關(guān)鍵詞:飛輪儲(chǔ)能;電力;復(fù)合材料;飛輪電池
引言：近年來.世界各地屢屢發(fā)生大面積停電等重人電力事故.美國、加拿人、英國、瑞典、意人利等都遭遇了地鐵癱瘓、民航、鐵路運(yùn)輸中斷等事故.經(jīng)濟(jì)損失達(dá)上千億美元.大面積停電和嚴(yán)重缺電能夠迅速波及整個(gè)網(wǎng)絡(luò).其損失和造成的影響都是難以估量的.采取一些有效的措施把用電低谷時(shí)多余的電能儲(chǔ)存起來.在用電高峰時(shí)釋放出來緩解用電壓力是各國都在積極考慮的問題.現(xiàn)在己采取的儲(chǔ)能技術(shù)有機(jī)械儲(chǔ)能（飛輪、抽水、彈簧、壓縮空氣等)、熱能蓄能(顯熱、潛熱、蒸發(fā)、融解、升華等)、電磁蓄能(電容器、超導(dǎo)等)和化學(xué)蓄能(蓄電池、合成燃料、濃度差發(fā)電、物理化學(xué)能量等).其中發(fā)展最快、規(guī)模最大的是抽水蓄能.其次是壓縮空氣蓄能.排在第二位的就是飛輪蓄能.飛輪蓄能裝置可配置在城市和用電中心附近的變電所.用來調(diào)峰調(diào)頻.它的規(guī)模己達(dá)幾十和幾百M(fèi)W級.特別是由于高溫超導(dǎo)磁力軸承的開發(fā)和應(yīng)用.將加速飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展.與其他形式的儲(chǔ)能方式相比較.飛輪儲(chǔ)能具有大容量、高效率、無限循環(huán)壽命、零排放、無污染和裝置對環(huán)境無要求等優(yōu)點(diǎn)。
一、飛輪儲(chǔ)能原理
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分:(1)轉(zhuǎn)子系統(tǒng);(2)支撐轉(zhuǎn)子的軸承系統(tǒng);(3)轉(zhuǎn)換能量和功率的電動(dòng)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng).另外還有一些支持系統(tǒng)，如真空、深冷、外殼和控制系統(tǒng).基木結(jié)構(gòu)如圖1所示.
1 .1、飛輪轉(zhuǎn)子
飛輪轉(zhuǎn)子是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的一個(gè)重要的組成部分.儲(chǔ)存在飛輪內(nèi)的動(dòng)能E用下式表示為
式中J和w分別表示飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)動(dòng)角速度.考慮到制造飛輪所用材料強(qiáng)度的限制.其轉(zhuǎn)動(dòng)角速度有一個(gè)上限.超過此上限.飛輪將會(huì)因離心力而發(fā)生破壞.因此.儲(chǔ)能計(jì)算公式則可表示為
式中e為飛輪單位重量的儲(chǔ)能能。Ｋs為飛輪形狀系數(shù)ρ為材料的比重.，σ為材料的許用應(yīng)力.由式(2)可以比較出不同材料制造的飛輪的儲(chǔ)能效率.經(jīng)過研究與試驗(yàn).發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料是制造儲(chǔ)能飛輪最好的材料.近年來.山于高強(qiáng)度碳素纖維的出現(xiàn).飛輪允許線速度可達(dá)500m/s~1000m/s,增加了單位飛輪的動(dòng)能儲(chǔ)量。
1 .2、電動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)
飛輪儲(chǔ)能裝置中有一個(gè)內(nèi)置電機(jī)，它既是電動(dòng)機(jī)也充當(dāng)發(fā)電機(jī).在充電時(shí)，它作為電動(dòng)機(jī)給飛輪加速，當(dāng)放電時(shí)，它又作為發(fā)電機(jī)給外設(shè)供電，此時(shí)飛輪的轉(zhuǎn)速不斷下降，而當(dāng)飛輪空閑運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)裝置則以最小損耗運(yùn)行.由于電機(jī)轉(zhuǎn)速高，運(yùn)轉(zhuǎn)速度范圍大，且工作在真空之中，散熱條件差，所以電機(jī)的工作性能要求非常高.從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和降低功耗的思想出發(fā)，現(xiàn)在常用的電機(jī)有永磁無刷電機(jī)、三相無刷直流電機(jī)、磁阻電機(jī)和感應(yīng)電機(jī).