飛輪儲能裝置的性能特點(diǎn)及其應用展望

Abstract:The principle of operation and main performance characteristics of the FESS (flywheel energy storage system) as well as some other systems of energy storage are introduced.The performance and some other characteristics of FESS are compared with the electrochemical battery, SEMS(superconducting magnetic energy storage) and fuel cell.At the last the actual application of the FESS at present and its prospect are described.

Keywords:Flywheel energy storage system(FESS); Electrochemical battery; Superconducting magnetic energy storage(SMES); Fuel cell

1 引言

飛輪儲能技術(shù)是一種新興的電能存儲技術(shù)，它與超導儲能技術(shù)、燃料電池技術(shù)等一樣，都是近年來(lái)出現的有很大發(fā)展前景的儲能技術(shù)。雖然目前化學(xué)電池儲能技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，但是，化學(xué)電池儲能技術(shù)存在著(zhù)諸如充放電次數的限制、對環(huán)境的污染嚴重以及對工作溫度要求高等問(wèn)題。這樣就使新興的儲能技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視。尤其是飛輪儲能技術(shù)，已經(jīng)開(kāi)始越來(lái)越廣泛地應用于國內外的許多行業(yè)中。

2 飛輪儲能裝置簡(jiǎn)介

飛輪儲能裝置主要包括3個(gè)核心部分：飛輪、電機和電力電子裝置。它最基本的工作原理就是，將外界輸入的電能通過(guò)電動(dòng)機轉化為飛輪轉動(dòng)的動(dòng)能儲存起來(lái)，當外界需要電能的時(shí)候，又通過(guò)發(fā)電機將飛輪的動(dòng)能轉化為電能，輸出到外部負載，要求空閑運轉時(shí)候損耗非常小。它的原理圖如圖1所示。

圖1 飛 輪 儲 能 裝 置 原 理 圖

事實(shí)上，為了減少空閑運轉時(shí)的損耗，提高飛輪的轉速和飛輪儲能裝置的效率，飛輪儲能裝置軸承的設計一般都使用非接觸式的磁懸浮軸承技術(shù)，而且將電機和飛輪都密封在一個(gè)真空容器內?減少風(fēng)阻。通常發(fā)電機和電動(dòng)機使用一臺電機來(lái)實(shí)現，通過(guò)軸承直接和飛輪連接在一起。這樣，在實(shí)際常用的飛輪儲能裝置中，主要包括以下部件：飛輪、軸、軸承、電機、真空容器和電力電子裝置，飛輪儲能裝置結構的示意圖如圖2所示。

圖2 飛 輪 儲 能 裝 置 結 構 示 意 圖

當外設通過(guò)電力電子裝置給電機供電時(shí)，電機就作為電動(dòng)機使用，它的作用是給飛輪加速，儲存能量；當負載需要電能時(shí)，飛輪給電機施加轉矩，電機又作為發(fā)電機使用，通過(guò)電力電子裝置給外設供電；當飛輪空閑運轉時(shí)，整個(gè)裝置就可以以最小損耗運行。這樣利用電機的四象限運行原理，使發(fā)電機和電動(dòng)機共用一臺電機的方法，不但可以提高效率，還可以減少整個(gè)儲能裝置的尺寸，使儲能密度大大提高。

在整個(gè)飛輪儲能裝置中，飛輪無(wú)疑是其中的核心部件，它直接決定了整個(gè)裝置的儲能多少，它儲存的能量E由式（1）決定。

E=jω2 (1)

式中：j為飛輪的轉動(dòng)慣量，與飛輪的形狀和重量有關(guān)；

ω為飛輪轉動(dòng)的角速度。

電力電子裝置通常是由FET或IGBT組成的雙向逆變器，它們決定了飛輪儲能裝置能量輸入輸出量的大小，而與儲能裝置外接負載的性質(zhì)無(wú)關(guān)。

3 飛輪儲能裝置與其它儲能裝置性能比較

電能的儲存一般都采用化學(xué)蓄電池，無(wú)疑化學(xué)電池是技術(shù)最為完善也是目前產(chǎn)量最大的儲能裝置，它是通過(guò)將電能轉換為化學(xué)能實(shí)現電能儲存的，然而伴隨而來(lái)的環(huán)境污染和腐蝕問(wèn)題就難以避免，而且受到儲能方式本身特性的限制，一些主要性能總是難以提高，雖然它價(jià)格低廉，但是由于現在對環(huán)保和電池性能特點(diǎn)要求的不斷提高，在許多領(lǐng)域中，人們已經(jīng)不能接受化學(xué)電池的弊端，而逐漸將目光放在更加先進(jìn)的儲能方式上了。

