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飞轮电池的优缺点是什么

钜大LARGE  |  点击量:18147次  |  2018年06月01日  

   飞轮电池的优点,主要表如下几个方面:


  能量密度高:储能密度可达100~200wh/kg,功率密度可达5000~l0000w/kg。


  能量转换效率高:工作效率高达百分之90。


  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。


  工作温度范围宽:对环境温度没有严格要求。


  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。


  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。


  飞轮电池的缺点点,主要有两个方面:


  1.飞轮一般都采用碳纤维制成,制造飞轮的碳纤维材料目前还很贵,成本比较高。


  2.飞轮一旦充电,就会不停转动下去。当我不用电时,飞轮还在那里转动,浪费了能量。


  飞轮电池是20世纪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,主要表如下几个方面:


  (1)能量密度高:储能密度可达100~200wh/kg,功率密度可达5000~l0000w/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。(1)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,容易解体,所以飞轮一般都采用碳纤维制成,制造飞轮的碳纤维材料目前还很贵,成本比较高。


  (2)飞轮一旦充电,就会不停转动下去。当我不用电时,飞轮还在那里转动,浪费了能量。例如给一辆飞轮电池汽车充电后,该汽车可以行驶三小时,汽车走了两个小时后,车主需要就餐半小时,那么,这半小时,飞轮就在那里白白转动。不过,也有人说,飞轮空转时,由于没有负载,能量损失不会太大,比目前存放一段时间不用的蓄电池损失的能量还要小。如果静止不动,几乎没有能量损失。解决的办法:给飞轮电池配备化学充电电池,当不需要用电时,可把飞轮转动的电能充进化学电池中。但是给飞轮电池配备化学电池带来的问题是,增加了汽车或设备的重量。


  飞轮电池是20世纪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,使用的轴承为非接触式磁轴承。据称,飞轮电池比能量可达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电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,由静止到96km/h加速时间为6.5秒。


  使用化学电池的电动汽车目前已试验过几十年,但至今尚未进入实用阶段。太阳能、风能、潮夕能、海浪能,都存在储存问题,目前主要靠化学电池,但受到化学蓄电池寿命及效率的制约,至今尚不能广泛应用。以上诸多问题,促使人们寻求一种效率高、寿命长、储能多、使用方便,而且无污染的绿色储能装置。出乎意料,古老的“飞轮”变成了首选对象。[1]


  “飞轮”这一储能元件,已被人们利用了数千年,从古老的纺车,到工业革命时的蒸汽机,以往主要是利用它的惯性来均衡转速和闯过“死点”,由于它们的工作周期都很短,每旋转一周时间不足一秒钟,在这样短的时间内,飞轮的能耗是可以忽略的。现在想利用飞轮来均衡周期长达12~24小时的能量,飞轮本身的能耗就变得非常突出了。能耗主要来自轴承摩擦和空气阻力。人们曾通过改变轴承结构,如变滑动轴承为滚动轴承、液体动压轴承、气体动压轴承等来减小轴承摩擦力,通过抽真空的办法来减小空气阻力,轴承摩擦系数已小到10-3。即使如此微小,飞轮所储的能量在一天之内仍有25%被损失,仍不能满足高效储能的要求。再一个问题是常规的飞轮是由钢(或铸铁)制成的,储能有限。例如,欲使一个发电力为100万千瓦的电厂均衡发电,储能轮需用钢材150万吨!另外要完成电能机械能的转换,还需要一套复杂的电力电子装置,因而飞轮储能方法一直未能得到广泛的应用。


  图1飞轮储能装置结构图


  图1飞轮储能装置结构图


  近年来,飞轮储能技术取得突破性进展是基于下述三项技术的飞速发展:一是高能永磁及高温超导技术的出现;二是高强纤维复合材料的问世;三是电力电子技术的飞速发展。为进一步减少轴承损耗,人们曾梦想去掉轴承,用磁铁将转子悬浮起来,但试验结果是一次次失败。后来被一位英国学者从理论上阐明物体不可能被永磁全悬浮(Earnshaw定理),颇使试验者心灰意冷。出乎意料的是物体全悬浮之梦却在超导技术中得以实现,真像是大自然对探索者的慰藉。


  超导磁悬浮原理是这样的:当我们将一块永磁体的一个极对准超导体,并接近超导体时,超导体上便产生了感应电流。该电流产生的磁场刚好与永磁的磁场相反,于是二者便产生了斥力。由于超导体的电阻为零,感生电流强度将维持不变。若永磁体沿垂直方向接近超导体,永磁体将悬空停在自身重量等于斥力的位置上,而且对上下左右的干扰都产生抗力,干扰力消除后仍能回到原来位置,从而形成稳定的磁悬浮。若将下面的超导体换成永磁体,则两永磁体之间在水平方向也产生斥力,故永磁悬浮是不稳定的。


  利用超导这一特性,我们可以把具有一定质量的飞轮放在永磁体上边,飞轮兼作电机转子。当给电机充电时,飞轮增速储能,变电能为机械能;飞轮降速时放能,变机械能为电能。图1是储能飞轮装置的示意图,图中超导体是由钡钇铜合金制成,并用液氮冷却至77K,飞轮腔抽至10-8托的真空度(托为真空度单位,1Torr(托)=133.332Pa),这种飞轮能耗极小,每天仅耗掉储能的2%。


  飞轮储能大小除与飞轮的质量(重量)有关外,还与飞轮上各点的速度有关,而且是平方的关系。因此提高飞轮的速度(转速)比增加质量更有效。但飞轮的转速受飞轮本身材料限制。转速过高,飞轮可能被强大的离心力撕裂。故采用高强度、低密度的高强复合纤维飞轮,能储存更多的能量。目前选用的碳纤维复合材料,其轮缘线速度可达1000米/秒,比子弹速度还要高。正是由于高强复合材料的问世,飞轮储能才进入实用阶段。


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