DQZHAN技術在線訊：飛輪儲能技術及其應用詳解
飛輪儲能技術是一種新興的電能存儲技術,它與超導儲能技術、燃料電池儲能技術等各種先進的儲能技術,是近年來出現的、具有很大發展前景的儲能技術。雖然目前化學電池(鉛酸蓄電池、鋰離子蓄電池等)儲能技術已經發展得非常成熟,但是,鉛酸蓄電池有污染環境的風險,磷酸鐵鋰蓄電池的充放電次數受到一定的限制。新能源、電動汽車、UPS供電等許多行業迫切需要新型的儲能技術來滿足某些特殊技術要求。其中飛輪儲能技術就是一種具有無限的充放電次數和綠色環保型的儲能技術,已經開始越來越廣泛地應用于國內外的許多行業中。
1 、飛輪儲能電源系統的工作原理
飛輪儲能電源系統的原理如圖1所示。

飛輪儲能電源系統主要由以下三部分組成:飛輪、電機和軸承,整個系統置于真空容器內。飛輪儲能電源系統中的電機,既是電動機也是發電機。
“充電”時,作為電動機給飛輪加速,將電能轉換成機械能;“放電”時,作為發電機將機械能轉換成電能,給外部供電;在為外部供電時,飛輪的轉速不斷下降。而當飛輪空閑運轉時,飛輪儲能電源系統的運行損耗非常小。
飛輪旋轉時,其轉動動能為

式中:J為飛輪的轉動慣量;ω為飛輪旋轉的角速度。
從式(1)中可以看出,飛輪轉動時的動能E與飛輪的轉動慣量J 成正比。而飛輪的轉動慣量J 又正比于飛輪的直徑和飛輪的質量,為得到較大的轉動慣量J ,要采用大直徑和大質量的飛輪。龐大、沉重的飛輪在高速旋轉時,將會產生極大的離心力,若超過飛輪材料的極限強度,將是極不**的。因此,用增大飛輪轉動慣量的方法來增加飛輪的動能是不現實的。
不能用增大飛輪轉動慣量來獲得飛輪動能的增加,那么,只有通過提高飛輪的角速度ω 來增大飛輪的轉動慣量。當飛輪處于大氣中時,飛輪高速轉動要克服空氣的阻力(摩擦力)和軸承的摩擦損耗。將飛輪系統置于真空容器中,并采用超導磁懸浮技術,可以使飛輪在高速轉動時耗能達到*小。另一個關鍵問題是軸承的設計和選擇。能在高速轉動下工作的軸承除要求軸承的摩擦損耗極小外,還應具有足夠的承載能力,保證飛輪工作的可靠性和穩定性。
2 、飛輪儲能技術在新能源中的應用
太陽能、風能作為一種清潔的可再生能源,越來越受到世界各國的重視。僅以風能為例,中國風能儲量很大、分布面廣,僅陸地上的風能儲量就有約2.53億千瓦。近幾年來,中國的并網風電迅速發展。截至2011年3月中旬,我國風電累計裝機容量達4450萬千瓦,風電建設的規模居全球之首。這也意味著中國已進入可再生能源大國行列。中國風力等新能源發電行業的發展前景十分廣闊,預計未來很長一段時間都將保持高速發展。
在我國風電建設規模高居****的同時,風電并網問題卻始終制約著我國風電的發展。我國風電裝機容量中仍然有近三成風電沒有并網。這是由于風能隨機性和間歇性的特點,造成風電機組的出力頻繁波動,從而風電場的出力可靠性也差,風電比重過大,會使電網的調頻、調峰壓力加大,因此,風電場大規模的并網接入對電力系統的運行帶來一些新問題。光伏發電、風力發電等綠色新能源自身所固有的隨機性、間歇性、不可控性的特點,使得可再生能源電廠不可能像其它傳統電源一樣制定和實施準確的發電計劃,這給電網的運行調度帶來巨大壓力。同時,可再生能源的大規模接入所帶來的局部電網無功電壓和頻率問題、電能質量問題等等也不容忽視,會對電網調峰和系統**運行帶來顯著影響。研究表明,如果風電裝機占裝機總量的比例在10%以內,依靠傳統電網技術以及增加水電、燃氣機組等手段基本可以保證電網**;但如果所占比例達到20%甚至更高,電網的調峰能力和**運行將面臨巨大挑戰。儲能技術在很大程度上解決了新能源發電的隨機性、波動性問題,可以實現新能源發電的平滑輸出,能有效調節新能源發電引起的電網電壓、頻率及相位的變化,使大規模風電及太陽能發電方便可靠地并入傳統電網。高速飛輪儲能系統可以在瞬間釋放出巨大電力以穩定電網波動。可實現對電網的調峰功能,從而替代水力、燃氣發電廠,為電網運營商創造更可靠的供電系統。由此可見,飛輪儲能技術能夠提高電網對可再生能源的接納能力。
