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(xiàn)的、具有很大發(fā)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(jīng)發(fā)展得非常成熟,但是,鉛酸蓄電池有污染環(huán)境的風險,磷酸鐵鋰蓄電池的充放電次數(shù)受到一定的限制。新能源、電動汽車、UPS供電等許多行業(yè)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(shù)和綠色環(huán)保型的儲能技術,已經(jīng)開始越來越廣泛地應用于國內(nèi)外的許多行業(yè)中。
1 、飛輪儲能電源系統(tǒng)的工作原理
飛輪儲能電源系統(tǒng)的原理如圖1所示。

飛輪儲能電源系統(tǒng)主要由以下三部分組成:飛輪、電機和軸承,整個系統(tǒng)置于真空容器內(nèi)。飛輪儲能電源系統(tǒng)中的電機,既是電動機也是發(fā)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(fā)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(tǒng)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(zhì)量,為得到較大的轉動慣量J ,要采用大直徑和大質(zhì)量的飛輪。龐大、沉重的飛輪在高速旋轉時,將會產(chǎn)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(xiàn)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(tǒng)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(wěn)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(wǎng)風電迅速發(fā)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(guī)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(fā)電行業(yè)的發(fā)展前景十分廣闊,預計未來很長一段時間都將保持高速發(fā)展。
在我國風電建設規(guī)模高居****的同時,風電并網(wǎng)問題卻始終制約著我國風電的發(fā)展。我國風電裝機容量中仍然有近三成風電沒有并網(wǎng)。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(wǎng)的調(diào)頻、調(diào)峰壓力加大,因此,風電場大規(guī)模的并網(wǎng)接入對電力系統(tǒng)的運行帶來一些新問題。光伏發(fā)電、風力發(fā)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(tǒng)電源一樣制定和實施準確的發(fā)電計劃,這給電網(wǎng)的運行調(diào)度帶來巨大壓力。同時,可再生能源的大規(guī)模接入所帶來的局部電網(wǎng)無功電壓和頻率問題、電能質(zhì)量問題等等也不容忽視,會對電網(wǎng)調(diào)峰和系統(tǒng)**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(nèi),依靠傳統(tǒng)電網(wǎng)技術以及增加水電、燃氣機組等手段基本可以保證電網(wǎng)**;但如果所占比例達到20%甚至更高,電網(wǎng)的調(diào)峰能力和**運行將面臨巨大挑戰(zhàn)。儲能技術在很大程度上解決了新能源發(fā)電的隨機性、波動性問題,可以實現(xiàn)新能源發(fā)電的平滑輸出,能有效調(diào)節(jié)新能源發(fā)電引起的電網(wǎng)電壓、頻率及相位的變化,使大規(guī)模風電及太陽能發(fā)電方便可靠地并入傳統(tǒng)電網(wǎng)。高速飛輪儲能系統(tǒng)可以在瞬間釋放出巨大電力以穩(wěn)定電網(wǎng)波動。可實現(xiàn)對電網(wǎng)的調(diào)峰功能,從而替代水力、燃氣發(fā)電廠,為電網(wǎng)運營商創(chuàng)造更可靠的供電系統(tǒng)。由此可見,飛輪儲能技術能夠提高電網(wǎng)對可再生能源的接納能力。
中國國家電網(wǎng)公司規(guī)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(tǒng)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(fā)電和風力發(fā)電所固有的隨機性、間歇性、不可控性的特點對并入傳統(tǒng)電網(wǎng)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(huán)境保護意識的提高以及全球能源的供需矛盾,研發(fā)環(huán)保型汽車成為當今世界汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要趨勢。汽車制造行業(yè)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(huán)壽命長的新型儲能電源系統(tǒng),是電動汽車與汽油車比拼的關鍵。而飛輪儲能電源系統(tǒng),因具有清潔、高效、充放電快速、可無限制的充放電、不污染環(huán)境等特點而受到汽車行業(yè)的廣泛重視。預計21世紀飛輪電池將會是電動汽車行業(yè)的研究熱點。
飛輪儲能電源系統(tǒng)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(tǒng)充電;在車輛加速或爬坡時,飛輪儲能電源系統(tǒng)放電,給車輛提供動力,保證車輛運行在一種平穩(wěn)、*優(yōu)狀態(tài)下的轉速,可減少燃料消耗,并可以減少發(fā)動機的維護,延長發(fā)動機的壽命。眾所周知,在城區(qū)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(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。
