飛輪儲能系統(tǒng)研究.doc

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______________________________________________________________________________________________________________ 電機與電器專題課報告 ——飛輪儲能系統(tǒng)研究 哈爾濱工業(yè)大學 2014年6月  飛輪儲能系統(tǒng)研究 摘要：飛輪儲能系統(tǒng)(FESS)又稱飛輪電池或機電電池，由于它與化學電池相比所具有的巨大優(yōu)勢和未來市場的巨大潛力，引起了人們的密切關注。它結合了當今最新的磁懸浮技術、高速電機技術、電力電子技術和新材料技術，使得飛輪儲存的能量有了質的飛躍，再加上真空技術的應用，使得各種損耗也非常小。本文針對該領域近年來的研究成果，對飛輪儲能系統(tǒng)的幾大關鍵部件全面的論述。 引言： 飛輪電池是一種高科技機電一體化產(chǎn)品，它在國防工業(yè)、汽車工業(yè)、電力工業(yè)、電信業(yè)等領域具有廣闊的應用前景。作為電池家族的成員，這種新型的電池與化學電池相比具有以下幾方面突出的優(yōu)點。 (1) 儲能密度高。轉子轉速大于60000r/min的飛輪電池，在75%放電深度下產(chǎn)生大于20Whr/lb的比能量(此值還不是最高的)，而鎳氫電池只有5～6Whr/lb的比能量，其放電深度一般限制在30%～40%的范圍內。 (2) 無過充電、過放電問題?；瘜W電池一般不能深度放電，也不能過充電，否則其壽命會急劇下降。而飛輪電池在深度放電時，其性能完全不受影響，而且在電力電子協(xié)助下，非常容易防止過充電(實際上是限制轉子的最高轉速)。飛輪電池的壽命主要取決于其電力電子的壽命，故一般可達到20年左右。 (3) 容易測量放電深度，充電時間較短。飛輪電池只要測出轉子的轉速，就能確切知道其放電深度，而化學電池就沒有這么容易了。另外，飛輪電池的充電一般在幾分鐘之內即可完成，而化學電池則需要幾個小時，常見的需要七八個小時。 (4) 對溫度不敏感。化學電池在高溫或低溫時其性能會急劇下降，而飛輪電池則不然。 (5) 對環(huán)境友好。化學電池在報廢后會對環(huán)境產(chǎn)生惡劣影響，而且回收成本較高。飛輪電池是一種綠色電池，它不會對環(huán)境產(chǎn)生任何影響，故它在電動汽車方面的應用極具潛力。 飛輪電池的發(fā)展開始于20世紀70年代，當時正處于石油禁運和天然氣危機時期。此時，美國能量研究發(fā)展署(ERDA)及其后的美國能源部(DoE)資助飛輪系統(tǒng)的應用開發(fā)，包括電動汽車的超級飛輪的研究Lewis研究中心(LeRC)在ERDA的協(xié)助和美國航空航天局(NASA)的資助下專門研究用于真空下的機械軸承和用于復合車輛的飛輪系統(tǒng)的傳動系統(tǒng)。NASA同時也資助Goddard空間飛行中心(GSFC)研究適用于飛行器動量飛輪的電磁軸承。80年代，DoE削減了飛輪儲能研究的資助，但NASA繼續(xù)資助GSFC研究衛(wèi)星飛輪系統(tǒng)的電磁軸承，同時還資助了Langley研究中心(LaRC)及Marshall空間飛行中心(MSFC)關于組合能量儲存和姿態(tài)控制的動量飛輪構形的研究。 