中國國家電網公司規定了風電場1 m i n 和10min的功率變化率,該變化率與風電場的裝機容量有關,如小于30MW的風電場10min*大變化量為20MW,1min*大變化量為6MW。由于飛輪儲能電源系統可以以巨大的峰值電流極高速的充放電,將其用于克服光伏發電和風力發電所固有的隨機性、間歇性、不可控性的特點對并入傳統電網所帶來的弊病是完全可行的。
3 、飛輪儲能技術在電動汽車中的應用
目前隨著環境保護意識的提高以及全球能源的供需矛盾,研發環保型汽車成為當今世界汽車產業發展的一個重要趨勢。汽車制造行業紛紛把目光轉向電動汽車的研制。能找到儲能密度大、充電時間短、循環壽命長的新型儲能電源系統,是電動汽車與汽油車比拼的關鍵。而飛輪儲能電源系統,因具有清潔、高效、充放電快速、可無限制的充放電、不污染環境等特點而受到汽車行業的廣泛重視。預計21世紀飛輪電池將會是電動汽車行業的研究熱點。
飛輪儲能電源系統非常適合應用于混合電動汽車中。車輛在正常行使或剎車制動時,給飛輪儲能電源系統充電;在車輛加速或爬坡時,飛輪儲能電源系統放電,給車輛提供動力,保證車輛運行在一種平穩、*優狀態下的轉速,可減少燃料消耗,并可以減少發動機的維護,延長發動機的壽命。眾所周知,在城區運行的各種車輛需要頻繁的剎車制動、再啟動。而剎車制動的能量,卻以機械磨擦的形式轉化為熱能消耗掉。研究證明,此能量約占車輛使用能量的30%。如果能再利用這部分能量,則會產生巨大的經濟效益。
飛輪儲能電源系統除了在電動汽車中的應用以外,還可以用于電車、載重汽車、城鐵、鐵路交通等許多領域。圖2是基于三菱PLC控制的飛輪儲能在電車中應用的原理示意圖。通過三菱O系列PLC、CC-Link現場總線和F700變頻器的控制系統,依據一定的控制算法,把電機運行時的電能轉化為動能儲存在飛輪的機械系統中,電機處于發電機狀態時,再釋放這部分能量。
飛輪儲能電源系統在電車中應用的工作原理可以分為三個部分來說明:
(1)飛輪儲能:此例中,電車是由三相交流電供電。交流輸入在變頻器B中經整流和逆變后,驅動電機B處于電動機狀態,帶動飛輪高速運轉,此時,將電能轉化為飛輪的動能儲存起來;
(2)電車啟動:與飛輪儲能的同時,交流輸入在變頻器A中經整流和逆變后,驅動電機A通過傳動裝置驅動車輪轉動;當電車運行時,控制變頻器B的輸出頻率使電機B處于再**電狀態,此時飛輪儲存的能量回饋到變頻器的直流母線側,再經過變頻器A的逆變器將直流電轉化為交流電,為電車的運行提供能量,在這個過程中,需要對變頻器B的輸出頻率進行相應的控制,使變頻器的直流母線電壓穩定在一定范圍內;
(3)電車制動:在電車制動時,同樣控制變頻器A的輸出頻率,將電動汽車的能量回饋到變頻器直流母線側,此時提高變頻器B的輸出頻率,飛輪加速,將電車回饋的能量重新儲存到飛輪中,從而達到節能的效果。
4 、飛輪儲能技術在UPS供電系統中的應用
磁懸浮式飛輪儲能UPS引發了人們越來越多的關注。這種技術拋棄了傳統UPS利用鉛酸蓄電池進行儲能的方式。在現代數據中心中,迅速增長的業務需求,日益增加的運營成本,有限的機房空間和更高的能量密度,已經成為云計算時代下,數據中心及其電源管理系統建設面臨的*大挑戰。
