【飛輪電池 手機】CN206181104U |飛輪電池優勢顯著 |飛輪電池 |
摘要：本文飛輪電池及其優勢進行介紹，並其核心技術和發展現狀進行闡述，同時其當前未得以使用原因進行整理與分析，為新能源汽車電池產業發展提供參考。
於蓄電池電流充放電能力、壽命及效率方面存在，尚有許多問題需要解決，這制約了電動汽車迅速發展。因此，行業研究高能量蓄電池同時，探索其他綠色儲能裝置。其中，飛輪電池發展，並各類汽車上得到了應用。
飛輪電池起源於上個世紀九十年代，和傳統化學能電池有所區別，飛輪電池採用物理方法儲存能量。它包括電動發電機、軸承、飛輪、真空容器、動力軸以及電力電子設備。電動機發電機通過飛輪軸承來進行連接，並通過同一台電動發電機來實現工作，通過電動機，外界輸送電能轉化飛輪動能而儲備起來，並通過發電機將飛輪動能轉化電能來實現外輸送能量目的。情況下，飛輪和電動機構件置於密封真空容器中來降低空氣阻力和能量消耗。
飛輪電池相比於化學電池而言，具備許多顯著優勢：一方面，飛輪電池瞬時功率且儲能密度;另一方面，飛輪電池存在過度充、放電，其實質是飛輪機械功電能進行轉換，因此，其能量轉換效率，儲能密度會受到影響;另外，和化學電池而言，飛輪電池充電時間;此外，飛輪電池使用壽命可達20年，化學電池。飛輪電池成為新能源汽車電池行業發展方向。表1儲能裝置相關性能。
飛輪電池研究跨越了材料、機械、力學、電機、電子多個學科，其關鍵技術主要包括飛輪結構製造工藝、軸承支撐技術、轉子動力學技術、電機及能量轉換技術以及真空密封技術五大板塊。表2飛輪電池關鍵技術。
飛輪電池技術過去的十幾年裏進步迅速。是飛輪本體，美國LLNL開發出的超高速飛輪轉速可達60000r/min，伊朗Shiraz大學研製帶式可變慣量飛輪應於電動汽車，該結構具有系統定性和儲能效率。而軸承而言，美國愛迪生電力公司阿貢(ANL)國家實驗室合作了超導磁力軸承(SMB)飛輪儲能試驗創造了世界紀錄，轉子質量0.32kg時，SMB摩擦係數只有30×10-7。電機方面，馬裏蘭學設計了磁芯纏繞、磁鐵材料和磁芯疊片，使得電機總效率達到了94%。另外，輸入/輸出電路方面，美國Beacon公司可以實現直流母線到三相變頻交流雙休能量轉換。而現階段，飛輪系統提供真空環境來降低風阻損失真空容器，基本能達到10-5Pa量級。
另外：我任何慣性力儲能小型化發展方向説法。思維可以理解空間上縮放，得加上“時間”這個空間維度想問題，切地説是轉週期要跟着尺寸縮放合理。系統規模做到高效率，反之，範圍內系統規模做到高效率。（高鐵加速到350後停止牽引動力能夠滑行幾十公里距離，但弓箭不行。）
並且現在飛輪電池發展迅速，並出現了利用超導磁懸浮技術讓飛輪和包裹容納它真空容器沒有物理接觸減小摩擦損耗，這樣飛輪能轉，而且損耗，存幾年轉速會降低很多，這磁懸浮飛輪電池。 飛輪電池飛輪是通過轉軸依靠軸承線容器裏，轉速不能，損耗。 現在我們要研究是利用技術即超導磁懸浮，將普通軸承改非接觸式磁軸承，其目的於讓飛輪和容器沒有物理接觸，這樣飛輪能轉，而且損耗，即使存放幾年轉速會降低很多。