超導儲能裝置是一種科技含量較高的先進(jìn)的儲能方式，它把能量?jì)Υ嬗诔瑢Ь€(xiàn)圈的磁場(chǎng)中，通過(guò)電磁相互轉換實(shí)現儲能裝置的充電和放電。由于在超導狀態(tài)下線(xiàn)圈沒(méi)有電阻，因此超導儲能的能量損耗非常小，它的主要存儲性能也很不錯，對環(huán)境幾乎不會(huì )造成污染，但是，超導的實(shí)現是通過(guò)把線(xiàn)圈的溫度降低到它要求的溫度以下來(lái)完成的，這個(gè)溫度非常低，因此，持續維持線(xiàn)圈處于超導狀態(tài)所需要的低溫而花費的維護費用就十分昂貴，維持低溫的費用過(guò)高就成為了人們在選擇長(cháng)期能量?jì)浞绞綍r(shí)不得不考慮的因素，這樣便限制了超導儲能應用的普及。但是，超導儲能仍然是許多科研工作者們的研究方向。

被譽(yù)為改變未來(lái)世界的十大科技之首的燃料電池，是一種將燃料的化學(xué)能轉化為電能的裝置，它由燃料、氧化劑、電極、電解液等組成。燃料一般采用氫，而電極只用作化學(xué)反應的場(chǎng)所并不參與化學(xué)反應，所以這種裝置質(zhì)量輕、無(wú)污染、不用充電、工作可靠、壽命長(cháng)。然而它是通過(guò)不斷補充燃料來(lái)維持能量供應的，所以它需要不斷進(jìn)行維護，這也就決定了其應用范圍必然不會(huì )很廣，不過(guò)它在汽車(chē)和電力工業(yè)中卻倍受青睞。

現在飛輪儲能的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，而且正在不斷飛速發(fā)展，由于它具有良好的性能和相對比較理想的性能價(jià)格比，而越來(lái)越多地應用于各種場(chǎng)合，已經(jīng)成為近幾年儲能設備應用研究的主要對象，而且必將逐步占領(lǐng)更大的儲能設備市場(chǎng)。

以上這些儲能裝置是目前人們最看好的或者是最常用的儲能設備，當然，另外還有很多其它的新型儲能設備，如核電池、超大容量電池等都受到了科學(xué)家們的關(guān)注，并且正在不斷地進(jìn)行技術(shù)研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

這些儲能技術(shù)各有特色，分別適用于不同的應用場(chǎng)所，尤其是前4種儲能設備更是現在研究的重點(diǎn)課題，它們在各自的應用領(lǐng)域中保持著(zhù)一定的市場(chǎng)，除非科技發(fā)展到某天出現一種的新技術(shù)打破它們之間的平衡。

表1列出了這4種有巨大發(fā)展潛力和有著(zhù)龐大市場(chǎng)的儲能設備的一些主要性能指標。

表1 儲 能 裝 置 性 能 比 較

4 飛輪儲能裝置的技術(shù)優(yōu)勢及目前的應用情況和展望

飛輪儲能裝置的儲能密度很大，由于使用的材料越來(lái)越先進(jìn)，現在衛星上使用的飛輪儲能裝置甚至小到可以裝進(jìn)衛星壁中，而且飛輪儲能裝置運行的時(shí)候損耗很小，基本上不用維護，這就使得飛輪技術(shù)目前不斷應用于衛星裝置和太空空間站的太陽(yáng)能儲能電池中作為它們的能量供應中心來(lái)使用，同時(shí)飛輪還可以用于衛星的姿態(tài)控制中。

