飞轮储能关键技术及应用发展趋势

飞轮储能作为一种新型的电能储备技术正受到越来越多的关注,它具有储能密度大、充电快、高效无污染、使用寿命长等优点,应用的范围遍及交通、供电、军工、航空航天等领域。介绍了飞轮储能系统的工作原理及常见的结构;从增加系统储能容量与降低损耗的角度出发分析飞轮储能系统的关键技术,其中对几种常用于飞轮储能的支承技术尤其是磁轴承技术进行了较为详细的阐述;基于该系统在不同领域内的优势,介绍了飞轮储能系统在国内外的应用;最后,根据目前飞轮储能技术的不足和市场的需求提出了其未来发展趋势。     

储能飞轮转子轴承系统动力学设计与试验研究

飞轮储能系统通过飞轮升速和降速来实现电能储存和释放,研究飞轮转子轴承系统固有频率预计、临界转速设计、动平衡等动力学问题。采用永磁轴承与螺旋槽动压轴承的混合支承方式,建立储能飞轮强度、动力学和充放电特性试验研究装置,进行了动平衡、阻尼支承调整、飞轮储能系统损耗和发电量测试等试验,试验飞轮达到设计转速42.0 kr/min,总储能497 W·h,从42.0 kr/min降速到13.8 kr/min,可用放电能达到290 W·h。     

飞轮储能系统轴承技术研究新进展

飞轮储能是一种应用前景广阔并已经得到实际应用的先进储能技术,支承高速飞轮的轴承技术是制约飞轮储能效率、寿命的关键因素之一.文中对比、分析了用于飞轮储能系统中的机械轴承、永磁轴承、电磁轴承和超导磁轴承的优缺点,总结了国内外飞轮轴承技术的研究新进展.     

飞轮储能系统转子静力学分析

能源存储是高效利用能源的重要途径。飞轮储能系统由于具有环境友好、功率密度高、储能密度大等特点而广泛应用。利用ANSYS Workbench建立了飞轮转子的有限元计算模型,对不考虑永磁体作用于转子内壁和考虑永磁体作用于转子内壁两种情况下的飞轮转子进行静力学仿真分析,研究了飞轮转子径向位移、径向应力和环向应力的分布规律,对飞轮储能系统的设计与优化提供依据。     

飞轮储能系统的动力学仿真分析

飞轮储能技术是一种新型的机电能量转换与储存系统,它具有大储能量、高功率、无污染、高效率、适用广、无噪声、长寿命等许多优点,具有广阔的应用前景。采用三维建模软件UG建立飞轮储能系统的三维模型,并且通过大型有限元分析软件ANSYS建立飞轮储能系统的有限元模型,然后对该飞轮储能系统进行模态分析和转子动力学分析,研究并得到飞轮储能系统的固有频率和相应振型、临界转速等动态特性,为飞轮储能系统的设计和结构优化奠定了基础。     

复合材料储能飞轮挠性结构振动的磁轴承控制

储能密度是储能飞轮的重要指标之一,选用碳纤维、玻璃纤维复合材料的储能飞轮可以有效提高储能密度,同时,选用磁悬浮支承则可以适应真空环境及减少损耗。但是,由此也增加了结构的复杂性,例如,连结飞轮转子中金属部件与复合材料之间的挠性薄壳轮毂具有不同于常规刚体飞轮的动力学模型特性。针对薄壳结构的模态振动特征与陀螺效应控制之间的矛盾,描述一种具有挠性结构储能飞轮的磁轴承控制方法。在模态分析的基础上,利用多通道添加相位整形的控制方法有效抑制了系统中的挠性结构的模态振动。试验结果表明,使用所设计的控制器,转子可平稳通过中心频率为340 Hz的轮毂——心轴挠性模态振动区域,运行转速475 Hz(28 500 r/min),轮缘最大线速度达到450 m/s,并成功实现飞轮的充放电过程。     

磁悬浮飞轮储能装置的设计

设计了一种磁悬浮支承的飞轮储能装置,对飞轮结构与支承形式等进行了研究.将盘状飞轮优化为伞状飞轮,可以提高飞轮转动惯量;采用机械轴承与永磁轴承相结合,省去复杂的电磁轴承以及相关控制部分,飞轮在合适的转速下稳定旋转,并完成了样机的设计.该新产品的开发具有节能环保的意义.     

刚性飞轮转子-基础耦合系统的径向振动分析

以600Wh飞轮储能系统为研究对象,建立转子-基础系统的径向耦合动力学方程,通过数值积分法分别分析了不同飞轮转速对基础振动的影响和不同基础径向支承刚度对飞轮转子振动的影响,并采集了飞轮储能系统某一转速下的试验数据,与仿真结果对比,验证仿真结果的准确性。结果表明:定转子在平动和倾斜运动过程中都会受到转子固有频率,定子固有频率,不平衡量三个主要激励,改变飞轮转速或基础径向支承刚度会影响三个激励对应的频率分量和幅值。     

飞轮储能系统轴系的优化设计研究

针对采用径向电磁轴承支承的飞轮储能系统中,工作转速会跨越临界转速而造成轴系所受应力强度过大及系统不稳定的问题,对储能飞轮的材料边缘线速度、所受弯曲应力,以及轴系的临界转速等方面进行了研究。对飞轮储能系统中飞轮本体的参数设计要求进行了归纳,提出了一种"以轻量化"为目的,以储能量要求、材料边缘线速度要求,轴系许用弯曲应力和工作转速与临界转速要求为约束条件的优化设计方案。研究结果表明,所得到的飞轮本体参数满足实际运行的需求,且为满足运行需求方案中质量最轻的方案。     

