飞轮储能：应用于电动汽车领域的高效能量利用方法

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：飞轮也许是最古老和最流行的储能方法。飞轮储能的工作原理比较简单，主要是通过电动机带动圆盘进行旋转，将电动机的电能转换为圆盘的旋转动能，并将能量储存于高速旋转的飞轮中。典型的飞轮储能系统如图6-4所示。图6-4 飞轮储能系统结构示意图设计一个足够好的轴承对飞轮储能系统的设计至关重要。飞轮储能系统经常被用于电动汽车领域，主要应用于起停和加速频繁的公共交通，利用其回收制动能量，从而大大降低能量消耗。

飞轮也许是最古老和最流行的储能方法。最早应用于风车上，而后又在蒸汽机上得以应用。如今，在汽车发动机上也都运用了飞轮，主要是通过储存能量来改变转矩水平。对于蓄电用的飞轮，其结构与其他用途的飞轮是明显不同的。将飞轮用于储能时，设计者主要追求的是效率、容量、储存时间、动态性能以及能量密度的最大化。

飞轮储能的工作原理比较简单，主要是通过电动机带动圆盘进行旋转，将电动机的电能转换为圆盘的旋转动能，并将能量储存于高速旋转的飞轮中。当需要释放此能量时，就由高速旋转的飞轮驱动发电机将动能转化为电能。在储能模式下，飞轮在蓄能器中旋转。理论上，一个旋转质块的最大能量为

式中，J为飞轮的转动惯量；ω为飞轮的旋转角速度。

为了提高储能容量，提高旋转速度比增加飞轮的质量更为有效。因为储存能量与前者的平方成正比关系。典型的飞轮储能系统如图6-4所示。它由飞轮、电动/发电机、电力电子变换器、轴承以及保护外套等五部分构成。其中，电力电子变换器为双向功率流变换器，既可带动电机做电动运行，又可由电机旋转发电，将发出的交流电转换为直流输出。

飞轮本身使用的材料现大多采用铝和钛合金材料，以承受高速旋转时所带来的负载。而最新的研究表明，新型的复合材料（如玻璃纤维增强聚合物、碳纤维增强聚合物等）具有高的功率密度和承受应力，可以使飞轮的速度达到100000r/min，飞轮储能系统的效率主要取决于以下因素：运动阻力、电动机及电力电子变换器的效率。运动阻力主要由轴承阻力和空气阻力形成，它会使得飞轮在充能过程中减速并限制了飞轮的最大转速。采用内部低压的密封罩可以减少空气阻力，另外，可采取磁悬浮轴承技术以避免轴承阻力。

图6-4 飞轮储能系统结构示意图

设计一个足够好的轴承对飞轮储能系统的设计至关重要。它必须能在一个确定的位置上支撑飞轮并使其运动阻力最小，这在每分钟数万转的高速下并不是一件容易的事。传统的滚珠轴承显然已不能使用。现在大多采用的是先进的磁轴承技术，即利用电磁力使轴承得以支撑并旋转。飞轮储能系统具有结构简单、使用寿命长、无磨损、维护要求低、能量密度高等诸多优点，并且具备优越的动态性能，可以在数秒内释放出巨大的能量。尽管飞轮储能系统不能够储存能量太久，但它可以作为短时储能系统和长期储能系统间的一个很好的补充。

飞轮储能系统经常被用于电动汽车领域，主要应用于起停和加速频繁的公共交通，利用其回收制动能量，从而大大降低能量消耗。而另一个应用领域为电力系统，将其应用于电力系统的目的主要是调节变化极快的电力系统的中期过程，如频率的快速调节，即当电力消耗量高于生产量时，频率就下降；而当电力生产量超过消耗量时，频率就增加。频率变化可以在很短的时间内发生，甚至在几分钟内发生，因此调节起来比较困难。现在，大多采用抽水蓄能电站进行调节。然而，随着电力电子技术的发展，飞轮储能由于良好的动态特性而具有更好的调节性能。美国Beacon Power公司率先开发了应用于电力系统的模块化飞轮储能。并且为了提高系统的功率或者容量，很多模块被组合构成一个所谓的智能储能阵列。另外，该公司还准备建造一个20MW的智能储能阵列，其容量达5MW·h，到达全功率的起动时间仅为4s。

近年来，飞轮储能技术发展迅猛，其良好的动态性能、相对较小的尺寸以及较低的运行成本将使飞轮储能成为交通运输和电力工业领域的理想装置。在电力工业中，由于飞轮的时间常数与风力和太阳光照强度变化的时间常数相当，因此，飞轮储能可被应用于对可再生能源发电功率的短期变化进行补偿调节，以应对风电和太阳能发电的短期变化。

飞轮储能：应用于电动汽车领域的高效能量利用方法

相关推荐