隨著人們環保意識增強，全世界人們尋找一種無污染或污染能量供給方式。飛輪技術於是電能和機械能轉化，會造成污染，飛輪儲能電池概念起源於上世紀70年代早期，最初只是想其套用電動汽車上，但限於當時技術水平，並沒有得到發展。直到上世紀90年代於電路拓撲思想發展，碳纖維材料套用，以及全世界範圍污染重視，這種新型電池得到了發展，飛輪儲能裝置中，決定輸入輸出能量是外接電力電子裝置，而外部負載沒有關係，還可以很地通過控制飛輪的鏇轉速度來控制飛輪充電，這種特點化學電池中實現起來要困難得多。並且伴隨著磁軸承技術發展，這種電池顯示出套用前景，現迅速地實驗室走向社會。目前飛輪技術發展速度，加上飛輪儲能系統充電速度可以，飛輪儲能裝置儲能密度，效率和壽命提高。放電時候，是機械能和電能轉化，所以飛輪壽命和放電深度沒有關係，這樣飛輪可以套用放電深度範圍寬，適用於放電深度規則場合，於飛輪充放電和獨立而且能量輸出，當設備需要能量突然增加或者能量轉換時需要過渡時候，經常考慮到使用飛輪技術，雖然我國這方面研究，但是現在歐美國家出現實用化產品。並且現在飛輪電池發展迅速，並出現了利用超導磁懸浮技術讓飛輪和包裹容納它真空容器沒有物理接觸減小摩擦損耗，這樣飛輪能轉，而且損耗，存幾年轉速會降低很多，這磁懸浮飛輪電池。
縱觀歐美國家現狀，汽車行業中，美國飛輪系統公司（AFS）生產出了克萊斯勒LHS轎車原形飛輪電池轎車AFS20；火車方面，德國西門子公司研製出1.5m，0.75m飛輪電池，可提供3MW功率，同時，可儲存30%剎車能；軍用設備上，美國開始嘗試使用飛輪裝置，是大型混能牽引機車上，美國國防部預測未來戰鬥車輛通信、武器和防護系統方面需要電能，飛輪電池於其充放電，獨立而能量輸出，重量輕，能使車輛工作處於優狀態，減少車輛噪聲（戰鬥中），提高車輛加速性能優點，已成美國軍方首要考慮儲能裝置；太空方面，於飛輪儲能裝置儲能密度，並且隨著材料學和磁懸浮軸承技術發展，現在衞星上使用飛輪儲能裝置到可以裝進衞星壁中，而且飛輪儲能裝置運行時候損耗，基本上不用維護，這使得飛輪技術目前套用於衞星裝置和太空空間站太陽能儲能電池中作為它們能量供應中心來使用，同時飛輪可以於衞星姿態控制中。
磁懸浮飛輪電池主體是個真空容器裏鏇轉飛輪和飛輪線一起兩個電機（一個發電機和一個電動機）。飛輪裏有磁鋼片，外面裹著碳纖維材料防止飛輪解體。飛輪電池飛輪是通過轉軸依靠軸承線容器裏，轉速不能，損耗。現在我們要研究是利用技術即超導磁懸浮，將普通軸承改非接觸式磁軸承，其目的於讓飛輪和容器沒有物理接觸，這樣飛輪能轉，而且損耗，即使存放幾年轉速會降低很多。飛輪存儲能量這個公式E =1/2jω2（2是平方）計算。j是轉動慣量，ω是角速度。j = k*M*R2（2是平方）k是慣性常數。飛輪是個圈是1，圓柱是1/2，M是質量，R是半徑。現在飛輪能做到四五萬轉，儲存能量。真空容器內有電動機，充電時電動機線圈通電，電動機鏇轉帶動飛輪轉速提高，從而飛輪存儲能量，轉速、飛輪轉動慣量，所存儲能量。放電時利用真空容器裏發電機，飛輪鏇轉帶動發電機轉動使得磁力線切割線圈產生電流，電流通過真空容器外部電子電力裝置變壓。這樣飛輪電池性能，只要電子電力裝置撐得住，充放電速度要多有多。飛輪電池比能呈可達150W ·h/kg，功率達5000-10000W/kg，使用壽命長達25年，可供電動汽車行駛500萬公里。美國飛輪系統公司研製飛輪池地一輛克萊斯勒LHS轎車改成電動轎車，一次充電可行駛 600km，到96km/h加速時間6.5秒降到3秒左右。
