飛輪儲(chǔ)能電源系統(tǒng)的原理如圖1所示。
飛輪儲(chǔ)能電源系統(tǒng)主要由以下三部分組成:飛輪、電機(jī)和軸承,整個(gè)系統(tǒng)置于真空容器內(nèi)。飛輪儲(chǔ)能電源系統(tǒng)中的電機(jī),既是電動(dòng)機(jī)也是發(fā)電機(jī)。
“充電”時(shí),作為電動(dòng)機(jī)給飛輪加速,將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能;“放電”時(shí),作為發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能,給外部供電;在為外部供電時(shí),飛輪的轉(zhuǎn)速不斷下降。而當(dāng)飛輪空閑運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),飛輪儲(chǔ)能電源系統(tǒng)的運(yùn)行損耗非常小。
飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí),其轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能為
式中:J為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ω為飛輪旋轉(zhuǎn)的角速度。
從式(1)中可以看出,飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能E與飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J 成正比。而飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J 又正比于飛輪的直徑和飛輪的質(zhì)量,為得到較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J ,要采用大直徑和大質(zhì)量的飛輪。龐大、沉重的飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí),將會(huì)產(chǎn)生極大的離心力,若超過(guò)飛輪材料的極限強(qiáng)度,將是極不安全的。因此,用增大飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法來(lái)增加飛輪的動(dòng)能是不現(xiàn)實(shí)的。
不能用增大飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來(lái)獲得飛輪動(dòng)能的增加,那么,只有通過(guò)提高飛輪的角速度ω 來(lái)增大飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。當(dāng)飛輪處于大氣中時(shí),飛輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)要克服空氣的阻力(摩擦力)和軸承的摩擦損耗。將飛輪系統(tǒng)置于真空容器中,并采用超導(dǎo)磁懸浮技術(shù),可以使飛輪在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)耗能達(dá)到最小。另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是軸承的設(shè)計(jì)和選擇。能在高速轉(zhuǎn)動(dòng)下工作的軸承除要求軸承的摩擦損耗極小外,還應(yīng)具有足夠的承載能力,保證飛輪工作的可靠性和穩(wěn)定性。
