機(jī)械儲(chǔ)能-飛輪儲(chǔ)能

機(jī)械儲(chǔ)能飛輪儲(chǔ)能在汽車上的應(yīng)用

SZ1302049

徐亮2021/10/10星期日1參考文獻(xiàn)張邦力，飛輪儲(chǔ)能裝置在機(jī)車車輛上的應(yīng)用研究[D]，西南交通大學(xué)，2011文少波，蔣書(shū)運(yùn)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在汽車中的應(yīng)用研究[J]，機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010,12（12），82—84Chenjunling,JiangXinjian,ZhuDongqi.etc,ANovelUninterruptiblePowerSupplyusingFlywheelEnergyStorageUnit.ElectronicsandMotionControlConference,2004.IPEMC2004.The4thInternationalVolume3:1180—1184StuderPA，RodriguezE.Highspeedreactionwheelsforsatelliteattitudeandenergystorage.20thIntersocietyEnergyConversionEngineeringConference（IECEC)[C].InternationalSocietyofAutomotiveEngineers，1985:2349—2352湯雙清，廖道訓(xùn)，吳正佳，電動(dòng)汽車的核心技術(shù)及發(fā)展展望[J]，機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2003（3）:189—192DirkLenhard等(德)，618/619型內(nèi)燃動(dòng)車組的電氣裝置[J]，國(guó)外內(nèi)燃機(jī)車2002年第3期Yong,英利暗渡飛輪儲(chǔ)能，21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道

（中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)）蔣書(shū)運(yùn)，衛(wèi)海崗.飛輪儲(chǔ)能技術(shù)研究的發(fā)展現(xiàn)狀[J]，太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2000，21（4）:427—4332021/10/10星期日2飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用背景隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,世界能源日趨緊張，節(jié)能環(huán)保已經(jīng)引起各個(gè)國(guó)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(chǔ)存一般采用蓄電池，直到最近幾十年,隨著新型材料技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展,飛輪儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)了重大突破。由于其具有儲(chǔ)能大、比功率高、壽命長(zhǎng)、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn),目前已經(jīng)在航空航天、不間斷供電電源、電動(dòng)汽車等諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。2021/10/10星期日3飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用背景2021/10/10星期日4飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用背景2021/10/10星期日5飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用背景市區(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(dòng)和制動(dòng)，有著很大潛力的車輛制動(dòng)能量至今還沒(méi)有被很好地開(kāi)發(fā)與利用。因此有必要開(kāi)展儲(chǔ)能裝置在機(jī)車車輛上的應(yīng)用研究，為車輛節(jié)能技術(shù)的多樣化探索一條新路。而飛輪儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能源轉(zhuǎn)化效率高，是車輛節(jié)能和發(fā)展電動(dòng)汽車的理想選擇。2021/10/10星期日6飛輪儲(chǔ)能原理2021/10/10星期日7飛輪儲(chǔ)能原理飛輪儲(chǔ)能的工作原理即在電力富裕條件下，由電能驅(qū)動(dòng)飛輪到高速旋轉(zhuǎn),電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能儲(chǔ)存；當(dāng)系統(tǒng)需要時(shí)，飛輪減速,電動(dòng)機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行,將飛輪動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能,供用戶使用。飛輪儲(chǔ)能通過(guò)轉(zhuǎn)子的加速和減速，實(shí)現(xiàn)電能的存入和釋放。2021/10/10星期日8飛輪儲(chǔ)能國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況早在一百多年前就有人提出采用飛輪儲(chǔ)能的思想，由于當(dāng)時(shí)飛輪材料(通常為鋼材或其他金屬)以及軸承技術(shù)的制約,飛輪只能處于相對(duì)較低的速度,致使系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)高效、大容量、長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能，這樣飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都沒(méi)有突破。直到20世紀(jì)60一70年代，美國(guó)宇航局研究中心成功的地將飛輪作為蓄能電池應(yīng)用到衛(wèi)星上，標(biāo)志著飛輪儲(chǔ)能電池可以取代化學(xué)電池。2021/10/10星期日9飛輪儲(chǔ)能國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況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(yùn)行以降低風(fēng)損。該車可載乘客70名，行程大約0.8km，在每一?？空就＼嚂r(shí)，飛輪需要充電2min。2021/10/10星期日10飛輪儲(chǔ)能國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況1992年美國(guó)飛輪系統(tǒng)公司（AFS）開(kāi)發(fā)了一種用于汽車上的機(jī)-電電池（EMB），每個(gè)“電池”長(zhǎng)18厘米，直徑23厘米，質(zhì)量為23千克。電池的核心是一個(gè)以20萬(wàn)轉(zhuǎn)／分旋轉(zhuǎn)的碳纖飛輪，每個(gè)電池儲(chǔ)能為1千瓦小時(shí)，它們將12個(gè)“電池”放在IMPACT轎車上，能使該車以100千米／小時(shí)的速度行駛480千米。機(jī)-電電池共重273千克，若采用鉛酸電池，則共重396千克。機(jī)-電電池所儲(chǔ)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(dòng)機(jī)的10倍，它可將該車在8秒鐘內(nèi)由靜止加速至100千米／小時(shí)。2021/10/10星期日11飛輪儲(chǔ)能國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況Impact轎車2021/10/10星期日12飛輪儲(chǔ)能國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況美國(guó)羅森汽車公司（Rosenmotor）1993年開(kāi)始研究混合動(dòng)力汽車，采用功率僅為30KW的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)共同驅(qū)動(dòng)汽車。飛輪可以儲(chǔ)存1kWh的能量，并于1997年進(jìn)行了道路試驗(yàn)，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(zhǎng)期擱置不用，飛輪也可以在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，2分鐘內(nèi)恢復(fù)其工作轉(zhuǎn)速。2021/10/10星期日13飛輪儲(chǔ)能國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況

