機械儲能—飛輪儲能

1、飛輪儲能在汽車上的應用 SZ1302049 徐亮張邦力，飛輪儲能裝置在機車車輛上的應用研究D，西南交通大學，2011文少波，蔣書運，飛輪儲能系統(tǒng)在汽車中的應用研究J，機械設計與制造，2010,12（12），8284Chen jun ling, Jiang Xin jian , Zhu Dong qi .etc, A Novel Uninterruptible Power Supply using Flywheel Energy Storage Unit . Electronics and Motion Control Conference, 2004. IPEMC 2004. The 4th

2、International Volume3: 11801184Studer PA，Rodriguez E. High speed reaction wheels for satellite attitude and energy storage.20th Inter society Energy Conversion Engineering Conference（IECEC)C. International Society of Automotive Engineers，1985:23492352湯雙清，廖道訓，吳正佳，電動汽車的核心技術及發(fā)展展望J，機械科學與技術，2003（3）:18919

3、2DirkLenhard等(德)，618/619型內燃動車組的電氣裝置J，國外內燃機車2002年第3期Yong , 英利暗渡飛輪儲能，21世紀經濟報道 http:/ （中國儲能網）蔣書運，衛(wèi)海崗.飛輪儲能技術研究的發(fā)展現(xiàn)狀J，太陽能學報，2000，21（4）: 427433隨著社會經濟的發(fā)展,世界能源日趨緊張，節(jié)能環(huán)保已經引起各個國家高度重視。能源的回收再利用是節(jié)能環(huán)保的主要手段。傳統(tǒng)的電能儲存一般采用蓄電池，直到最近幾十年,隨著新型材料技術和電力電子技術的發(fā)展,飛輪儲能技術實現(xiàn)了重大突破。由于其具有儲能大、比功率高、壽命長、無二次污染等優(yōu)點,目前已經在航空航天、不間斷供電電源、電動汽車等諸多

4、領域廣泛應用。市區(qū)行駛的公共汽車、地鐵車輛和輕軌車輛等，它們需要頻繁起動和制動，有著很大潛力的車輛制動能量至今還沒有被很好地開發(fā)與利用。因此有必要開展儲能裝置在機車車輛上的應用研究，為車輛節(jié)能技術的多樣化探索一條新路。而飛輪儲能結構簡單，能源轉化效率高，是車輛節(jié)能和發(fā)展電動汽車的理想選擇。飛輪儲能的工作原理即在電力富裕條件下，由電能驅動飛輪到高速旋轉, 電能轉變?yōu)闄C械能儲存；當系統(tǒng)需要時，飛輪減速, 電動機作發(fā)電機運行, 將飛輪動能轉換成電能, 供用戶使用。飛輪儲能通過轉子的加速和減速，實現(xiàn)電能的存入和釋放。早在一百多年前就有人提出采用飛輪儲能的思想，由于當時飛輪材料(通常為鋼材或其他金屬)以

5、及軸承技術的制約,飛輪只能處于相對較低的速度,致使系統(tǒng)難以實現(xiàn)高效、大容量、長時間的儲能，這樣飛輪儲能技術在很長時間內都沒有突破。直到20世紀60一70年代，美國宇航局研究中心成功的地將飛輪作為蓄能電池應用到衛(wèi)星上，標志著飛輪儲能電池可以取代化學電池。80 年代初，瑞士Oerlikon（歐瑞康）工程公司研制了第一輛完全由飛輪供能的公共汽車。飛輪直徑1.63m，重1.5t，在氫氣環(huán)境里以3000rpm 運行以降低風損。該車可載乘客70 名，行程大約0.8km，在每一?？空就＼嚂r，飛輪需要充電2min。1992年美國飛輪系統(tǒng)公司（AFS）開發(fā)了一種用于汽車上的機-電電池（EMB），每個“電池”長1

