飞轮储能特点
飞轮储能的关键技术分析及研究状况
飞轮储能的关键技术分析及研究状况在众多储能技术中，飞轮储能系统(flywheelenergystoragesystem，FESS)以效率高、容量大、响应快和对环境友好等优点，越来越受到国内外学者的重视。
飞轮储能系统是由高速飞轮、磁轴承系统、永磁电动/发电机、能量转换控制系统以及附加设备组成，它是以高速旋转的飞轮质体作为机械能量储存的介质，利用电动发电机和能量转换控制系统来控制能量的输入和输出，达到充电和放电的目的。
飞轮储能系统作为一种逐渐成熟的储能技术，已经应用到包括航空航天、电动汽车、电力等领域，逐步取代化学电池储能，成为储能行业一支不可忽视的力量。
飞轮储能系统旋转时不会发生任何化学反应，其是纯粹的机械运动，对环境非常友好，因而受到越来越广泛的关注。
飞轮储能系统的工作状态根据暂态运行通常分为充电和放电2部分，其工作原理是当外部电能充足时，系统将电能通过飞轮电动机转化为机械能储存起来；当系统外部电能不足时，将飞轮存储的机械能转化为电能输出到外部负载。
作为一种新型的物理储能方式，飞轮储能与传统化学电池相比，具备有以下优点：1）充放电迅速。
从收到电网侧的调节信号到飞轮储能系统做出反应，时间极短，并且在之后数分钟时间内能够完成整个系统的充/放电过程，符合电网的短时响应与调节需求，相比于蓄电池、抽水蓄能、压缩空气等，具有较快的充/放电时间。
2）工作效率高。
一般的飞轮储能系统工作效率可以达到90%左右，相比于抽水蓄能的60%以及蓄电池储能的70%，具有明显的优势，而且采用磁悬浮轴承的飞轮储能系统，其工作效率更高，接近95%。
3）使用寿命长。
飞轮储能系统虽价格昂贵，但是设计良好，其年平均维护费用极低，充放电次数明显优于蓄电池储能等，其达到了百万数量级，且一般免维护的时间是在10a以上。
4）环保无污染。
由于机械储能的缘故，飞轮储能不会排放出污染环境的物质，其是一种环境友好型的绿色储能技术。
此外，飞轮储能系统还具有模块性、建设时间短、事故后果影响低等优点。
飞轮储能技术特点
飞轮储能技术特点
飞轮储能系统由高速飞轮、轴承支撑系统、电动机、发电机、功率变换器、电子控制系统和真空泵、紧急备用轴承等附加设备组成。
谷值负荷时，飞轮储能系统由工频电网提供电能，带动飞轮高速旋转，以动能的形式储存能量，完成电能到机械能的转换；出现峰值负荷时，高速旋转的飞轮作为原动机拖动电机发电，经功率变换器输出电流和电压，完成机械能到电能的转换。
与其他形式的储能技术相比，飞轮储能具有使用寿命长、储能密度高、不受充放电次数限制、安装维护方便、对环境危害小等优点。
飞轮储能功率密度大于 5 kW/kg，能量密度超过20Wh/kg，效率在90%以上，循环使用寿命长达20年，工作温区为40℃~50℃，无噪声，无污染，维护简单，可连续工作，积木式组合后可以实现兆瓦级，输出持续时间较长，主要用于不间断电源（UPS）、应急电源（EPS）、电网调峰和频率控制。
目前，国外已有公司和研究机构尝试将飞轮储能引入风力发电。
其中，德国琵乐公司（Piller）的飞轮储能具备在15秒内提供 1.65兆瓦电力的能力；美国Beacon power公司（BCON）的20兆瓦飞轮储能系统
已在纽约州史蒂芬镇开建，用来配合当地风场，建成后可以满足纽约州10%的储能需要。
不过，飞轮储能还具有很大的局限性。
对于电网来说，可根据时间长短将储能分为三大块：时间最长的是能源管理，包括抽水储能电站、压缩空气储能和蓄电池。
时间稍短的是过渡能源，通常靠蓄电池解决。
然而，时间最短的则是超级电容和飞轮。
飞轮工作原理
飞轮工作原理飞轮是一种能够将机械运动能转化为储能的机械装置，通常由一个高速旋转的轮体和一个带有轴承的支架组成。
飞轮具有储存能量、弹性储能和惯性储能的功能，可以广泛应用于汽车、火箭、发电厂等领域。
飞轮的工作原理基于惯性定律，即以一定转速的轮体通过惯性运动来储存能量。
当飞轮受到外力作用时，将其转动并将能量储存在轮体中。
在需要释放能量时，将轮体中储存的能量转化成机械能，如电能、热能、动能等形式，用于推动机械设备。
二、飞轮的结构和组成飞轮通常由轮体、轴承和支架三部分组成。
1. 轮体：是飞轮的主体部分，它负责储存机械运动能。
轮体的材料通常是金属，如钢、铝等，具有良好的强度和刚性，并能承受高速旋转过程中的离心力和惯性力。
2. 轴承：轮体需要通过轴承和支架与机械设备相连。
轴承可以减小轮体与支架之间的摩擦力，使轮体可以高效、稳定地旋转。
3. 支架：支架是固定轮体和轴承的组件，通常由金属材料制成。
支架需要具备良好的刚性和稳定性，以承受轮体的离心力和惯性力，并通过轴承与机械设备相连。
三、飞轮的应用1. 汽车制动能量回收：利用飞轮在汽车制动过程中储存的能量，回收转化成电能或动能，提高汽车燃油利用率。
2. 火箭升空过程：火箭在升空过程中需要消耗大量能量。
为了减少能量消耗，可以利用飞轮储存火箭在离地面运动时产生的剩余能量。
3. 发电厂备用电源：在发电厂出现电网紊乱或电力缺口时，可以通过飞轮储存能量，以备用电源的形式向电网供电。
四、飞轮的优点和缺点1. 优点：（1）高效：飞轮储存能量和释放能量的效率比较高，可以在短时间内完成能量转化。
（2）安全：相比于电池等储能装置，飞轮具有较高的安全性，不易引发安全事故。
（3）可靠：飞轮具有良好的耐久性和稳定性，不易损坏或出现失效。
（1）成本高：制造飞轮需要较高的成本，因为需要使用质量较高、强度和刚性较好的金属材料。
（2）重量大：相比于其他储能装置，飞轮的重量相对较大。
这对于需要在空间环境下应用的设备来说，可能会限制其应用。
