鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:3187次 | 2018年06月24日
磁懸浮飛輪電池的基本概念、發(fā)展?fàn)顩r和結(jié)構(gòu)原理
隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),全世界人們都在尋找一種無污染或污染小的能量供給方式。飛輪技術(shù)由于是電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化,不會(huì)造成污染,飛輪儲(chǔ)能電池的概念起源于上世紀(jì)70年代早期,最初只是想將其應(yīng)用在電動(dòng)汽車上,但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平,并沒有得到發(fā)展。直到上世紀(jì)90年代由于電路拓?fù)渌枷氲陌l(fā)展,碳纖維材料的廣泛應(yīng)用,以及全世界范圍對(duì)污染的重視,這種新型電池又得到了高速發(fā)展,在飛輪儲(chǔ)能裝置中,決定輸入輸出能量的是外接的電力電子裝置,而與外部的負(fù)載沒有關(guān)系,還可以很方便地通過控制飛輪的旋轉(zhuǎn)速度來控制飛輪的充電,這種特點(diǎn)在化學(xué)電池中實(shí)現(xiàn)起來要困難得多。并且伴隨著磁軸承技術(shù)的發(fā)展,這種電池顯示出更加廣闊的應(yīng)用前景,現(xiàn)正迅速地從實(shí)驗(yàn)室走向社會(huì)。飛輪技術(shù)的發(fā)展速度很快,再加上飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電速度可以非???,飛輪儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)能密度越來越大,效率和壽命也在不斷提高。在放電的時(shí)候,是機(jī)械能和電能的相互轉(zhuǎn)化,所以飛輪的壽命和放電的深度沒有關(guān)系,這樣飛輪可以應(yīng)用的放電深度范圍非常寬,特別適用于放電深度不規(guī)則的場(chǎng)合,由于飛輪的快速充放電和獨(dú)立而且穩(wěn)定的能量輸出,當(dāng)設(shè)備需要能量突然增加或者在能量轉(zhuǎn)換時(shí)需要平穩(wěn)過渡的時(shí)候,經(jīng)??紤]到使用飛輪技術(shù),雖然我國在這方面的研究才剛剛起步,但是歐美國家已出現(xiàn)實(shí)用化產(chǎn)品。并且飛輪電池的發(fā)展相當(dāng)迅速,并已經(jīng)出現(xiàn)了利用超導(dǎo)磁懸浮的高新技術(shù)讓飛輪和包裹容納它的真空容器沒有物理接觸減小摩擦損耗,這樣飛輪就能轉(zhuǎn)的非???,而且損耗極小,存幾年轉(zhuǎn)速也不會(huì)降低很多,這就是磁懸浮飛輪電池。
發(fā)展?fàn)顩r
縱觀歐美國家的現(xiàn)狀,在汽車行業(yè)中,美國飛輪系統(tǒng)公司(AFS)就生產(chǎn)出了以克萊斯勒LHS轎車為原形的飛輪電池轎車AFS20;在火車方面,德國西門子公司已研制出長(zhǎng)1.5m,寬0.75m的飛輪電池,可提供3MW的功率,同時(shí),可儲(chǔ)存30%的剎車能;在特種設(shè)備上,美國已經(jīng)開始嘗試使用飛輪裝置,尤其是大型混能牽引機(jī)車上,美國特種部預(yù)測(cè)未來的戰(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能,飛輪電池由于其快速的充放電,獨(dú)立而穩(wěn)定的能量輸出,重量輕,能使車輛工作處于最優(yōu)狀態(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)點(diǎn),已成為美國軍方首要考慮的儲(chǔ)能裝置;在太空方面,由于飛輪儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)能密度很大,并且隨著材料學(xué)和磁懸浮軸承技術(shù)的不斷發(fā)展,在衛(wèi)星上使用的飛輪儲(chǔ)能裝置甚至小到可以裝進(jìn)衛(wèi)星壁中,而且飛輪儲(chǔ)能裝置運(yùn)行的時(shí)候損耗很小,基本上不用維護(hù),這就使得飛輪技術(shù)不斷應(yīng)用于衛(wèi)星裝置和太空空間站的太陽能儲(chǔ)能電池中作為它們的能量供應(yīng)中心來使用,同時(shí)飛輪還可以用于衛(wèi)星的姿態(tài)控制中。
結(jié)構(gòu)原理
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
磁懸浮飛輪電池的主體是個(gè)真空容器里的不停旋轉(zhuǎn)的飛輪和與飛輪連接在一起的兩個(gè)電機(jī)(一個(gè)發(fā)電機(jī)和一個(gè)電動(dòng)機(jī))。飛輪里有磁鋼片,外面裹著碳纖維材料防止飛輪解體。起初的飛輪電池的飛輪是通過轉(zhuǎn)軸依靠軸承連接在容器里,轉(zhuǎn)速不能很高,損耗也大。我們要研究的是利用新技術(shù)即超導(dǎo)磁懸浮,將普通軸承改為非接觸式磁軸承,其目的在于讓飛輪和容器沒有物理接觸,這樣飛輪就能轉(zhuǎn)的非??欤覔p耗極小,即使存放幾年轉(zhuǎn)速也不會(huì)降低很多。飛輪存儲(chǔ)的能量用這個(gè)公式E=1/2jω2(2是平方)計(jì)算。j是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,ω是角速度。j=k*M*R2(2是平方)k是慣性常數(shù)。飛輪是個(gè)圈是1,圓柱是1/2,M是質(zhì)量,R是半徑。飛輪一般都能做到四五萬轉(zhuǎn),儲(chǔ)存的能量極其大。真空容器內(nèi)有電動(dòng)機(jī),充電時(shí)電動(dòng)機(jī)線圈通電,電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)速提高,從而飛輪存儲(chǔ)一定的能量,轉(zhuǎn)速越高、飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大,所存儲(chǔ)能量越大。放電時(shí)利用真空容器里的發(fā)電機(jī),飛輪的高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使得磁力線切割線圈產(chǎn)生電流,電流通過真空容器外部的電子電力裝置變壓。這樣飛輪電池的性能就非常好,只要電子電力裝置撐得住,充放電速度要多快有多快。
美國飛輪系統(tǒng)公司已用最新研制的飛輪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,由到96km/h加速時(shí)間為6.5秒降到3秒左右。