IDC的統計數據顯示,電力能源成本已經成為困擾數據中心運營者的頭號難題。其中,UPS、空調等周邊設備的耗電量大大高于主機電量。另外,酸鉛蓄電池并非綠色環保的產品。因此,配備一套智能綠色UPS供電系統成為數據中心節能環保的重中之重。傳統電源系統中的蓄電池需要空調制冷,而且24小時連續運轉,耗能巨大。磁懸浮式飛輪儲能UPS系統則無需空調,大大節省了運營成本;而且,其占用的空間也大幅減小;維護成本低,無需更換電池;壽命長達20年。圖3給出了柜式磁懸浮飛輪儲能型UPS的外形圖。
在傳統UPS供電系統中,當電力發生中斷時,蓄電池會支撐系統正常運轉,與此同時,柴油發動機開始啟動,以此保證數據中心主機正常工作、空調連續運轉。蓄電池型UPS在此過程中,提供了“分鐘級”的電力供電。而飛輪儲能型UPS受制于機械儲能,僅僅能夠提供30s到1min電力供電,這也是飛輪UPS被詬病的主要原因。然而,專家指出,如今,市電電源的可靠性達到99.9%,有些重要的負載都采用雙路市電供電,市電的可靠性可以說已經達到了99.99%。萬一市電中斷,后備電源的可靠性也可以達到99.9%,從市電到后備電源的切換,在技術上只需要10s的時間,這是一個公開的標準。目前,歐洲已經將這個時間定了8s。可以斷定,飛輪儲能型UPS能提供30s的電力完全能夠滿足從市電到后備電源的可靠切換的要求。圖4給出了柜式磁懸浮飛輪儲能型UPS的運行示意圖。

5、國內外飛輪儲能技術發展現狀
(1)國外飛輪儲能技術的發展處于**地位
美國、德國、日本等發達國家的飛輪儲能技術的發展處于**地位。日本已經制造出容量26.5MVA,系統輸出電壓1100V,轉速510690r/min的變頻調速飛輪蓄能發電系統。美國馬里蘭大學也已研究出用于電力調峰的24kWh的電磁懸浮飛輪系統,其飛輪重172.8kg,工作轉速范圍11,610—46,345rpm,破壞轉速為48,784rpm,系統輸出恒壓110～240V,全程效率為81%。經濟分析表明,運行3年時間可收回全部成本。飛輪儲能技術在美國發展得很成熟,他們制造出一種裝置,在空轉時的能量損耗達到每小時0.1%。歐洲的法國國家科研中心、德國的物理高技術研究所、意大利的SISE均正開展高溫超導磁懸浮軸承的飛輪儲能系統研究。2011年10月30日,全球大規模飛輪儲能應用先驅Beacon Power申請破產保護。BeaconPower開創了飛輪儲能系統與電力公司合作的先例,使電力市場開始接受飛輪儲能技術。從這個角度講,在飛輪儲能技術發展的歷史上,甚至于儲能發展的歷史上,Beacon Power的成就無人可以替代。盡管公司面臨破產,但去年6月在紐約Stephen鎮,仍為20MW的飛輪儲能項目舉行一個建成投運儀式。該飛輪儲能電源系統用于電廠儲能調頻,能做到15min的儲能規模。而一般應用于UPS的飛輪儲能時間都不超過100s。可以說這是美國目前*先進的飛輪儲能系統。這也說明美國的很多項目還處在示范階段。表1給出了國外幾個**的飛輪儲能電源系統的廠商。
現介紹美國、西歐和日本的主要研發飛輪儲能電源系統的廠商。
①美國宇航局(NASA)Glenn研究中心及其合作單位
N A S A 飛輪主要應用于航空航天, 以及**裝甲車輛上, 用途主要是: 能量儲存、動力和姿態控制以及峰值功率調節等。設計儲能量: 3 6 0～8 4 0 kWh ;儲能密度: 4 4Wh / k g ;轉速:60000rpm;線速度:不小于880m/s。目標建立和測試大型飛輪儲能系統,目標:儲能密度大于100Wh/kg;線速度不小于1260m/s。工作高低轉速比:3:1;放電深度:90%;運行轉速內無臨界模態,后期研究控制模態可能性。
