飛輪儲能系統(tǒng)研究進展、應用現(xiàn)狀與前景

朱桂華,劉金波,張玉柱

(中南大學,湖南長沙410083)

0 引 言

2011年3月11 日發(fā)生在日本本州島以東的大地震引發(fā)的核泄漏事故使各國的目光轉向更安全的能源,其中包括風能、太陽能、地熱能和風能等可再生能源。在這之前,國內酒泉一次的大規(guī)模風機脫網(wǎng)事故,導致電壓大幅波動,甚至波及甘肅電網(wǎng),對整個西北電網(wǎng)造成威脅。這一切重大事情的背后實際上是能源的巨大需求與供應關系的緊張。為解決能源生產(chǎn)商和用戶之間的供需矛盾,開發(fā)新能源的同時并更有效地利用現(xiàn)有的能源,就需要發(fā)展先進節(jié)能技術和儲能技術,飛輪儲能技術已經(jīng)成為儲能需求中的一種。目前關于飛輪儲能用于風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用方法與前景介紹的較多[1-2],采用飛輪儲能單元作為并網(wǎng)風電場的能量緩沖裝置以穩(wěn)定并網(wǎng)風電場的功率輸出的研究較多[3-6],而且已有對飛輪儲能產(chǎn)品應用于風電系統(tǒng)的產(chǎn)品應用介紹[7-8]。

飛輪儲能的基本原理是由電能驅動飛輪做高速旋轉,電能轉變?yōu)闄C械能儲存。當外界需要電力時,再把電力輸出為負載所用;當外界不需要電力時,則電動機以很小的功率帶動電機轉子與飛輪高速轉動。飛輪儲能裝置主要結構為飛輪轉子、軸承(支承)、電動/發(fā)電機、電力轉換器、抽真空裝置及真空室。關鍵技術為飛輪結構設計和制造工藝、磁懸浮軸承設計和實驗研究、高速轉子動力學研究與高效能量轉換技術等。其中飛輪儲能具有儲能密度高、適應性強、應用范圍廣、效率高、長壽命、無污染和維修花費低等優(yōu)點?，F(xiàn)在清潔能源研究越來越熱,飛輪儲能技術發(fā)展更是非常迅速,國內外眾多研究機構、大學與科技公司均投入到此項目中。如美國、歐洲、日本等工業(yè)強國爭相投入大量的研究資金和人力,并取得了許多的研究成果。本文主要介紹國內外的研究機構、公司在飛輪儲能系統(tǒng)方面研究進展與應用現(xiàn)狀。

1 國外飛輪儲能系統(tǒng)研究進展與應用現(xiàn)狀

1.1 高等院校研究進展

馬里蘭大學從1977年開始進行飛輪儲能系統(tǒng)的研究,其多層圓柱儲能飛輪的轉子材料為碳纖維-環(huán)氧樹脂復合材料,具體參數(shù)為:外徑564mm、內徑254 mm、厚553mm、重172.8 kg,最大轉速達到46 345 r/min。設計出的磁芯疊片,磁鐵材料和磁芯纏繞方式,電機總效率可達94%。電樞繞線采用三相△連接,每相具有1/3極距的交疊;已開發(fā)出的“敏捷微處理器電力轉換系統(tǒng)”,當電壓式電流過零時能大幅地提高共振頻率[9],并長期從事電磁懸浮儲能飛輪開發(fā),采用差動平衡磁軸承,已完成儲能20 kWh飛輪研制。

賓州州立大學復合材料制造技術中心(PSUCMTC)在復合材料飛輪的纖維束纏繞、固化成型、系統(tǒng)測試及后期系統(tǒng)集成方面做了許多有效工作。

德克薩斯大學奧斯汀分校的機電研究中心(UT-CEM)致力于適用于公共汽車的低質量、高性能的復合材料飛輪儲能系統(tǒng)的研制,在試制的飛輪儲能

系統(tǒng)飛輪轉子高速旋轉測試中,最高轉速可達45 000 r/min。UT-CEM于2004年研制出同時期單體最大的移動式復合材料飛輪重達2 273 kg,最高轉速15 000 r/min,儲能130 kWh的復合材料飛輪轉子[10]。目前正在進行的“阿爾卑斯”計劃系統(tǒng)中,包括一個3MW渦輪機/發(fā)電機與原動機的480 MJ,2 MW飛輪儲能系統(tǒng)耦合[11]。

