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用中文说说“飞论电池”

2018-4-22 14:21| 发布者: dymodel| 查看: 320| 评论: 0|原作者: laoztou

摘要: Mevehicle先生 的“ 飞轮电池” 引起我的兴趣。在网上学到的知识。与朋友们共享。 飞轮电池 飞轮电池是90年代才提出的新概念电池,它突破了化学电池 的局限,用物理方法实现储能。众所周知,当飞轮以一定角 ...
  Mevehicle先生 的“ 飞轮电池” 引起我的兴趣。在网上学到的知识。与朋友们共享。


飞轮电池

飞轮电池是90年代才提出的新概念电池,它突破了化学电池 的局限,用物理方法实现储能。众所周知,当飞轮以一定角速度 旋转时,它就具有一定的动能。飞轮电池正是以其动能转换成电 能的。高技术型的飞轮用于储存电能,就很像标准电池


图片

飞轮电池7.jpg

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飞轮电池6.jpg


简介

飞轮电 池中有一个电机,充电时该电机以电动机形式运转,在外电源的 驱动下,电机带动飞轮高速旋转,即用电给飞轮电池"充电"增 加了飞轮的转速从而增大其功能;放电时,电机则以发电机状态 运转,在飞轮的带动下对外输出电能,完成机械能(动能)到电 能的转换。当飞轮电池发出电的时,飞轮转速逐渐下降,飞轮电 池的飞轮是在真空环境下运转的,转速极高(高达200000r/min, 使用的轴承为非接触式磁轴承。据称,飞轮电池比能呈可达150W ·h/kg,比功率达5000-10000W/kg,使用寿命长达25年,可供电 动汽车行驶500万公里。美国飞轮系统公司已用最新研制的飞轮池 成功地把一辆克莱斯勒LHS轿车改成电动轿车,一次充电可行驶 600km,由到96km/h加速时间为6.5秒。

起源

飞轮储能电池的概念起源于上世纪70年代早期,最初只是想将其应用在电动汽车上,但限于当时的技术水平,并没有得到发展。直到上世纪90年代由于电路拓扑思想的发展,碳纤维材料的广泛应用,以及全世界范围对污染的重视,这种新型电池又得到了高速发展,并且伴随着磁轴承技术的发展,这种电池显示出更加广阔的应用前景,现正迅速地从实验室走向社会。现在欧美国家已出现实用化产品,

在我国,
而我国在这方面的研究才刚刚起步。


工作原理

何谓飞轮储能电池
  飞轮储能电池系统包括三个核心部分:一个飞轮,电动机—发电机和电力电子变换装置。
  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),当外飞轮电池8.jpg

部负载需要能量时,用飞轮带动发电机旋转,将动能转化为
飞轮储能原理图

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。

  实际使用的飞轮装置中,主要包括以下部件:飞轮、轴、轴承、电机、真空容器和电力电子变换器。飞轮是整个电池装置的核心部件,它直接决定了整个装置的储能多少,它储存的能量由公式E=jw^2决定。式中j为飞轮的转动惯量,与飞轮的形状和重量有关; 为飞轮的旋转角速度。
  电力电子变换器通常是由MOSFET 和IGBT组成的双向逆变器,它们的原理不再叙述,它们决定了飞轮装置能量输入输出量的大小。

性能

飞轮电池与其它电池的比较
  现在,使用最多最广的储能电池无疑是化学电池,它将三种电池性能比较
飞轮电池9.jpg
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。
  飞轮电池则兼顾了两者的优点,虽然近阶段的价格较高,但伴随着技术的进步,必将有一个非常广阔的前景。下面通过表—1来具体比较三者的优缺点。
  表—1 三种电池性能比较
  化学电池 飞轮电池 超导电池
  储能方式 化学能 机械能 电磁能
  使用寿命 3~5 >20 ~20
  技术 成熟 验证 验证
  温度范围 限制 不限 不限
  相对尺寸(同功率) 大 最小 中间
  储能密度 小 大 大
  放能深度 浅 深 深
  价格 低 高 较高
  环境影响 污染 无污染 无污染

优点
  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,主要表现在如下几个方面: (1)能量密度高:储能密度可达100~200 wh/kg,功率密度可达5 000~lO 000 w/kg。
  (2)能量转换效率高:工作效率高达百分之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[/url]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。

用途


  飞轮电池的应用场合及现状
  由于技术和材料价格的限制,飞轮电池的价格相对较高,在小型场合还无法体现其优势。但在下列一些需大型储能装置的场合,使用化学电池的价格也非常昂贵,飞轮电池已得到逐步应用。1、太空  包括人造卫星、飞船、空间站,飞轮电池一次充电可以提供同重量化学电池两倍的功率,同负载的使用时间为化学电池的3~10倍。同时,因为它的转速是可测可控的,故可以随时查看电能的多少。

美国太空总署[/url]已在空间站安装了48个飞轮电池,联合在一起可提供超过150KW的电能。据估计相比化学电池,可节约200万美元左右。2、交通运输  包括火车和汽车,这种车辆采用内燃机和电机混合推动,飞轮电池充电快,放电完全,非常适合应用于混合能量推动的车辆中。车辆在正常行使时和刹车制动时,给飞轮电池充电,飞轮电池则在加速或爬坡时,给车辆提供动力,保证车辆运行在一种平稳、最优的状态下的转速,可减少燃料消耗,空气和噪声污染,发动机的维护,延长发动机的寿命。美国TEXAS大学已研制出一汽车用飞轮电池,电池在车辆需要时,可提供150KW的能量,能加速满载车辆到100Km/h。在火车方面,

德国西门子公司已研制出长1.5m,宽0.75m的飞轮电池,可提供3MW的功率,同时,可储存30%的刹车能。3、不间断电源  飞轮电池可提供高可靠的稳定电源,可提供几秒到几分钟的电能,这段时间足已保证工厂进行电源切换。德国GmbH 公司制造了一种使用飞轮电池的UPS,在5s内可提供或吸收5MW的电能。4、军用战斗车辆  

美国国防部预测未来的战斗车辆在通信、武器和防护系统等方面都广泛需要电能,飞轮电池由于其快速的充放电,独立而稳定的能量输出,重量轻,能使车辆工作处于最优状态,减少车辆的噪声(战斗中非常重要),提高车辆的加速性能等优点,已成为美国军方首要考虑的储能装置。

趋势
  作为一种新兴的储能方式,飞轮电池所拥有传统化学电池无法比拟的优点已被人们广泛认同,它非常符合未来储能技术的发展方向。目前,飞轮电池除了上面介绍的应用领域以外,也正在向小型化、低廉化的方向发展。现在,最可能出现的是手机电池。可以预见,伴随着技术和材料学的进步,飞轮电池将在未来的各行各业中发挥重要的作用。


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