飞轮储能电源系统的原理如图1所示。
飞轮储能电源系统主要由以下三部分组成:飞轮、电机和轴承,整个系统置于真空容器内。飞轮储能电源系统中的电机,既是电动机也是发电机。
“充电”时,作为电动机给飞轮加速,将电能转换成机械能;“放电”时,作为发电机将机械能转换成电能,给外部供电;在为外部供电时,飞轮的转速不断下降。而当飞轮空闲运转时,飞轮储能电源系统的运行损耗非常小。
飞轮旋转时,其转动动能为
式中:J为飞轮的转动惯量;ω为飞轮旋转的角速度。
从式(1)中可以看出,飞轮转动时的动能E与飞轮的转动惯量J 成正比。而飞轮的转动惯量J 又正比于飞轮的直径和飞轮的质量,为得到较大的转动惯量J ,要采用大直径和大质量的飞轮。庞大、沉重的飞轮在高速旋转时,将会产生极大的离心力,若超过飞轮材料的极限强度,将是极不安全的。因此,用增大飞轮转动惯量的方法来增加飞轮的动能是不现实的。
不能用增大飞轮转动惯量来获得飞轮动能的增加,那么,只有通过提高飞轮的角速度ω 来增大飞轮的转动惯量。当飞轮处于大气中时,飞轮高速转动要克服空气的阻力(摩擦力)和轴承的摩擦损耗。将飞轮系统置于真空容器中,并采用超导磁悬浮技术,可以使飞轮在高速转动时耗能达到最小。另一个关键问题是轴承的设计和选择。能在高速转动下工作的轴承除要求轴承的摩擦损耗极小外,还应具有足够的承载能力,保证飞轮工作的可靠性和稳定性。