6、8厘米，直徑23厘米，質量為23千克。電池的核心是一個以20萬轉分旋轉的碳纖飛輪，每個電池儲能為1千瓦小時，它們將12個“電池”放在IMPACT轎車上，能使該車以100千米小時的速度行駛480千米。機-電電池共重273千克，若采用鉛酸電池，則共重396千克。機-電電池所儲的能量為鉛酸電池的2.5倍，使用壽命是鉛酸電池的8 倍，且它的“比功率”（即爆發(fā)力）極高，是鉛酸電池的25倍，是汽油發(fā)動機的10倍，它可將該車在8秒鐘內由靜止加速至100千米小時。Impact轎車美國羅森汽車公司（Rosen motor）1993 年開始研究混合動力汽車，采用功率僅為30KW 的渦輪發(fā)動機和飛輪儲能系統(tǒng)共同驅動

7、汽車。飛輪可以儲存1kWh 的能量，并于1997 年進行了道路試驗，將該系統(tǒng)裝在土星汽車上后，汽車從靜止加速到100km/h 只須6 秒，即使長期擱置不用，飛輪也可以在渦輪發(fā)動機的帶動下，2 分鐘內恢復其工作轉速。 1994年，美國阿貢（ANL）國家實驗室用碳纖維試制一個儲能飛輪：直徑38厘米，質量為 11千克，采用超導磁懸浮，飛輪線速度達1000米秒。它儲的能量可將10個100瓦燈泡點燃25小時。該實驗室目前正在開發(fā)儲能為50千瓦小時的儲能輪，最終目標是使其儲能達5000千瓦小時的儲能飛輪。一個發(fā)電功率為100萬千瓦的電廠，約需這樣的儲能輪200個。英國Flybird Systems主要致力

8、于將飛輪應用于輔助汽車驅動系統(tǒng)，采用碳纖維復合材料飛輪，該系統(tǒng)重24kg，功率60kW，凈儲能量達400kJ，飛輪工作轉速35000rpm（極限轉速超過60000rpm），系統(tǒng)能將剎車制動時70%的能量加以回收利用。2000年柏林交通技術創(chuàng)新展覽會上,首次展出一款新一代動車組樣車一618/619型內燃動車,該車屬于輕型地區(qū)特快列車(LIREX)的電傳動內燃動車組家族“在內燃動車上第一次應用了制動能量儲存系統(tǒng)(功率P=300kw，轉速=25000rpm;容量W=6kwh)，回收制動能量并進行儲存,需要能量時再輸出。其主要由電動/發(fā)電機組，碳纖維飛輪，制動電阻及與中間直流環(huán)節(jié)相連的功率電子裝置等部

9、件組成。日木在飛輪儲能方面也取得了重大進展，己研制出使用飛輪電池來回收制動時車輛動能的電動汽車，飛輪最高轉速為36000rpm，試驗過程中動能電能轉化率達到85%。由研究所、高校和日立、三菱、精工等公司組成的研究組對采用高溫超導磁軸承的飛輪儲能系統(tǒng)進行研究，已研制出3種試驗模型機，并進行了容量為8MWh、功率為1000kw的飛輪儲能機組的概念設計。加拿大Flywheel energy systems Inc公司的復合材料飛輪設計制造技術成熟，己經有系列成品出售如：45系列、39系列、25系列等，其中45系列4號飛輪轉速達到45000rpm，線速度996m/s，儲能密度97Wh/kg。 國外已商

10、品化的150Wh的飛輪電池 大型汽車消耗的能源較多，浪費的能量相對集中，易收集，利用機械式飛輪儲能系統(tǒng)儲存制動能量效果比較明顯，其原理是： 將飛輪通過傳動機構與汽車后橋相連接，中間接有離合器控制其斷連，離合器由電腦自動控制。當汽車處于制動階段，離合器在控制器的作用下閉合，汽車車軸帶動飛輪轉動，汽車動能轉換成飛輪動能，當飛輪儲能達到峰值或車速過低，離合斷開，飛輪儲能完畢。反之，飛輪釋放能量，為汽車提供起步加速扭矩，降低汽車起步油耗。作為高級轎車的雷克薩斯混合動力車型“HS250h”，其燃油經濟性非常的出色，能夠達到每升汽油行駛23KM，而一般中等排量汽油發(fā)動機汽車每升汽油行駛約12公里 ；大排量

