超导磁悬浮飞轮储能系统的研究

华中科技大学

硕士学位论文

超导磁悬浮飞轮储能系统的研究

姓名：汪黎莉

申请学位级别：硕士

专业：电力系统及其自动化

指导教师：唐跃进

20060401

摘 要

飞轮储能是一种优越的新型储能技术。目前，飞轮储能技术的应用领域已十分广泛，在UPS、电力系统、混合动力机车等领域中均获得了成功的应用。

该系统主要包括储存能量的飞轮、支撑飞轮的轴承、进行机电能量转换的电动/发电机和电能转换控制系统。普通的飞轮储能系统由于机械轴承的摩擦，难以实现高效、长时间储能，利用超导体则可以实现低损耗磁悬浮飞轮储能。

作为超导磁悬浮飞轮储能系统的初步研究，本文的主要任务是对飞轮储能系统的关键组件——飞轮转子和超导磁悬浮轴承进行研究。为进一步的研究奠定了基础，提供了方向和建议。

本文首先对飞轮转子进行数值和解析研究，并且对其结构和材料组合进行优化。论文以平面应力假设为前提，对单层结构的飞轮转子进行理论分析，并绘制了飞轮径向应力、环向应力沿半径的分布曲线图。为了降低飞轮转子的制造成本，提高飞轮转子的储能和材料利用率，本文以最大化储能为目标函数，对飞轮转子的结构进行优化设计，并获得各种材料飞轮转子的最优内径和外径尺寸。

而后论文研究了超导磁悬浮轴承，文中首先介绍了超导磁悬浮轴承的工作原理。然后借助于Bean模型分析了悬浮力曲线的磁滞特性，并在此基础上进一步分析了超导块材大小与厚度对悬浮力的影响以及超导磁悬浮轴承的一些特性。

文章最后给出了整个飞轮储能系统电气部分和机械部分的结构和参数，为以后的设计提供参考。

关键词：飞轮储能，飞轮转子，超导磁悬浮轴承，高温超导块材，悬浮力

ABSTRACT

Flywheel energy storage (FES) is a superior type of late-model energy storage technology. At present, FES technology already in domains and so in many fields such as uninterruptible power supply (UPS) systems, electrical power systems, hybrid electric vehicles has obtained the successful application.

Flywheel energy storage system (FESS) is composed of four parts: the flywheel that stores energy, the bearing that supports the flywheel, the DC motor/generator and the control system of AC power converter. Due to the friction existing in mechanical bearing, it is difficult to store energy effectively for a long time, but it is easy for a flywheel levitated by superconducting magnetic bearing.

As the basic study of superconducting flywheel energy storage system, this thesis is mainly engaged in researches on－flywheel rotor and high temperature superconducting (HTS) magnetic bearing, the key components in FESS, establishes the foundation for the further research.

In the first pat of this thesis, the numerical and analytical studies for flywheel rotor have been made, and that optimal designs for rotor's configuration and material parameter have been done. With the assumption of the plane stress (PSS)，this part makes the theoretical analysis for single-ring flywheel rotor, and has drawn the flywheel’s radial and hoop stress in radial location. In order to reduce the production costs, enhance the stored energy and the material use factor, configuration of flywheel rotor has been optimized with the object of maximizing its stored energy. As a result, for the single-ring flywheel rotor, its optimal inner radius and outer radius have been found.

In the second part of this paper, the principle of high temperature superconducting magnetic bearing has been carried on first. Then the hysteresis of levitation force curve have bean studied with the aid of Bean model. And in this paper, further analysis for the effect of the size and the thickness of a HTS on the levitation force and the properties of bearing have been done.

Finally, the electrical part and mechanical part of the entire FESS have been given for the reference of the latter design.

Keywords：Flywheel energy storage (FES)，flywheel rotor，superconducting magnetic bearing，high temperature superconductor (HTS)，levitation force

独 创 性 声 明

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1 绪 论

1.1 引言

近年来，能源成为整个人类所面临的重大课题之一。在不断开发新能源的同时，如何更有效地利用现有的能源已经被人们所日益重视。电能的存储和形式转换问题成为了当今能源领域的热点研究问题。

目前的电能存储方式众多，但就储能机理而言，大致可分为三种：1)电化学储能：例如铅-酸电池、钕-镉电池、氢、锂等化学电池，当今化学电池技术已十分成熟，应用非常广泛；2)电储能：常见的有超大电容储能、超导电磁储能等；3)机械储能：例如压缩气体储能、抽水蓄能、飞轮储能等。具有工业化意义的储能技术有四种，它们分别是抽水储能(如北京十三陵抽水蓄能电站)、压缩空气储能、超导储能和飞轮储能。下表1-1将各种储能方式在效率、储能量、模块性等方面进行了比较[1～4]。

表1-1 各种储能方式的比较 项目

效率（％）

储能量

模块性

循环寿命

充电时间

地点可用性

环境影响

事故后果

可用性 电池 燃气轮机 抽水蓄能压缩气体飞轮储能 超导储能 ～70 ～50 ～～90 ～90 中高 高 高 高 是 否 否 否 是 否 几百 几千 几千 几千 无限 无限 时 无 时 时 分 时 中 中 低 低 极高 很低 大 大 极大 极大 良好 很好 中 中 高 中 低 高 开发中 已用 已用 已用 已用 开发中 少量已用

由表1-1也可以看出，其中飞轮储能(Flywheel Energy Storage，简称FES)技术具有转换效高、充放电迅捷、不受地理坏境的限制、可就近分散放置、不污染环境、单位质量储能密度大等诸多优 …… 此处隐藏：12618字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……