隨著脈沖功率技術(shù)在日常生產(chǎn)生活中的日益普及，其能量?jī)?chǔ)存技術(shù)亦受到越來(lái)越多的重視。下面本文主要根據(jù)現(xiàn)今脈沖功率技術(shù)中主要的電容儲(chǔ)能、電感儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能等儲(chǔ)能方式，介紹其相關(guān)特點(diǎn)及應(yīng)用原理。

一電容儲(chǔ)能

　　電容儲(chǔ)能是被研究最早的一種儲(chǔ)能方式，也是目前應(yīng)用最廣的儲(chǔ)能方式。其技術(shù)成熟，可用于毫秒、微妙、納秒量級(jí)的脈沖功率裝置中。作為儲(chǔ)能器件，具有容量大、內(nèi)部電感極小、耐壓高的特性，儲(chǔ)能達(dá)數(shù)千焦耳至數(shù)兆焦耳，缺點(diǎn)是儲(chǔ)能密度低，在10^7J以上的裝置上使用不夠經(jīng)濟(jì)。模塊化電容儲(chǔ)能脈沖功率源系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：

　　● 電容充電裝置；

　　● 脈沖成形網(wǎng)絡(luò)模塊；

　　● 測(cè)控系統(tǒng)。

　　電容儲(chǔ)能脈沖功率源工作原理可以下圖來(lái)說(shuō)明

圖示1：?jiǎn)文K脈沖功率電源電路

　　電容儲(chǔ)能式功率脈沖電路包括高壓充電電源U、儲(chǔ)能電容C、阻尼二極管D1、主開(kāi)關(guān)K1、調(diào)波電感L和負(fù)載R幾部分。開(kāi)關(guān)采用真空觸發(fā)開(kāi)關(guān)，應(yīng)具有極高的di/dt性能。調(diào)波電感用來(lái)調(diào)整負(fù)載電流的幅度和脈寬。阻尼二極管的作用是防止反向電壓對(duì)電容反向充電，避免損壞電容器。負(fù)載R包括軌道阻抗和電樞阻抗。假設(shè)開(kāi)關(guān)是理想的，當(dāng)開(kāi)關(guān)K2閉合時(shí)，電容向負(fù)載放電，同時(shí)向電感充電，此階段為電流上升階段，二極管D1，反偏截止；當(dāng)電流上升到最大值時(shí)，二極管D1正偏導(dǎo)通，阻止電流對(duì)電容反向充電，此時(shí)電感中積蓄的能量經(jīng)二極管DI、D2繼續(xù)向負(fù)載供應(yīng)，此階段為電流下降階段。整個(gè)過(guò)程可用如下函數(shù)來(lái)表示

……1

　　式1中：

　　由電路理論可知，當(dāng)負(fù)載電阻很小時(shí)，有：

；……2

　　式2中，I0為電流最大值；T為電流脈沖底寬。放電電流曲線見(jiàn)下圖3。t＜t0負(fù)載電流呈正弦變化；t≥t0負(fù)載電流呈指數(shù)變化。

圖2：放電電流曲線

二電感儲(chǔ)能

　　相比電容儲(chǔ)能，電感儲(chǔ)能的儲(chǔ)能密度高,系統(tǒng)體積小、重量輕、造價(jià)降低，因此應(yīng)用電感儲(chǔ)能有潛力得到更高的能量利用率和脈沖功率，并且電感儲(chǔ)能系統(tǒng)的絕緣問(wèn)題相對(duì)容易解決。目前被廣泛應(yīng)用于等離子體物理、強(qiáng)激光、電磁輻射等研究領(lǐng)域。

　　電感儲(chǔ)能可有如下原理圖說(shuō)明：

圖3：電感儲(chǔ)能原理圖

　　一般的電感儲(chǔ)能脈沖電源，包含儲(chǔ)能電感器L、給L充電的初級(jí)電源P和斷路開(kāi)關(guān)OS組成（如上圖所示），有時(shí)還需在負(fù)載ZL和L間串接閉合開(kāi)關(guān)cs。當(dāng)L被充電后斷開(kāi)os時(shí)，能產(chǎn)生一個(gè)較高的感應(yīng)電壓L（di/dt）。在這種裝置中常可儲(chǔ)能10~100MJ，借助os可把能量脈沖“壓縮”到充電時(shí)間的1/5—1/10或更小，能把脈沖功率放大到10^14—10^15W。其中初級(jí)電源P常為marx發(fā)生器、蓄電池等。

