飛輪儲能

一種儲能方式

徠飛輪儲能是指利用電動機帶動飛輪高速旋轉,在需要的時候再用飛輪帶動發電機發電的儲能方式。技術特點是高功率密度、長壽命。

簡介


飛輪儲能思想早在一百年前就有人提出,但是由於當時技術條件的制約,在很長時間內都沒有突破。直到20世紀60~70年代,才由美國宇航局(NASA)Glenn研究中心開始把飛輪作為蓄能電池應用在衛星上。到了90年代后,由於在以下3個方面取得了突破,給飛輪儲能技術帶來了更大的發展空間。
(1) 高強度碳素纖維複合材料(抗拉強度高達8.27GPa)的出現,大大增加了單位質量中的動
能儲量。
(2) 磁懸浮技術和高溫超導技術的研究進展迅速,利用磁懸浮和真空技術,使飛輪轉子的摩
擦損耗和風損耗都降到了最低限度。
(3) 電力電子技術的新進展,如電動/發電機及電力轉換技術的突破,為飛輪儲存的動能與
電能之間的交換提供了先進的手段。儲能飛輪是種高科技機電一體化產品,它在航空航天(衛星儲能電池,綜合動力和姿態控制)、軍事(大功率電磁炮)、電力(電力調峰)、通信(UPS)、汽車工業(電動汽車)等領域有廣闊的應用前景。

工作原理


飛輪儲能系統是一種機電能量轉換的儲能裝置,突破了化學電池的局限,用物理方法實現儲能。通過電動/發電互逆式雙向電機,電能與高速運轉飛輪的機械動能之間的相互轉換與儲存,並通過調頻、整流、恆壓與不同類型的負載介面。
在儲能時,電能通過電力轉換器變換后驅動電機運行,電機帶動飛輪加速轉動,飛輪以動能的形式把能量儲存起來,完成電能到機械能轉換的儲存能量過程,能量儲存在高速旋轉的飛輪體中;之後,電機維持一個恆定的轉速,直到接收到一個能量釋放的控制信號;釋能時,高速旋轉的飛輪拖動電機發電,經電力轉換器輸出適用於負載的電流與電壓,完成機械能到電能轉換的釋放能量過程。整個飛輪儲能系統實現了電能的輸入、儲存和輸出過程。

組成結構


飛輪本體是飛輪儲能系統中的核心部件,作用是力求提高轉子的極限角速度,減輕轉子重量,最大限度地增加飛輪儲能系統的儲能量,目前多採用碳素纖維材料製作。
軸承系統的性能直接影響飛輪儲能系統的可靠性、效率和壽命。目前應用的飛輪儲能系統多採用磁懸浮系統,減少電機轉子旋轉時的摩擦,降低機械損耗,提高儲能效率。
飛輪儲能系統的機械能與電能之間的轉換是以電動/發電機及其控制為核心實現的,電動/發電機集成一個部件,在儲能時,作為電動機運行,由外界電能驅動電動機,帶動飛輪轉子加速旋轉至設定的某一轉速;在釋能時,電機又作為發電機運行,向外輸出電能,此時飛輪轉速不斷下降。顯然,低損耗、高效率的電動/發電機是能量高效傳遞的關鍵。
電力轉換裝置是為了提高飛輪儲能系統的靈活性和可控性,並將輸出電能變換(調頻、整流或恆壓等)為滿足負荷供電要求的電能。
真空室的主要作用是提供真空環境,降低電機運行時的風阻損耗。
飛輪儲能系統主要包括轉子系統、軸承系統和轉換能量系統三個部分構成。另外還有一些支持系統,如真空、深冷、外殼和控制系統。基本結構如圖所示。
1、轉子系統
飛輪轉動時動能與飛輪的轉動慣量成正比。而飛輪的轉動慣量又正比於飛輪直徑的2次方和飛輪的質量(J=(0.5~1)*M*R^2,飛輪質量分佈均勻時取0.5,質量完全集中在邊緣時取1)。
當過於龐大、沉重的飛輪在高速旋轉時,會受到極大的離心力作用,往往超過飛輪材料的極限強度,很不安全。因此,用增大飛輪轉動慣量的方法來增加飛輪的動能是有限的。
飛輪儲能
飛輪儲能
2、軸承系統
支撐轉子的軸承,支撐轉子運動,降低摩擦阻力,使整個裝置則以最小損耗運行。
3、轉換能量系統
飛輪儲能裝置中有一個內置電機,它既是電動機也是發電機。在充電時,它作為電動機給飛輪加速;當放電時,它又作為發電機給外設供電,此時飛輪的轉速不斷下降;而當飛輪空閑運轉時,整個裝置則以最小損耗運行。
飛輪儲能器中沒有任何化學活性物質,也沒有任何化學反應發生。旋轉時的飛輪是純粹的機械運動,飛輪在轉動時的動能為:
E =1/2Jω/
式中: J為飛輪的轉動慣量
ω為飛輪旋轉的角速度.
飛輪儲能的技術優勢是技術成熟度高、充放電次數無限以及無污染等特性。飛輪儲能的能量密度不夠高、自放電率高,如停止充電,能量在幾到幾十個小時內就會自行耗盡。適用於電網調頻和電能質量保障。

