飞轮储能

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NASA G2 飞轮

飞轮能量储存英语Flywheel energy storage,缩写:FES)系统是一种能量储存方式,它通过加速转子(飞轮)至极高速度的方式,用以将能量以旋转动能的形式储存于系统中。当释放能量时,根据能量守恒原理,飞轮的旋转速度会降低;而向系统中贮存能量时,飞轮的旋转速度则会相应地升高。

大多数FES系统使用电流来控制飞轮速度,同时直接使用机械能的设备也正在研发当中。[1]

高能的FES系统所使用的转子是由高强度碳纤维制成的,并通过磁悬浮轴承英语Magnetic bearing实现悬浮,在真空罩内转子的转速可达到20,000到50,000 rpm。[2] 这类飞轮可以在几分钟内达到所需的速度——远远快于其他形式的能量存储。[2]

主要元件[编辑]

典型飞轮的主要元件

一个典型的FES系统包括一个用以减少摩擦力的真空室,内部配有由轴承支撑的转子,以及与之连接的一体化电动机发电机。其中的轴承可以是滚珠、磁悬浮轴承等。

第一代FES系统使用大型钢质飞轮,并配以机械轴承。新型系统则采用了碳纤维强化树脂英语Carbon-fiber-reinforced polymer复合飞轮,后者拥有更高的强度,质量上还比前者减轻了一个数量级[3]

为了减少摩擦力,有时会使用磁悬浮轴承英语Magnetic bearing替代机械轴承。

由于早期的磁悬浮轴承需要在极低的温度下工作以达到超导(SC)状态,受限于高昂的造价故一直未得到发展,后来高温超导体(HTSC)的出现改变了这一状态。然而单纯的高温超导体磁悬浮轴承虽然能提供稳定可靠的支撑,但面对大型结构却难以提供必须的提升力。因此,目前多采用混合型磁悬浮轴承,即以永磁体支撑重载荷,而超导体使载荷稳定。超导体能保持载荷稳定是因为其卓越的抗磁性:如果飞轮偏离中心,由于磁通钉扎英语Flux pinning效应,会产生一个回复力使之归中,这就是所谓的轴承的磁钢度。如果磁钢度和阻尼较低的话,则可能会发生转轴振动——这种超导磁体的固有问题,也使得纯超导体磁悬浮轴承难以在FES中应用。

磁通钉扎效应是飞轮能够稳定悬浮的重要因素,这也使得高温超导体相较其它材料更适于FES系统。只要磁通钉扎效应足够强,高温超导体粉末就能形成任意形状。但在FES系统的实际运行中,由于超导材料的磁通蠕动(flux creep英语Flux pinning)(或磁通运动(flux motion))效应,飞轮会逐渐下降、悬浮力也会减弱,如何克服这些问题则是FES中完全由超导体提供悬浮支撑力所要面临的持续挑战。

物理特性[编辑]

能量密度[编辑]

飛輪轉子的最大能量密度主要依賴於兩個因素,第一個是轉子的幾何形狀,而第二個是所使用的材料的屬性。對於單一材料,各向同性轉子這種關係可表示為[4]

\frac{E}{m} = K\left(\frac{\sigma}{\rho}\right),

其中的變量的定義如下:

E - 轉子的動能 [J]
m - 轉子的質量 [kg]
K - 轉子的幾何形狀係數[無量綱]
\sigma - 材料的拉伸強度 [Pa]
\rho - 材料的密度 [kg/m^3]

几何 (形状因子)[编辑]

材料[编辑]

飞轮[编辑]

抗张强度[编辑]

能量效率[编辑]

陀螺效应[编辑]

万向环[编辑]

应用[编辑]

交通[编辑]

公路[编辑]

轨道交通[编辑]

电气化轨道[编辑]

实验室[编辑]

娱乐[编辑]

脉冲电源[编辑]

由于FES可以快速充放电,他们适用于补偿脉冲发电机


摩托车[编辑]

电网[编辑]

风力发电机[编辑]

与一般电池的比较[编辑]

参见[编辑]

参考[编辑]

  1. ^ Torotrak Toroidal variable drive CVT, retrieved June 7, 2007.
  2. ^ 2.0 2.1 Castelvecchi, Davide. Spinning into control: High-tech reincarnations of an ancient way of storing energy. Science News. May 19 2007, 171 (20): 312–313. doi:10.1002/scin.2007.5591712010. 
  3. ^ Flybrid System KERS using carbon fiber flywheel
  4. ^ Genta, Giancarlo. Kinetic Energy Storage. London: Butterworth & Co. Ltd. 1985. 

扩展阅读[编辑]

  • Beacon Power Applies for DOE Grants to Fund up to 50% of Two 20 MW Energy Storage Plants, Sep. 1, 2009 [1]
  • Sheahen, T., P. Introduction to High-Temperature Superconductivity. New York: Plenum Press. 1994: 76–78, 425–431. ISBN 0-306-44793-2. 
  • El-Wakil, M., M. Powerplant Technology. McGraw-Hill. 1984: 685–689. 
  • Koshizuka, N.; Ishikawa, F.,Nasu, H., Murakami, M., Matsunaga, K., Saito, S., Saito, O., Nakamura, Y., Yamamoto, H., Takahata, R., Itoh, Y., Ikezawa, H., Tomita, M. Progress of superconducting bearing technologies for flywheel energy storage systems. Physica C. 2003, (386): 444–450. 
  • Wolsky, A., M. The status and prospects for flywheels and SMES that incorporate HTS. Physica C. 2002, (372–376): 1495–1499. 
  • Sung, T., H.; Han, S., C., Han, Y., H., Lee, J., S., Jeong, N., H., Hwang, S., D., Choi, S., K. Designs and analyses of flywheel energy storage systems using high-Tc superconductor bearings. Cryogenics. 2002, 42 (6–7): 357–362. doi:10.1016/S0011-2275(02)00057-7. 
  • Akhil, Abbas; Swaminathan, Shiva; Sen, Rajat K. Cost Analysis of Energy Storage Systems for Electric Utility Applications (pdf). Sandia National laboratories. 2007-02. 
  • Larbalestier, David; Blaugher, Richard D.; Schwall, Robert E.; Sokolowski, Robert S.; Suenaga, Masaki; Willis, Jeffrey O.;. Flywheels. Power Applications of Superconductivity in Japan and Germany. World Technology Evaluation Center. 1997-09. 
  • A New Look at an Old Idea: The Electromechanical Battery. Science & Technology Review (Lawrence Livermore National Laboratory). 1996-04: 12–19. 
  • Janse van Rensburg, P.J. Energy storage in composite flywheel rotors. University of Stellenbosch, South Africa. 2011-12. 

外部链接[编辑]