②Bescon Power公司
Bescon Power公司生產的飛輪儲能產品用以滿足迅速增長的可靠的分布式電源需求。建立為通訊應用提供后備電源的商業基礎,估計每年擁有10000套飛輪系統需求。為電信/電纜設備提供備用電力供應的20C1000飛輪儲能系統為主。
飛輪采用高強度復合材料輪緣,高速、長壽命、無需維護、低損耗永磁偏置主動/被動磁軸承,直流永磁無刷高效率、低損耗電動/發電機,正弦波脈寬調制實現驅動電壓、電流一體化控制的雙向換流器,真空密封,埋入地下,運行狀況可以通過互聯網進行監視。
指標:工作轉速:30000～100000rpm,*高線速度:700m/s,放電深度:90%,電機效率:96%,輸出可用儲量2000Wh;輸出電壓為直流3 6 V、4 8 V 或9 6 V , 額定輸出功率1 k W ; 輸入電壓120/240VDC,50/60Hz,*大輸入功率1.05kW;轉子重量:68kg,飛輪模塊重量:383kg,電子模塊重量9 0 k g ;設計壽命: 2 0年,平均故障間隔時間:10萬小時。

Bescon Power公司雖在去年破產,但使其在飛輪儲能技術方面的**對于飛輪儲能技術的應用還是具有重大意義的。
③Active Power 公司
公司主要生產不間斷電源(UPS)的飛輪儲能電源系統,以取代傳統的鉛酸蓄電池,解決當今對于電力品質的高要求。公司產品的應用對象主要是廣大工業用戶,比如:先進的數據中心、工業設備和廣播站等。目前,公司擁有29項發明**,主要產品有Cat UPS系列和Cleansource DC 系列。Active Power的飛輪材料為4340鍛鐵,其飛輪轉子與電動/發電機、磁軸承整合在一起。用磁鐵卸去80%的重量以延長飛輪軸承的壽命和減小損耗。飛輪的工作轉速在7000～7700rpm。工作維持時間為幾十秒到幾分鐘。目前公司飛輪已經產品化出售,并在北京設有辦事處。
由Active Power公司所研發的、一款集成飛輪UPS的模塊化電源系統“PowerHouse”已在中國推廣。作為箱式數據中心中不可缺少的部分——電源系統,PowerHouse擯棄傳統蓄電池UPS而采用飛輪UPS作為整個系統的核心。專家認為飛輪儲能不間斷供電系統將把箱式數據中心帶入全新境界。
PowerHouse以飛輪UPS為核心部件，并將柴油機組、ATS切換柜、開關配電柜及制況設備等部件集成在標準集裝箱內，形成可持續供電的不間斷電源系統。基于Active Power公司的高效及靈活性結構，PowerHouse系統可被快速裝配及應用。它的功率范圍從200kW到800kW不等，是完全可以擴展的結構，可隨用戶需求擴容備用電源。
傳統備用電源需單個部件現場組裝, 而PowerHouse系統則是在工廠組裝完成、可現場復驗的電源解決方案。其設計、質量控制、測試、建設和驗證都在工廠完成,而不是現場完成的,所以確保了集成飛輪UPS、開關柜、備用發電機和冷卻設備之間的相互操作性,也為系統的現場安裝、部署節省了寶貴時間。
傳統U P S 中的蓄電池有效工作溫度為20～25℃,并且溫度每升高或降低10℃,其性能都會下降一半甚至更多。當環境溫度超過25℃之后,溫度每升高1℃,蓄電池壽命將縮短一年。飛輪UPS對環境的適應能力很強,可以在0℃到40℃之間正常運轉,它不會因外界因素而發生退化現象,這就為箱式數據中心的應用創造了條件。另外,因為有150多個遙測網絡點對飛輪的運行情況進行遙測,并可提供準確的系統性能圖片,所以這樣的機械動力系統具有可預知性。也就是說PowerHouse系統的**性**可控。