1994年，美國(guó)阿貢（ANL）國(guó)家實(shí)驗(yàn)室用碳纖維試制一個(gè)儲(chǔ)能飛輪：直徑38厘米，質(zhì)量為11千克，采用超導(dǎo)磁懸浮，飛輪線速度達(dá)1000米／秒。它儲(chǔ)的能量可將10個(gè)100瓦燈泡點(diǎn)燃2～5小時(shí)。該實(shí)驗(yàn)室目前正在開(kāi)發(fā)儲(chǔ)能為50千瓦小時(shí)的儲(chǔ)能輪，最終目標(biāo)是使其儲(chǔ)能達(dá)5000千瓦小時(shí)的儲(chǔ)能飛輪。一個(gè)發(fā)電功率為100萬(wàn)千瓦的電廠，約需這樣的儲(chǔ)能輪200個(gè)。2021/10/10星期日14飛輪儲(chǔ)能國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況英國(guó)FlybirdSystems主要致力于將飛輪應(yīng)用于輔助汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用碳纖維復(fù)合材料飛輪，該系統(tǒng)重24kg，功率60kW，凈儲(chǔ)能量達(dá)400kJ，飛輪工作轉(zhuǎn)速35000rpm（極限轉(zhuǎn)速超過(guò)60000rpm），系統(tǒng)能將剎車制動(dòng)時(shí)70%的能量加以回收利用。2021/10/10星期日15飛輪儲(chǔ)能國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況2021/10/10星期日16飛輪儲(chǔ)能國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況2000年柏林交通技術(shù)創(chuàng)新展覽會(huì)上,首次展出一款新一代動(dòng)車組樣車一618/619型內(nèi)燃動(dòng)車,該車屬于輕型地區(qū)特快列車(LIREX)的電傳動(dòng)內(nèi)燃動(dòng)車組家族“在內(nèi)燃動(dòng)車上第一次應(yīng)用了制動(dòng)能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)(功率P=300kw，轉(zhuǎn)速=25000rpm;容量W=6kwh)，回收制動(dòng)能量并進(jìn)行儲(chǔ)存,需要能量時(shí)再輸出。其主要由電動(dòng)/發(fā)電機(jī)組，碳纖維飛輪，制動(dòng)電阻及與中間直流環(huán)節(jié)相連的功率電子裝置等部件組成。2021/10/10星期日17飛輪儲(chǔ)能國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況日木在飛輪儲(chǔ)能方面也取得了重大進(jìn)展，己研制出使用飛輪電池來(lái)回收制動(dòng)時(shí)車輛動(dòng)能的電動(dòng)汽車，飛輪最高轉(zhuǎn)速為36000rpm，試驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)能——電能轉(zhuǎn)化率達(dá)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(duì)采用高溫超導(dǎo)磁軸承的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行研究，已研制出3種試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋C(jī)，并進(jìn)行了容量為8MWh、功率為1000kw的飛輪儲(chǔ)能機(jī)組的概念設(shè)計(jì)。2021/10/10星期日18飛輪儲(chǔ)能國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況加拿大Flywheelenergysystems

Inc公司的復(fù)合材料飛輪設(shè)計(jì)制造技術(shù)成熟，己經(jīng)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(hào)飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到45000rpm，線速度996m/s，儲(chǔ)能密度97Wh/kg。