磁悬浮飞轮储能技术

磁悬浮飞轮储能作为一种新型的储能方式,以其储能大、效率高、充放电快捷的特点,为解决目前存在的能源问题提供了有效地途径。本文主要阐述了磁悬浮储能系统的基本工作原理,介绍了飞轮转子、磁悬浮轴承、电机、电力系统及其它辅助机构的结构特点,在此基础上分析了在电力调峰、不间断电源、混合动力汽车,卫星姿态控制等方面的应用,旨在使此项新技术得到进一步的开发与推广。     

基于粒子群算法的磁悬浮储能飞轮结构优化设计

对基于磁悬浮支承技术的储能飞轮进行了结构优化设计。以飞轮储能密度最大为优化目标,以飞轮在设计转速下需满足的结构强度、形态等方面要求为约束条件,建立了结构优化数学模型,并基于粒子群算法求得优化结果。同时还运用ANSYS软件对优化后的飞轮进行了有限元分析,与优化前相比,优化后飞轮的储能性能大大提高。     

飞轮储能装置储能状态控制研究

对飞轮储能装置性能的特点以及结构和储能原理进行了分析。对飞轮储能装置储能状态过程中如何提高系统所存储能量及能量存储效率作了具体分析。设计了复合控制方案对无刷直流电机进行调速,从而提高飞轮转速,增加系统存储能量。     

新型高效飞轮储能技术及其研究现状

飞轮储能系统具有高比能量，高比功率，高效率，长寿命等优点，被认为是未来理想的储能装置。在对飞轮储能系统的工作原理进行一般性分析的基础上，对飞轮储能的关键技术作了较为详细的分析论述，最后介绍了飞轮储能的研究现状与应用前景。     

飞轮储能系统推力盘布局优化分析

基于600 Wh飞轮储能系统对现有结构进行结构布局优化,提出了2种针对推力盘安装位置不同的飞轮储能系统的结构布局,利用ANSYS Workbench对3种结构进行结构力学分析。结果表明:吊装式结构的飞轮储能系统力学性能最差,嵌式结构的飞轮储能系统力学性能最好,夹式结构介于两者之间。这为今后的飞轮转子系统结构设计提供了参考与指导。     

飞轮储能系统的直接转矩空间矢量控制研究

传统飞轮储能采用两套系统实现能量转换,储能用途单一。提出一种基于矩阵变换器的飞轮储能系统直接转矩空间矢量控制方案,可实现能量的双向流动。飞轮电机定子磁链及转矩是通过两个PI控制器控制,经过空间矢量调制模式将两相旋转的d-q坐标系上的两个电压分量转换到两相静止的α-β坐标系上;也能够对矩阵变换器输出的电压矢量及输入的电流矢量完全控制。最后通过Matlab/Simulink软件建立基于矩阵变换器的飞轮储能仿真模型,仿真结果表明负载输出相电流具有良好的正弦性及输出线电压具有较好交变性;验证了该方案的正确性和可行性。     

复合材料飞轮结构有限元分析与旋转强度试验

飞轮储能技术是一种机械能量储存方式。储能密度是衡量飞轮储能系统优劣的重要参数,如何提升储能密度,是飞轮储能技术研究的重要内容之一。本文运用ANSYS有限元分析软件对复合材料飞轮转子进行有限元分析,得到不同转速下结构应力与应变的分布,计算得到飞轮理论极限转速为950 r/s,飞轮外缘线速度836 m/s。对飞轮进行高速旋转强度、破坏试验。在试验中,利用电涡流传感器测量轮毂侧壁形变,飞轮形变测量值和理论预计值基本一致。试验飞轮边缘最高线速度达到796 m/s,储能密度达到48 Wh/kg。     

飞轮储能系统在汽车中的应用研究

随着世界能源危机和环境污染问题的日益严重,人们对汽车节能和减排的要求越来越高,采用储能飞轮进行汽车功率和能量的调节是一种有效的解决办法.近年来高强度的复合材料、低功耗磁轴承、先进的电力电子控制等一系列关键技术的发展,使得飞轮储能系统在汽车上的应用成为可能.详细介绍了飞轮储能系统的结构、原理和特点,总结了飞轮储能技术在汽车上的应用发展现状,指出了车用高速飞轮储能系统的应用存在的关键问题,为进一步研究提供参考.     

高功率密度磁悬浮高速电机支承设计及其磁场仿真

高功率密度电机具有体积小、转速高等特点,被广泛运用于涡轮发动机、飞轮储能等领域。为追求更小的体积和更高效的功率输出,将具有高转速、高效率优点的磁悬浮轴承作为电机的支承系统,可有效地提高电机的转速和功率密度,提升其工作性能。针对高功率密度磁悬浮高速电机,设计电机的支承结构,并对其进行磁场仿真,最后对设计的可行性进行总结。     

基于复合形法的飞轮转子储能优化设计

储能密度是储存能量的主要技术指标,优化飞轮的重要目的就是提高其储能密度。本文建立了一种储能优化模型,应用平面应力分析,利用复合形法的原理和MATLAB软件,取得飞轮转子内外半径值的一组优化参数,结果是飞轮电池转子储能密度相比优化前增加一倍。这对提升飞轮储能密度、减少飞轮失效、提高飞轮使用寿命具有重大意义。     

混合动力汽车用超高强度钢材质飞轮电池转子的优化

分析了目前混合动力汽车常用的储能方式的特点及其存在的问题,指出飞轮电池在混合动力汽车中具有良好的前景。通过对比分析认为在20 000 r/min转速下,超高强度钢飞轮转子相比复合材料飞轮转子有较好的综合性优势。建立了超高强度钢飞轮优化设计的数学模型,利用该模型并借助Matlab计算了飞轮基本参数,进一步基于Abaqus有限元分析软件,优化出储能1 kW.h的飞轮转子的机械结构;优化后的结果满足混合动力汽车应用的要求。