飞轮储能技术及其在石油工程上的应用_概述说明以及解释
飞轮储能技术及其在石油工程上的应用概述说明以及解释1. 引言1.1 概述飞轮储能技术是一种利用高速旋转飞轮来存储和释放能量的先进技术。
随着石油工程领域对能源存储和利用效率的要求不断提高，飞轮储能技术逐渐引起了人们的关注。
本文旨在介绍和探讨飞轮储能技术在石油工程上的应用潜力以及相关的优势和局限性。
1.2 文章结构本文分为五个主要部分：引言、飞轮储能技术概述、石油工程中的能量储存需求和挑战、飞轮储能技术在石油工程中的优势和局限性分析以及结论。
每个部分将详细说明相关内容，并通过案例和数据进行支撑，以全面阐述该领域的发展现状和未来前景。
1.3 目的本文旨在通过对飞轮储能技术及其在石油工程中应用的详细概述，帮助读者深入了解该技术背后原理与机制，并准确评估其在解决石油钻井过程中能量浪费问题上的潜力。
同时，我们将分析飞轮储能技术在应用过程中所面临的挑战和局限性，并提供相应的解决措施和发展方向，以期为相关研究者和从业人员提供相关参考和借鉴。
以上是“1. 引言”部分的内容介绍。
2. 飞轮储能技术概述2.1 飞轮储能技术原理飞轮储能技术是一种通过将机械能转化为旋转动能，并将其存储在旋转的金属轴上的方法。
它基于动力学原理，利用高速旋转的金属轴来存储和释放机械能。
当外部力使飞轮旋转时，它会获得机械能；而当需要释放能量时，它会逆向作用，将存储的机械能转化为有用的功。
2.2 飞轮储能系统组成与工作原理飞轮储能系统通常由以下几个组件构成：主要是由一个强大的电机驱动的大质量金属或复合材料制成的飞轮、驱动系统、控制系统和发电机组成。
该系统通过直接连接到驱动系统，经过电动机提供动力以加速飞轮达到目标运行速度，并将多余的功率通过发电机回馈到电网中。
在工作过程中，电动机向飞轮传递驱动力使其开始加速旋转。
一旦达到设计速度，控制系统便可以确保飞轮保持恒定的旋转速度。
当有能量需求时，系统可以通过切断电动机的供电来释放能量。
这时飞轮便会逆向作用，通过自身惯性继续提供功率。
飞轮储能电机的参数表-概述说明以及解释
飞轮储能电机的参数表-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述飞轮储能电机是一种新型的储能设备，它利用高速旋转的飞轮来储存能量，并在需要时释放出来。
相比传统的储能方式，如化学电池或超级电容器，飞轮储能电机具有更高的能量密度和更长的寿命。
飞轮储能电机的工作原理是通过电机将能量转化为旋转动能，然后将旋转动能储存在高速旋转的飞轮中。
当需要释放能量时，控制系统将电机反向运转，将旋转动能转化为电能，并输出给负载设备。
这种转化过程非常高效，能够实现快速的能量转换和响应。
飞轮储能电机的参数是评估其性能和适用性的重要指标。
常见的参数包括飞轮的质量、半径、转速、最大储能能量等。
这些参数直接影响到飞轮储能电机的能量密度、储能效率和输出功率等重要特性。
本文将详细介绍飞轮储能电机的参数表，对各个参数的意义和影响进行分析。
通过对参数的深入了解，可以更好地理解和应用飞轮储能电机，在实际的能量储存和转换中发挥其最佳性能。
在接下来的章节中，将逐一介绍飞轮储能电机的参数，包括其定义、测量方法和优化策略等。
通过对参数表的全面讲解，读者将能够更好地了解飞轮储能电机的特点和应用领域。
希望本文能为对飞轮储能电机感兴趣或从事相关领域研究的读者提供有益的参考和指导。
文章结构部分是指对整篇文章的结构进行介绍和说明，以便读者对文章内容有初步的了解和把握。
在飞轮储能电机的参数表这篇长文中，文章结构如下：1. 引言1.1 概述1.2 文章结构1.3 目的2. 正文2.1 飞轮储能电机的参数12.2 飞轮储能电机的参数23. 结论3.1 总结3.2 展望在引言部分，我们对整篇文章的内容进行简要介绍，并明确文章的目的和结构。
本文旨在介绍飞轮储能电机的参数表，以便读者了解和使用该参数表。
文章结构如上所示，具体内容将在接下来的正文和结论部分进行详细展开。
1.3 目的目的部分的内容可以如下所示：目的是为了探讨飞轮储能电机的参数表，并对其进行详细的分析和解读。
飞轮储能技术及应用
飞轮储能技术及应用汤双清㊀著华中科技大学出版社内容提要本书是以作者多年来从事飞轮储能技术的研究成果,经过整理加工而成的㊂主要介绍了飞轮储能系统的发展历史与现状㊁飞轮电池的主要部件和一些关键技术㊂重点介绍了永磁磁力轴承悬浮力和刚度的计算理论㊁电动磁力轴承的原理和设计计算理论㊁飞轮电池能量转换理论以及飞轮储能系统在分布式发电系统中的应用㊂本书可作为科研院所和高等学校从事飞轮相关技术研究与开发的工程技术人员的参考书,也可作为从事磁力轴承和电机控制方面研究与开发的工程技术人员的参考书㊂作者简介汤双清,男,1962年7月出生于湖北孝感㊂1984年本科毕业于原葛洲坝水电工程学院机械工程系,1989年2月硕士毕业于东南大学机械工程系,1999年9月至2000年2月在法国瓦朗谢纳大学做访问学者,2004年2月博士毕业于华中科技大学机械科学与工程学院㊂现为三峡大学教授,中国机械工程学会会员,湖北省机械工程学会青年分会常务理事兼副秘书长,湖北省金工教学委员会常务理事,湖北省机械原理教学委员会常务理事,三峡大学 151 人才学术带头人㊂主要从事机械设计及理论方面的教学与科研工作,在机器人机构学和人工智能㊁计算机集成制造㊁加工过程数控㊁机电系统动态设计理论与方法㊁磁悬浮轴承及飞轮储能技术等领域有所成就㊂主持研究的课题及项目主要有: 工业机器人动力学参数识别 ㊁ 工业机器人的远㊁近程控制 ㊁ 新型磁力轴承悬浮机理研究 ㊁ 飞轮电池磁悬浮支承系统研究 ㊁ 超细长轴加工方案及制造设备研究 等项目㊂参与国家级研究项目有:国家自然科学基金3项,国家 九五 攀登计划项目子课题1项㊂在国内外刊物上发表论文近50篇,EI检索收录8篇㊂前㊀㊀言飞轮储能既是一个古老的话题,也是一个当今比较热门的话题㊂随着社会的进步和经济的发展,人类对能源的需求与日俱增;能源危机已经初现端倪,它将严重制约人类社会的飞速发展,甚至可能危及人类的生存㊂尽管采用飞轮储能技术并不能增加能源的供给,但它可以扩充能源的供应源,使原来不能直接应用的能源变得可以间接利用,从而可以从根本上缓解能源供应紧张的局面㊂此外,采用飞轮储能技术还可以改善电力供应质量,避免或减缓用电高峰拉闸限电的弊端,进而提高人们的生活质量㊂飞轮储能技术应用十分广泛,涉及卫星和空间站上的后备电源,多种重要设备(如计算机㊁通信系统㊁医疗设备等)的不间断电源(UPS),电动汽车㊁分布式发电㊁运载火箭和电磁炮等的瞬时大功率动力供应源,电网负载调节㊁脉冲动力设备等㊂飞轮储能技术涉及多种学科与技术,主要包括:机械科学㊁电气科学㊁磁学㊁控制科学和材料科学等多学科,以及复合材料的成型与制造技术㊁高矫顽力稀土永磁材料技术㊁磁悬浮技术㊁传感技术㊁用于VVVF (变压变频)的电力电子技术㊁高速双向电动机/发电机技术等关键技术㊂为了让更多的读者了解飞轮储能技术,为努力营造一个节约型的和谐社会尽微薄之力,作者将近年来研究的成果经过整理和加工编写成这本专著,供从事飞轮储能研究与开发的工程技术人员参考㊂限于作者的水平,书中难免有错误和不妥之处,敬请读者批评指正㊂著㊀者序能源工业是现代文明的支柱之一,是工业发展的主体,也是国民经济持续发展的基础,缺少能源,社会将很难发展,没有能源,人类将无法生存㊂中国‘能源发展 十一五 规划“日前公布㊂规划指出, 十一五 时期我国能源建设的总体安排是:有序发展煤炭;加快开发石油天然气;在保护环境和做好移民工作的前提下积极开发水电,优化发展火电,推进核电建设;大力发展可再生能源㊂适度加快 三西 煤炭㊁中西部和海域油气㊁西南水电资源的勘探开发,增加能源基地输出能力;优化开发东部煤炭和陆上油气资源,稳定生产能力,缓解能源运输压力㊂十一五 期间,我国将重点建设五大能源工程:能源基地建设工程㊁能源储运工程㊁石油替代工程㊁可再生能源产业化工程㊁新农村能源工程㊂飞轮储能作为一种储能技术,早在蒸汽时代就有所应用,但直到20世纪70年代,由于石油禁运和天然气危机,美国能源部(DoE)和美国航空航天局(NASA)率先资助开发包括用于电动汽车的飞轮储能系统研究和用于卫星动量矩飞轮的磁悬浮支承系统的研究,那时才真正将飞轮作为一种单独的储能装置,而不是早期仅用于机器速度波动的调节㊂之后,对飞轮储能的研究如雨后春笋,方兴未艾㊂飞轮储能系统也称飞轮电池,与化学电池相比,它的优点主要体现在:①储能密度高,瞬时功率大,功率密度甚至比汽油还高,因而在短时间内可以输出更大的能量,这非常有利于电磁炮的发射和电动汽车的快速启动;②在整个寿命周期内,不会因过充电或过放电而影响储能密度和使用寿命;③容易测量放电深度和剩余 电量 ;④充电时间较短,一般在几分钟就可以将电池充满;⑤使用寿命只取决于飞轮电池中电子元器件的寿命,因此较长,一般可达20年左右;⑥能量转换效率高,一般可达85%~95%,这意味着有更多可利用的能量,更少的热耗散,而化学电池最高仅有75%;⑦对温度不敏感,对环境十分友好(绝对绿色产天㊁国防㊁汽车工业㊁电力产业㊁医疗和通信等在内的多个行业与领域㊂因此,研究与开发飞轮电池的市场前景广阔㊂飞轮电池虽说不能 制造 能量,但它可以将零星的能量积聚起来使用,或将多余的能量储存起来在需要时再使用,而且还具备携带性,是一种储能更大的动力源,它的广泛使用将会引起电力工业的一场革命㊂本书是作者多年来对飞轮储能技术研究的一种总结与提炼,难免还有一些没有考虑周全的地方㊂因此,希望这本书的问世能得到同行专家和广大读者的帮助㊁批评与指正㊂2007年9月目㊀㊀录第1章㊀绪论(1)…………………………………………………………………㊀㊀1.1㊀引言(1)…………………………………………………………………㊀㊀1.2㊀飞轮电池的工作原理与应用领域(2)…………………………………㊀㊀㊀㊀1.2.1㊀飞轮电池的组成与工作原理(2)………………………………………㊀㊀㊀㊀1.2.2㊀飞轮电池的应用领域(4)……………………………………………㊀㊀1.3㊀国内外飞轮储能技术的发展概况(5)…………………………………㊀㊀㊀㊀1.3.1㊀磁力轴承研究现状(6)………………………………………………㊀㊀㊀㊀1.3.2㊀飞轮研究现状(10)…………………………………………………㊀㊀㊀㊀1.3.3㊀飞轮电池辅件分析(14)………………………………………………㊀㊀㊀㊀1.3.4㊀飞轮电池其他研究热点(16)…………………………………………㊀㊀1.4㊀飞轮储能技术的发展机遇和展望(17)………………………………㊀㊀1.5㊀本书各章简介(18)……………………………………………………第2章㊀飞轮电池转子的支承、驱动和控制方案(20)………………………………㊀㊀2.1㊀飞轮电池系统结构方案(21)…………………………………………㊀㊀2.2㊀组合磁悬浮支承系统方案的拟定(22)………………………………㊀㊀㊀㊀2.2.1㊀支承飞轮转子的磁力轴承(22)………………………………………㊀㊀㊀㊀2.2.2㊀组合磁悬浮的支承系统方案(23)……………………………………㊀㊀2.3㊀集成式电动机/发电机的选型分析(24)………………………………㊀㊀㊀㊀2.3.1㊀飞轮电池所用电机(24)………………………………………………㊀㊀㊀㊀2.3.2㊀永磁同步电机数学模型(27)…………………………………………㊀㊀㊀㊀2.3.3㊀永磁同步电机的控制策略(29)………………………………………㊀㊀2.4㊀电动机/发电机的控制方案拟定(31)…………………………………㊀㊀本章小结(32)…………………………………………………………………第3章㊀电动磁力轴承的悬浮机理(34)…………………………………………㊀㊀3.3㊀转子的磁力分析(38)…………………………………………………㊀㊀㊀㊀3.3.1㊀导体环1所受电磁力分析(39)………………………………………㊀㊀㊀㊀3.3.2㊀导体环i 