飛輪儲能電源系統(tǒng)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(xiàn)場總線和F700變頻器的控制系統(tǒng),依據(jù)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(tǒng)中,電機處于發(fā)電機狀態(tài)時,再釋放這部分能量。
飛輪儲能電源系統(tǒng)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(jīng)整流和逆變后,驅動電機B處于電動機狀態(tài),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(jīng)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(tài),此時飛輪儲存的能量回饋到變頻器的直流母線側,再經(jīng)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(wěn)定在一定范圍內(nèi);
(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(jié)能的效果。
4 、飛輪儲能技術在UPS供電系統(tǒng)中的應用
磁懸浮式飛輪儲能UPS引發(fā)了人們越來越多的關注。這種技術拋棄了傳統(tǒng)UPS利用鉛酸蓄電池進行儲能的方式。在現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心中,迅速增長的業(yè)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(jīng)成為云計算時代下,數(shù)據(jù)中心及其電源管理系統(tǒng)建設面臨的*大挑戰(zhàn)。
IDC的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,電力能源成本已經(jīng)成為困擾數(shù)據(jù)中心運營者的頭號難題。其中,UPS、空調(diào)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(huán)保的產(chǎn)品。因此,配備一套智能綠色UPS供電系統(tǒng)成為數(shù)據(jù)中心節(jié)能環(huán)保的重中之重。傳統(tǒng)電源系統(tǒng)中的蓄電池需要空調(diào)制冷,而且24小時連續(xù)運轉,耗能巨大。磁懸浮式飛輪儲能UPS系統(tǒng)則無需空調(diào),大大節(jié)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(tǒng)UPS供電系統(tǒng)中,當電力發(fā)生中斷時,蓄電池會支撐系統(tǒng)正常運轉,與此同時,柴油發(fā)動機開始啟動,以此保證數(shù)據(jù)中心主機正常工作、空調(diào)連續(xù)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(jīng)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(jīng)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(nèi)外飛輪儲能技術發(fā)展現(xiàn)狀
(1)國外飛輪儲能技術的發(fā)展處于**地位
美國、德國、日本等發(fā)達國家的飛輪儲能技術的發(fā)展處于**地位。日本已經(jīng)制造出容量26.5MVA,系統(tǒng)輸出電壓1100V,轉速510690r/min的變頻調(diào)速飛輪蓄能發(fā)電系統(tǒng)。美國馬里蘭大學也已研究出用于電力調(diào)峰的24kWh的電磁懸浮飛輪系統(tǒng),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(tǒng)輸出恒壓110～240V,全程效率為81%。經(jīng)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(fā)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(tǒng)研究。2011年10月30日,全球大規(guī)模飛輪儲能應用先驅Beacon Power申請破產(chǎn)保護。BeaconPower開創(chuàng)了飛輪儲能系統(tǒng)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(fā)展的歷史上,甚至于儲能發(fā)展的歷史上,Beacon Power的成就無人可以替代。盡管公司面臨破產(chǎn),但去年6月在紐約Stephen鎮(zhèn),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(tǒng)用于電廠儲能調(diào)頻,能做到15min的儲能規(guī)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(tǒng)。這也說明美國的很多項目還處在示范階段。表1給出了國外幾個有名的飛輪儲能電源系統(tǒng)的廠商。
現(xiàn)介紹美國、西歐和日本的主要研發(fā)飛輪儲能電源系統(tǒng)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(tài)控制以及峰值功率調(diào)節(jié)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(tǒng),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(nèi)無臨界模態(tài),后期研究控制模態(tài)可能性。
②Bescon Power公司
