飛輪儲能電源系統(tǒng)的原理如圖1所示。
飛輪儲能電源系統(tǒng)主要由以下三部分組成:飛輪、電機和軸承,整個系統(tǒng)置于真空容器內(nèi)。飛輪儲能電源系統(tǒng)中的電機,既是電動機也是發(fā)電機。
“充電”時,作為電動機給飛輪加速,將電能轉(zhuǎn)換成機械能;“放電”時,作為發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換成電能,給外部供電;在為外部供電時,飛輪的轉(zhuǎn)速不斷下降。而當飛輪空閑運轉(zhuǎn)時,飛輪儲能電源系統(tǒng)的運行損耗非常小。
飛輪旋轉(zhuǎn)時,其轉(zhuǎn)動動能為
式中:J為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量;ω為飛輪旋轉(zhuǎn)的角速度。
從式(1)中可以看出,飛輪轉(zhuǎn)動時的動能E與飛輪的轉(zhuǎn)動慣量J 成正比。而飛輪的轉(zhuǎn)動慣量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,將會產(chǎn)生極大的離心力,若超過飛輪材料的極限強度,將是極不安全的。因此,用增大飛輪轉(zhuǎn)動慣量的方法來增加飛輪的動能是不現(xiàn)實的。
不能用增大飛輪轉(zhuǎn)動慣量來獲得飛輪動能的增加,那么,只有通過提高飛輪的角速度ω 來增大飛輪的轉(zhuǎn)動慣量。當飛輪處于大氣中時,飛輪高速轉(zhuǎn)動要克服空氣的阻力(摩擦力)和軸承的摩擦損耗。將飛輪系統(tǒng)置于真空容器中,并采用超導磁懸浮技術(shù),可以使飛輪在高速轉(zhuǎn)動時耗能達到最小。另一個關(guān)鍵問題是軸承的設計和選擇。能在高速轉(zhuǎn)動下工作的軸承除要求軸承的摩擦損耗極小外,還應具有足夠的承載能力,保證飛輪工作的可靠性和穩(wěn)定性。
