飞轮电池笔记

fengyangzi

    元旦放假窝在家里，看了两天的飞轮电池论文资料，摘录整理一点笔记如下。抛砖引玉，欢迎大侠们来聊聊。
一、飞轮储能密度
1. 飞轮应力和转速的关系
对等厚圆盘绕回转轴以匀角速度w转动时
圆盘上任意点径向应力=(3+u)/8*t*(w*a)²*（1-r²/a²）
切向应力=(3+u)/8*t*(w*a)²*[1-（1+3*u）/(3+u)*r²/a²],其中t为密度，w为角速度，a为圆盘半径，r为径向长度。
在圆盘中心位置应力最大，最大径向应力=切向应力=(3+u)/8*t*(w*a)²
w*a即为最外缘点的线速度，圆盘最大应力与最大线速度的平方成正比。

假设是一合金钢圆盘，密度为7850kg/m³，最外点的线速度为300m/s，泊松比为0.3
则此时最大的应力为291.4MPa

2.飞轮存储的能量和转速的关系
飞轮惯性能E=0.5*Jw²  J是转动惯量，w为角速度
对等厚圆盘J=0.5*M*a² M是质量，a为半径
E=0.25*M*(w*a)²
单位质量存储的能量=0.25*(w*a)²

3.等厚圆盘单位质量最大储能
金属圆盘：假设材料各向同性，设屈服应力为q，安全系数为k
则单位质量最大储能为：2*（q/k）/(3+u)/t  u为泊松比，t为密度
设选用的材料为 30CrMoA，屈服强度取785MPa，安全系数=3
则最大储能密度为：20200J/kg=5.6wh/kg  wh为瓦小时=3600J此时圆盘的线速度=280m/s  
若圆盘半径为0.1m，则转数为26750rpm；若圆盘半径为0.2m，则转数为13375rpm

如上讨论，采用30CrMoA材料的等厚圆盘飞轮储能密度约为5.6wh/kg。虽然可以通过优化飞轮的形状，采用更高强度的马氏体时效钢，来提高金属飞轮的储能密度，但提高的仍然有限。在文献中看到的金属飞轮储能密度最高没有超过50wh/kg。
锂离子电池理论储能密度为570wh/kg，目前电动车常用的磷酸铁锂电池储能密度约在100wh/kg。
金属飞轮电池的储能密度和锂电池相比相距甚远！

4.复合材料飞轮
复合材料可以有比金属材料高得多的强度，在文献中看到最大的储能密度达230wh/kg，比特斯拉上用的三元锂电池略高。

二、飞轮电池的优劣势
1、优势
输出功率大，飞轮电池可以实现大功率的输出，比功率可达1kw/kg以上。化学电池受制于氧化反应的速度，做不到短时间内大功率的输出。锂离子电池输出比功率约200-300w/kg。

放电深度大，电量可以精确测量。飞轮储存的能量绝大部分可以输出。
寿命长，飞轮电池充放电次数比化学电池要高得多。

2、劣势
技术尚未成熟，尤其是国内，还未有可堪用的产品。T1000等高强度的碳纤维材料国外对中国禁运，制作材料会是个问题。
成本高，复合材料飞轮成本约3000刀/wh，比化学电池高得多
系统复杂  
为减小风阻损失，飞轮要在真空环境里运行，需配真空腔和真空泵；
为减少轴承摩擦损失，采用超导磁悬浮，目前铋系高温超导温度在70K，负200度左右，这么低的温度，必然要有一套低温制冷系统来维持；
自放电  虽然有了减少能量损失的一些方式，但目前的飞轮电池自放电功率仍然不小。飞轮电池在充满电后，过几十个小时或几个小时，所储存的能量将会损耗掉。
陀螺效应  飞轮高速旋转，会产生显著的陀螺效应。对固定的设备还好，但移动的设备需要想办法利用或避免。


三、可利用的场合
1、飞轮UPS 飞轮电池不受平常温度影响，寿命长，充放电可靠，储能量可根据转速准确计算，并可以大功率的输出。对比常规UPS，飞轮电池的体积也要小不少。因此飞轮电池用在需要高可靠性的数据中心机房等要害部位比常规UPS有比较优势。UPS也是目前面世的飞轮电池产品。美国飞轮公司，Active Power等都有飞轮UPS产品在销售。


2、其他应用
利用飞轮电池大功率输出的特点，可用在平时功率不大，短时间内需要大功率输出的场合。
查看专利的时候发现深圳某家用机器人公司在飞轮电池设计球形机器人，利用飞轮的陀螺效应让放在球体内的结构保持竖直，通过驱动轮与球体内壁的摩擦力使得球体滚动。
电动车，已有试验，仅用飞轮电池提供动力可行驶600公里。但飞轮电池空载能量消耗率不低，且强大的陀螺效应使得真要在电动车上使用困难不少。假设车上的飞轮竖直布置（轴垂直地面），将车停在斜坡上，飞轮轴与轴承间的作用力将大增。若飞轮轴与轴承有接触，则摩擦力必将增大，能量消耗率增加。若飞轮轴与轴承没有接触，用磁性轴承限位，磁性限位的刚度与距离有关（如两块相斥的磁铁靠得越近力越大），则飞轮旋转就会和旋转中心有一个夹角，这会引起飞轮振动。飞轮转速极高，振动起来，控制好稳定性该是个难题。


参考论文：
Advanced composite flywheel structural design for a pulsed disk alternator
Deformation and life analysis of composite flywheel disk systems
电动汽车用飞轮电池关键技术研究
飞轮电池储能关键技术研究
储能飞轮优化设计理论与方法研究
复合材料飞轮储能结构力学及储能研究
基于有限元的金属飞轮结构设计优化
复合材料飞轮结构与储能密度
飞轮转子主体结构应力分析与优化

目前在研发飞轮电池的公司有，具体各家产品可去其网页查看
1 Active Power 20C1000系列
2 Beacon Power
3 阿尔斯通
4 POWERTHRU
5 伊顿
6 AFS Trinity Power
7 Amber Kinetics
8 Calnetix Technologies
9 CCM
10 GKN Hybrid Power
11 动力牵引系统
12 Piller Group
13 STORNETIC
14 Temporal Power

Henry

2天，牛的

2266998

你可以再找些资料看看，这个东西历史很悠久了，你着重看碳纤维强化，真空飞轮，真空部分可以看瑞士真空齿轮箱，

看深入了，再发点感慨，大家可以详细再聊

fengyangzi

2266998 发表于 2018-1-4 10:17
你可以再找些资料看看，这个东西历史很悠久了，你着重看碳纤维强化，真空飞轮，真空部分可以看瑞士真空齿轮 ...

飞轮储能确实是很悠久了，看论文的参考文献都有一百年前的文章，看了几天只看到了个概貌
已下几本复合材料，复合材料力学和转子动力学在看了
在找真空齿轮箱的资料看，看好了再来聊