、纳秒量级的脉冲功率装置中。作为储能器件,具有容量大、内部电感极小、耐压高的特性,储能达数千焦耳至数兆焦耳,缺点是储能密度低,在10^7J以上的装置上使用不够经济。模块化电容储能脉冲功率源系统主要由三个部分组成:

   电容充电装置;

   脉冲成形网络模块;

   测控系统。

  电容储能脉冲功率源工作原理可以下图来说明

单模块脉冲功率电源电路

图示1:单模块脉冲功率电源电路

  电容储能式功率脉冲电路包括高压充电电源U、储能电容C、阻尼二极管D1、主开关K1、调波电感L和负载R几部分。开关采用真空触发开关,应具有极高的di/dt性能。调波电感用来调整负载电流的幅度和脉宽。阻尼二极管的作用是防止反向电压对电容反向充电,避免损坏电容器。负载R包括轨道阻抗和电枢阻抗。假设开关是理想的,当开关K2闭合时,电容向负载放电,同时向电感充电,此阶段为电流上升阶段,二极管D1,反偏截止;当电流上升到最大值时,二极管D1正偏导通,阻止电流对电容反向充电,此时电感中积蓄的能量经二极管DI、D2继续向负载供应,此阶段为电流下降阶段。整个过程可用如下函数来表示

……1

  式1中:

  由电路理论可知,当负载电阻很小时,有:

……2

  式2中,I0为电流最大值;T为电流脉冲底宽。放电电流曲线见下图3。t<t0负载电流呈正弦变化;t≥t0负载电流呈指数变化。

放电电流曲线

图2:放电电流曲线

电感储能

  相比电容储能,电感储能的储能密度高,系统体积小、重量轻、造价降低,因此应用电感储能有潜力得到更高的能量利用率和脉冲功率,并且电感储能系统的绝缘问题相对容易解决。目前被广泛应用于等离子体物理、强激光、电磁辐射等研究领域。

  电感储能可有如下原理图说明:

电感储能原理图

图3:电感储能原理图

  一般的电感储能脉冲电源,包含储能电感器L、给L充电的初级电源P和断路开关OS组成(如上图所示),有时还需在负载ZL和L间串接闭合开关cs。当L被充电后断开os时,能产生一个较高的感应电压L(di/dt)。在这种装置中常可储能10~100MJ,借助os可把能量脉冲“压缩”到充电时间的1/5—1/10或更小,能把脉冲功率放大到10^14—10^15W。其中初级电源P常为marx发生器、蓄电池等。

化学储能

  化学储能实际上就是利用储能材料相接触时发生化学反应,而通过热能与化学能的转换储存能量储存起来。它具有很高的储能密度(例如TNT炸药储能密度为5.25*10^3J/cm³。并且它们又能快速脉冲地释放和转换成电脉冲,所以现代脉冲功率技术常采用化学能的脉冲发电装置,除高储能密度的电化学电源(如蓄电池)外,常用的还有各种形式的磁通压缩发生器(发电机)、脉冲磁流体发电机和磁流体电容器等。

  蓄电池作为一种化学储能装置,其原理是使用时先充电,将电能转化成化学能存储起来,工作时,将化学能转换成电能对负载释放电能。这个过程可以重复多次。在脉冲功率装置中使用的蓄电池分为两大类:秒级放电的普通型和毫秒级放电的脉冲型。

  暴磁压缩发生器是利用磁通φ在良导体回路内守恒原理即电感 L 与电流i之间的关系φ=Li,通过化学反应产生的机械力做功,压缩回路磁通和减少电感 L,则使i增大(因φ守恒)。即将炸药所含的化学能转化为电磁能,原理及其典型电路如下图所示:

化学储能原理图

图4:化学储能原理图

机械储能

  机械储能装置最常见的是脉冲发电机和单机发电机,并且多是先用透平机或电动机把大质量飞轮驱动起来旋转到高速度,使飞轮惯性地储存动能,然后突然转接到脉冲发电机的转子轴上,使其产生电脉冲输出,同时飞轮因释能而被减速或停转。

  飞轮的结构如下图所示,主要包括5个基本组成部分:

  1)采用高强度玻璃纤维(或碳纤维)复合材料的飞轮本体;

  2)悬浮飞轮的电磁轴承及机械保护轴承;

  3)电动/发电互逆式电机;

  4)电机控制与电力转换器;

  5)高真空及安全保护罩。

飞轮系统组成图

图5:飞轮系统组成图

  飞轮储能系统的工作原理为:系统储能时,电机作为电动机运行,由电网提供电能经功率电子变换器驱动电机加速,电机拖动飞轮加速储能,能量以动能形式储存在高速旋转的飞轮中;当飞轮达到设定的最大转速以后,系统处于能量保持状态,直到接收到一个释放能量的控制信号,系统释放能量,高速旋转的飞轮利用其惯性作用拖动电机减速发电,经功率变换器输出适用于负载要求的电能,从而完成动能到电能的转换。由此,整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出控制。