Bescon Power公司生產(chǎn)的飛輪儲能產(chǎn)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(yè)基礎,估計每年擁有10000套飛輪系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)電機,正弦波脈寬調(diào)制實現(xiàn)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(lián)網(wǎng)進行監(jiān)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(chǎn),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(chǎn)不間斷電源(UPS)的飛輪儲能電源系統(tǒng),以取代傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池,解決當今對于電力品質(zhì)的高要求。公司產(chǎn)品的應用對象主要是廣大工業(yè)用戶,比如:先進的數(shù)據(jù)中心、工業(yè)設備和廣播站等。目前,公司擁有29項發(fā)明**,主要產(chǎn)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(fā)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(jīng)產(chǎn)品化出售,并在北京設有辦事處。
由Active Power公司所研發(fā)的、一款集成飛輪UPS的模塊化電源系統(tǒng)“PowerHouse”已在中國推廣。作為箱式數(shù)據(jù)中心中不可缺少的部分——電源系統(tǒng),PowerHouse擯棄傳統(tǒng)蓄電池UPS而采用飛輪UPS作為整個系統(tǒng)的核心。專家認為飛輪儲能不間斷供電系統(tǒng)將把箱式數(shù)據(jù)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(nèi)，形成可持續(xù)供電的不間斷電源系統(tǒng)。基于Active Power公司的高效及靈活性結構，PowerHouse系統(tǒng)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(tǒng)備用電源需單個部件現(xiàn)場組裝, 而PowerHouse系統(tǒng)則是在工廠組裝完成、可現(xiàn)場復驗的電源解決方案。其設計、質(zhì)量控制、測試、建設和驗證都在工廠完成,而不是現(xiàn)場完成的,所以確保了集成飛輪UPS、開關柜、備用發(fā)電機和冷卻設備之間的相互操作性,也為系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝、部署節(jié)省了寶貴時間。
傳統(tǒng)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(huán)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(huán)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(fā)生退化現(xiàn)象,這就為箱式數(shù)據(jù)中心的應用創(chuàng)造了條件。另外,因為有150多個遙測網(wǎng)絡點對飛輪的運行情況進行遙測,并可提供準確的系統(tǒng)性能圖片,所以這樣的機械動力系統(tǒng)具有可預知性。也就是說PowerHouse系統(tǒng)的**性**可控。
PowerHouse系統(tǒng)效率很高,但占用空間卻很小,用戶可在現(xiàn)場限制條件下,迅速部署具有**防護特點的PowerHouse系統(tǒng)。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(tǒng),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(xiàn)今供電系統(tǒng)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(yè)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(nèi)獲得了797%的高速銷售增長率,實現(xiàn)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(yè)中獲得本排名*高的入選企業(yè)。
VYCON公司更是將飛輪儲能系統(tǒng)納入港口起重機制造的先驅,需要提及的是VYCON公司繼續(xù)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(tǒng)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(xù)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(chǎn)品經(jīng)理PedroRobredo表示:“我們十分高興繼續(xù)與VYCON加深合作,VYCON的高速飛輪儲能系統(tǒng)作為一種替代蓄電池的儲能系統(tǒng),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(fā)電機進行電能輸入輸出。每個模塊包括一個電動/發(fā)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(tǒng)效率96%。
⑥日本合作研發(fā)高溫超導磁懸浮軸承飛輪儲能電源系統(tǒng)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(fā)電裝置,其主要參數(shù)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(xiàn)狀落后國外十年
目前國內(nèi)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(yè)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(yè)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(fā)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(jīng)開始就電力系統(tǒng)調(diào)峰用飛輪儲能系統(tǒng)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(nèi)飛輪儲能技術的發(fā)展現(xiàn)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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