PowerHouse系統效率很高,但占用空間卻很小,用戶可在現場限制條件下,迅速部署具有**防護特點的PowerHouse系統。用戶可以將其放置在諸如房頂、閑置的裝卸間、院落甚至停車廠之類的場所。
PowerHouse系統,具有部署快,基建要求低,占地空間小,模塊化可方便升級、擴容,結構緊湊、方便移動等特點;越來越成為現今供電系統的新寵。
④VYCON公司
飛輪儲能設備制造商VYCON日前喜獲美國成長*快500家私營企業殊榮。排名第436位。這是該公司**次入選該榜單。入選原因是由于該公司三年之內獲得了797%的高速銷售增長率,實現收益660萬美元。同時,總部位于加利福尼亞州的約巴林達的VYCON公司也是加州能源行業中獲得本排名*高的入選企業。
VYCON公司更是將飛輪儲能系統納入港口起重機制造的先驅,需要提及的是VYCON公司繼續加大與伊頓電氣集團的合作,以促進其VDC和VDC-XE飛輪儲能系統的市場銷售。
VYCON公司總裁FrankDeLattre表示:我們與伊頓的合作是十分成功的,我們將繼續加強雙方的合作關系,為伊頓的客戶提供**高效的清潔能源儲備裝置。
伊頓產品經理PedroRobredo表示:“我們十分高興繼續與VYCON加深合作,VYCON的高速飛輪儲能系統作為一種替代蓄電池的儲能系統,各方面性能都非常好,這為我們的客戶提供了很好的解決方案。
⑤德國Forschungszentrum karlsruhe Gmbh公司
德國Forschungszentrum karlsruhe Gmbh公司1997年著手設計5MWh/100MW超導飛輪儲能電站的概念設計。電站由10個飛輪模塊組成,每個模塊儲能0.5MWh,功率10MW,重30t,直徑3.5m、高6.5m,用同步電動/發電機進行電能輸入輸出。每個模塊包括一個電動/發電機子模塊、4個碳纖維復合材料制成的轉子模塊和6個SMB子模塊。每個飛輪轉子儲能125kWh,重3t,能量密度42Wh/kg,運行轉速2250～4500rpm,*大外緣線速度600m/s,*大拉應力810Mpa。SMB由YBCO塊材料和稀土鐵棚型高強度永磁材料構成,耗用10t的YBCO塊材和5t的永磁材料。系統效率96%。
⑥日本合作研發高溫超導磁懸浮軸承飛輪儲能電源系統日本已投資3500萬美元進行高溫超導磁懸浮軸承飛輪儲能研究,由三菱、日立、精工等公司和多個研究所、高校組成3個研究組合作承擔。已研制出3種試驗模型機,并進行了儲能8MWh容量1000kW的飛輪儲能機組的概念設計。日本原子能研究所一座大型核融合實驗爐采用了飛輪儲能發電裝置,其主要參數為:功率235MVA、電壓18kV、電流6898A、飛輪轉速420～600rpm、可釋放能量20MJ,轉子為碳素鋼鍛造的實心圓盤,重1000t。
(2)我國飛輪儲能技術的現狀落后國外十年
目前國內從事與飛輪研究相關的單位有:清華大學工程物理系飛輪儲能實驗室、華北電力大學、北京飛輪儲能柔性研究所(由中國科學院電工研究所、天津核工業理化工程研究院等組成)、北京航空航天大學、南京航空航天大學、中國科大、中科院力學所、東南大學、合肥工業大學等,主要集中在小容量系列。其中,北航針對航天領域研制的“姿控/儲能兩用磁懸浮飛輪”已獲得2007年國家技術發明一等獎。華北電力大學和中國科學院電工研究所、河北省電力局合作, 已經開始就電力系統調峰用飛輪儲能系統的課題進行研究，預計能夠取得可喜的成果。從總體上來看，國內飛輪儲能技術的發展現狀落后國外十年，許多成果尚處于研究階段，在推廣應用上還會有一段路要走。

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