機械儲能-飛輪儲能

機械儲能飛輪儲能在汽車上的應(yīng)用

SZ1302049

徐亮2021/10/10星期日1參考文獻張邦力，飛輪儲能裝置在機車車輛上的應(yīng)用研究[D]，西南交通大學，2011文少波，蔣書運，飛輪儲能系統(tǒng)在汽車中的應(yīng)用研究[J]，機械設(shè)計與制造，2010,12（12），82—84Chenjunling,JiangXinjian,ZhuDongqi.etc,ANovelUninterruptiblePowerSupplyusingFlywheelEnergyStorageUnit.ElectronicsandMotionControlConference,2004.IPEMC2004.The4thInternationalVolume3:1180—1184StuderPA，RodriguezE.Highspeedreactionwheelsforsatelliteattitudeandenergystorage.20thIntersocietyEnergyConversionEngineeringConference（IECEC)[C].InternationalSocietyofAutomotiveEngineers，1985:2349—2352湯雙清，廖道訓，吳正佳，電動汽車的核心技術(shù)及發(fā)展展望[J]，機械科學與技術(shù)，2003（3）:189—192DirkLenhard等(德)，618/619型內(nèi)燃動車組的電氣裝置[J]，國外內(nèi)燃機車2002年第3期Yong,英利暗渡飛輪儲能，21世紀經(jīng)濟報道

（中國儲能網(wǎng)）蔣書運，衛(wèi)海崗.飛輪儲能技術(shù)研究的發(fā)展現(xiàn)狀[J]，太陽能學報，2000，21（4）:427—4332021/10/10星期日2飛輪儲能應(yīng)用背景隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,世界能源日趨緊張，節(jié)能環(huán)保已經(jīng)引起各個國家高度重視。能源的回收再利用是節(jié)能環(huán)保的主要手段。傳統(tǒng)的電能儲存一般采用蓄電池，直到最近幾十年,隨著新型材料技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展,飛輪儲能技術(shù)實現(xiàn)了重大突破。由于其具有儲能大、比功率高、壽命長、無二次污染等優(yōu)點,目前已經(jīng)在航空航天、不間斷供電電源、電動汽車等諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。2021/10/10星期日3飛輪儲能應(yīng)用背景2021/10/10星期日4飛輪儲能應(yīng)用背景2021/10/10星期日5飛輪儲能應(yīng)用背景市區(qū)行駛的公共汽車、地鐵車輛和輕軌車輛等，它們需要頻繁起動和制動，有著很大潛力的車輛制動能量至今還沒有被很好地開發(fā)與利用。因此有必要開展儲能裝置在機車車輛上的應(yīng)用研究，為車輛節(jié)能技術(shù)的多樣化探索一條新路。而飛輪儲能結(jié)構(gòu)簡單，能源轉(zhuǎn)化效率高，是車輛節(jié)能和發(fā)展電動汽車的理想選擇。2021/10/10星期日6飛輪儲能原理2021/10/10星期日7飛輪儲能原理飛輪儲能的工作原理即在電力富裕條件下，由電能驅(qū)動飛輪到高速旋轉(zhuǎn),電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能儲存；當系統(tǒng)需要時，飛輪減速,電動機作發(fā)電機運行,將飛輪動能轉(zhuǎn)換成電能,供用戶使用。飛輪儲能通過轉(zhuǎn)子的加速和減速，實現(xiàn)電能的存入和釋放。2021/10/10星期日8飛輪儲能國內(nèi)外發(fā)展情況早在一百多年前就有人提出采用飛輪儲能的思想，由于當時飛輪材料(通常為鋼材或其他金屬)以及軸承技術(shù)的制約,飛輪只能處于相對較低的速度,致使系統(tǒng)難以實現(xiàn)高效、大容量、長時間的儲能，這樣飛輪儲能技術(shù)在很長時間內(nèi)都沒有突破。直到20世紀60一70年代，美國宇航局研究中心成功的地將飛輪作為蓄能電池應(yīng)用到衛(wèi)星上，標志著飛輪儲能電池可以取代化學電池。2021/10/10星期日9飛輪儲能國內(nèi)外發(fā)展情況80年代初，瑞士Oerlikon（歐瑞康）工程公司研制了第一輛完全由飛輪供能的公共汽車。飛輪直徑1.63m，重1.5t，在氫氣環(huán)境里以3000rpm運行以降低風損。該車可載乘客70名，行程大約0.8km，在每一?？空就＼嚂r，飛輪需要充電2min。2021/10/10星期日10飛輪儲能國內(nèi)外發(fā)展情況1992年美國飛輪系統(tǒng)公司（AFS）開發(fā)了一種用于汽車上的機-電電池（EMB），每個“電池”長18厘米，直徑23厘米，質(zhì)量為23千克。電池的核心是一個以20萬轉(zhuǎn)／分旋轉(zhuǎn)的碳纖飛輪，每個電池儲能為1千瓦小時，它們將12個“電池”放在IMPACT轎車上，能使該車以100千米／小時的速度行駛480千米。機-電電池共重273千克，若采用鉛酸電池，則共重396千克。機-電電池所儲的能量為鉛酸電池的2.5倍，使用壽命是鉛酸電池的8倍，且它的“比功率”（即爆發(fā)力）極高，是鉛酸電池的25倍，是汽油發(fā)動機的10倍，它可將該車在8秒鐘內(nèi)由靜止加速至100千米／小時。2021/10/10星期日11飛輪儲能國內(nèi)外發(fā)展情況Impact轎車2021/10/10星期日12飛輪儲能國內(nèi)外發(fā)展情況美國羅森汽車公司（Rosenmotor）1993年開始研究混合動力汽車，采用功率僅為30KW的渦輪發(fā)動機和飛輪儲能系統(tǒng)共同驅(qū)動汽車。飛輪可以儲存1kWh的能量，并于1997年進行了道路試驗，將該系統(tǒng)裝在土星汽車上后，汽車從靜止加速到100km/h只須6秒，即使長期擱置不用，飛輪也可以在渦輪發(fā)動機的帶動下，2分鐘內(nèi)恢復其工作轉(zhuǎn)速。2021/10/10星期日13飛輪儲能國內(nèi)外發(fā)展情況

