电动汽车的飞轮电池储能技术

2012-08-11 16:22:11来源: 互联网
  使用化学电池电动汽车目前已试验过几十年,但至今尚末进入实用阶段。太阳能、风能、潮夕能、海浪能,都存在储存问题,目前主要靠化学电池,但受到化学蓄电池寿命及效率的制约,至今尚不能广泛应用。以上诸多问题,促使人们寻求一种效率高、寿命长、储能多、使用方便,而且无污染的绿色储能装置。出乎意料,古老的“飞轮”变成了首选对象。

      “飞轮”这一储能元件,已被人们利用了数千年,从古老的纺车,到工业革命时的蒸汽机,以往主要是利用它的惯性来均衡转速和闯过“死点”,由于它们的工作周期都很短,每旋转一周时间不足一秒钟,在这样短的时间内,飞轮的能耗是可以忽略的。现在想利用飞轮来均衡周期长达12~24小时的能量,飞轮本身的能耗就变得非常突出了。能耗主要来自轴承摩擦和空气阻力。人们曾通过改变轴承结构,如变滑动轴承为滚动轴承、液体动压轴承、气体动压轴承等来减小轴承摩擦力,通过抽真空的办法来减小空气阻力,轴承摩擦系数已小到10-3。即使如此微小,飞轮所储的能量在一天之内仍有25%被损失,仍不能满足高效储能的要求。再一个问题是常规的飞轮是由钢(或铸铁)制成的,储能有限。例如,欲使一个发电力为100万千瓦的电厂均衡发电,储能轮需用钢材150万吨!另外要完成电能机械能的转换,还需要一套复杂的电力电子装置,因而飞轮储能方法一直未能得到广泛的应用。

  近年来,飞轮储能技术取得突破性进展是基于下述三项技术的飞速发展:一是高能永磁及高温超导技术的出现;二是高强纤维复合材料的问世;三是电力电子技术的飞速发展。为进一步减少轴承损耗,人们曾梦想去掉轴承,用磁铁将转子悬浮起来,但试验结果是一次次失败。后来被一位英国学者从理论上阐明物体不可能被永磁全悬浮(Earnshaw定理),颇使试验者心灰意冷。出乎意料的是物体全悬浮之梦却在超导技术中得以实现,真像是大自然对探索者的慰藉。

      超导磁悬浮原理是这样的:当我们将一块永磁体的一个极对准超导体,并接近超导体时,超导体上便产生了感应电流。该电流产生的磁场刚好与永磁的磁场相反,于是二者便产生了斥力。由于超导体的电阻为零,感生电流强度将维持不变。若永磁体沿垂直方向接近超导体,永磁体将悬空停在自身重量等于斥力的位置上,而且对上下左右的干扰都产生抗力,干扰力消除后仍能回到原来位置,从而形成稳定的磁悬浮。若将下面的超导体换成永磁体,则两永磁体之间在水平方向也产生斥力,故永磁悬浮是不稳定的。

      利用超导这一特性,我们可以把具有一定质量的飞轮放在永磁体上边,飞轮兼作电机转子。当给电机充电时,飞轮增速储能,变电能为机械能;飞轮降速时放能,变机械能为电能。图1是储能飞轮装置的示意图,图中超导体是由钡钇铜合金制成,并用液氮冷却至77K,飞轮腔抽至10-8托的真空度(托为真空度单位,1Torr(托)=133.332Pa),这种飞轮能耗极小,每天仅耗掉储能的2%。

      质量,v是速度。由于飞轮上各点的速度是不一样的,所以它的动能也可表达为:

      式中∑是“求和”的表示,mi是轮上各点的质量,vi是轮上各点的速度。由上式可知,飞轮储能大小除与飞轮的质量(重量)有关外,还与飞轮上各点的速度有关,而且是平方的关系。因此提高飞轮的速度(转速)比增加质量更有效。但飞轮的转速受飞轮本身材料限制。转速过高,飞轮可能被强大的离心力撕裂。故采用高强度、低密度的高强复合纤维飞轮,能储存更多的能量。目前选用的碳纤维复合材料,其轮缘线速度可达1000米/秒,比子弹速度还要高。正是由于高强复合材料的问世,飞轮储能才进入实用阶段。

