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飛輪電池的優缺點是什么

鉅大LARGE  |  點擊量:5656次  |  2018年06月01日  

摘要
飛輪電池的優點,主要表如下幾個方面:   能量密度高:儲能密度可達100~200wh/kg,功率密度可達5000~l0000w/kg。   能量轉換效率高:工作效率高達百分之90。

   飛輪電池的優點,主要表如下幾個方面:


  能量密度高:儲能密度可達100~200wh/kg,功率密度可達5000~l0000w/kg。


  能量轉換效率高:工作效率高達百分之90。


  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。


  工作溫度范圍寬:對環境溫度沒有嚴格要求。


  使用壽命長:不受重復深度放電影響,能夠循環幾百萬次運行,預期壽命20年以上。


  低損耗、低維護:磁懸浮軸承和真空環境使機械損耗可以被忽略,系統維護周期長。


  飛輪電池的缺點點,主要有兩個方面:


  1.飛輪一般都采用碳纖維制成,制造飛輪的碳纖維材料目前還很貴,成本比較高。


  2.飛輪一旦充電,就會不停轉動下去。當我不用電時,飛輪還在那里轉動,浪費了能量。


  飛輪電池是20世紀90年代才提出的新概念電池,它突破了化學電池的局限,用物理方法實現儲能。眾所周知,當飛輪以一定角速度旋轉時,它就具有一定的動能。飛輪電池正是以其動能轉換成電能的。高技術型的飛輪用于儲存電能,就很像標準電池。


  飛輪電池兼顧了化學電池、燃料電池和超導電池等儲能裝置的諸多優點,主要表如下幾個方面:


  (1)能量密度高:儲能密度可達100~200wh/kg,功率密度可達5000~l0000w/kg。


  (2)能量轉換效率高:工作效率高達百分之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:對環境溫度沒有嚴格要求。


  (5)使用壽命長:不受重復深度放電影響,能夠循環幾百萬次運行,預期壽命20年以上。


  (6)低損耗、低維護:磁懸浮軸承和真空環境使機械損耗可以被忽略,系統維護周期長。(1)由于在實際工作中,飛輪的轉速可達40000~50000r/min,一般金屬制成的飛輪無法承受這樣高的轉速,容易解體,所以飛輪一般都采用碳纖維制成,制造飛輪的碳纖維材料目前還很貴,成本比較高。


 ?。?)飛輪一旦充電,就會不停轉動下去。當我不用電時,飛輪還在那里轉動,浪費了能量。例如給一輛飛輪電池汽車充電后,該汽車可以行駛三小時,汽車走了兩個小時后,車主需要就餐半小時,那么,這半小時,飛輪就在那里白白轉動。不過,也有人說,飛輪空轉時,由于沒有負載,能量損失不會太大,比目前存放一段時間不用的蓄電池損失的能量還要小。如果靜止不動,幾乎沒有能量損失。解決的辦法:給飛輪電池配備化學充電電池,當不需要用電時,可把飛輪轉動的電能充進化學電池中。但是給飛輪電池配備化學電池帶來的問題是,增加了汽車或設備的重量。


  飛輪電池是20世紀90年代才提出的新概念電池,它突破了化學電池的局限,用物理方法實現儲能。眾所周知,當飛輪以一定角速度旋轉時,它就具有一定的動能。飛輪電池正是以其動能轉換成電能的。高技術型的飛輪用于儲存電能,就很像標準電池。


  飛輪電池中有一個電機,充電時該電機以電動機形式運轉,在外電源的驅動下,電機帶動飛輪高速旋轉,即用電給飛輪電池"充電"增加了飛輪的轉速從而增大其功能;放電時,電機則以發電機狀態運轉,在飛輪的帶動下對外輸出電能,完成機械能(動能)到電能的轉換。當飛輪電池發出電的時,飛輪轉速逐漸下降,飛輪電池的飛輪是在真空環境下運轉的,轉速極高(高達200000r/min,使用的軸承為非接觸式磁軸承。據稱,飛輪電池比能量可達150W·h/kg,比功率達5000-10000W/kg,使用壽命長達25年,可供電動汽車行駛500萬公里。美國飛輪系統公司已用最新研制的飛輪電池成功地把一輛克萊斯勒LHS轎車改成電動轎車,一次充電可行駛600km,由靜止到96km/h加速時間為6.5秒。