近10年來，一大批新型復合材料和新技術的誕生和發(fā)展，如高強度的碳素纖維復合材料(抗拉強度高達8。27GPa)、磁懸浮技術和高溫超導技術、高速電機/發(fā)電機技術以及電力電子技術等，使得飛輪能夠儲存大量的能量，給飛輪的應用帶來了新的活力。它可應用于國防工業(yè)(如衛(wèi)星、電磁炮和電熱化學槍、作戰(zhàn)偵察車輛等)、汽車工業(yè)(電動汽車)、電力行業(yè)(如電力質量和電力負載調節(jié)等)、醫(yī)療和電信業(yè)(作UPS用)等。NASA的應用有航天器(宇宙飛船)、發(fā)射裝置、飛行器動力系統(tǒng)、不間斷電源(UPS)和宇宙漫步者。 典型的飛輪電池一般由5個部分組成:①高速儲能飛輪；②集成驅動的電動機-發(fā)電機；③磁懸浮軸承及控制系統(tǒng)；④電力電子；⑤輔件和應用接口。其結構參見圖1。從應用的角度看，飛輪電池的潛力尚未得到應有的發(fā)掘。就發(fā)展狀況而言，它本身也遠未達到替代其他電池的水平。原因除造價昂貴及設計理論尚未成熟外，還在于高速電機及磁軸承系統(tǒng)的控制方面仍有許多課題亟待研究和解決。本文將近年來國內外的研究熱點歸納為以下幾個方面。 圖1飛輪儲能系統(tǒng)結構簡圖 從應用的角度看，飛輪電池的潛力尚未得到應有的發(fā)掘。就發(fā)展狀況而言，它本身也遠未達到替代其他電池的水平。原因除造價昂貴及設計理論尚未成熟外，還在于高速電機及磁軸承系統(tǒng)的控制方面仍有許多課題亟待研究和解決。本文將近年來國內外的研究熱點歸納為以下幾個方面。 1 復合材料飛輪 選用高抗拉強度的飛輪材料是飛輪電池能夠儲存較多能量的先決條件，其次才是飛輪的結構設計。飛輪儲存的能量跟它的旋轉速度的平方成正比，和它的轉動慣量成正比。飛輪的旋轉速度和它的結構尺寸受到它的材料的強度，特別是拉伸強度所制約。對于一個薄圓環(huán)形的旋轉飛輪，它所儲存的能量和材料的容許拉伸應力的關系為 (1) 式中：為圓環(huán)的質量；為其回轉半徑；為飛輪的轉動慣量；為其角速度；為其材料的密度；為材料的容許拉伸應力；為飛輪的動能。由此可見，要想獲得最大的能量儲存，必須選用高比強度()的材料。所以，用碳素纖維復合材料制造飛輪最具優(yōu)勢。 為了達到較高的儲能密度，飛輪目前一般使用高強度的碳素纖維復合材料。當采用T1000時，其拉伸強度高達1.2×106psi(8.27GPa)，對應于該值的理論比能量是241.5Whr/lb(532.41Whr/kg)，比功率是766W/kg。 碳素纖維復合材料不能獨立成形，一般常用聚合物母基，如環(huán)氧樹脂(epoxy)作為填充物。碳素纖維復合材料飛輪的制造分兩步，首先碳素纖維在三維編織機上編織成飛輪所需要的形狀，然后將預成型的織物放置在設計好的模具內，再將環(huán)氧樹脂和催化劑在一定的壓力和溫度下注入到模型腔內，經(jīng)過一定時間的固化，復合材料飛輪轉子就制造出來了。目前，研究者對異構飛輪的制造產(chǎn)生了濃厚的興趣，其相應的制造技術有輻射網(wǎng)狀成形技術(LENS)及斯坦福大學和卡內基·梅隆大學聯(lián)合開發(fā)的形狀沉積制造(SDM)技術等。其中后者適合于制造多環(huán)復合材料飛輪。 飛輪的結構設計首先要考慮的是飛輪電池的電機、磁軸承和一些輔件在其內的布置，其次是考慮最大化儲存能量，因此必須對飛輪結構進行優(yōu)化。同構飛輪的優(yōu)化相對較簡單，Kirk和Ries(1992)已經(jīng)得出了飛輪最優(yōu)的徑向厚度比(ID/OD=0。