應用


1、免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS
(1)在市電輸入正常,或者在市電輸入偏低或偏高(一定範圍內)的情況下,UPS通過其內部的有源動態濾波器對市電進行穩壓和濾波,保證向負載設備提供高品質的電力保障,同時對飛輪儲能裝置進行充電,UPS利用內置的飛輪儲能裝置儲存能量。
(2)在市電輸入質量無法滿足UPS正常運行要求,或者在市電輸入中斷的情況下,UPS將儲存在飛輪儲能裝置里的機械能轉化為電能,繼續向負載設備提供高品質並且不間斷的電力保障。
(3)在UPS內部出現問題影響工作的情況下,UPS通過其內部的靜態開關切換到旁路模式,由市電直接向負載設備提供不問斷的電力保障。
(4)在市電輸入恢復供電,或者在市電輸入質量恢復到滿足UPS正常運行要求的情況下,則立即切換到市電通過UPS供電的模式,繼續向負載設備提供高品質並且不間斷的電力保障,並且繼續對飛輪儲能裝置進行充電。
2、電動汽車電池
目前隨著環境保護意識的提高以及全球能源的供需矛盾,開發節能及採用替代能源的環保型汽車,以減少對環境的污染,是當今世界汽車產業發展的一個重要趨勢。汽車製造行業紛紛把目光轉向電動汽車的研製。能找到儲能密度大、充電時間短、價格適宜的新型電池,是電動汽車能否擁有更大的機動性並與汽油車一爭高下的關鍵,而飛輪電池具有清潔、高效、充放電迅捷、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。
3、不間斷電源
不間斷電源由於能確保不間斷供電和保證供電質量而在通訊樞紐、國防指揮中心、工業生產控制中心等地方得到廣泛使用目前不問斷電源由整流器、逆變器、靜態開關和蓄電池組等組成。但目前蓄電池通常都存在對工作溫度、工作濕度、輸入電壓、以及放電深度等條件要求.同時蓄電池也不允許頻繁的關閉和開啟。而飛輪具有大儲能量、高儲能密度、充電快捷、充放電次數無限等優點,因此在不間斷電源系統領域有良好的應用前景。
4、風力發電系統不間斷供電
風力發電由於風速不穩定,給風力發電徠用戶在使用上帶來了困難。傳統的做法是安裝柴油發電機,但由於柴油機本身的特殊要求,在啟動后30分鐘內才能停止。而風力常常間斷數秒,數分鐘。不僅柴油機組頻繁啟動,影響使用壽命;而且風機重啟動后柴油機同時作用,會造成電能過剩。考慮到飛輪儲能的能量大。充電快捷,因此,國外不少科研機構已將儲能飛輪引入風力發電系統。美國將飛輪引入風力發電系統,實現全程調峰,飛輪機組的發電功率為300KW,大容量儲能飛輪的儲能為277KW每小時。
5、大功率脈衝放電電源
為了避免運載火箭只能使用一次的巨大浪費和減少大氣污染,美國正在研究一種磁懸浮直線電動機托架(又名太空電梯)來發射太空梭,這需要功率巨大、但放電時間非常短促的電源,所以專門減少一個容量巨大的店裡系統提供能量,顯然是不合理的。而採用飛輪儲能系統,可以實現這一點。

研究難點


飛輪儲能技術主要結構和運行方法已經基本明確,目前主要正處於廣泛的實驗階段,小型樣機已經研製成功並有應用於實際的例子,目前正向發展大型機的趨勢發展,但是卻有非常多的難點,主要集中在以下幾個方面。
(1)轉子的設計:轉子動力學,輪轂一轉緣邊界連接,強度的優化,蠕變壽命;
(2)磁軸承:低功耗,動力設計,高轉速,長壽命;
(3)功率電子電路:高效率,高可靠性,低功耗電動/發電機;
(4)安全及保護特性:不可預期動量傳遞,防止轉子爆炸可能性,安全輕型保護殼設計;
(5)機械備份軸承:磁軸承失效時支撐轉子。飛輪儲能系統優勢突出,應用廣泛,隨著技術的成熟和價格的降低,將會是儲能領域的一項新的革命。我國在飛輪技術上與發達國家差距很大,國家應對這一技術加以重視,加大資金和技術的投入,使這項技術早日走向市場化、商品化。