  使用化學電池的電動汽車目前已試驗過幾十年,但至今尚未進入實用階段。太陽能、風能、潮夕能、海浪能,都存在儲存問題,目前主要靠化學電池,但受到化學蓄電池壽命及效率的制約,至今尚不能廣泛應用。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,而且無污染的綠色儲能裝置。出乎意料,古老的“飛輪”變成了首選對象。[1]


  “飛輪”這一儲能元件,已被人們利用了數千年,從古老的紡車,到工業革命時的蒸汽機,以往主要是利用它的慣性來均衡轉速和闖過“死點”,由于它們的工作周期都很短,每旋轉一周時間不足一秒鐘,在這樣短的時間內,飛輪的能耗是可以忽略的?,F在想利用飛輪來均衡周期長達12~24小時的能量,飛輪本身的能耗就變得非常突出了。能耗主要來自軸承摩擦和空氣阻力。人們曾通過改變軸承結構,如變滑動軸承為滾動軸承、液體動壓軸承、氣體動壓軸承等來減小軸承摩擦力,通過抽真空的辦法來減小空氣阻力,軸承摩擦系數已小到10-3。即使如此微小,飛輪所儲的能量在一天之內仍有25%被損失,仍不能滿足高效儲能的要求。再一個問題是常規的飛輪是由鋼(或鑄鐵)制成的,儲能有限。例如,欲使一個發電力為100萬千瓦的電廠均衡發電,儲能輪需用鋼材150萬噸!另外要完成電能機械能的轉換,還需要一套復雜的電力電子裝置,因而飛輪儲能方法一直未能得到廣泛的應用。


  圖1飛輪儲能裝置結構圖


  圖1飛輪儲能裝置結構圖


  近年來,飛輪儲能技術取得突破性進展是基于下述三項技術的飛速發展:一是高能永磁及高溫超導技術的出現;二是高強纖維復合材料的問世;三是電力電子技術的飛速發展。為進一步減少軸承損耗,人們曾夢想去掉軸承,用磁鐵將轉子懸浮起來,但試驗結果是一次次失敗。后來被一位英國學者從理論上闡明物體不可能被永磁全懸?。‥arnshaw定理),頗使試驗者心灰意冷。出乎意料的是物體全懸浮之夢卻在超導技術中得以實現,真像是大自然對探索者的慰藉。


  超導磁懸浮原理是這樣的:當我們將一塊永磁體的一個極對準超導體,并接近超導體時,超導體上便產生了感應電流。該電流產生的磁場剛好與永磁的磁場相反,于是二者便產生了斥力。由于超導體的電阻為零,感生電流強度將維持不變。若永磁體沿垂直方向接近超導體,永磁體將懸空停在自身重量等于斥力的位置上,而且對上下左右的干擾都產生抗力,干擾力消除后仍能回到原來位置,從而形成穩定的磁懸浮。若將下面的超導體換成永磁體,則兩永磁體之間在水平方向也產生斥力,故永磁懸浮是不穩定的。


  利用超導這一特性,我們可以把具有一定質量的飛輪放在永磁體上邊,飛輪兼作電機轉子。當給電機充電時,飛輪增速儲能,變電能為機械能;飛輪降速時放能,變機械能為電能。圖1是儲能飛輪裝置的示意圖,圖中超導體是由鋇釔銅合金制成,并用液氮冷卻至77K,飛輪腔抽至10-8托的真空度(托為真空度單位,1Torr(托)=133.332Pa),這種飛輪能耗極小,每天僅耗掉儲能的2%。


  飛輪儲能大小除與飛輪的質量(重量)有關外,還與飛輪上各點的速度有關,而且是平方的關系。因此提高飛輪的速度(轉速)比增加質量更有效。但飛輪的轉速受飛輪本身材料限制。轉速過高,飛輪可能被強大的離心力撕裂。故采用高強度、低密度的高強復合纖維飛輪,能儲存更多的能量。目前選用的碳纖維復合材料,其輪緣線速度可達1000米/秒,比子彈速度還要高。正是由于高強復合材料的問世,飛輪儲能才進入實用階段。


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