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飞轮储能系统结构示意图
在高速飞轮储能系统中,采用中小型复合材料飞轮转子。美国Beacon Power公司研发的高速碳纤维复合材料飞轮储能单机,转速16000r/min,功率160kW,储能量达108MJ。
航天飞轮储能系统的功率需求约为1~50kW,动态UPS 系统的单机功率为100~3000kW,通过数百台飞轮储能单机并联,可以实现10~100MW的飞轮储能阵列,应用于电网10kW∙h以下的储能量对于车辆混合动力系统、动态UPS发电系统、电能质量调控系统是基本满足的,而对于电网系统应用,则应发展到10~100kW∙h,本文讨论飞轮储能系统的能量、功率参数特性,并提出储能100kW∙h飞轮方案设计。
研究结论
本文分析了飞轮储能系统能量、功率参数特性。提出了100kW∙h级大储能容量飞轮的概念设计,按放电深度0.75计算,应实现总储能140kW∙h。
采用合金钢飞轮方案,工作转速6000~9000r/min,飞轮重达8300~11400 kg,储能密度13~18W∙h/kg,结构尺寸达到米级,最高许用应力水平为800MPa,大型锻件制造难度大,可以将飞轮沿轴向分解为多个薄圆盘、在飞轮本体与飞轮芯轴之间设置过渡段联接。
采用多层纤维复合材料飞轮方案,工作转速9000~15000r/min,飞轮重量2030~2830kg,储能密度50~70W∙h/kg,采用3层或4层复合材料缠绕设计,分别进行了径向等应力优化结构设计。计算表明9000r/min三层缠绕飞轮和15000r/min四层缠绕飞轮均能够满足工作转速下的结构应力要求,并且充分利用材料径向强度。
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