11、汽車約 5公里。早在上世紀80年代初期，中國科學院電工研究所就開始了飛輪儲能系統(tǒng)的探索，但之后國內沒有開展實質性的研究工作。直到上世紀90年代中期，在國外技術進步的影響下，國內的飛輪儲能技術研發(fā)才逐步興起。清華大學在1997年首次實現(xiàn)0.3千瓦時飛輪儲能樣機的充放電實驗。采用復合材料的第一代飛輪儲能系統(tǒng)，飛輪重8kg，直徑23cm，成功運轉到48000rpm，實現(xiàn)了充放電功能。1999年研制出第二代飛輪，重15kg，直徑30cm，于2001年成功運轉到70000rpm，儲能500Wh。北京航空航天大學、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所等機構還開展了飛輪儲能電源的航天應用研究。其中北航房建

12、成教授帶領的團隊所完成的“衛(wèi)星新型姿控儲能兩用飛輪技術”項目，獲得了2007年度國家技術發(fā)明一等獎。根據(jù)英利首席執(zhí)行官苗連生透露的情況，當前英利的飛輪儲能電機中飛輪轉速達6萬轉，將來會達到14萬轉，目前已經取得了成果，年底就可以推出第一批樣機。第一批飛輪儲能樣機功率將在20千瓦至60千瓦之間該公司選擇了日本的小儲能研發(fā)路線，所做的飛輪儲能設備科技含量，苗連生表示，已經接近歐美，而且國產化率達到了80%，所有生產設備沒有采用購買進口設備，全是定制性的設備。第十五屆北京科技博覽會上英利集團展出的自主研發(fā)的1kwh磁懸浮儲能飛輪；飛輪電池兼顧了化學電池、燃料電池和超導電池等飛輪電池兼顧了化學電池、燃

13、料電池和超導電池等儲能裝置的諸多優(yōu)點，主要表現(xiàn)在如下幾個方面：儲能裝置的諸多優(yōu)點，主要表現(xiàn)在如下幾個方面： (1)能量密度高：儲能密度可達能量密度高：儲能密度可達100200 whkg，功率密度可達功率密度可達5 00010000 wkg。(2)能量轉換效率高：工作效率高達百分之能量轉換效率高：工作效率高達百分之90。(3)體積小、重量輕：飛輪直徑約二十多厘米，總重體積小、重量輕：飛輪直徑約二十多厘米，總重在十幾千克左右。在十幾千克左右。(4)工作溫度范圍寬，對環(huán)境溫度沒有嚴格要求。工作溫度范圍寬，對環(huán)境溫度沒有嚴格要求。(5)使用壽命長：不受重復深度放電影響，能夠循環(huán)使用壽命長：不受重復深度

14、放電影響，能夠循環(huán)幾百萬次運行，預期壽命幾百萬次運行，預期壽命20年以上。年以上。(6)低損耗、低維護：磁懸浮軸承和真空環(huán)境使機械低損耗、低維護：磁懸浮軸承和真空環(huán)境使機械損耗可以被忽略，系統(tǒng)維護周期長。損耗可以被忽略，系統(tǒng)維護周期長。濟南文化藝術中心，第十屆中國藝術節(jié)配備了兩臺飛輪儲能發(fā)電車，合計容量達到了1750千伏安，確保不間斷供電作為一種新興的儲能方式，飛輪電池所擁作為一種新興的儲能方式，飛輪電池所擁有傳統(tǒng)化學電池無法比擬的優(yōu)點已被人們有傳統(tǒng)化學電池無法比擬的優(yōu)點已被人們廣泛認同，它非常符合未來儲能技術的發(fā)廣泛認同，它非常符合未來儲能技術的發(fā)展方向。目前，飛輪電池除了上面介紹的展方向。目前，飛輪電池除了上面介紹的應用領域以外，也正在向小型化、低廉化應用領域以外，也正在向小型化、低廉化的方向發(fā)展?，F(xiàn)在，最可能出現(xiàn)的是手機的方向發(fā)展?，F(xiàn)在，最可能出現(xiàn)的是手機電池?？梢灶A見，伴隨著技術和材料學的電池?？梢灶A見，伴隨著技術和材料學的進步，飛輪電池將在未來的各行各業(yè)中發(fā)進步，飛輪電池將在未來的各行各業(yè)中發(fā)揮重要的作用。揮重要的作用。美國國防部預測未來的戰(zhàn)斗車輛在通信、美