所受电磁力分析(40)………………………………………㊀㊀㊀㊀3.3.3㊀转子的受力分析(40)………………………………………………㊀㊀㊀㊀3.3.4㊀最优的导体环数的确定(41)…………………………………………㊀㊀3.4㊀电动磁力轴承的稳定性分析(42)……………………………………㊀㊀㊀㊀3.4.1㊀转子稳定运转条件的建立(42)………………………………………㊀㊀㊀㊀3.4.2㊀系统稳定运转的最低速度和临界阻尼的确定(46)……………………㊀㊀3.5㊀阻尼系统的设计(46)…………………………………………………㊀㊀3.6㊀电动磁力轴承的可行性和特性分析(48)……………………………㊀㊀3.7㊀设计实例(50)…………………………………………………………㊀㊀本章小结(51)…………………………………………………………………第4章㊀永磁体空间磁场的计算方法(53)………………………………………㊀㊀4.1㊀引言(53)………………………………………………………………㊀㊀4.2㊀磁化磁体的物理计算模型(54)………………………………………㊀㊀㊀㊀4.2.1㊀Maxwell 方程组及交界面条件(54)……………………………………㊀㊀㊀㊀4.2.2㊀等效磁荷模型(56)…………………………………………………㊀㊀㊀㊀4.2.3㊀等效电流模型(59)…………………………………………………㊀㊀4.3㊀永磁体周围空间磁场计算的数值方法(60)…………………………㊀㊀㊀㊀4.3.1㊀稳恒电磁场问题的统一表示形式和对应的变分方程(61)……………㊀㊀㊀㊀4.3.2㊀等效磁荷模型对应的变分形式(62)…………………………………㊀㊀㊀㊀4.3.3㊀等效电流模型对应的变分形式(62)…………………………………㊀㊀㊀㊀4.3.4㊀变分问题的有限元法(63)……………………………………………㊀㊀㊀㊀4.3.5㊀轴对称问题的有限元格式(65)………………………………………㊀㊀4.4㊀圆柱形永磁体空间磁场的计算实例(67)……………………………㊀㊀㊀㊀4.4.1㊀永磁体及周围空间求解域的几何建模与网格划分(68)………………㊀㊀㊀㊀4.4.2㊀对整个求解域的求解(68)……………………………………………㊀㊀本章小结(70)…………………………………………………………………第5章㊀永磁轴承构形综合及其磁力和刚度的计算方法(72)…………………㊃2㊃飞轮储能技术及应用㊀㊀5.3㊀永磁轴承悬浮力的计算理论(76)……………………………………㊀㊀㊀㊀5.3.1㊀重要的数学关系推导(76)……………………………………………㊀㊀㊀㊀5.3.2㊀Maxwell 应力张量及其磁力计算公式(77)……………………………㊀㊀㊀㊀5.3.3㊀虚功原理对应的磁力计算公式(79)…………………………………㊀㊀5.4㊀磁力计算的数值方法(80)……………………………………………㊀㊀㊀㊀5.4.1㊀Maxwell 力对应的数值方法(80)………………………………………㊀㊀㊀㊀5.4.2㊀虚功力对应的有限元法(81)…………………………………………㊀㊀5.5㊀磁力轴承刚度计算的有限元法(84)…………………………………㊀㊀5.6㊀永磁轴承应用实例分析(85)…………………………………………㊀㊀㊀㊀5.6.1㊀通用圆环形永磁体构成的永磁轴承特性分析(85)……………………㊀㊀㊀㊀5.6.2㊀带锥面磁隙的永磁轴承特性分析(88)………………………………㊀㊀5.7㊀永磁轴承磁场和悬浮力的实验分析(91)……………………………㊀㊀㊀㊀5.7.1㊀永磁轴承的实验方案(91)……………………………………………㊀㊀㊀㊀5.7.2㊀永磁轴承磁场和悬浮力测试(93)……………………………………㊀㊀㊀㊀5.7.3㊀测试结果分析(96)…………………………………………………㊀㊀本章小结(98)…………………………………………………………………第6章㊀飞轮电池能量转换原理与矢量控制(100)……………………………㊀㊀6.1㊀引言(100)………………………………………………………………㊀㊀6.2㊀飞轮电池能量转换方案(100)…………………………………………㊀㊀㊀㊀6.2.1㊀飞轮电池能量转换系统的要求(100)…………………………………㊀㊀㊀㊀6.2.2㊀飞轮电池能量转换系统分析(101)……………………………………㊀㊀6.3㊀PWM 变流器的工作原理分析(103)…………………………………㊀㊀㊀㊀6.3.1㊀单相PWM 变流器工作原理(103)……………………………………㊀㊀㊀㊀6.3.2㊀三相电压型PWM 变流器工作原理(108)……………………………㊀㊀6.4㊀PWM 变流器的数学模型(111)………………………………………㊀㊀㊀㊀6.4.1㊀三相电压型PWM 变流器的数学模型(111)…………………………㊀㊀㊀㊀6.4.2㊀基于虚拟磁链的PWM 变流器数学模型(115)…………………………㊀㊀6.5㊀IGBT 