      下面介绍一下国外飞轮储能的进展情况。

      1994年,美国阿贡(ANL)国家实验室用碳纤维试制一个储能飞轮:直径38厘米,质量为 11千克,采用超导磁悬浮,飞轮线速度达1000米/秒。它储的能量可将10个100瓦灯泡点燃2~5小时。该实验室目前正在开发储能为50千瓦小时的储能轮,最终目标是使其储能达5000千瓦小时的储能飞轮。一个发电功率为100万千瓦的电厂,约需这样的储能轮200个。

      1992年美国飞轮系统公司(AFS)开发了一种用于汽车上的机-电电池(EMB),每个“电池”长18厘米,直径23厘米,质量为23千克。电池的核心是一个以20万转/分旋转的碳纤飞轮,每个电池储能为1千瓦小时,它们将12个“电池”放在IMPACT轿车上,能使该车以100千米/小时的速度行驶480千米。机-电电池共重273千克,若采用铅酸电池,则共重396千克。机-电电池所储的能量为铅酸电池的2.5倍,使用寿命是铅酸电池的8 倍,且它的“比功率”(即爆发力)极高,是铅酸电池的25倍,是汽油发动机的10倍,它可将该车在8秒钟内由静止加速至100千米/小时。

     日本曾利用飞轮“比功率”高的特性设计了一个引发可控热核聚变的装置,如图2所示。该装置的飞轮直径达6.45米,高1米,重255吨。它所储存的能量与挂有150个车厢的列车以100千米/小时的速度行驶时所具有的能量相当。故将这些能量在极短时间释放出来足以引发核聚变。

      我国对飞轮的研究,始于1993年,在理论分析及模型试验方面也已取得不小的进展。以飞轮作储能装置,其可行性目前已无人怀疑。大规模的工业应用虽然还存在不少技术问题需要解决,但这只是时间问题。

      21,22世纪,太阳能(包括其派生的风能、浪能)可能变为唯一允许使用的能源,再辅以飞轮储能,太阳能电厂即可提供全天候的能源,这时,也只有这时,地球村的天空才会变得蔚蓝,水才会清莹,人类“绿色能源”之梦才会彻底实现。

      飞轮电池是90年代才提出的新概念电池,它突破了化学电池的局限,用物理方法实现储能。众所周知。当飞轮以一定角速度旋转时,它就具有一定的动能。飞轮电池正是以其动能转换成电能的。高技术型的飞轮用于储存电能,就很像标准电池。飞轮电池中有一个电机,充电时该电机以电动机形式运转,在外电源的驱动下,电机带动飞轮高速旋转,即用电给飞轮电池“充电”增加了飞轮的转速从而增大其功能;放电时,电机则以发电机状态运转,在飞轮的带动下对外输出电能,完成机械能(动能)到电能的转换。当飞轮电池输出电的时,飞轮转速逐渐下降,飞轮电他的飞轮是在真空环境下运转的,转速极高(高达200000r/min),使用的轴承为非接触式磁轴承。据称,飞轮电池比能呈可达150W·h/kg,比功率达5000-10000W/kg,使用寿命长达25年,可供电动汽车行驶500万公里。

      国外已经商品化了的飞轮电池,这是一只150WH飞轮电池的照片。

  目前的产品规格有:

  FLB-E 150 Wh

  FLB-E 500 Wh

  HB -B 2.5 kwh

  FLC-B 25 kwh

  FLB-D 200 kwh

  让我们看一下里面的结构吧。

  飞轮电池原理图飞轮储能技术是一种新兴的电能存储技术,它与超导储能技术、燃料电池技术等一样,都是近年来出现的有很大发展前景的储能技术。虽然目前化学电池储能技术已经发展得非常成熟,但是,化学电池储能技术存在着诸如充放电次数的限制、对环境的污染严重以及对工作温度要求高等问题。这样就使新兴的储能技术越来越受到人们的重视。尤其是飞轮储能技术,已经开始越来越广泛地应用于国内外的许多行业中。 

关键字:电动  电动汽车  汽车  电池

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2012/0811/article_5802.html
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