45)。而異構飛輪的優(yōu)化則要復雜得多。異構飛輪的建模結合了幾何、拓撲和材料信息，給出了一種非常全面的物體描述。借助于這種模型，異構飛輪的圖形顯示、體積、質量、和各種應力計算能夠容易實現(xiàn)。對異構飛輪的優(yōu)化目前較成功的是采用遺傳算法和基于梯度算法的組合。 2 集成驅動的電動機-發(fā)電機 飛輪電池中的電動機-發(fā)電機已經(jīng)集成為一個部件，當它“充電”時充當電動機，從外部吸收電能，以使飛輪轉子的轉速升高，直至達到設計的轉速；而“放電”時充當發(fā)電機，向外輸出電能，此時飛輪的轉速不斷下降。 對于高速操作的飛輪電池，有三種極具潛力的電機技術，即感應電機、開關磁阻電機及永磁無刷直流/交流電機技術[8]。而以永磁無刷直流/交流電機應用居多，尤其是對轉速在30000r/min以上的飛輪電池更是如此。 對于高速的永磁無刷電機轉子磁場，有兩種布置方式。其一是將稀土永久硬磁材料(如NdFeB)首先制成磁粉，然后在飛輪轉子成形過程中隨環(huán)氧樹脂加入其中，因而消除了成塊磁性材料的集中載荷，確保了轉子內無功率損耗.最后在轉子空腔內安放磁化工具，利用高脈沖磁場使轉子內的硬磁材料磁化成所需的型式.其二是采用著名的偶極子Halbach排列，如圖2所示，Trinity飛輪動力公司發(fā)展了Halbach排列的電機構形，轉子能夠在位于真空邊界外面的定子附近旋轉，三相Litz導線分多層纏繞在定子(作為非彈性體)上，定子軸線與轉子相同，這樣循環(huán)冷卻液體完全位于真空外面，以利于真空的密封。 圖2Trinity電動機-發(fā)電機截面圖 根據(jù)Halbach排列的電動機-發(fā)電機，無需安裝任何軛鐵，因此也就不存在端部負載或不平衡力矩作用在轉子或它的懸浮物上，而且轉子和定子的氣隙也不需作為關鍵尺寸來控制。 英國的Urenco有限責任公司和國際能量系統(tǒng)公司發(fā)展了第一種電機構型，它們將電機轉子的永磁材料(釹鐵硼NdFeB)先制成磁粉，而后在形成三維編織復合材料飛輪時連同碳素纖維復合材料和環(huán)氧樹脂一起固化在飛輪內.飛輪轉子制成后，再在特制的沖磁機上將轉子沖磁成所需的型式.這種永磁電機具有更小的結構尺寸和更高的效率，更重要的是，由于磁性材料的不連續(xù)分布，電機轉子沒有任何集中載荷，從而確保轉子內無任何功率損耗.當轉子的速度達到42000r/min時，儲存的能量達18MJ.與普通電機相比，這種電機的損耗是非常小的，尤其當采用高硅鋼疊片的定子時，磁損耗最小，渦流損耗也最小，再加上定子繞組采用精制絞合導線，補償了集膚效應。 3磁懸浮軸承 在飛輪電池中的磁懸浮軸承主要用來支承高速旋轉的飛輪轉子，其作用與普通的電磁軸承相同，但工作要求完全不同.對于普通的電磁軸承而言，它主要承受外界作用于轉子上的徑向力和軸向力，通常這些力的變化范圍是非常大的.而飛輪電池中的磁懸浮軸承，它主要承受飛輪轉子自身的重量和制造不平衡而引起的離心力，以及因固定飛輪電池的機架而引 起的陀螺效應力(對于完全固定的應用，則無此力。此外，飛輪電池轉子無需精確定位.盡管飛輪電池磁懸浮軸承的控制遠沒有普通的電磁軸承控制復雜，但其控制必須結合飛輪電池電機的控制，因而飛輪電池的總體控制復雜程度也是較大的。 磁懸浮軸承有兩種控制方式，即主動控制的磁懸浮軸承(AMB)和被動控制的磁懸浮軸承(PMB)，而由于磁懸浮軸承所固有的不穩(wěn)定性，被動控制的磁懸浮軸承實際應用很少.