模型和整流器的仿真模型(118)………………………………㊀㊀6.6㊀飞轮电池能量转换系统的矢量控制(119)……………………………㊃3㊃目录㊀㊀㊀㊀6.6.3㊀开关逻辑作用顺序(126)……………………………………………㊀㊀本章小结(127)………………………………………………………………第7章㊀飞轮电池在分布式发电系统中的应用(128)…………………………㊀㊀7.1㊀引言(128)………………………………………………………………㊀㊀7.2㊀含有飞轮电池的太阳能发电站的系统控制结构(129)………………㊀㊀7.3㊀太阳能电池的工作原理㊁种类及选用(131)…………………………㊀㊀7.4㊀飞轮储能单元(133)……………………………………………………㊀㊀7.5㊀动力系统的调节与控制(135)…………………………………………㊀㊀㊀㊀7.5.1㊀单相逆变器(135)……………………………………………………㊀㊀㊀㊀7.5.2㊀三相整流/逆变器(139)……………………………………………㊀㊀7.6㊀系统仿真(140)…………………………………………………………㊀㊀本章小结(144)………………………………………………………………第8章㊀结语(145)………………………………………………………………㊀㊀8.1㊀全文总结(145)…………………………………………………………㊀㊀8.2㊀研究展望(146)…………………………………………………………参考文献(148)……………………………………………………………………㊃4㊃飞轮储能技术及应用第1章㊀绪㊀㊀论1.1㊀引㊀㊀言飞轮储能系统作为一种使能技术已经应用到包括航空航天㊁电动汽车㊁通信㊁医疗㊁电力等领域[1]㊂早在20世纪70年代,由于石油禁运和天然气危机,美国能源部(DoE)和美国航空航天局(NASA)率先资助开发包括用于电动汽车的飞轮储能系统的研究和用于卫星动量矩飞轮的磁悬浮支承系统的研究㊂之后,英㊁法㊁德㊁日等西方国家也相继投入大量的人力㊁物力进行飞轮电池的研究,而我国从20世纪90年代才开始进行这方面的研究㊂飞轮储能系统又称飞轮电池或机电电池[2],它已经成为电池行业一支新生的力量,并在很多方面有取代化学电池的趋势㊂与化学电池相比,飞轮电池的优势主要表现在:①储能密度高,瞬时功率大,功率密度甚至比汽油的还高[3],因而在短时间内可以输出更大的能量,这非常有利于电磁炮的发射和电动汽车的快速启动;②在整个寿命周期内,不会因过充电或过放电而影响储能密度和使用寿命,而且飞轮也不会受到损害;③容易测量放电深度和剩余 电量 ;④充电时间较短,一般在几分钟就可以将电池充满;⑤使用寿命主要取决于飞轮电池中电子元器件的寿命,一般可达20年左右;⑥能量转换效率高,一般可达85%~ 95%,这意味着有更多可利用的能量㊁更少的热耗散,而化学电池的能量转换效率最高仅有75%;⑦对温度不敏感,对环境十分友好(绝对绿色产品);⑧当它与某些其他装置组合使用时,如用于卫星上与卫星姿态控制装置结合在一起时,它的优势更加明显㊂现代飞轮电池使用复合材料飞轮和主动㊁被动组合磁悬浮支承系统[4]已实现飞轮转子转速达60000r/min以上,放电深度达75%以上,可用能量密度大于20Wh/lb(44W㊃h/kg)㊂而镍氢电池的能量密度仅有5~6W㊃h/lb(11~12 W㊃h/kg),放电最大深度不能超过40%㊂总体来说,目前飞轮电池的可用能量密度最低也在40W㊃h/kg以上,最高的已经达到944W㊃h/kg,可见它的优势是十分明显的㊂当它用于电动汽车上时[5],使得现代汽车制造业者完全不必考虑汽车废气的排放,从而真正开创无废气排放汽车的历史㊂不管飞轮电池应用于哪个领域,对飞轮电池的开发研究都会涉及以下几个方面的新技术:复合材料的成型与制造技术;高矫顽力稀土永磁材料技术;磁悬浮技术;用于VVVF(变压变频)电机的电力电子技术;高速双向电动机/发电机技术㊂这些技术通过系统工程技术(包括系统结构仿真和分析)而被融合在一起㊂尽管飞轮电池技术有了长足的进展,但由于它涉及机械科学与技术㊁电机学㊁电力电子技术㊁电磁学㊁传感技术与控制科学㊁材料科学等多学科诸方面的技术,所以到目前为止,国内外仍没有一套成熟的理论和设计方法指导飞轮储能系统的设计㊂即便在国外已有开发出的飞轮电池可供使用,但仍有诸多方面需要改善,而且价格昂贵㊂只有大幅降低其价格并提高其可靠性,才有大范围推广应用的可能㊂本书着重介绍作者这几年关于经济型飞轮电池的研究成果,使读者能更好地了解国内外飞轮电池的研究现状,也为有志于从事飞轮储能的读者提供研究参考㊂1.2㊀飞轮电池的工作原理与应用领域1.2.1㊀飞轮电池的组成与工作原理1.飞轮电池的组成典型的飞轮储能系统一般是由三大主体㊁两个控制器和一些辅件所组成:①储能飞轮;②集成驱动的电动机/发电机;③磁悬浮支承系统;④磁力轴承控制器和电机变频调速控制器;⑤辅件(如着陆轴承㊁冷却系统㊁显示仪表㊁真空设备和安全容器等)㊂图1.1所示为一种飞轮电池的结构简图[6]㊂其中:1为飞轮;2为含有水冷却的径向磁轴承的定子;3为径向磁轴承;4为轴向磁轴承;5为含有水冷却的电㊃2㊃飞轮储能技术及应用机定子;6为电机内转子部分;7为电机外转子部分;8为真空壳体㊂图1.1㊀飞轮电池结构简图1 飞轮;2 径向磁轴承的定子;3 径向磁轴承;4 轴向磁轴承;5 电机定子;6 电机内转子部分;7 电机外转子部分;8 真空壳体㊀2.