飛輪電池�20世紀(jì)90年代才提出的新概念電�,它突破了化�(xué)電池 的局限,用物理方法實(shí)�(xiàn)�(chǔ)�。眾所周知,當(dāng)飛輪以一定角速度 旋轉(zhuǎn)�(shí),它就具有一定的�(dòng)�。飛輪電池正是以其動(dòng)能轉(zhuǎn)換成� 能的。高技�(shù)型的飛輪用于�(chǔ)存電�,就很像�(biāo)�(zhǔn)電池�
飛輪電池中有一�(gè)電機(jī),充電時(shí)該電�(jī)以電�(dòng)�(jī)形式�(yùn)�(zhuǎn),在外電源的�(qū)�(dòng)�,電�(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋�(zhuǎn),即用電給飛輪電�"充電"增加了飛輪的�(zhuǎn)�?gòu)亩龃笃涔�?;放電時(shí),電�(jī)則以�(fā)電機(jī)狀�(tài)�(yùn)�(zhuǎn),在飛輪的帶�(dòng)下對(duì)外輸出電能,完成�(jī)械能(動(dòng)能)到電能的�(zhuǎn)�。當(dāng)飛輪電池�(fā)出電的時(shí),飛輪轉(zhuǎn)速逐漸下降,飛輪電池的飛輪是在真空�(huán)境下�(yùn)�(zhuǎn)�,轉(zhuǎn)速極高(高達(dá)200000r/min,使用的軸承為非接觸式磁軸承。據(jù)�,飛輪電池比能量可達(dá)150W·h/kg,比功率�(dá)5000-10000W/kg,使用壽命長(zhǎng)�(dá)25�,可供電�(dòng)汽車行駛500�(wàn)公里。美�(guó)飛輪系統(tǒng)公司已用研制的飛輪電池成功地把一輛克萊斯勒LHS轎車改成電動(dòng)轎車,一次充電可行駛600km,由靜止�96km/h加速時(shí)間為6.5��
何謂飛輪�(chǔ)能電�
飛輪�(chǔ)能電池系�(tǒng)包括三�(gè)核心部分:一�(gè)飛輪,電�(dòng)�(jī)—發(fā)電機(jī)和電力電子變換裝��
電力電子變換裝置從外部輸入電能驅(qū)�(dòng)電動(dòng)�(jī)旋轉(zhuǎn),電�(dòng)�(jī)帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn),飛輪儲(chǔ)存動(dòng)能(�(jī)械能�,當(dāng)外部�(fù)載需要能量時(shí),用飛輪帶動(dòng)�(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn),將�(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能,再通過(guò)電力電子變換裝置變成�(fù)載所需要的各種頻率、電壓等�(jí)的電�,以滿足不同的需求。由于輸�、輸出是彼此�(dú)立的,設(shè)�(jì)�(shí)常將電動(dòng)�(jī)和發(fā)電機(jī)用一�(tái)電機(jī)�(lái)�(shí)�(xiàn),輸入輸出變換器也合并成一�(gè),這樣就可以大大減少系�(tǒng)的大小和重量。同�(shí)由于在實(shí)際工作中,飛輪的�(zhuǎn)速可�(dá)40000�50000r/min,一般金屬制成的飛輪�(wú)法承受這樣高的�(zhuǎn)速,所以飛輪一般都采用碳纖維制�,既輕又�(qiáng),�(jìn)一步減少了整�(gè)系統(tǒng)的重�,同�(shí),為了減少充放電�(guò)程中的能量損耗(主要是摩擦力損耗),電�(jī)和飛輪都使用磁軸�,使其懸�,以減少�(jī)械摩�;同�(shí)將飛輪和電機(jī)放置在真空容器中,以減少空氣摩擦。這樣飛輪電池的凈效率(輸入輸出)�(dá)95%左右�
�(shí)際使用的飛輪裝置�,主要包括以下部件:飛輪、軸、軸承、電�(jī)、真空容器和電力電子變換�。飛輪是整�(gè)電池裝置的核心部�,它直接決定了整�(gè)裝置的儲(chǔ)能多少,它儲(chǔ)存的能量由公式E=1/2jω^2決定。式中j為飛輪的�(zhuǎn)�(dòng)慣量,與飛輪的形狀和重量有�(guān);ω為飛輪的旋�(zhuǎn)角速度�
電力電子變換器通常是由MOSFET和IGBT組成的雙向逆變�,它們的原理不再敘述,它們決定了飛輪裝置能量輸入輸出量的大小�
�(yōu)�(diǎn)
飛輪電池兼顧了化�(xué)電池、燃料電池和超導(dǎo)電池等儲(chǔ)能裝置的諸多�(yōu)�(diǎn),主要表如下幾�(gè)方面�
(1)能量密度高:�(chǔ)能密度可�(dá)100�200wh/kg,功率密度可�(dá)5000~l0000w/kg�
