飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成、核心技術(shù)及應(yīng)用(2),機(jī)械工程論文

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成、核心技術(shù)及應(yīng)用(2),機(jī)械工程論文較為普遍的機(jī)械軸承有滾動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承、擠壓油膜阻尼軸承和陶瓷軸承等，由于滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承的摩擦損耗相對(duì)較大，所以在高速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中一般只用做輔助軸承，擠壓油膜阻尼軸承和陶瓷軸承在飛輪儲(chǔ)能中有所應(yīng)用[3].3.3.2被動(dòng)磁軸承〔1〕永磁軸承是被動(dòng)磁軸承的一種，是利用永磁體使兩個(gè)或多個(gè)磁環(huán)在軸向或是徑向懸浮。隨著這幾年永磁體的不斷發(fā)展，其承載力也大大提高，應(yīng)用的越來(lái)越廣泛。然而根據(jù)Earnshaw定理，僅依靠永磁體無(wú)法使物體在空間六個(gè)自由度都到達(dá)穩(wěn)定懸浮，穩(wěn)定懸浮至少需要華而不實(shí)一個(gè)自由的上的主動(dòng)控制[4].〔2〕超導(dǎo)磁軸承也是被動(dòng)磁軸承的一種。超導(dǎo)體在超導(dǎo)環(huán)境下具有邁斯納效應(yīng)，當(dāng)超導(dǎo)體處于磁場(chǎng)中時(shí)，其內(nèi)部的磁場(chǎng)恒等于零，即超導(dǎo)體在磁場(chǎng)中表現(xiàn)出完全抗磁性。超導(dǎo)體在磁場(chǎng)作用下其外表產(chǎn)生無(wú)損的感應(yīng)電流，該電流在超導(dǎo)體中沒(méi)有損耗，同時(shí)構(gòu)成了一個(gè)和原磁場(chǎng)大小相等、方向相反的鏡像磁場(chǎng)，如此圖3所示。這種磁場(chǎng)能夠使物體穩(wěn)定懸浮。3.3.3主動(dòng)磁軸承主動(dòng)磁軸承又稱電磁軸承，是通過(guò)改變控制電路中電流的通斷和大小來(lái)控制磁場(chǎng)的變化，同時(shí)通過(guò)實(shí)時(shí)反應(yīng)位置信號(hào)與輸出電流信號(hào)及時(shí)調(diào)整控制電流，進(jìn)而使軸承定子、轉(zhuǎn)子之間能夠穩(wěn)定懸浮，主動(dòng)磁軸承控制策略框圖，如此圖4所示。3.3.4混合軸承在實(shí)際應(yīng)用中，通常將上述幾種軸承結(jié)合起來(lái)使用到達(dá)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。〔1〕機(jī)械軸承與永磁軸承結(jié)合。機(jī)械軸承主要的缺點(diǎn)是摩擦損耗較大，永磁軸承能夠幫助克制重力到來(lái)的定子、轉(zhuǎn)子之間的壓力，進(jìn)而減少摩擦損耗?！?〕超導(dǎo)體與永磁體混合軸承。超導(dǎo)體作為定子，永磁體做轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子能夠懸浮在某一位置。同時(shí)超導(dǎo)體中俘獲的磁通由于釘扎力的存在不會(huì)隨意運(yùn)動(dòng)，保證了軸向穩(wěn)定性，使得轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮[5].〔3〕電磁與永磁體混合軸承。為了減少功耗，利用永磁體產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)，電流產(chǎn)生控制磁場(chǎng)，圖三極混合磁軸承[6],如此圖5所示。4飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用由于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有能量密度大、效率高、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)水平也日益完善，已經(jīng)在越來(lái)越多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。4.1在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用4.1.1電力調(diào)峰飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)用于電力調(diào)峰具有儲(chǔ)能、釋能速度快，效率高，同時(shí)不受地理環(huán)境影響的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)用電低谷時(shí)，將產(chǎn)生的多余電力用于驅(qū)動(dòng)飛輪儲(chǔ)能；當(dāng)用電高峰時(shí)，飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行，通過(guò)電力電力設(shè)備將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)匹配的電能。2008年，美國(guó)BeaconPower公司在馬薩諸塞州的Tyngsboro建設(shè)的一座5MW飛輪儲(chǔ)能調(diào)峰、調(diào)頻電廠投入商業(yè)使用，電廠總效率到達(dá)85%,該系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為4s,相比擬于需要5min響應(yīng)時(shí)間的傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)來(lái)講優(yōu)勢(shì)很明顯[7].4.1.2不間斷供電為了避免重要部門、軍事指揮中心、醫(yī)院手術(shù)樓、計(jì)算中心等重要用電場(chǎng)合停電或者電能質(zhì)量不穩(wěn)定，都會(huì)使用不間斷供電系統(tǒng)〔UPS〕。過(guò)去常使用化學(xué)電池，固然其技術(shù)成熟，但使用壽命較短，不支持頻繁的開(kāi)關(guān)操作，據(jù)業(yè)界統(tǒng)計(jì)，UPS系統(tǒng)的故障70%都是由化學(xué)電池引起的。美國(guó)ActivePower公司于2007年將飛輪儲(chǔ)能技術(shù)運(yùn)用在中國(guó)網(wǎng)通山西省通信公司太原第二樞紐樓的UPS中[8].