飞轮电池的工作原理飞轮电池类似于化学电池,它有以下两种工作模式㊂(1) 充电 模式㊂当飞轮电池充电器插头插入外部电源插座时,打开启动开关,电动机开始运转,吸收电能,使飞轮转子速度提升,直至达到额定转速时,由电机控制器切断与外界电源的连接㊂在整个充电过程中,电机作电动机用㊂(2) 放电 模式㊂当飞轮电池外接负载设备时,发电机开始工作,向外供电,飞轮转速下降,直至下降到最低转速时由电机控制器停止放电㊂在放电过程中,电机作为发电机使用㊂这两种工作模式全部由电机控制器负责完成㊂飞轮转子在运动时由磁力轴承实现转子无接触支承,而着陆轴承则主要负责转子静止或存在较大的外部扰动时的辅助支承,避免飞轮转子与定子直接相碰而导致灾难性破坏㊂真空设备用来保持壳体内始终处于真空状态,减少转子运转的风耗㊂冷却系统则负责电机和磁悬浮轴承的冷却㊂安全容器用于避免一旦转子产生爆裂或定子与转子相碰时发生意外㊂显示仪表则用来显示剩余电量㊃3㊃第1章㊀绪㊀㊀论㊃4㊃飞轮储能技术及应用和工作状态㊂1.2.2㊀飞轮电池的应用领域飞轮电池的应用十分广泛,但主要分为两大类型[1]~[7]:一是作为储能用的,如卫星和空间站的电源,车辆的动力装置,各种重要设备(如计算机㊁通信系统㊁医疗设备等)的不间断电源(UPS)等;二是作为峰值动力用的,如电力系统峰值负载的调节,分布式发电系统中电网电力的波动调节,混合动力车辆负载的调节,运载火箭和电磁炮等的瞬时大功率动力供应源,脉冲动力设备等㊂1.在电动汽车和军用车辆上的应用目前,飞轮储能系统可以单独或与其他动力装置一起混合用于电动汽车上,极大地改善汽车的动力性和经济性以及汽车尾气的排放状况[8]~[11]㊂飞轮储能系统在军事车辆的脉动负载和运行负载调节方面也担负重要角色,如德克萨斯大学奥斯丁电动力学研究中心(UT-CEM)就为军用车辆开发了脉动负载和运行负载调节的飞轮储能系统[12],该系统能储存25MJ的能量,能提供5MW的瞬时功率,可满足14t级军用车辆的脉动动力要求㊂2.在卫星和航天器上的应用Fare公司㊁马里兰大学及受NASA资助的刘易斯(Lewis)研究中心共同开发了空心飞轮系统[13][14],它是将马里兰大学的500W㊃h的空心飞轮系统按比例缩小成50W㊃h的空心飞轮系统㊂该系统用于近距离地球轨道(LEO)卫星和地球同步轨道(GEO)卫星的动力装置,取代了原先的化学电池㊂同时,它结合飞轮储能和卫星的姿态控制,使其优势更加明显[15][16]㊂3.在电热化学炮、电磁炮上的应用飞轮储能系统在电磁炮应用中具有明显优势,有一种8级逐级驱动的线性感应线圈发射炮能将3kg的炮弹以2km/s的速度发射[17]㊂电热化学炮要求在1~5ms内将脉动动力传到枪炮后膛,而由飞轮储能装置构成的脉冲盘交流发电机(PDA)就能适应这种要求[18]㊂4.用于电力质量和电网负载调节电力质量问题是一直困扰着电力工业的老大难问题㊂但随着UPS市场的发展壮大,各种重要的敏感设备(如计算机㊁通信设备和医疗设备等)受电网电力波动或突然的电力供应中断而造成的损失问题逐步得到了解决[19]㊂作为飞轮储能系统,它完全可以担负起UPS的职能,而且电力供应质量可大大改善,供电时间可大大延长㊂此外,大功率㊁高储能的飞轮储能系统还可以用来调节电网用电高峰的电力供应,使其电网负载更加平稳[20]~[22]㊂在以风力发电的机组中,应用飞轮储能系统可使输出电压更加平稳[23][24]㊂5.不间断电源(UPS)不间断供应电源有着强大的应用市场㊂除目前通用的UPS 外,飞轮电池作为一支新生的力量已经逐步参与到UPS 市场中来[25][26]㊂1.3㊀国内外飞轮储能技术的发展概况飞轮的起源可以追溯到一百多年以前的瓦特蒸气机时代,那时的飞轮主要用来保持机器的平稳运转,用途比较单一㊂第一次真正具有划时代意义的里程碑是A.Stodola 博士撰写的关于飞轮转子形状和应力分析的书[3],该书于1917年首次被翻译成英文,直到今天它仍然有很重要的参考价值㊂下一个大的里程碑诞生于20世纪70年代早期,由于出现的石油禁运和天然气危机[1],飞轮储能才开始引起人们的足够重视㊂当时,美国能量研究发展署(ERDA)和美国能源部(DoE)开始资助飞轮储能系统的许多应用研究与开发,如针对电动汽车的超级飞轮的研究㊂刘易斯(Lewis)研究中心(LeRC)在ERDA 的协助和美国航空航天局(NASA)的资助下专门研究用于真空下的机械轴承和用于混合车辆的飞轮系统的传动系统㊂NASA 同时也资助戈达德(Goddard)空间飞行中心(GSFC)研究适用于飞行器动量飞轮的电磁轴承㊂20世纪80年代,尽管DoE 削减了飞轮储能研究的资助,但NASA 继续资助空间飞行中心研究卫星飞轮系统的电磁轴承,同时还资助了兰利(Langley)研究中心(LaRC)及马歇尔(Marshall)空间飞行中心(MSFC)关于组合能量储存和姿态控制的动量飞轮构形的研究㊂直到20世纪90年代,飞轮储能才真正进入高速发展期㊂这期间,磁悬浮技术的快速发展,提供了高速或超高速旋转机械的无接触支承,配合真空技术,使摩擦损耗包括风损耗降到最低水平;同时,高强度复合材料的大量涌现,如高强度的碳素纤维复合材料(抗拉强度高达8.27Gpa)的出现,使飞轮转子不发生破坏的转速极大地提高,允许线速度可达500~1000m /s,已超过音速,从而大大地增加了飞轮储能系统的储能密度;电机技术的快速发展,尤其是大功率密度双向电动机/发电机的诞生使得飞轮电池驱动能力进一步增强;电力电子技术的新进展,尤其是变频调速技术的高速发展为飞轮储存的动能㊃5㊃第1章㊀绪㊀㊀论㊃6㊃飞轮储能技术及应用与电能之间高速㊁高效率的转化提供了条件㊂飞轮储能技术必须借助于磁悬浮技术㊁电机技术㊁电力电子技术㊁传感技术㊁控制技术和新型材料(复合材料和高矫顽力永磁材料)技术,并将这些技术有机地结合起来才能真正研制出具有实用价值的飞轮储能系统㊂迄今为止,国内外对飞轮电池的研究主要集中在以下几个方面:(1)磁力轴承(含高温超导磁力轴承);(2)飞轮技术;(3)电机及其控制技术;(4)安全与容器;(5)面向不同应用对象的飞轮储能系统的综合研究等㊂1.3.1㊀磁力轴承研究现状早在19世纪上半叶,人们就开始试验永磁体的无接触悬浮,但并未成功㊂1842年剑桥大学的昂箫(Earnshau)教授[27]通过大量的实验证明,永磁体与永磁体之间或永磁体与软磁体之间不可能实现全部6个自由度上的稳定悬浮,也就是说至少在1个自由度上是不稳定的㊂直到1937年,维吉尼亚大学的霍尔摩斯(B.A.Holmes)教授才利用磁化磁体㊁电磁铁和位置传感器等元器件成功地实现了物体的稳定悬浮,从而标志着磁悬浮时代的到来[28]㊂后来,经过人们大量的实验验证和理论分析,终于找出了实现物体无接触稳定悬浮的几种方法,如利用抗磁性材料[29],与时变场相互作用的导体[30],陀螺力矩[31],超导材料[32]和反馈控制系统[28]等㊂事实上,到目前为止,在上述5种悬浮物体的方法中仅有超导材料和反馈控制系统用于实际的工业应用之中㊂磁悬浮轴承(也称磁力轴承),按控制方式的不同主要有两大类[33][34]:其一是主动磁力轴承(active magnetic bearing,AMB),也就是人们通常称作的电磁轴承,是一种有源磁力轴承;其二是被动磁力轴承(passive magnetic bearing,PMB),也称无源磁力轴承㊂被动磁力轴承目前有两种,即永磁磁力轴承(permanent magnetic bearing,PMB)和超导磁力轴承(superconducting magnetic bearing,SMB),其中永磁磁力轴承简称永磁轴承㊂目前对磁力轴承的研究主要集中在对主动磁力轴承(即电磁轴承)[35][36]和超导磁力轴承[37]~[40]的研究上,而对永磁磁力轴承[41]的研究较少㊂主动磁力轴承最主要的特征是通过控制电磁铁线圈的电流变化来产生时变磁场,以便调整在受到外界干扰时轴承所需的悬浮力,确保转子始终在预定位置平稳运转㊂因此,这类轴承的承受变负载的能力很强,而且有较强的运动稳定性,这对于那些时常受到外界扰动的支承来说又是必须的,如高速切削机床主轴的电磁轴承就采用了主动磁力轴承㊂但这类轴承也存在几个方面的不足:其一,它必须安装多个位置传感器以便时刻监测转子的位置,一旦有一个传感器失效,轴承就不能正常工作,从而降低了系统的可靠性;其二,由于控制线圈的存在,要消耗系统一部分的电能,从而降低了储能效率;其三,由于控制系统的存在,增加了系统的复杂性,也增加了系统失效的可能性㊂所有这些除大幅增加了系统的费用外,也降低了系统的可靠性㊂尽管近期有人开始研究无传感器的主动磁力轴承[42],但控制难度很大,而且可靠性更低㊂超导磁力轴承的主要特征是利用超导体在临界温度以下具有的迈斯纳效应(meissner effect),磁通线不能穿过超导体,即超导体是在磁场中呈现完全抗磁性来实现物体悬浮的㊂但一般来说,超导体的临界温度很低,即使现在所称的高温超导体的临界温度最高的也只有-130ħ㊂因此,要保证超导体的正常工作就必须提供制冷设备,保障超导体始终工作在临界温度以下,这势必增加系统的能量消耗,也增加了系统的投资,同时也增加了失效的可能性㊂永磁磁力轴承的主要特征是利用定子和转子上的永磁体之间或永磁体与软磁体之间的吸力或斥力来支承轴向或径向的负载,结构简单,但承受变载荷的能力较差,稳定性没有主动磁力轴承好,不过,由于它无需传感器和控制线圈,也无需制冷设备,经济性较好,这对那些仅承受静态载荷的应用是具有明显优势的㊂1.电磁轴承电磁轴承是由致动器(actuator)㊁传感器和控制系统三个部件组成㊂致动器是由一组缠绕在定子铁芯上的线圈构成(每个象限至少有一个磁极)㊂对于径向轴承,在转子圆周上至少要安装三个传感器,传感器系统负责测量转子轴的位置,并将位置信号反馈到控制系统,控制系统再将位置信号与参考信号比较来确定转子的位置误差,再经功率放大器控制致动器电磁铁的电流㊂致动器可以用单独的电磁铁(EM)或者由电磁铁和永久磁铁(PM)组合构成,其对应的轴承分别称为EM 轴承和EM /PM 轴承[35]㊂图1.2所示为EM 轴承致动器的两种构形,其中图1.2(b)的布置是一种通用构形,它将产生比图1.2(a)布置更低的运动和磁滞损耗㊂图1.3所示为6种EM /PM 轴承致动器构形,除图1.3(f)仅有轴向主动控制外,其他5种既具有径向主动控制又具有轴向支承定位的功能㊂从上述两种致动器的构形可以看出,EM 致动器在构造上通常比EM /PM 致动器㊃7㊃第1章㊀绪㊀㊀论。
飞轮储能图文说明
飞轮储能图文说明飞轮蓄能是机械蓄能的一种形式，以惯性能(动能)的方式，将能量储存在高速旋转的飞轮中。
当车辆制动时，飞轮蓄能系统托动飞轮加速，将车身的惯性动能转化为飞轮的旋转动能。
当车辆需起动或加速时，飞轮减速，释放其旋转动能给车身。
飞轮储能作为一种纯机电的储能系统，具有比能量大、比功率高、无二次污染、寿命长等优点，在短时间内得到了很快发展。
目前，飞轮储能技术己经在UPS、电力系统、混合动力机车等领域获得了成功应用。
飞轮储能技术涉及多种学科与技术，主要包括机械科学、电气科学、磁学、控制科学和材料科学等多学科，以及复合材料的成型与制造技术、高矫顽力稀土永磁材料技术、磁悬浮技术、传感技术、用于变压变频的电力电子技术、高速双向电动机/ 发电机技术等关键技术。
飞轮储能装置的结构如图3-7 所示，主要包括5 个基本组成部分：(1)采用高强度玻璃纤维(或碳纤维)复合材料的飞轮转子；(2)悬浮飞轮的电磁轴承及机械保护轴承；(3)电动/ 发电互逆式电机；（4）电机控制与电力转换器；(5) 高真空及安全保护罩。