三化學(xué)儲(chǔ)能

　　化學(xué)儲(chǔ)能實(shí)際上就是利用儲(chǔ)能材料相接觸時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),而通過(guò)熱能與化學(xué)能的轉(zhuǎn)換儲(chǔ)存能量?jī)?chǔ)存起來(lái)。它具有很高的儲(chǔ)能密度（例如ＴＮＴ炸藥儲(chǔ)能密度為5.25*10^3J/cm3。并且它們又能快速脈沖地釋放和轉(zhuǎn)換成電脈沖，所以現(xiàn)代脈沖功率技術(shù)常采用化學(xué)能的脈沖發(fā)電裝置，除高儲(chǔ)能密度的電化學(xué)電源（如蓄電池）外，常用的還有各種形式的磁通壓縮發(fā)生器（發(fā)電機(jī)）、脈沖磁流體發(fā)電機(jī)和磁流體電容器等。

　　蓄電池作為一種化學(xué)儲(chǔ)能裝置，其原理是使用時(shí)先充電，將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能存儲(chǔ)起來(lái)，工作時(shí)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能對(duì)負(fù)載釋放電能。這個(gè)過(guò)程可以重復(fù)多次。在脈沖功率裝置中使用的蓄電池分為兩大類：秒級(jí)放電的普通型和毫秒級(jí)放電的脈沖型。

　　暴磁壓縮發(fā)生器是利用磁通φ在良導(dǎo)體回路內(nèi)守恒原理即電感 L 與電流i之間的關(guān)系φ＝Li，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)械力做功，壓縮回路磁通和減少電感 L，則使i增大（因φ守恒）。即將炸藥所含的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電磁能，原理及其典型電路如下圖所示：

圖4：化學(xué)儲(chǔ)能原理圖

四機(jī)械儲(chǔ)能

　　機(jī)械儲(chǔ)能裝置最常見(jiàn)的是脈沖發(fā)電機(jī)和單機(jī)發(fā)電機(jī)，并且多是先用透平機(jī)或電動(dòng)機(jī)把大質(zhì)量飛輪驅(qū)動(dòng)起來(lái)旋轉(zhuǎn)到高速度，使飛輪慣性地儲(chǔ)存動(dòng)能，然后突然轉(zhuǎn)接到脈沖發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸上，使其產(chǎn)生電脈沖輸出，同時(shí)飛輪因釋能而被減速或停轉(zhuǎn)。

　　飛輪的結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要包括5個(gè)基本組成部分：

　　1)采用高強(qiáng)度玻璃纖維(或碳纖維)復(fù)合材料的飛輪本體；

　　2)懸浮飛輪的電磁軸承及機(jī)械保護(hù)軸承；

　　3)電動(dòng)/發(fā)電互逆式電機(jī)；

　　4)電機(jī)控制與電力轉(zhuǎn)換器；

　　5)高真空及安全保護(hù)罩。

圖5：飛輪系統(tǒng)組成圖

　　飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理為：系統(tǒng)儲(chǔ)能時(shí)，電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，由電網(wǎng)提供電能經(jīng)功率電子變換器驅(qū)動(dòng)電機(jī)加速，電機(jī)拖動(dòng)飛輪加速儲(chǔ)能，能量以動(dòng)能形式儲(chǔ)存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪中；當(dāng)飛輪達(dá)到設(shè)定的最大轉(zhuǎn)速以后，系統(tǒng)處于能量保持狀態(tài)，直到接收到一個(gè)釋放能量的控制信號(hào)，系統(tǒng)釋放能量，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪利用其慣性作用拖動(dòng)電機(jī)減速發(fā)電，經(jīng)功率變換器輸出適用于負(fù)載要求的電能，從而完成動(dòng)能到電能的轉(zhuǎn)換。由此，整個(gè)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電能的輸入、儲(chǔ)存和輸出控制。

---