“飞轮和液压蓄能器”旧技术有新用途

时间：2013-11-29 来源：互联网

当考虑采用何种方式能最大程度地提高液压蓄能器的能量密度时，JimVandeVen的研究指出可以将两种现有的技术通过一种新的形式结合起来。 “液压蓄能器拥有较高的功率密度但能量密度有限，因此液压蓄能器一般体积都比较大且笨重。”明尼苏达州大学科学与工程学院Richard和BarbaraNelson的助理教授JimVandeVen说。如果蓄能器因空间限制被设计得比较小的话，那么就只能储存较少的能量。这些缺点导致液压蓄能器在和其它能量存储技术例如混合动力技术比较时缺少竞争力。 “尽管可以在一辆大型车辆上找到更多的安装空间，并且较大的蓄能器带来的重量问题也能接受，但是可以储存的能量却依然十分有限。”同时身为小型高效流体动力中心职员的VandeVen说。 VandeVen的研究利用了一种传统液压蓄能器（通过活塞将液压油和可压缩气体分隔）。VandeVen的新蓄能器在旧活塞式液压蓄能器的基础上添加了旋转运动，使旧式蓄能器绕中心轴线旋转，这样就可以将其当做飞轮来使用了。 “飞轮和液压蓄能器都是很老的技术了。”他说，“最精彩的部分在于，我们可以通过改变旋转速度来改变蓄能器的压力，调节储能的方式。” 通过将气体压缩、增加液压油、提高飞轮角速度以增大飞轮转动惯量等途径将能量存储在飞轮蓄能器中。飞轮蓄能器的能量存储能力大约是传统蓄能器的10倍。 “我们可以通过两种方式存储能量。”VandeVen说，“通过传统泵油压缩气体的方式以及通过转动连带着液压泵/马达的飞轮的方式，这样可以将能量以旋转动能的形式存储起来。”这样就完成了两件事：提高了能量密度，同时实现了更加紧凑的系统设计。低能耗飞轮蓄能器的试验机型在明尼苏达大学进行试验测试。为了便于与不同系统连接，该机型采用了标准液压油。 “在传统的液压蓄能器中，系统的压力随着存储能量的多少而改变，如果你设计的系统压力值为5000磅/平方英寸，一般来说设计值与你在操作中的可用值的比率为2:1或者2.5:1。”他说，“这就意味着即使你将压力设定为5000磅/平方英寸，可以操作的压力只有2000磅/平方英寸或者2500磅/平方英寸。” “因此，所有部件的设计尺寸都必须考虑即使在较低的压力条件下也能够提供足够的功率，这意味着部件的尺寸都要扩大2倍。” 为了应对压力变化，系统的端部必须设计得更大更重一些。所设计的飞轮蓄能器应该和基于蓄电池的混合动力系统拥有同样数量级的能量密度，并且成本更低，对环境的影响更小。 “飞轮蓄能器不会产生那些你也许要在未来8到10年内都要处理的令人讨厌的化学产物。”VandeVen说，“成本会降低并且系统在整个生命周期内都会更加清洁。” 产品的应用范围涵盖了从乘用车到非道路用重型机械的所有设备。研究结果表明，该技术可以根据不同能量等级按比例设计，适用性较好，因此VandeVen认为它可以应用在大型建筑机械上。 VandeVen的试验机型直径约有4英寸，长度约有10英寸。液压油压力可达到1000磅/平方英寸，并且液压缸的旋转速度可以达到3000转/分。 VandeVen说：“当我们按比例增大这些数值的时候，我们认为飞轮转速可以提高到20000-50000转/分，此时系统的压力将可以达到3000磅/平方英寸。” 在如此高的转速下，安全性是很关键的考虑因素。VandeVen表示所有飞轮蓄能器产品都需要采用高强度的碳纤维制成，并被放置在真空容器中以减少飞轮旋转过程中的阻力。 “任何能量存储设备都有失效的可能，”他说，“无论是蓄电池组还是传统的带有压力容器的液压蓄能器都有可能以某种糟糕的方式出现能量耗散。这并不是仅仅针对本设计的挑战。”VandeVen说还有一些问题需要解决，这其中包括如何解决设备在运行时自身的回转扭矩。 “在车辆上安装一个飞轮，当车辆直线运行的时候没有问题。”他说，“一旦车辆开始转弯、或是在爬坡、或是让车辆产生倾斜、或是原地转动，这时飞轮的旋转轴线发生改变并产生了回转扭矩。” 正在研究的解决方案之一是使用两个旋转方向相反的飞轮蓄能器。这样它们会产生大小相同方向相反的扭矩，由此消除回转扭矩问题。飞轮蓄能器应当储存多长时间的能量也是一个要考虑的问题，该设计可以使蓄能器只在车辆运行的时候进行能量存储，或者可以使发动机停机后维持飞轮旋转。旋转时间取决于装置尺寸、摩擦损失、旋转阻力以及真空度等因素。如果将该蓄能器放置在有足够高真空度的容器中，转动衰减的程度会非常低。 VandeVen指出，为了尽可能地和其它不同的系统进行连接，在试验机型中使用的是标准液压油。该研究小组已经考虑使用其它粘度更大的液体，就像放置在压力容器中的固体一样，以期最大程度减少切向力带来的能量损耗。 “如果该装置以10000转/分旋转的时候，想给它添加更多的动能，你会使用液压马达为它施加扭矩，当你施加扭矩的时候，飞轮的外壳会立即加速，但内部液体由于惯性会产生加速迟滞，此时外壳与内部液体的速度差会导致液体受到切向力的作用。” 这会导致系统内能量的损耗。VandeVen说他的研究小组正在研究不同的挡板设计以及不同的部件组合方式，以期最大程度减小切向力并最终使内部液体和外壳产生几乎相同的加速度。 “现在，我们正在考虑在传统液压油的基础上做些改变。” 正处在研究阶段的还包括活塞外形以及轴承的设计，以达到将摩擦损失降到最低。另外，尽量减少液压油引入飞轮蓄能器以及其它子系统时产生的泄露也是其中一项。 “尽管飞轮蓄能器有两种存储能量的方式，我们正在考虑仅使用一种能量传递形式来输入或者输出到系统的其它部分。”VandeVen说，“这样我们就可以有一个单独的控制系统，并将它安置在能量进出飞轮蓄能器的地方。仅使用液压油的形式，或者仅使用液压马达对飞轮施加力矩的方式。” VandeVen说，站在功率密度的角度看，液压系统“非常令人兴奋”，但当与电气系统比较的时候，液压系统的能量密度却非常有限。 VandeVen说：“该设备在保持恒定系统压力的基础上可以将能量密度提高一个数量级，而恒定的系统压力可以使整个系统的尺寸减小。这是我们所做研究中最精彩的部分。”

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