主動控制的軸承激勵器可以用單獨的電磁鐵(EM)或者電磁鐵和永久磁鐵(PM)組合構成，它們對應的軸承分別稱為EM軸承和EM/PM軸承。EM激勵器在構造上通常比EM/PM激勵器更簡單，因而更容易設計成薄片狀的磁結構，從而渦流損耗被減小.然而，EM軸承的氣隙磁動勢通常比EM/PM軸承有更大波動范圍。 EM/PM軸承通常構造更復雜，但比同等的EM軸承更少的安匝數(shù)/單位力，對勵磁線圈的電流更加敏感，一般與勵磁電流的關系更接近線性化，而且能做成比EM軸承更緊湊的結構.他們能在某些方向提供被動支承，而在其他方向提供主動支承.如果定子鐵心做成薄片狀，其磁損耗和渦流損耗會更低。因為EM/PM軸承能夠工作在零功率模式，此時的軸承負載由永久磁場承受，因此，他們能在非常低的能耗下工作，這是EM軸承所做不到的。 先觀察兩種EM軸承的激勵器結構，如圖3(a)和(b)所示。圖3(b)的布置由于磁路沿軸線方向，定子鐵心容易做成薄片狀，因而比圖3(a)的布置會有更小的運動和磁損耗.而對于EM/PM軸承，其激勵器的布置方案較多，見圖4所示.除了圖4(f)外，其他5種結構的轉子都采用徑向主動控制和軸向被動支承。 圖3EN軸承激勵器的布置 圖4EN/PM軸承激勵器的布置 對于電磁軸承來說，磁路設計和分析是非常重要的。磁路的設計目標是在滿足負載要求的前提下，確保激勵器的動態(tài)和熱特性是合適的.磁路的分析方法目前有兩種：第一種是磁阻或磁導回路法；第二種是電磁場方程法(如有限元法)。第一種方法在設計階段是非常有效的，但它需要較多的實踐經(jīng)驗才能決定漏磁和端部磁路。而電磁場方程法主要用來驗證磁路模型的正確性。 電磁軸承系統(tǒng)由于無法準確知道在軸承氣隙處磁通量所產(chǎn)生的強度和路徑，以及與鐵磁材料相關的非線性性，包括非線性的磁導率和磁現(xiàn)象；還有諸如功率放大器的輸出電壓飽和轉子限定的位移等的物理約束，以及高速時的陀螺效應和轉子不平衡引起的同步擾動，及外部作用于及其殼體上的非同步擾動等因素，使得它的控制十分具有挑戰(zhàn)性.電磁軸承控制的實現(xiàn)分模擬控制和數(shù)字控制兩大類。其中最主要的控制方法有：PID、結合槽口濾波的PID、LQG、Gain-Scheduling、模糊控制、自適應控制、迭代學習控制、TDC(時延控制)、SMC(滑模控制)、μ-綜合、神經(jīng)網(wǎng)絡控制以及近來出現(xiàn)的無傳感器控制等。這些控制方法各有優(yōu)劣，可根據(jù)具體設計要求加以選用。 4 電力電子 這里的“電力電子”是指用于調節(jié)電動機-發(fā)電機功率的子系統(tǒng).該子系統(tǒng)在吸收或釋放動力時都充當可變電壓、可變頻率(VVVF)的電機。主要的電力電子元件是功率開關器件IGBTs.這種器件和功率二極管一起被封裝在一個模塊“功率塊”內，二極管的兩級分別與IGBT的發(fā)射極和集電極相連。當飛輪電動機-發(fā)電機和電力電子變流器(變頻器)被封裝在一起作為直流電池時，典型的系統(tǒng)電氣和控制構形如圖5所示。 圖5飛輪電動機-發(fā)電機及電力電子線路圖 這種飛輪電池的電機輸出特性近似于正弦曲線。電機的每一相都存在電阻和自感，并分別與一個六脈沖橋式電路中的電力電子相連。IGBTs被安裝在一個冷卻板上，通過光耦合器與微控制器的連接而工作。它能工作在額定電壓高至2500V時的情況。