飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研究

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1、word文檔整理分享電機(jī)與電器專(zhuān)題課報(bào)告——飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研究哈爾濱工業(yè)大學(xué)2014年6月參考資料word文檔整理分享飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研究摘要：飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)(FESS)又稱(chēng)飛輪電池或機(jī)電電池，由于它與化學(xué)電池相比所具有的巨大優(yōu)勢(shì)和未來(lái)市場(chǎng)的巨大潛力，引起了人們的密切關(guān)注。它結(jié)合了當(dāng)今最新的磁懸浮技術(shù)、高速電機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和新材料技術(shù)，使得飛輪儲(chǔ)存的能量有了質(zhì)的飛躍，再加上真空技術(shù)的應(yīng)用，使得各種損耗也非常小。本文針對(duì)該領(lǐng)域近年來(lái)的研究成果，對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的幾大關(guān)鍵部件全面的論述。引言：飛輪電池是一種高科技機(jī)電一體化產(chǎn)品，它在國(guó)防工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)、電力工業(yè)、電

2、信業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。作為電池家族的成員，這種新型的電池與化學(xué)電池相比具有以下幾方面突出的優(yōu)點(diǎn)。(1)儲(chǔ)能密度高。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于60000r/min的飛輪電池，在75%放電深度下產(chǎn)生大于20Whr/lb的比能量(此值還不是最高的)，而鎳氫電池只有5～6Whr/lb的比能量，其放電深度一般限制在30%～40%的范圍內(nèi)。(2)無(wú)過(guò)充電、過(guò)放電問(wèn)題?；瘜W(xué)電池一般不能深度放電，也不能過(guò)充電，否則其壽命會(huì)急劇下降。而飛輪電池在深度放電時(shí)，其性能完全不受影響，而且在電力電子協(xié)助下，非常容易防止過(guò)充電(實(shí)際上是限制轉(zhuǎn)子的最高轉(zhuǎn)速)。飛輪電池的壽命主要取決于其電力電

3、子的壽命，故一般可達(dá)到20年左右。(3)容易測(cè)量放電深度，充電時(shí)間較短。飛輪電池只要測(cè)出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，就能確切知道其放電深度，而化學(xué)電池就沒(méi)有這么容易了。另外，飛輪電池的充電一般在幾分鐘之內(nèi)即可完成，而化學(xué)電池則需要幾個(gè)小時(shí)，常見(jiàn)的需要七八個(gè)小時(shí)。(4)對(duì)溫度不敏感。化學(xué)電池在高溫或低溫時(shí)其性能會(huì)急劇下降，而飛輪電池則不然。(5)對(duì)環(huán)境友好?；瘜W(xué)電池在報(bào)廢后會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生惡劣影響，而且回收成本較高。飛輪電池是一種綠色電池，它不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生任何影響，故它在電動(dòng)汽車(chē)方面的應(yīng)用極具潛力。飛輪電池的發(fā)展開(kāi)始于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)正處于石油禁運(yùn)和天然氣危機(jī)時(shí)期。此時(shí)，

4、美國(guó)能量研究發(fā)展署(ERDA)及其后的美國(guó)能源部(DoE)資助飛輪系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，包括電動(dòng)汽車(chē)的超級(jí)飛輪的研究Lewis研究中心(LeRC)在ERDA的協(xié)助和美國(guó)航空航天局(NASA)的資助下專(zhuān)門(mén)研究用于真空下的機(jī)械軸承和用于復(fù)合車(chē)輛的飛輪系統(tǒng)的傳動(dòng)系統(tǒng)。NASA同時(shí)也資助Goddard空間飛行中心(GSFC)研究適用于飛行器動(dòng)量飛輪的電磁軸承。80年代，DoE削減了飛輪儲(chǔ)能研究的資助，但NASA繼續(xù)資助GSFC研究衛(wèi)星飛輪系統(tǒng)的電磁軸承，同時(shí)還資助了參考資料word文檔整理分享Langley研究中心(LaRC)及Marshall空間飛行中心(MSFC)關(guān)

5、于組合能量?jī)?chǔ)存和姿態(tài)控制的動(dòng)量飛輪構(gòu)形的研究。近10年來(lái)，一大批新型復(fù)合材料和新技術(shù)的誕生和發(fā)展，如高強(qiáng)度的碳素纖維復(fù)合材料(抗拉強(qiáng)度高達(dá)8。27GPa)、磁懸浮技術(shù)和高溫超導(dǎo)技術(shù)、高速電機(jī)/發(fā)電機(jī)技術(shù)以及電力電子技術(shù)等，使得飛輪能夠儲(chǔ)存大量的能量，給飛輪的應(yīng)用帶來(lái)了新的活力。它可應(yīng)用于國(guó)防工業(yè)(如衛(wèi)星、電磁炮和電熱化學(xué)槍、作戰(zhàn)偵察車(chē)輛等)、汽車(chē)工業(yè)(電動(dòng)汽車(chē))、電力行業(yè)(如電力質(zhì)量和電力負(fù)載調(diào)節(jié)等)、醫(yī)療和電信業(yè)(作UPS用)等。NASA的應(yīng)用有航天器(宇宙飛船)、發(fā)射裝置、飛行器動(dòng)力系統(tǒng)、不間斷電源(UPS)和宇宙漫步者。典型的飛輪電池一般由5個(gè)部分組

6、成:①高速儲(chǔ)能飛輪；②集成驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)；③磁懸浮軸承及控制系統(tǒng)；④電力電子；⑤輔件和應(yīng)用接口。其結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1。從應(yīng)用的角度看，飛輪電池的潛力尚未得到應(yīng)有的發(fā)掘。就發(fā)展?fàn)顩r而言，它本身也遠(yuǎn)未達(dá)到替代其他電池的水平。原因除造價(jià)昂貴及設(shè)計(jì)理論尚未成熟外，還在于高速電機(jī)及磁軸承系統(tǒng)的控制方面仍有許多課題亟待研究和解決。本文將近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)歸納為以下幾個(gè)方面。圖1飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖從應(yīng)用的角度看，飛輪電池的潛力尚未得到應(yīng)有的發(fā)掘。就發(fā)展?fàn)顩r而言，它本身也遠(yuǎn)未達(dá)到替代其他電池的水平。原因除造價(jià)昂貴及設(shè)計(jì)理論尚未成熟外，還在于高速電機(jī)及磁軸承系統(tǒng)的控制

7、方面仍有許多課題亟待研究和解決。本文將近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)歸納為以下幾個(gè)方面。1復(fù)合材料飛輪參考資料word文檔整理分享選用高抗拉強(qiáng)度的飛輪材料是飛輪電池能夠儲(chǔ)存較多能量的先決條件，其次才是飛輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。飛輪儲(chǔ)存的能量跟它的旋轉(zhuǎn)速度的平方成正比，和它的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成正比。飛輪的旋轉(zhuǎn)速度和它的結(jié)構(gòu)尺寸受到它的材料的強(qiáng)度，特別是拉伸強(qiáng)度所制約。對(duì)于一個(gè)薄圓環(huán)形的旋轉(zhuǎn)飛輪，它所儲(chǔ)存的能量和材料的容許拉伸應(yīng)力的關(guān)系為(1)式中：為圓環(huán)的質(zhì)量；為其回轉(zhuǎn)半徑；為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為其角速度；為其材料的密度；為材料的容許拉伸應(yīng)力；為飛輪的動(dòng)能。由此可見(jiàn)，要想獲得最大的能量

8、儲(chǔ)存，必須選用高比強(qiáng)度()的材料。所以，用碳素纖維復(fù)合材料制造飛輪