其中以永磁無刷直流/交流電機(jī)應(yīng)用居多，特別是應(yīng)用在轉(zhuǎn)速30 000 r/min以上的系統(tǒng)中.永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，恒功率調(diào)速范圍寬，在各種條件下都有較高的效率.口前永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到200 000 r/min，而且調(diào)速非常容易.美國Indig能源公司的飛輪電池采用了三相高效的永磁無刷電機(jī)，其能量轉(zhuǎn)換效率大于95%。
1.3、其他系統(tǒng)
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)還包括真空腔、外殼和控制系統(tǒng)等.真空腔的主要功能有2點(diǎn):一是提供真空環(huán)境.降低風(fēng)損、提高效率;二是屏蔽事故.飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速必須非常高可達(dá)200 000 r/min才會(huì)有高的儲(chǔ)能密度.在空氣環(huán)境中高速運(yùn)轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子會(huì)造成極高風(fēng)阻損耗.因此.飛輪轉(zhuǎn)子必須在真空中工作.日前真空度一般可達(dá)到0.00001Pa均數(shù)量級。高速運(yùn)轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子如果發(fā)生斷裂.將會(huì)有碎片飛出.那么包裹在飛輪外而的殼體是否能有效地阻止碎片穿透傷人是人們所關(guān)心的問題.所以.飛輪的外殼要求選用密度小、強(qiáng)度高的復(fù)合材料.電力轉(zhuǎn)換器是儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)的控制元件.它控制電機(jī).實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的相電力轉(zhuǎn)換器在輸入電能時(shí).可將交流電轉(zhuǎn)換成直流.驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī);而在輸出電能時(shí)則將直流變成交流.并且具有調(diào)頻、穩(wěn)流、恒壓等功能.美國Beacon動(dòng)力公司采用脈沖寬度調(diào)制轉(zhuǎn)換器.實(shí)現(xiàn)從直流母線到二相變頻交流的雙向能量轉(zhuǎn)換.馬德蘭也己開發(fā)出“敏捷微處理器電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”，用于電力轉(zhuǎn)換器的控制。
二、儲(chǔ)能飛輪的應(yīng)用
飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在許多領(lǐng)域都己經(jīng)有廣泛的應(yīng)用.特別是在美國、日木、德國等發(fā)達(dá)國家.儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的己比較成熟.其主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面。
2. 1電力調(diào)峰
由于用電高峰與用電低谷時(shí)電力負(fù)荷差超過l0%以上.所以電力調(diào)峰非常重要.飛輪儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)具有能量的存儲(chǔ)和釋放非常方便的優(yōu)點(diǎn).可在任意時(shí)間間隔、以任意的規(guī)模進(jìn)行.它可以就近分散放置.且零排放、低噪聲.適應(yīng)環(huán)境保護(hù)的要求.因此.飛輪儲(chǔ)能技術(shù)被認(rèn)為是近期最有希一望和最有競爭力的新型調(diào)峰技術(shù).國際上人多數(shù)研究機(jī)構(gòu)均將電力調(diào)峰定為飛飛輪開發(fā)的最終目標(biāo).美國的馬德蘭己于1991年開發(fā)出了用于電力調(diào)峰的24 kW/h電磁懸浮飛輪系統(tǒng).