賓夕法尼亞州立大學的飛輪儲能研究小組致力于先進復合材料飛輪的制作與纏繞工藝,為防止徑向離心應力引起的脫層,外層的三個碳纖維飛輪圓環(huán)之間有彈性聚亞胺脂彈性過渡層,中間的玻璃纖維圓環(huán)內外均與碳纖維環(huán)過盈預壓力裝配,他們克服徑向脫層的另一個技術措施是采用高彈性材料作為纖維基底,為克服纏繞殘余應力和提高品質,采用了獨特的固化與纏繞同步工藝[12]。

休斯頓大學的德克薩斯超導中心研發(fā)出復合材料的儲能飛輪,重19 kg、飛輪外徑304.8 mm,能做到儲能1 kWh,主要特點是做到了等應力設計,采用超導磁懸浮與永磁結合支承方式[6]。

此外,華盛頓大學機械工程系在進行玻璃纖維飛輪的研究工作,并采用寶石軸承/永磁軸承。

1.2 科研院所研究進展

美國國家宇航局(NASA)在上世紀80年代開始衛(wèi)星飛輪儲能系統(tǒng)的研究,在90年代末期研制成兼有電源和調姿功能的飛輪儲能系統(tǒng),以用于低地球軌道衛(wèi)星;1998年夏,兼有姿態(tài)調控的復合材料飛輪儲能系統(tǒng)在美國已進入航天器應用的研制階段[13];2000年3月,NASA G1enn中心在實驗室環(huán)境研制成功磁懸浮復合材料飛輪儲能系統(tǒng),轉速達到600 000 r/min,線速度為800 m/s。該中心目前的研究重點集中在高速軸(HSS),飛輪系統(tǒng)能夠達到的速度高達100 000 r/min。

美國勞倫斯國家實驗室應用永磁釹鐵硼棒料特別排列成定子,產(chǎn)生一旋轉偶極區(qū),轉子多相纏繞,電感低,靜子銅損通過冷卻加以控制。美國阿貢國家實驗室設計和發(fā)展采用超導軸承,設計儲能量20 kWh的高效飛輪儲能系統(tǒng)裝置用于工業(yè)領域。

1.3 科技企業(yè)研究進展與應用

Beacon Power公司對20C1000飛輪儲能系統(tǒng)進行試驗和改進,從而確定雙飛輪結構,為電信/電纜裝備供給備用電力,其飛輪轉速30 000～100 000 r/min,最高線速700 m/s,放電深度90%,電機效率96%,輸入可用儲量2 000Wh,輸入電壓為直流36 V、48 V或96 V,額外輸出功率1 kW;輸出電壓120/240 V DC,50/60 Hz,最大輸出功率4 kW;轉子分量:68 kg,飛輪模塊分量:383 kg,電子模塊分量90 kg;設計壽命:20年,平均故障距離時間:10萬小時。在2001年5月,推出全新100 kW高功率飛輪儲能系統(tǒng),采用脈沖寬度調制轉換器,實現(xiàn)從直流母線到三相變頻交流的雙向能量轉換,具有穩(wěn)速、恒壓功能,此功能是運用一個專利算法自動實現(xiàn),而不需要指定的主動或從動元件。

Vycon公司開發(fā)出140 kW的儲能飛輪,轉速24 000～6 000 r/min,能提供15 s工業(yè)UPS應用的能力。飛輪在真空中旋轉,其支承為主動磁軸承(磁懸浮),以盡量減少損失軸承,并具有高功率電動機/發(fā)電機耦合到一個高效的電源轉換模塊[15]。在使用和沒有飛輪儲能的膠輪龍門起重機的一小時燃油及廢氣排放測試中,有近21%的燃料消耗減少,它比理論上最大的預期要小[16]。

