直接能源 - 真空工艺提高飞轮效率

直接能源 - 真空工艺提高飞轮效率

飞轮可储存并快速释放动能;如果在极短时间内需要大量能量,飞轮十分理想。真空工艺可以使该技术变得更加高效。
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所有儿童都熟知这个物理原理:给玩具车上发条时,只需将后轮在地面上往后拖动两三次,然后松开手,玩具车会在飞轮的驱动下快速行驶。当儿童的手推动玩具车时,会使与车轮连接的金属小圆盘快速旋转。重量仅有几克的金属薄片的旋转动能足以应付游戏室里举行的竞赛。

真空工艺优化运行性能

然而,飞轮不仅仅是玩具。在其他现代化应用中,飞轮被用来缓冲主电源波动并临时储存动能。真空常常被用来使飞轮技术的使用更高效,由于旋转的次数和转速增加,牵制和空气扰动的效应也同样增加。因此,飞轮减速时,会大幅降低旋转储存装置的性能,产生的摩擦热甚至会毁坏先进的塑料飞轮。如果飞轮在全封闭的外壳内转动,那么就可以避免这种状况,此类环境具备高真空,也没有空气阻力。这样还可以使空转时无法避免的能量损失最小化,并提高飞轮的效率。

此外,为了将摩擦损失减至最少,磁轴承而非常规的滚珠轴承,被越来越多地用于旋转轴。此时,轮轴在磁场中浮动并作无摩擦旋转。

速度是关键

飞轮将能量存储在运动体内,因此常规飞轮通常用金属制造,使它们显得非常笨重。限制因素是所谓的圆周速度,即飞轮转动时其外沿的速度。随着速度增加,离心力也增加;最终,材料达到其极限并可能破裂。因此,时下趋向于用高强度碳纤维材料制造飞轮,由于它们不需要较大的质量。

旋转质量的内能随着转速的平方增加而增加。这意味着,与使用更重或更大的圆盘相比,通过加快转速可以更有效地提高存储能量的能力。纤维增强塑料材质轻,其强度使它们可以承受特别快的旋转,具有实现每分钟旋转多达 100,000 次的潜力。

保时捷 918 RSR 真空室内的飞轮发电机 | 'porsche 918 rsr' by cmonville, used under CC BY 2.0

成熟、值得信任的技术

飞轮即时存储动能的原理被应用于各种场合。在古典时代,飞轮作为陶工旋盘的驱动机构;在工业革命时期,飞轮被用于蒸汽机中,在现代,它亦被用于赛车中。FIA 规则允许在刹车时利用飞轮蓄能,并在加速时释放储备的能量。在 2012 年勒芒 24 小时耐力赛中,两台采用飞轮蓄能技术的奥迪 R18 e-tron quattro 赛车包揽了冠亚军。

然而,如今飞轮通常用作缓冲电源波动的发电机驱动。所有电网扰动中的 97% 持续不到 3 秒钟——一台柴油驱动的应急装置远远达不到这样的应急速度。相反,飞轮发电机的能量可以在几毫秒内释放。其可为简短的电源波动作补偿,并用作应急电源装置开始工作前的缓冲器。

Busch 为各种场合的旋转储能装置提供并真空技术,并进行维护。


核聚变实验需要大功率

此外,飞轮发电机的高性能特别适用于快速存取大量能量,例如,马克斯·普朗克研究所在德国加兴的等离子体物理研究所进行的 ASDEX Upgrade 核聚变实验。在该实验中,一个重 400 吨的飞轮被加速到每分钟旋转 3000 次。这时,在 10 秒钟内提供 150 MW 功率来加热等离子体。

声速的三倍

为赛车运动开发的碳纤维飞轮直径为 30 毫米,可实现 60,000 转的转速。这意味着其外缘部分可达到声速的三倍。飞轮在密封室内的真空中旋转,并通过磁耦合传递能量。


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