1994年，美國阿貢（ANL）國家實驗室用碳纖維試制一個儲能飛輪：直徑38厘米，質(zhì)量為11千克，采用超導磁懸浮，飛輪線速度達1000米／秒。它儲的能量可將10個100瓦燈泡點燃2～5小時。該實驗室目前正在開發(fā)儲能為50千瓦小時的儲能輪，最終目標是使其儲能達5000千瓦小時的儲能飛輪。一個發(fā)電功率為100萬千瓦的電廠，約需這樣的儲能輪200個。2021/10/10星期日14飛輪儲能國內(nèi)外發(fā)展情況英國FlybirdSystems主要致力于將飛輪應(yīng)用于輔助汽車驅(qū)動系統(tǒng)，采用碳纖維復合材料飛輪，該系統(tǒng)重24kg，功率60kW，凈儲能量達400kJ，飛輪工作轉(zhuǎn)速35000rpm（極限轉(zhuǎn)速超過60000rpm），系統(tǒng)能將剎車制動時70%的能量加以回收利用。2021/10/10星期日15飛輪儲能國內(nèi)外發(fā)展情況2021/10/10星期日16飛輪儲能國內(nèi)外發(fā)展情況2000年柏林交通技術(shù)創(chuàng)新展覽會上,首次展出一款新一代動車組樣車一618/619型內(nèi)燃動車,該車屬于輕型地區(qū)特快列車(LIREX)的電傳動內(nèi)燃動車組家族“在內(nèi)燃動車上第一次應(yīng)用了制動能量儲存系統(tǒng)(功率P=300kw，轉(zhuǎn)速=25000rpm;容量W=6kwh)，回收制動能量并進行儲存,需要能量時再輸出。其主要由電動/發(fā)電機組，碳纖維飛輪，制動電阻及與中間直流環(huán)節(jié)相連的功率電子裝置等部件組成。2021/10/10星期日17飛輪儲能國內(nèi)外發(fā)展情況日木在飛輪儲能方面也取得了重大進展，己研制出使用飛輪電池來回收制動時車輛動能的電動汽車，飛輪最高轉(zhuǎn)速為36000rpm，試驗過程中動能——電能轉(zhuǎn)化率達到85%。由研究所、高校和日立、三菱、精工等公司組成的研究組對采用高溫超導磁軸承的飛輪儲能系統(tǒng)進行研究，已研制出3種試驗?zāi)Ｐ蜋C，并進行了容量為8MWh、功率為1000kw的飛輪儲能機組的概念設(shè)計。2021/10/10星期日18飛輪儲能國內(nèi)外發(fā)展情況加拿大Flywheelenergysystems

Inc公司的復合材料飛輪設(shè)計制造技術(shù)成熟，己經(jīng)有系列成品出售如：45系列、39系列、25系列等，其中45系列4號飛輪轉(zhuǎn)速達到45000rpm，線速度996m/s，儲能密度97Wh/kg。