德國Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh公司1997年動手設想5 MWh/100 MW超導飛輪儲能電站的概念。電站由10個飛輪模塊構成,每個模塊儲能0.5 MWh,功率10 MW,重30 t,直徑3.5 m、高6.5 m,用同步電動/發(fā)電機停止電能輸出輸出。每個模塊包羅一個電動/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125 kWh,重3 t,能量密度42Wh/kg,運轉轉速為2 250～4 500 r/min,最大外緣線速度600 m/s,最大拉應力810 MPa,用該超導磁懸浮儲能飛輪電站來進行電力調峰,整個系統(tǒng)效率達96%。

Urenco集團公司發(fā)展了FQ系列飛輪儲能系統(tǒng),設計壽命20年,循環(huán)1 000萬次,轉子可免維修,長期運行,提供DC和AC電力品質,軌道列車制動能源回收,像傳統(tǒng)的UPS應用一樣地穩(wěn)定電網(wǎng)頻率,并能在島嶼風力發(fā)電應用。其技術指標如下:輸出功率100 kW,輸出電壓直流650～700V,最大功率放電時間30 s,工作速度12 000 r/min～36 000 r/min,并成功應用于交通、電力、UPS電源等領域。

波音公司從1999年開始與阿貢實驗室合作研制5 kWh/100 kW等級的HTS-FESS,2007年底完成了5 kWh/100 kW等級的整機實驗,測試速度達到了15 000 r/min,并完成整個飛輪儲能系統(tǒng)的最終用戶測試,后來測試速度將達到22 500 r/min。最近波音公司的高溫超導(HTS)軸承工作概況是:在現(xiàn)場安裝部署,飛輪是由高溫超導懸浮軸承,其定子是由連接到制冷機傳導冷卻。在全速情況下,飛輪有5 kWh的動能,它可以提供三相208V電源千瓦到電力負荷[17]。

美國Satcon技術公司開發(fā)傘狀飛輪,這種結構有利于電機的位置安放,對系統(tǒng)穩(wěn)定性十分有利,轉動慣量大,節(jié)省材料,輪轂強度設計合理,用機械支承支承方式的飛輪一般用于快速充放電系統(tǒng),并開發(fā)先進飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)等。

美國Kaman電磁公司研制的電磁炮、電化學炮,要求在幾個毫秒時間產(chǎn)出200 kA的放電,以滿足負載的需要。國外其他科技企業(yè)研究飛輪的還有很多,并有實際的應用方面。

1.4 總結

美國是研究飛輪儲能最早的國家之一,其擁有多家研究機構,資金雄厚,技術先進,在飛輪技術的研究與應用方面頗有成果。其他發(fā)達國家進入飛輪儲能系統(tǒng)的研發(fā)也不晚,研究的機構眾多,其飛輪儲能產(chǎn)品也都終將走向成熟,尤其在關鍵的技術方面更是更專業(yè),有更高的水準。

2 國內飛輪儲能系統(tǒng)研究進展與應用現(xiàn)狀

2.1 高等院校研究進展

清華大學工程物理系儲能飛輪實驗室于1997年設計出第一套復合材料飛輪系統(tǒng),轉子重8 kg,直徑23 cm,于1998年成功運轉到48 000 r/min,線速度580m/s,并實現(xiàn)充放電。2003年完成500Wh飛輪儲能不間斷電源原理樣機,飛輪轉速42 000 r/min,復合材料飛輪轉子邊緣線速度達到650 m/s[18]。2008年6月,對復合材料環(huán)向纏繞的高儲能密度飛輪轉子進行強度試驗,達到實驗極限轉速54 300 r/min,輪緣線速度796 m/s,儲能密度48

