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1、飞轮储能电池系统介绍1引言飞轮电池是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。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
2、承为非接触式磁轴承。据称，飞轮电池比能呈可达150Wh/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，由启动到96km/h加速时间为6.5秒。飞轮储能电池的概念起源于上世纪年代早期，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
3、验室走向社会。现在欧美国家已出现实用化产品，而我国在这方面的研究才刚刚起步。2 概念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4000050000r/min，一般
4、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=j2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
5、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。2 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
6、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。下面为三者的优缺点比较表。三种电池性能比较表 电池名称对比项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（年）352020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3 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
7、池两倍的功率，同负载的使用时间为化学电池的310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
8、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
9、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。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。(1)飞轮本体飞轮转子是飞轮储能系统的一个重要的组成部分。飞轮内的能量E用下式表示：E=JW2(1|2)式中：J;飞轮转子轴转动惯量。W：飞轮转子角速度(rads)。飞轮单位重量存贮的能量：e=EM=98kp式中：k为飞轮形状系数；为飞轮产
10、生的最大周向应力；P表示飞轮材料的比重；M为飞轮转子质量。从储存能量的角度来看，E越大越好；从减轻轴承负荷来看，M越小越好。根据公式,飞轮材料最好是选取p大的材料。通常碳素纤维材料的P比强度比其它材料高，所以现在一般都采用超强碳纤维等.(2)储能飞轮支承系统飞轮蓄能发电设备的旋转摩擦损耗较大，为了减少旋转摩擦损耗，所以现在一般都采用磁悬浮轴承。磁悬浮轴承是飞轮储能系统的关键部件。磁轴承根据磁场性质的不同主要分为被动磁悬浮轴承(PMB)和主动磁悬浮轴承(AMB)两种：(a)被动磁悬浮轴承目前被动磁悬浮轴承有代表性的是高温超导磁悬浮轴承。无源磁悬浮轴承磁场通常是不可控的。传统的超导体无法满足磁轴承
11、的要求，但是自从高温超导体Y(钇)系发现以来，制造高温超导磁轴承成为可能。永久磁铁安装在飞轮上，高温超导体安装在底座上并用液氮冷却，利用超导体的特性之一的Meissier效应(超导抗磁性)，如图2所示。永久磁铁的磁通被超导体阻挡而产生排斥力，使飞轮处于悬浮状态。永磁体和高温超导体之间的排斥力为：f=M(H)(dHdz)V其中：H为超导体内的场强；M为超导体的磁化强度；V为超导体的有效磁化体积；。为真空磁导率。Meissier效应极限值只有数百Gs，超导磁轴承实际用的是超导的另一特性磁通钉扎性。在超导体内部有杂质、裂缝被称为钉扎中心的非超导区域，由于超导体内部超导区域有很强的排斥磁通特性，因而磁
12、力线通常会被钉扎中心捕获，钉扎在超导体内，当有足够的磁力线被捕获后，磁体就会悬浮，磁通钉扎性原理如图3所示。由于高温超导磁轴承具有无需供电、转速高、摩擦小、也不需要复杂的位置控制系统、轴承结构紧凑等特点，因而目前是飞轮轴承系统发展的一个主要方向。(b)主动磁悬浮系统主动磁悬浮系统主要是电磁悬浮系统。电磁悬浮轴承系统主要由转子、电磁铁、传感器、控制系统、功率放大器组合而成。转子位移变化的信号由传感器测出，传到控制器中，控制器计算后，输出信号，经过功率放大器的放大，输入到电磁铁，产生电磁力，从而保证转子的稳定悬浮。电磁力可由麦克斯韦公式得出：式中一间隙中的磁通量：一为真空中的磁导率；A一为电磁铁与转子的正对部分的面积；N一线圈；匝数；I一线圈中的电流；h一电磁铁与转子之间的间隙。整个电磁轴承系统控制环节示意图如图4所示。(3)电动发电机为了系统结构及降低功耗，故将电动发电机与飞轮本体做成一体。目前国内外广泛采用永磁无刷直流电动发电机互逆式双向一体化电机。无刷直流电动机具有直流电动机的机械特性，在结构上摒弃了电刷和整流子，因而寿命长，使用可靠，消除接触换向带来的噪声和电磁干扰。由于功耗还取决于电枢电阻、涡流电流和磁滞损耗，因此无铁静子获得广泛应用。电机转子选用钕铁硼永磁磁铁使得电机发电机的体积、重量大大减小。