國(guó)外已商品化的150Wh的飛輪電池

2021/10/10星期日19飛輪儲(chǔ)能國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況2021/10/10星期日20飛輪儲(chǔ)能國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況2021/10/10星期日21飛輪儲(chǔ)能國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況大型汽車消耗的能源較多，浪費(fèi)的能量相對(duì)集中，易收集，利用機(jī)械式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存制動(dòng)能量效果比較明顯，其原理是：將飛輪通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(dòng)控制。當(dāng)汽車處于制動(dòng)階段，離合器在控制器的作用下閉合，汽車車軸帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，汽車動(dòng)能轉(zhuǎn)換成飛輪動(dòng)能，當(dāng)飛輪儲(chǔ)能達(dá)到峰值或車速過(guò)低，離合斷開(kāi)，飛輪儲(chǔ)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。2021/10/10星期日22飛輪儲(chǔ)能國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況作為高級(jí)轎車的雷克薩斯混合動(dòng)力車型“HS250h”，其燃油經(jīng)濟(jì)性非常的出色，能夠達(dá)到每升汽油行駛23KM，而一般中等排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車每升汽油行駛約12公里；大排量汽車約5公里。2021/10/10星期日23飛輪儲(chǔ)能國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況2021/10/10星期日24飛輪儲(chǔ)能國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況早在上世紀(jì)80年代初期，中國(guó)科學(xué)院電工研究所就開(kāi)始了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的探索，但之后國(guó)內(nèi)沒(méi)有開(kāi)展實(shí)質(zhì)性的研究工作。直到上世紀(jì)90年代中期，在國(guó)外技術(shù)進(jìn)步的影響下，國(guó)內(nèi)的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)才逐步興起。2021/10/10星期日25飛輪儲(chǔ)能國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況清華大學(xué)在1997年首次實(shí)現(xiàn)0.3千瓦時(shí)飛輪儲(chǔ)能樣機(jī)的充放電實(shí)驗(yàn)。采用復(fù)合材料的第一代飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，飛輪重8kg，直徑23cm，成功運(yùn)轉(zhuǎn)到48000rpm，實(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)到70000rpm，儲(chǔ)能500Wh。2021/10/10星期日26飛輪儲(chǔ)能國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況北京航空航天大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所等機(jī)構(gòu)還開(kāi)展了飛輪儲(chǔ)能電源的航天應(yīng)用研究。其中北航房建成教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)所完成的“衛(wèi)星新型姿控儲(chǔ)能兩用飛輪技術(shù)”項(xiàng)目，獲得了2007年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。2021/10/10星期日27飛輪儲(chǔ)能國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況根據(jù)英利首席執(zhí)行官苗連生透露的情況，當(dāng)前英利的飛輪儲(chǔ)能電機(jī)中飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)6萬(wàn)轉(zhuǎn)，將來(lái)會(huì)達(dá)到14萬(wàn)轉(zhuǎn)，目前已經(jīng)取得了成果，年底就可以推出第一批樣機(jī)。第一批飛輪儲(chǔ)能樣機(jī)功率將在20千瓦至60千瓦之間該公司選擇了日本的小儲(chǔ)能研發(fā)路線，所做的飛輪儲(chǔ)能設(shè)備科技含量，苗連生表示，已經(jīng)接近歐美，而且國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到了80%，所有生產(chǎn)設(shè)備沒(méi)有采用購(gòu)買進(jìn)口設(shè)備，全是定制性的設(shè)備。2021/10/10星期日28飛輪儲(chǔ)能國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況2021/10/10星期日29飛輪儲(chǔ)能國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況第十五屆北京科技博覽會(huì)上英利集團(tuán)展出的自主研發(fā)的1kwh磁懸浮儲(chǔ)能飛輪；2021/10/10星期日30飛輪儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)2021/10/10星期日31飛輪儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)飛輪電池兼顧了化學(xué)電池、燃料電池和超導(dǎo)電池等儲(chǔ)能裝置的諸多優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：(1)能量密度高：儲(chǔ)能密度可達(dá)100～200wh／kg，功率密度可達(dá)5000～10000w／kg。

(2)能量轉(zhuǎn)換效率高：工作效率高達(dá)百分之90。

(3)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。

(4)工作溫度范圍寬，對(duì)環(huán)境溫度沒(méi)有嚴(yán)格要求。

(5)使用壽命長(zhǎng)：不受重復(fù)深度放電影響，能夠循環(huán)幾百萬(wàn)次運(yùn)行，預(yù)期壽命20年以上。

(6)低損耗、低維護(hù)：磁懸浮軸承和真空環(huán)境使機(jī)械損耗可以被忽略，系統(tǒng)維護(hù)周期長(zhǎng)。2021/10/10星期日32飛輪儲(chǔ)能的應(yīng)用濟(jì)南文化藝術(shù)中心，第十屆中國(guó)藝術(shù)節(jié)配備了兩臺(tái)飛輪儲(chǔ)能發(fā)電車，合計(jì)容量達(dá)到了1750千伏安，確保不間斷供電2021/10/10星期日33飛輪儲(chǔ)能的發(fā)展趨勢(shì)作為一種新興的儲(chǔ)能方式，飛輪電池所擁有傳統(tǒng)化學(xué)電池?zé)o法比擬的優(yōu)點(diǎn)已被人們廣泛認(rèn)同，它非常符合未來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展方向。目前，飛輪電池除了上面介紹的應(yīng)用領(lǐng)域以