在市電正常時(shí)，飛輪相當(dāng)于一臺(tái)低耗空載電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速維持在7700r/min;當(dāng)市電異常或停電時(shí)，飛輪系統(tǒng)能夠霎時(shí)供電。4.2在交通工具中的應(yīng)用4.2.1車載飛輪電池隨著能源日益短缺和對(duì)環(huán)境保衛(wèi)的重視，世界各地都在研究汽車的新動(dòng)力，而用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)代替內(nèi)燃機(jī)具有很好的前景，稱之為車載飛輪電池。車載飛輪電池具有清潔無(wú)污染、充電快速等優(yōu)點(diǎn)。上世紀(jì)80年代，瑞士研究出第一輛飛輪電池汽車的充電時(shí)間控制在2min中內(nèi)；90年代末，美國(guó)Texas大學(xué)將飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于軍用車輛中，該系統(tǒng)能夠間歇性的提供5MW的輸出脈沖，連續(xù)輸出功率為350kW,最小的空載損耗小于1000W,能夠知足14-ton的軍用偵查車輛的脈沖電力需求[9].4.2.2飛輪混合電池飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可以以與內(nèi)燃機(jī)或者化學(xué)電池并用于汽車中，當(dāng)汽車下坡或是剎車時(shí)，將汽車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為飛輪的機(jī)械能儲(chǔ)存；當(dāng)汽車加速、上坡等需要短時(shí)間大功率輸出時(shí)，飛輪再將能量釋放出來(lái)。這樣能夠使汽車節(jié)約大約30%的能量，也使加速度更大[10].由于軌道交通制動(dòng)比公路汽車更有規(guī)律性，飛輪在華而不實(shí)能夠在回收宏大能量。4.3在航空航天中的應(yīng)用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)使用壽命長(zhǎng)，非常合適對(duì)衛(wèi)星供電。同時(shí)，利用飛輪的動(dòng)量矩能夠有效地對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)進(jìn)行控制，代替原來(lái)的化學(xué)電池能夠減少了衛(wèi)星的重量。1986年2月，法國(guó)發(fā)射SPOT衛(wèi)星，初次將飛輪技術(shù)運(yùn)用于航天器，上面的3個(gè)反作用飛輪使衛(wèi)星對(duì)地球的指向控制精度為0.15，的姿態(tài)穩(wěn)定到達(dá)0.0001/s.5飛輪儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，飛輪儲(chǔ)能向大容量、高效率、無(wú)污染、高安全性、適應(yīng)性強(qiáng)的方向發(fā)展，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)將來(lái)的研究重點(diǎn)應(yīng)該包括下面幾個(gè)方面：〔1〕新材料的應(yīng)用。使用新型的復(fù)合材料能夠有效地增加飛輪的強(qiáng)度與儲(chǔ)能密度，高溫超導(dǎo)材料的突破也將為超導(dǎo)飛輪博得更大的優(yōu)勢(shì)。〔2〕磁軸承的研究。磁軸承的使用將使飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的損耗大大減少，同時(shí)增加其使用壽命，對(duì)飛輪速度的提升也大有幫助。〔3〕高速電機(jī)的研究。高速電機(jī)的研究將提供足夠的動(dòng)力使飛輪能夠攜帶更大的能量，增大飛輪電池的續(xù)航能力。〔4〕使用先進(jìn)的控制方式方法。先進(jìn)的控制方式方法能使系統(tǒng)效率高，響應(yīng)速度快，飛輪的高速問(wèn)題和損耗問(wèn)題也能有效解決。當(dāng)代控制方式方法向著智能控制的方向發(fā)展，常見(jiàn)的有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制等?！?〕模塊化建設(shè)。將多個(gè)飛輪列陣式的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)飛輪單元的模塊化。這樣就能夠大大擴(kuò)大儲(chǔ)能的規(guī)模，同時(shí)也增大了負(fù)載能力。6結(jié)論當(dāng)前飛輪儲(chǔ)能還不是主流的儲(chǔ)能方式，但其表現(xiàn)出來(lái)的潛質(zhì)讓人們寄予厚望，尤其是它儲(chǔ)能密度大、效率高、充放電快速、清潔無(wú)污染等特點(diǎn)得到人們認(rèn)可。這里對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的構(gòu)造原理、關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)都做了介紹與分析，并指出了飛輪儲(chǔ)能存在的局限性，通過(guò)這些缺乏分析了它的關(guān)鍵技術(shù)所需要解決的問(wèn)題。由于飛輪儲(chǔ)能在能源領(lǐng)域具有很多優(yōu)勢(shì)，因而對(duì)其研究具有重大意義。以下為參考文獻(xiàn)[1]湯雙清，楊家軍，廖道訓(xùn)。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研究綜述[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002,24〔1〕：78-82.〔TangShuang-qing,YangJia-jun,LiaoDao-xun.Summarizationofresearchonfflywheelenergystoragesystem[J].JournalofChinaThreeGorgesUniversity:NaturalScience,2002,24〔1〕：78-82.〕[2]WerfelFN,FloegelDelorU,RiedelT.Flywheelchallenge:HTSmagneticbearing[J].JournalofPhysics:ConferenceSeries,2006〔43〕：1007-1010.[3]王健，戴興建，李奕良。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)軸承技術(shù)研究新進(jìn)展[J].機(jī)械工程師，2008〔4〕：71-73.〔WangJian,DaiXing-jian,LiYi-liang.Progressofbearingtechnologyforflywheelenergystoragesys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