北京航空航天大學在航天器姿態(tài)穩(wěn)定控制高精度執(zhí)行機構技術-磁懸浮飛輪研究方面國內領先。飛輪儲能實驗裝置可用電能為13Wh,轉換效率達到83%,實驗輸出功率100W,最大輸出功率可達200W左右[19]。

華北電力大學研制的鋼質飛輪極限轉速10 000 r/min,采用永磁-流體動壓混合支承,將控制規(guī)律應用到飛輪儲能系統(tǒng)試驗中,成功進行了飛輪儲能系統(tǒng)加速儲能試驗以及飛輪儲能系統(tǒng)與電力系統(tǒng)同步運行控制試驗[20]。

合肥工業(yè)大學趙韓教授提出面向應用的簡化復合材料工業(yè)設計方法,并設計了一個10層、內徑60 mm、外徑120mm、轉速80 000 r/min的飛輪[21]。

從論文發(fā)表情況看,中國科技大學、西安交通大學、東南大學、華中科技大學、武漢理工大學、鄭州大學、中南大學、西北工定大學、上海大學、南京航空航天大學等也在飛輪儲能系統(tǒng)某個方面開展了一些研究。

2.2 科研院所研究進展

中國科學院電工研究所制作了一臺混合SMB樣機,轉軸采用軸向型SMB、永磁軸承和電磁懸浮軸承共同支撐懸浮,最高轉速達到9 600 r/min;其中SMB定子由七塊直徑30mm、高度13 mm的YBCO超導塊材拼成,而對應轉子由一直徑75 mm的永磁圓環(huán)和直徑20mm的永磁圓柱體組成,上述樣機中選用的SMB結構簡單、制作容易。

北京飛輪儲能柔性研究所率先在實驗室實現(xiàn)了立軸旋轉系統(tǒng)是永磁高溫超導的聯(lián)合磁旋浮,接著又完成了永磁卸荷和由液體動壓軸承提供輔助支撐的準磁懸浮飛輪儲能系統(tǒng)的仿真,其飛輪重20 kg,轉速3 000 r/min。

中國科學院長春光學精密儀器研究所,主持航天姿控及儲能一體化飛輪系統(tǒng)技術,采用飛輪儲能兼作姿態(tài)機動和穩(wěn)定的方法來代替現(xiàn)有的蓄電池和三軸姿態(tài)控制系統(tǒng),在重量、儲能潛力、大功率、長壽命等方面有較大的優(yōu)越性[11]。

2.3 科技企業(yè)研究進展與應用

我國科技企業(yè)在飛輪儲能的研發(fā)方面較遲,但是也在不斷地發(fā)展中,認為大有可為。目前蘇州菲萊特能源科技有限公司與深圳飛能能源有限公司也在從事商業(yè)化的飛輪儲能產(chǎn)品研發(fā)。

2.4 總結

上世紀80年代初期,中國科學院電工研究所就開始飛輪儲能系統(tǒng)研究探索,之后從90年代中期,國內飛輪儲能技術逐步興起,研究的單位也隨著新能源的需求不斷地增加,在飛輪儲能的各個領域內也取得了一些進展。與國外相比,國內在復合材料性能、軸承技術和電能轉換效率和實驗研究方面存在明顯的差距,總的來說,國內理論研究較多,工程實踐和實驗而較少;理論分析與計算較為充分,實驗研究數(shù)據(jù)欠缺;國內在飛輪儲能的產(chǎn)品投入不足,開發(fā)還處于初級階段,目前國內只有樣機的問世,一直沒有產(chǎn)品進入市場。

3 應用前景

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,飛輪儲能研發(fā)人員的目光也必將將其轉向更多的應用領域。飛輪儲能系統(tǒng)的充電速度快,放電完全,損耗小,也決定它廣闊的應用前景。