轴承真空容器电机飞轮轴承图3-7 飞轮储能原理现代飞轮储能系统的飞轮转子在运动时由磁力轴承实现转子无接触支承，而机械保护轴承主要负责转子静止或存在较大的外部扰动时的辅助支承，以避免飞轮转子与定子直接相撞而导致灾难性破坏。
高真空及安全保护罩用来保持壳体内始终处于真空状态，减少转子运转的风耗，同时避免一旦转子产生爆烈或定子与转子相碰时发生意外。
此外还有一些辅助系统，例如用来负责电机和磁悬浮轴承的冷却系统，显示仪表则用来显示剩余电量和工作状态。
飞轮储能系统是一种机电能量转换与储存装置，它存在两个工作模式：一种为“充电”模式，这时电机作为电动机运行，由工频电网提供的电能经功率电子变换器驱动电机加速，电机拖动飞轮加速储能，能量以动能形式储存在高速旋转的飞轮体中；另一种为“放电”模式，当飞轮达到设定的最大转速以后，系统处于能量保持状态，直到接收到一个释放能量的控制信号，系统释放能量，高速旋转的飞轮利用其惯性作用拖动电机减速发电，经功率变换器输出适用于负载要求的电能，从而完成动能到电能的转换。
电能储能方式
一、飞轮储能
含义 原理 特点 运用
一、飞轮储能
含义
指利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能 转化成机械能储存起来，在需要的时候再用飞 轮带动发电机发电的储能方式。
一、飞轮储能
原理 基本原理：由电能驱动飞轮到高速旋转，当需要电能 时，飞轮减速，电动机作发电机运行，将飞轮的动能 转化为电能。
循环寿命2000次，而且可以快速充电，虽说其价格为铅酸蓄电池的4～5 倍，但由于其在比能量和使用寿命方面的优势，因此其长期的实际使用 成本并不高。但由于其含有重金属镉，在使用中不注意回收的话，就会 形成环境污染，目前许多发达国家都已限制发展和使用镉镍电池。而氢 镍电池则是一种绿色镍金属电池，它的正负极分别为镍氢氧化物和储氢 合金材料，不存在重金属污染问题，且其在工作过程中不会出现电解液 增减现象，电池可以实现密封设计。镍氢电池在比能量、比功率及循环 寿命等方面都比镉镍电池有所提高，使用氢镍电池的电动汽车一次充电 后的续驶里程曾经达到过600公里，目前在欧美已实现了批量生产和使 用。氢镍电池就其工作原理和特点是适合电动汽车使用的，它已被列为 近期和中期电动汽车用首选动力电池，但其还存在价格太高，均匀性较 差（特别是在高速率、深放电下电池之间的容量和电压差较大），自放 电率较高，性能水平和现实要求还有差距等问题，这些问题都影响着氢 镍电池在电动汽车上的广泛使用。
一、飞轮储能
飞轮储能装置中有一个内置电机,它既是电动 机也是发电机。在充电时,它作为电动机给飞 轮加速;当放电时,它又作为发电机给外设供电, 此时飞轮的转速不断下降;而当飞轮空闲运转 时,整个装置则以最小损耗运行。
一、飞轮储能
特点
飞轮储能具有效率高、建设周期短、寿命长、高储能、 充放电快捷、充放电次数无限以及无污染等有点。适 用于电网调频和电能质量保障 。
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飞轮储能特点
飞轮储能是一种利用旋转机械惯性实现能量储存和释放的储能技术。
它具有高功率密度、快速响应、长寿命、低损耗等特点，被广泛应用于电力系统、工业制造、交通运输等领域。
飞轮储能的特点主要包括以下几个方面：
1. 高功率密度：飞轮储能可以实现高能量密度的储存和释放。
通过提高飞轮的转速和质量，可以实现更高的储能密度，使得单位体积或单位质量的设备可以储存更多的能量。
2. 快速响应：飞轮储能具有快速响应的特点，可以在短时间内实现能量的储存和释放。
相比于传统的化学储能技术，如蓄电池，飞轮储能可以更快地响应负荷需求的变化，提供更快速、更稳定的电力输出。
3. 长寿命：飞轮储能设备由于没有化学反应和物质的消耗，具有较长的使用寿命。
飞轮储能系统可以经受大量的充放电循环，同时不会产生容量衰减和记忆效应，可以实现长期稳定的储能和释放。
4. 低损耗：飞轮储能系统具有较低的能量损耗和能量转换损失。
由于飞轮在旋转过程中没有能量转换的过程，能量损失主要来自于摩擦和空气阻力。
通过采用高性能的轴承和真空封装技术，可以最大程度地降低能量损耗，提高系统效率。
5. 可调节性：飞轮储能系统可以根据需求进行能量的储存和释放。
通过调整飞轮的转速和负载的连接方式，可以实现对能量储存和输出的调节，满足不同负荷需求的变化。
6. 环保节能：飞轮储能不产生污染物和废弃物，对环境无害。
与传统的化石燃料发电和化学储能技术相比，飞轮储能具有更低的碳排放和环境影响，可以有效减少能源消耗和环境污染。
飞轮储能技术在电力系统中的应用越来越广泛。
它可以作为储能装置与电网相连，实现对电网频率和电压的调节，平衡供需之间的差异。
同时，飞轮储能还可以用于应对电力系统中的瞬时功率需求，提供快速响应的功率输出，避免电网峰值负荷过载的问题。
此外，飞轮储能还可以用于备用电源和UPS系统，保障关键设备和重要场所的稳定供电。
在工业制造领域，飞轮储能可以用于平衡系统负载和动力需求的变化，提高系统的能量利用效率。
例如，在起重设备中，飞轮储能可以通过回收下降物体的动能来提供上升物体所需的能量，减少能量的浪费和成本的消耗。
在交通运输领域，飞轮储能可以用于提供电动车辆的动力输出，提高车辆的续航里程和加速性能。
飞轮储能具有高功率密度、快速响应、长寿命、低损耗等特点。
它是一种高效、环保的储能技术，在电力系统、工业制造、交通运输等领域有着广泛的应用前景。