飞轮储能原理.pdfVIP

飞轮储能原理 1 引言 飞轮储能思想早在一百年前就有人提出，但是由于当时技术条件的制约，在很长期内 都没有突破。直到20 世纪60~70 年代，才由美国宇航局(NASA)Glenn 研究中心开始把飞 轮作为蓄能电池应用在卫星上。到了90 年代后，由于在以下3 个方面取得了突破，给飞轮 储能技术带来了更大的发展空间。 (1) 高强度碳素纤维复合材料(抗拉强度高达8．27GPa) 的浮现，大大增加了单位质量中的动 能储量。 (2) 磁悬浮技术和高温超导技术的研究发展迅速，利用磁悬浮和真空技术，使飞轮转子的摩 擦损耗和风损耗都降到了最低限度。 (3) 电力电子技术的新发展，如电动／发机电及电力转换技术的突破，为飞轮储存的动能与 电能之间的交换提供了先进的手段。储能飞轮是种高科技机电一体化产品，它在航空航 天(卫星储能电池，综合动力和姿态控制)、军事(大功率电磁炮)、电力( 电力调峰)、通信 (UPS) 、汽车工业( 电动汽车)等领域有广阔的应用前景。 2 飞轮储能系统的工作原理和基本结构 2.1 飞轮储能的工作原理 飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置，突破了化学电池的局限，用物理方法 实现储能。通过电动／发电互逆式双向机电，电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转 换与储存，并通过调频、整流、恒压与不同类型的负载接口。 在储能时，电能通过电力转换器变换后驱动机电运行，机电带动飞轮加速转动，飞轮 以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械能转换的储存能量过程，能量储存在高速旋 转的飞轮体中；之后，机电维持一个恒定的转速，直到接收到一个能量释放的控制信号；释 能时，高速旋转的飞轮拖动机电发电，经电力转换器输出合用于负载的电流与电压，完成机 械能到电能转换的释放能量过程。整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出过程。 2 ．2 飞轮储能系统的基本结构 典型的飞轮储能系统由飞轮本体、轴承、电动/发机电、电力转换器和真空室5 个主要 组件构成。在实际应用中，飞轮储能系统的结构有不少种。图 1 是一种飞轮与机电合为一 个整体的飞轮储能系统。飞轮贮能系统是由高速飞轮转子磁轴承系统、电动／发机电、电力 变换系统和真空罩等部份组成。图1 为飞轮储能系统模块示意图。 飞轮本体是飞轮储能系统中的核心部件，作用是力求提高转子的极限角速度，减轻转子 分量，最大限度地增加飞轮储能系统的储能量，目前多采用碳素纤维材料制作。 轴承系统的性能直接影响飞轮储能系统的可靠性、效率和寿命。目前应用的飞轮储能 系统多采用磁悬浮系统，减少机电转子旋转时的磨擦，降低机械损耗，提高储能效率。 飞轮储能系统的机械能与电能之间的转换是以电动/发机电及其控制为核心实现的，电 动/发机电集成一个部件，在储能时，作为电动机运行，由外界电能驱动电动机，带动飞轮 转子加速旋转至设定的某一转速；在释能时，机电又作为发机电运行，向外输出电能，此时 飞轮转速不断下降。显然，低损耗、高效率的电动/发机电是能量高效传递的关键。 电力转换装置是为了提高飞轮储能系统的灵便性和可控性，并将输出电能变换(调频、 恒压等 为满足负荷供电要求的电能。 整流或者 ) 真空室的主要作用是提供真空环境，降低机电运行时的风阻损耗。 3 飞轮储能系统的应用 3.1 免蓄电池磁悬浮飞轮储能UPS (1)在市电输入正常，或者 ( ) UPS 在市电输入偏低或者偏高一定范围内 的情况下， 通过其内部 的有源动态滤波器对市电进行稳压和滤波，保证向负载设备提供高品质的电力保障，同 时对飞轮储能装置进行充电，UPS 利用内置的飞轮储能装置储存能量。 (2)在市电输入质量无法满足 UPS 正常运行要求，或者在市电输入中断的情况下，UPS 将 储存在飞轮储能装置里的机械能转化为电能，继续向负载设备提供高品质并且不间断的 电力保障。 (3)在UPS 内部浮现问题影响工作的情况下，UPS 通过其内部的静态开关切换到旁路模式， 由市电直接向负载设备提供不问断的电力保障。 (4)在市电输入恢复供电，或者在市电输入质量恢复到满足UPS 正常运行要求的情况下，则 即将切换到市电通过UPS 供电的模式，