飛輪重172. 8 kg.工作轉(zhuǎn)速范圍11 610 r/min-46 345 r/min.破壞轉(zhuǎn)速為48 784 r/min.系統(tǒng)輸出恒壓110 V/240 V.全程效率為81﹪.德國在1996年著手研究儲(chǔ)能5 MW /h/100 MW/h的超導(dǎo)磁懸浮儲(chǔ)能飛輪電站.電站山10只飛輪模塊組成.每只模塊重30 t,直徑3. 5 m,高6. 5 m.轉(zhuǎn)子運(yùn)行轉(zhuǎn)速為2 250 r/min~4 500 r/min,最人外緣線速度600 m/s,最大拉應(yīng)力810 MPa.能量輸入、輸出采用電動(dòng)/發(fā)電機(jī)來實(shí)現(xiàn).系統(tǒng)效率96﹪。
2.2飛輪電池
Texas大學(xué)和Texas能源貯備局等聯(lián)合組成的Texas電動(dòng)汽車計(jì)劃研究出可以存貯2 kW /h能量的功率可達(dá)100 kW~150 kW的飛輪電池，主要用于電動(dòng)汽車，在軍事上用于戰(zhàn)斗車輛、電磁炮、電磁懸浮(在高機(jī)動(dòng)多用途輪式車和M1坦克上己用)、電磁干涉，其運(yùn)行時(shí)的損失只有1﹪ AFS公司和美國Honeywell公司的飛輪電池己經(jīng)被安裝在德國的BMW汽車做實(shí)驗(yàn).ARPA也在進(jìn)行電動(dòng)汽車的研究和開發(fā)，包括M 113軍用人員運(yùn)輸車、Bradley步兵戰(zhàn)斗車、高機(jī)動(dòng)多用途輪式車、M939AI貨運(yùn)卡車、電動(dòng)航空器等.據(jù)報(bào)道，某些公司設(shè)計(jì)的純飛輪系統(tǒng)供電的電動(dòng)汽車一次充電可行駛450 km~500 km,最高可傳輸600 kW的能量，這些飛輪夜間充電、白天工作，充電過程簡單、方便，既可在家中也可在充電站中進(jìn)行，一次充電花費(fèi)僅為6美圓。
飛輪安裝在化學(xué)電池或內(nèi)燃機(jī)供能的機(jī)車上起緩沖器作用與系統(tǒng)協(xié)同工作.稱之為飛輪混合電池.汽車制動(dòng)過程中.將制動(dòng)能耗通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為飛輪的機(jī)械動(dòng)能儲(chǔ)存起來.成為再生能源.當(dāng)汽車需人功率工作時(shí).飛輪再通過發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)能釋放以供系統(tǒng)使用.研究表明.合理設(shè)計(jì)混合飛輪電池.可節(jié)約能耗30﹪。并能減少廢氣排放量75﹪.美國的威斯康星麥迪遜人學(xué)、勞倫斯國家實(shí)驗(yàn)室、麻省理工學(xué)院、德國的磁電機(jī)公司和加拿人的McMaster人學(xué)等日前都在此方面有所研究.并取得了一定的成果。
三、展望
隨著新型材料技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展.飛輪儲(chǔ)能技術(shù)越來越顯示出它的優(yōu)越性.在各國也越來越受到重視人量的資金投入研究。日前己經(jīng)取得了一定的成果，許多公司己有產(chǎn)品推向市場.儲(chǔ)能飛輪盡管有很多優(yōu)點(diǎn).但山于技術(shù)上的問題使其成本較高.市場價(jià)格也相應(yīng)提高.所以不能進(jìn)一步擴(kuò)大規(guī)模.如果能夠降低成木.使飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)一步成熟.將會(huì)有更加廣泛的應(yīng)用.首先應(yīng)該降低飛輪試驗(yàn)成本.山于飛輪實(shí)物強(qiáng)度試驗(yàn)成本比較高.應(yīng)該人力開展動(dòng)態(tài)仿真研究.同時(shí)進(jìn)行模型試驗(yàn).采用相似原理模擬實(shí)況.其次是降低飛輪生產(chǎn)成本.日前飛輪原材料價(jià)格并不高.費(fèi)用主要用于提高其安全性能方面.由于飛輪儲(chǔ)存能量所需要的高速旋轉(zhuǎn)帶來極大的離心力的作用.因此對安全性能提出了高的要求.除了應(yīng)該在原有基礎(chǔ)上降低這力方面的成本外，還應(yīng)該人力發(fā)展智能化安全保險(xiǎn)研究，預(yù)測智能化安全保險(xiǎn)研究將是今后的一個(gè)熱點(diǎn)。