飛輪電池是90年代提出新概念電池，它突破了化學電池 侷限，物理方法實現儲能。眾所周知，飛輪角速度 鏇轉時，它具有動能。飛輪電池以其動能轉換成電 能。高技術型飛輪於儲存電能，像標準電池。飛輪電 池中有一個電機，充電時該電機電動機形式運轉，在外電源 驅動下，電機帶動飛輪鏇轉，即電飛輪電池”充電”增 加了飛輪轉速從而增大其功能；放電時，電機發電機狀態 運轉，飛輪帶動下外輸出電能，完成機械能（動能）到電 能轉換。飛輪電池發出電時，飛輪轉速下降，飛輪電 池飛輪是真空環境下運轉，轉速（高達200000r/min， 使用軸承為非接觸式磁軸承。稱，飛輪電池比能呈可達150W ·h/kg，功率達5000-10000W/kg，使用壽命長達25年，可供電 動汽車行駛500萬公里。美國飛輪系統公司研製飛輪池 地一輛克萊斯勒LHS轎車改成電動轎車，一次充電可行駛 600km，到96km/h加速時間6.5秒。飛輪儲能電池概念起源於上世紀70年代早期，最初只是想其套用電動汽車上，但限於當時技術水平，並沒有得到發展。直到上世紀90年代於電路拓撲思想發展，碳纖維材料套用，以及全世界範圍污染重視，這種新型電池得到了發展，並且伴隨著磁軸承技術發展，這種電池顯示出套用前景，現迅速地實驗室走向社會。現在歐美國家出現實用化產品，而我國這方面研究。
飛輪儲能電池系統包括三個核心部分：一個飛輪，電動機—發電機和電力電子變換裝置。電力電子變換裝置外部輸入電能驅動電動機鏇轉，電動機帶動飛輪鏇轉，飛輪儲存動能（機械能），當外部負載需要能量時，飛輪帶動發電機鏇轉，動能轉化電能，通過電力電子變換裝置變成負載需要各種頻率、電壓級電能，滿足需求。於輸入、輸出是彼此獨立，設計電動機和發電機用一台電機來實現，輸入輸出變換器合併成一個，這樣可以大大減少系統大小和重量。同時於實際工作中，飛輪轉速可達40000～50000r/min，金屬製成飛輪無法承受這樣轉速，所以飛輪採用碳纖維製成，既，進一步減少了整個系統重量，同時，減少充放電過程中能量損耗（主要是摩擦力損耗），電機和飛輪使用磁軸承，使其懸浮，減少機械摩擦；同時飛輪和電機放置真空容器中，減少空氣摩擦。這樣飛輪電池淨效率（輸入輸出）達95%左右。實際使用飛輪裝置中，主要包括以下部件：飛輪、軸、軸承、電機、真空容器和電力電子變換器。飛輪是整個電池裝置核心部件，它直接決定了整個裝置儲能多少，它儲存能量公式E=jw^2決定。式中j飛輪轉動慣量，飛輪形狀和重量有關； 飛輪的鏇轉角速度。電力電子變換器是MOSFET 和IGBT組成雙向逆變器，它們原理敍述，它們決定了飛輪裝置能量輸入輸出量大小。
能量密度：儲能密度可達100～200wh/kg，功率密度可達5000～l0000w/kg。
體積小、重量輕：飛輪直徑二十多釐米，總重十幾千克左右。
使用壽命長：受重複深度放電影響，能夠循環幾百萬次運行，預期壽命20年以上。
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損耗、維護：磁懸浮軸承和真空環境使機械損耗可以，系統維護週期。
飛輪電池缺點點，主要有兩個方面：
1.飛輪採用碳纖維製成，製造飛輪碳纖維材料目前，成本。
2.飛輪充電，會轉動下去。我不用電時，飛輪還在那裏轉動，浪費了能量。
飛輪電池是20世紀90年代提出新概念電池，它突破了化學電池的侷限，物理方法實現儲能。眾所周知，飛輪角速度旋轉時，它具有動能。飛輪電池以其動能轉換成電能。高技術型飛輪於儲存電能，像標準電池。