國外已商品化的150Wh的飛輪電池

2021/10/10星期日19飛輪儲能國內(nèi)外發(fā)展情況2021/10/10星期日20飛輪儲能國內(nèi)外發(fā)展情況2021/10/10星期日21飛輪儲能國內(nèi)外發(fā)展情況大型汽車消耗的能源較多，浪費的能量相對集中，易收集，利用機械式飛輪儲能系統(tǒng)儲存制動能量效果比較明顯，其原理是：將飛輪通過傳動機構(gòu)與汽車后橋相連接，中間接有離合器控制其斷連，離合器由電腦自動控制。當汽車處于制動階段，離合器在控制器的作用下閉合，汽車車軸帶動飛輪轉(zhuǎn)動，汽車動能轉(zhuǎn)換成飛輪動能，當飛輪儲能達到峰值或車速過低，離合斷開，飛輪儲能完畢。反之，飛輪釋放能量，為汽車提供起步加速扭矩，降低汽車起步油耗。2021/10/10星期日22飛輪儲能國內(nèi)外發(fā)展情況作為高級轎車的雷克薩斯混合動力車型“HS250h”，其燃油經(jīng)濟性非常的出色，能夠達到每升汽油行駛23KM，而一般中等排量汽油發(fā)動機汽車每升汽油行駛約12公里；大排量汽車約5公里。2021/10/10星期日23飛輪儲能國內(nèi)外發(fā)展情況2021/10/10星期日24飛輪儲能國內(nèi)外發(fā)展情況早在上世紀80年代初期，中國科學院電工研究所就開始了飛輪儲能系統(tǒng)的探索，但之后國內(nèi)沒有開展實質(zhì)性的研究工作。直到上世紀90年代中期，在國外技術(shù)進步的影響下，國內(nèi)的飛輪儲能技術(shù)研發(fā)才逐步興起。2021/10/10星期日25飛輪儲能國內(nèi)外發(fā)展情況清華大學在1997年首次實現(xiàn)0.3千瓦時飛輪儲能樣機的充放電實驗。采用復合材料的第一代飛輪儲能系統(tǒng)，飛輪重8kg，直徑23cm，成功運轉(zhuǎn)到48000rpm，實現(xiàn)了充放電功能。1999年研制出第二代飛輪，重15kg，直徑30cm，于2001年成功運轉(zhuǎn)到70000rpm，儲能500Wh。2021/10/10星期日26飛輪儲能國內(nèi)外發(fā)展情況北京航空航天大學、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所等機構(gòu)還開展了飛輪儲能電源的航天應(yīng)用研究。其中北航房建成教授帶領(lǐng)的團隊所完成的“衛(wèi)星新型姿控儲能兩用飛輪技術(shù)”項目，獲得了2007年度國家技術(shù)發(fā)明一等獎。2021/10/10星期日27飛輪儲能國內(nèi)外發(fā)展情況根據(jù)英利首席執(zhí)行官苗連生透露的情況，當前英利的飛輪儲能電機中飛輪轉(zhuǎn)速達6萬轉(zhuǎn)，將來會達到14萬轉(zhuǎn)，目前已經(jīng)取得了成果，年底就可以推出第一批樣機。第一批飛輪儲能樣機功率將在20千瓦至60千瓦之間該公司選擇了日本的小儲能研發(fā)路線，所做的飛輪儲能設(shè)備科技含量，苗連生表示，已經(jīng)接近歐美，而且國產(chǎn)化率達到了80%，所有生產(chǎn)設(shè)備沒有采用購買進口設(shè)備，全是定制性的設(shè)備。2021/10/10星期日28飛輪儲能國內(nèi)外發(fā)展情況2021/10/10星期日29飛輪儲能國內(nèi)外發(fā)展情況第十五屆北京科技博覽會上英利集團展出的自主研發(fā)的1kwh磁懸浮儲能飛輪；2021/10/10星期日30飛輪儲能優(yōu)勢2021/10/10星期日31飛輪儲能優(yōu)勢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(yōu)點，主要表現(xiàn)在如下幾個方面：(1)能量密度高：儲能密度可達100～200wh／kg，功率密度可達5000～10000w／kg。

(2)能量轉(zhuǎn)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(huán)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(huán)幾百萬次運行，預(yù)期壽命20年以上。

(6)低損耗、低維護：磁懸浮軸承和真空環(huán)境使機械損耗可以被忽略，系統(tǒng)維護周期長。2021/10/10星期日32飛輪儲能的應(yīng)用濟南文化藝術(shù)中心，第十屆中國藝術(shù)節(jié)配備了兩臺飛輪儲能發(fā)電車，合計容量達到了1750千伏安，確保不間斷供電2021/10/10星期日33飛輪儲能的發(fā)展趨勢作為一種新興的儲能方式，飛輪電池所擁有傳統(tǒng)化學電池無法比擬的優(yōu)點已被人們廣泛認同，它非常符合未來儲能技術(shù)的發(fā)展方向。目前，飛輪電池除了上面介紹的應(yīng)用領(lǐng)域以