3.1 不間斷電源

不間斷電源由于能確保不間斷供電和保證供電質量,在醫(yī)院、金融機構、大型飯店、商場、國防指揮中心、電信運營商、大型數(shù)據(jù)中心、政府重要部門及大型生產(chǎn)企業(yè)等地方得到廣泛使用。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,而飛輪具有充電快捷、充放電次數(shù)無限,可靠、安全、高效的電力供應保障等優(yōu)點,因此在不間斷電源系統(tǒng)領域有良好的應用前景。

3.2 電力調峰

電力調峰是電力系統(tǒng)必須要解決的重要問題,因為電網(wǎng)頻率的變動和偏差,對用戶和原動機的影響和危害很大。電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性和準確性,是供電質量的重要指標。飛輪儲能技術是在電網(wǎng)負荷處于低谷時,雙向互逆電機作為電動機拖動飛輪,把電能轉換為動能。當在用電高峰時,互逆電機作為發(fā)電機把儲存在飛輪中的動能轉化為電能。與目前常用的抽水蓄能相比,飛輪儲能技術具有能量輸入、輸出快捷,轉換效率高,成本低,充放電快捷與近分散放置等特點,在電力行業(yè)有廣泛的應用前景。

3.3 軌道交通應用

將飛輪陳列安裝于城軌變電站,列車制動時吸收能量回饋到電網(wǎng),儲存于高速旋轉的飛輪中;當區(qū)間有列車加速時,將儲存的能量釋放出來以提供較大的功率。這樣調節(jié)了系統(tǒng)電壓穩(wěn)定,減少損耗,平抑功率流,提高基礎設施利用率,且無廢熱排放等優(yōu)點。

3.4 電動汽車

隨著環(huán)境保護的需求及石油儲量問題的日益突出,開發(fā)節(jié)能及采用替代能源的環(huán)保型汽車,以減少對環(huán)境的污染,是當今世界汽車產(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、價格適宜的新型電池是電動汽車能否擁有更大的機動性并與汽油車一爭高下的關鍵,而飛輪電池能在車輛正常行駛時和剎車時,給飛輪充電,在加速或爬坡時,給車輛提供動力,在減少燃料消耗、空氣和噪聲污染、發(fā)動機的維護等方面有著積極的意義。

3.5 新能源并網(wǎng)應用

光伏發(fā)電、風力發(fā)電等綠色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、電能質量問題等等也不容忽視,會對電網(wǎng)調峰和系統(tǒng)安全運行帶來顯著影響。飛輪儲能技術能在很大程度上解決新能源發(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,有效調節(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)模風電和太陽能發(fā)電方便可靠地并入常規(guī)電網(wǎng),減少溫室氣體排放。

此外,飛輪儲能在太空、潮汐、地熱、軍事以及在港口特殊場合等也大有用途和良好的應用前景,并有更多的應用領域加入飛輪儲能的使用范圍中來。

4 結論與展望

從國內外研究進展與應用現(xiàn)狀來看,國外在各項關鍵技術上均取得了較好的成果,從而使得飛輪儲能系統(tǒng)在整體性能上比較優(yōu)越。國內也在追趕國外先進技術水平的研究方向,也取得一定的進步。先進復合材料的高強度和低密度特性和高溫超導磁懸浮軸承使得飛輪儲能技術向著高轉速發(fā)展,高溫超導磁懸浮軸承與高真空技術使飛輪運行的損耗越來越小,更加成熟的飛輪儲能系統(tǒng)讓自身的應用范圍越來越廣,更好的前景也讓更多的科技企業(yè)加入飛輪儲能的研發(fā)隊伍中。

在不間斷供電電源、電力調峰、車輛混合動力、航天電源和姿態(tài)控制儲能一體化等方面具有廣闊的應用前景,其具有效率高、建設周期短、壽命長等優(yōu)點,是很有競爭力、有廣泛應用前景的儲能方式,必將能對抗傳統(tǒng)UPS電源系統(tǒng)?？梢灶A測,隨著儲能技術發(fā)展,在不久的將來飛輪各個市場領域將獲得實際應用。

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