飛輪電池兼顧了化學電池、燃料電池和超導電池儲能裝置諸多優點，主要表如下幾個方面：
(1)能量密度：儲能密度可達100～200wh/kg，功率密度可達5000～l0000w/kg。
延伸閱讀…
(3)體積小、重量輕：飛輪直徑二十多釐米，總重十幾千克左右。
(5)使用壽命長：受重複深度放電影響，能夠循環幾百萬次運行，預期壽命20年以上。
(6)損耗、維護：磁懸浮軸承和真空環境使機械損耗可以，系統維護週期。（1)於實際工作中，飛輪轉速可達40000～50000r/min，金屬製成飛輪無法承受這樣轉速，解體，所以飛輪採用碳纖維製成，製造飛輪碳纖維材料目前，成本。
（2)飛輪充電，會轉動下去。我不用電時，飛輪還在那裏轉動，浪費了能量。例如一輛飛輪電池汽車充電後，該汽車可以行駛三時，汽車走了兩個時後，車主需要就餐半時，那麼，這半時，飛輪就在那裏白白轉動。不過，有人説，飛輪空轉時，於沒有負載，能量損失會，目前存放一段時間不用蓄電池損失能量要。如果靜止不動，沒有能量損失。解決辦法：飛輪電池配備化學充電電池，需要電時，可飛輪轉動電能充進化學電池中。但是飛輪電池配備化學電池帶來問題是，增加了汽車或設備重量。
飛輪電池是20世紀90年代提出新概念電池，它突破了化學電池的侷限，物理方法實現儲能。眾所周知，飛輪角速度旋轉時，它具有動能。飛輪電池以其動能轉換成電能。高技術型飛輪於儲存電能，像標準電池。
飛輪電池中有一個電機，充電時該電機電動機形式運轉，在外電源驅動下，電機帶動飛輪旋轉，即電飛輪電池”充電”增加了飛輪轉速從而增大其功能；放電時，電機發電機狀態運轉，飛輪帶動下外輸出電能，完成機械能（動能）到電能轉換。飛輪電池發出電時，飛輪轉速下降，飛輪電池飛輪是真空環境下運轉，轉速（高達200000r/min，使用軸承為非接觸式磁軸承。稱，飛輪電池能量可達150W·h/kg，功率達5000-10000W/kg，使用壽命長達25年，可供電動汽車行駛500萬公里。美國飛輪系統公司研製飛輪電池地一輛克萊斯勒LHS轎車改成電動轎車，一次充電可行駛600km，靜止到96km/h加速時間6.5秒。
使用化學電池電動汽車目前試驗過幾十年，但進入實用階段。太陽能、風能、潮夕能、海浪能，存在儲存問題，目前主要靠化學電池，但受到化學蓄電池壽命及效率制約，不能應用。以上諸多問題，促使人們尋求一種效率高、壽命長、儲能多、使用方便，而且無污染綠色儲能裝置。出乎意料，古老“飛輪”變成了首選對象。[1]
“飛輪”這一儲能元件，人們利用了數千年，從古老紡車，到工業革命時蒸汽機，以往主要是利用它慣性來轉速和闖過“死點”，於它們工作週期，每轉一週時間一秒鐘，這樣時間內，飛輪能耗是可以。現在想利用飛輪來週期長達12～24時能量，飛輪本身能耗變得突出了。能耗主要來自軸承摩擦和空氣阻力。人們通過改變軸承結構，如變滑動軸承為滾動軸承、液體動壓軸承、氣體動壓軸承來減小軸承摩擦力，通過抽真空辦法來減小空氣阻力，軸承摩擦係數到10-3。即使如此微小，飛輪所儲能量一天之內有25%損失，仍不能滿足儲能要求。一個問題是飛輪是鋼（或鑄鐵）製成，儲能。例如，使一個發電力100萬千瓦電廠發電，儲能輪需用鋼材150萬噸！另外要完成電能機械能轉換，還需要一套複雜電力電子裝置，因而飛輪儲能方法未能得到廣泛的應用。