這些電力電子塊處理全范圍的飛輪輸入和輸出，包括放電電流為800A的情況。 飛輪電動機-發(fā)電機的各種工作要求都是通過電力電子的操作來完成的.從靜止狀態(tài)開始，電機在限流控制下啟動，初始激勵由一個外部的輔助電路來提供。轉子的位置由Hall傳感器測量，而其位置反饋是通過位置合成算法或光學譯碼器獲得的。在獲得一定的轉速后，控制系統(tǒng)引導電機在各種模式下工作， 包括速度控制或者電壓控制。用于UPS時，工作模式是維持充電；用于車輛時，工作模式是按照車輛的工況要么釋放能量(正常模式)，要么回收能量。 5 輔件及應用接口 (1) 著陸軸承。著陸軸承的著陸表面在電磁軸承不能提供支承時支承轉子。著陸表面的材料有固態(tài)潤滑乙縮醛、固態(tài)潤滑尼龍、聚亞苯基硫化物、聚酰胺-酰亞胺和聚酰亞胺等.著陸軸承有兩種型式，即球軸承和滑動軸承.機械球軸承作為著陸軸承時，由于使用了諸如紅寶石類的貴重材料，其造價較高，但壽命短。故現(xiàn)在多采用滑動接觸的著陸表面(兩個非潤滑的固體表面).在設計這類著陸表面時，要考慮諸如摩擦系數(shù)、熱膨脹系數(shù)和壓力/速度(PV)數(shù)等材料性質。其中最重要的性質是滿足PV數(shù)。 (2) 容器及安全。由于飛輪電池的轉子速度極高(理想設計時在100000r/min以上)，安全問題就成了飛輪電池十分重要的研究課題。目前，國外許多研究機構對飛輪電池做過許多沖撞和爆炸試驗，積累了一些十分珍貴的試驗數(shù)據(jù)。尤其值得重視的是飛輪容器的設計，因為它的結構與飛輪電池的安全密切相關?？偨Y這些試驗可以得出一種較為理想的飛輪容器結構，即在容器的內部靠近飛輪轉子的位置安裝一個可以自由旋轉的石墨增強的復合材料圓筒(襯套)。當飛輪轉子產(chǎn)生爆裂時，它能夠吸收和耗散瓦礫的徑向能量，通過摩擦耗散掉瓦礫的旋轉能量，降低傳給轉子支座和支承零件的力矩負載。理想的襯套是具有高強度以抵抗初始的沖擊，低的慣性矩以便由旋轉的瓦礫通過摩擦產(chǎn)生的力矩使襯套的角速度快速增加，直至襯套和瓦礫達到相同的角速度為止。 (3) 輔件。飛輪系統(tǒng)輔件包括真空裝置、冷卻系統(tǒng)和冷卻器、監(jiān)測和顯示儀表等。 6 結語 飛輪儲能技術的開發(fā)是昂貴的，但又是急需的。由于飛輪儲存能量所需要的高轉速帶來極大的力的作用，任何缺乏必要的精度和工程細節(jié)的設計將會造成災難性的后果。盡管如此，它并沒有絲毫減少科研工作者們對飛輪電池研究的熱情，也沒有嚇住投資人對它的研究的支持。其原因就在于飛輪電池的市場空間太大了。在電力工業(yè)，它能用于電力質量和電網(wǎng)負載調節(jié)；在汽車工業(yè)，它能用于電動汽車和一些軍事車輛的動力源，部分或完全取代內燃機；在國防工業(yè)，它既能用于衛(wèi)星和航天器的動力源，又能用于電磁炮和電熱化學炮的發(fā)射助力器等。 在本世紀初，這些市場每年將產(chǎn)生數(shù)以千計的訂單。緊接著，隨著這些低價格的產(chǎn)品不斷應用，將成為大型市場，為車輛和通信鋪平道路。此外，結合能量儲存和姿態(tài)控制的航天市場也將具有廣闊的前景。在2010年之前，航天站上的能量儲存裝置將會被雙重用途的飛輪電池所代替，而且飛輪電池將成為復合動力車輛的最普遍的動力裝備。飛輪電池在電力質量市場同樣會產(chǎn)生巨大的應用潛力，可以預見，未來的城市電網(wǎng)中分布式飛輪動力系統(tǒng)將會起到越來越大的作用。 -可編輯修改-