隨著(zhù)人們環(huán)保意識的增強，在汽車(chē)行業(yè)中，正在尋找一種無(wú)污染或污染小的能量供給方式。飛輪技術(shù)由于是電能和機械能的相互轉化，不會(huì )造成污染，而逐漸走進(jìn)汽車(chē)制造商們的視野。美國飛輪系統公司（AFS）就生產(chǎn)出了以克萊斯勒LHS轎車(chē)為原形的飛輪電池轎車(chē)AFS20。飛輪電池的充電放電次數很多而且充電速度很快，所以更適合應用于混合能量汽車(chē)技術(shù)中。這種汽車(chē)是靠?jì)热紮C和電機兩種方式共同提供推動(dòng)力的，在汽車(chē)正常行駛和制動(dòng)的時(shí)候給飛輪電池充電，汽車(chē)爬坡和加速，需要功率大的時(shí)候讓飛輪電池放電，這樣可以大幅度提高汽車(chē)的性能。在鐵路系統中也注意到了飛輪儲能技術(shù)的這一特點(diǎn)，而對相關(guān)方面的應用已開(kāi)始進(jìn)行了研究和嘗試。

目前，美國已經(jīng)開(kāi)始在軍用設備上嘗試使用飛輪裝置，尤其是大型混能牽引機車(chē)上。由于飛輪的快速充放電和獨立而且穩定的能量輸出，當設備需要能量突然增加或者在能量轉換時(shí)需要平穩過(guò)渡的時(shí)候，經(jīng)?？紤]到使用飛輪技術(shù)。

隨著(zhù)材料學(xué)和磁懸浮軸承技術(shù)的不斷發(fā)展，飛輪儲能裝置的儲能密度越來(lái)越大，效率和壽命也在不斷提高。在放電的時(shí)候，是機械能和電能的相互轉化，所以飛輪的壽命和放電的深度沒(méi)有關(guān)系，這樣飛輪可以應用的放電深度范圍非常寬，特別適用于放電深度不規則的場(chǎng)合。在飛輪儲能裝置中，決定輸入輸出能量的是外接的電力電子裝置，而與外部的負載沒(méi)有關(guān)系，還可以很方便地通過(guò)控制飛輪的旋轉速度來(lái)控制飛輪的充電，這種特點(diǎn)在化學(xué)電池中實(shí)現起來(lái)要困難得多。再加上飛輪儲能系統的充電速度可以非?？?，所有這些特點(diǎn)使得飛輪儲能技術(shù)的應用范圍越來(lái)越廣泛。

近年來(lái)，在許多外接負載為脈沖式負載的應用場(chǎng)所中，飛輪技術(shù)的應用研究正在逐漸增加，而且逐漸成熟。在混合能量供應系統中，使用飛輪儲能技術(shù)可以使能量轉換得到平穩過(guò)渡，而且使動(dòng)力系統的設計上不用按照最大功率進(jìn)行設計，研究人員在飛輪技術(shù)上的關(guān)注也在逐漸增加，相信不久的將來(lái)，飛輪儲能技術(shù)在這些領(lǐng)域的應用一定會(huì )更加廣泛。

5 結語(yǔ)

作為一門(mén)新興的高科技儲能技術(shù)，飛輪儲能裝置擁有傳統化學(xué)電池無(wú)可比擬的優(yōu)勢已經(jīng)被人們所認同，它的理論論證已經(jīng)比較成熟，而且它的技術(shù)特點(diǎn)非常符合未來(lái)能源儲存技術(shù)的發(fā)展方向。目前，飛輪技術(shù)已經(jīng)不斷地應用于航天航空設備和其它的一些領(lǐng)域中，而且人們也正在不斷地開(kāi)發(fā)飛輪儲能裝置更多的應用領(lǐng)域，飛輪儲能裝置的應用正在向我們的日常生活走來(lái)，可以預測，未來(lái)幾年的儲能裝置市場(chǎng)將會(huì )有很大一部分為飛輪儲能裝置所占領(lǐng)。

參考文獻

[1] Thomas J.,etc.Key factors in the design and construction of advanced Fly-wheel Emerge systems and their application to improve telecommunication power backup[C].IEEE Piscataway, NJ, USA, 2,1996:668－ 675.

[2] David A.,etc.Flywheel technology past, present and 21st century projections.[C].IEEE Piscataway, NJ,USA,4, 97514,1997:2312－ 2315.

[3] T.A.Aanstoos, etc.High voltage stator for a flywheel energy storage system[J].IEEE transactions on magnetic,2001,37:242－ 247.