(2)能量�(zhuǎn)換效率高:工作效率高�(dá)百分�90�
(3)體積小、重量輕:飛輪直徑約二十多厘�,總重在十幾千克左右�
(4)工作溫度范圍寬:�(duì)�(huán)境溫度沒有嚴(yán)格要��
(5)使用壽命�(zhǎng):不受重�(fù)深度放電影響,能夠循�(huán)幾百�(wàn)次運(yùn)�,預(yù)期壽�20年以上�
(6)低損�、低維護(hù):磁懸浮軸承和真空環(huán)境使�(jī)械損耗可以被忽略,系�(tǒng)維護(hù)周期�(zhǎng)�
缺點(diǎn)
�1)由于在實(shí)際工作中,飛輪的�(zhuǎn)速可�(dá)40000�50000r/min,一般金屬制成的飛輪�(wú)法承受這樣高的�(zhuǎn)速,容易解體,所以飛輪一般都采用碳纖維制�,制造飛輪的碳纖維材料目前還很貴,成本比較高�
?�?)飛輪一旦充�,就�(huì)不停�(zhuǎn)�(dòng)下去。當(dāng)我不用電�(shí),飛輪還在那里轉(zhuǎn)�(dòng),浪�(fèi)了能�。例如給一輛飛輪電池汽車充電后,該汽車可以行駛?cè)r(shí),汽車走了兩�(gè)小時(shí)�,車主需要就餐半小時(shí),那�,這半小時(shí),飛輪就在那里白白轉(zhuǎn)�(dòng)。不�(guò),也有人�(shuō),飛輪空�(zhuǎn)�(shí),由于沒有負(fù)載,能量損失不會(huì)太大,比目前存放一段時(shí)間不用的蓄電�?fù)p失的能量還要�。如果靜止不�(dòng),幾乎沒有能量損失。解決的辦法:給飛輪電池配備化學(xué)充電電池,當(dāng)不需要用電時(shí),可把飛輪轉(zhuǎn)�(dòng)的電能充�(jìn)化學(xué)電池中。但是給飛輪電池配備化學(xué)電池帶來(lái)的問(wèn)題是,增加了汽車或設(shè)備的重量�
由于技�(shù)和材料價(jià)格的限制,飛輪電池的�(jià)格相�(duì)較高,在小型�(chǎng)合還�(wú)法體�(xiàn)其優(yōu)�(shì)。但在下列一些需大型�(chǔ)能裝置的�(chǎng)�,使用化�(xué)電池的價(jià)格也非常昂貴,飛輪電池已得到逐步�(yīng)��
太空
包括人造衛(wèi)�、飛�、空間站,飛輪電池一次充電可以提供同重量化學(xué)電池兩倍的功率,同�(fù)載的使用�(shí)間為化學(xué)電池�3�10�。同�(shí),因?yàn)樗霓D(zhuǎn)速是可測(cè)可控�,故可以隨時(shí)查看電能的多�。美�(guó)太空總署已在空間站安裝了48�(gè)飛輪電池,聯(lián)合在一起可提供超過(guò)150KW的電�。據(jù)估計(jì)相比化學(xué)電池,可節(jié)�200�(wàn)美元左右�
交通運(yùn)�
包括火車和汽�,這種車輛采用�(nèi)燃機(jī)和電�(jī)混合推動(dòng),飛輪電池充電快,放電完�,非常適合應(yīng)用于混合能量推動(dòng)的車輛中。車輛在正常行使�(shí)和剎車制�(dòng)�(shí),給飛輪電池充電,飛輪電池則在加速或爬坡�(shí),給車輛提供�(dòng)�,保證車輛運(yùn)行在一種平�(wěn)、的狀�(tài)下的�(zhuǎn)�,可減少燃料消耗,空氣和噪聲污�,發(fā)�(dòng)�(jī)的維�(hù),延�(zhǎng)�(fā)�(dòng)�(jī)的壽命。美�(guó)TEXAS大學(xué)已研制出一汽車用飛輪電�,電池在車輛需要時(shí),可提供150KW·h的能�,能加速滿載車輛到100Km/h。在火車方面,德�(guó)西門子公司已研制出長(zhǎng)1.5m,寬0.75m的飛輪電池,可提�3MW的功�,同�(shí),可�(chǔ)�30%的剎車能�
不間斷電�
飛輪電池可提供高可靠的穩(wěn)定電源,可提供幾秒到幾分鐘的電能,這段�(shí)間足已保證工廠�(jìn)行電源切換。德�(guó)GmbH公司制造了一種使用飛輪電池的UPS,在5s�(nèi)可提供或吸收5MW的電��
軍用車輛
美國(guó)�(guó)防部�(yù)�(cè)未來(lái)的戰(zhàn)斗車輛在通信、武器和防護(hù)系統(tǒng)等方面都廣泛需要電�,飛輪電池由于其快速的充放�,獨(dú)立而穩(wěn)定的能量輸出,重量輕,能使車輛工作處于狀�(tài),減少車輛的噪聲(戰(zhàn)斗中非常重要�,提高車輛的加速性能等優(yōu)�(diǎn),已成為美國(guó)軍方首要考慮的儲(chǔ)能裝��
維庫(kù)電子�,電子知�(shí),一查百��
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