飞轮储能技术的应用(论文).doc

文章编号：0258-8013 (2013) 07-0001-06 中图分类号：TK 5 文献标志码：B 学科分类号：48040飞轮储能技术的应用刘云杰（厦门大学物理与机电工程学院、机电工程系、电气工程及其自动化专业）摘要：飞轮储能技术作为一种新型能源储备方式，具有大储能、高功率、无污染、适用广、维护简单、可实现连续工作等优点越来越为世界各国所重视，成为研究热点。本文将介绍飞轮储能技术在电力系统以及其他工业中的应用。关键字：飞轮储能；应用；电力系统；飞轮电池Application of Flywheel Energy Storage TechnologyLiu-Yunjie(Electrical Engineering and the Automatization Specialty、School of Physics and Mechanical & Electrical Engineering、Xiamen University) ABSTRACT： Flywheel energy storage technology as a new way of energy reserves, with a large energy storage, high power, no pollution, widely applicable, simple maintenance, to achieve continuous etc. valued by more and more countries around the world, become a research hotspot. This article will introduce the application of flywheel energy storage technology in electric power systems and other industrial.KEY WORDS： Flywheel energy storage; Application; Power system; Flywheel battery中 国 电 机 工 程 学 报 1 飞轮储能技术的发展背景1.1 大规模发展新能源和推动节能环保亟须发展大容量储能产业 风电、太阳能发电自身所固有的随机性、间歇性特征，决定了其规模化发展必然会对电网调峰和系统安全运行带来显著影响，必须要有先进的储能技术作支撑。储能技术在很大程度上解决了新能源发电的随机性、波动性问题，可以实现新能源发电的平滑输出，能有效调节新能源发电引起的电网电压、频率及相位的变化，使大规模风电及太阳能发电方便可靠地并入常规电网。1.2 大容量储能还可提高能源利用效率，为国家节约巨额投资。 大容量储能还可提高能源利用效率，为国家节约巨额投资。为应对城市尖峰负荷，电力系统每年都要新增大量投资用于电网和电源后备容量建设，但利用率却非常低。以上海为例，20042006年间，为解决全市每年只有183.25小时的尖峰负荷，仅对电网侧的投资每年就超过200亿元，而为此形成的输配电能力的年平均利用率不到2%。同样是为了应对尖峰负荷，转而采用大容量储能技术，不仅投资会成倍减少，而且由于储能设施占地少、无排放，其节地、节能、减排的效果是其他调峰措施无法比拟的。2 飞轮储能技术的应用2.1 飞轮储能技术在电力系统中的应用2.1.1 电力调峰由于用电高峰与用电低谷时电力负荷差超过l0%以上，所以电力调峰非常重要。飞轮储能发电系统具有能量的存储和释放非常方便的优点，可在任意时间间隔、以任意的规模进行。它可以就近分散放置，且零排放、低噪声，适应环境保护的要求。因此，飞轮储能技术被认为是近期最有希望和最有竞争力的新型调峰技术。国际上多数研究机构均将电力调峰定为飞飞轮开发的最终目标。美国的马德兰己于1991年开发出了用于电力调峰的24 kW/h电磁悬浮飞轮系统，飞轮重172. 8 kg，工作转速范围11 610 r/min-46 345 r/min，破坏转速为48 784 r/min，系统输出恒压110 V/240 V，全程效率为81。德国在1996年着手研究储能5 MW /h/100 MW/h的超导磁悬浮储能飞轮电站，电站由10只飞轮模块组成，每只模块重30 t，直径3. 5 m，高6. 5 m，转子运行转速为2 250 r/min4 500 r/min，最人外缘线速度600 m/s，最大拉应力810 MPa，能量输入、输出采用电动/发电机来实现，系统效率96。2.1.2 用以满足分布式电源的需求 分布式电源的随机性、间歇性特征，决定了其规模化发展必然会对电网调峰和系统安全运行带来显著影响，必须要有先进的储能技术作支撑。飞轮储能技术在很大程度上解决了新能源发电的随机性、波动性问题，可以实现新能源发电的平滑输出，能有效调节新能源发电引起的电网电压、频率及相位的变化，使大规模风电及太阳能发电方便可靠地并入常规电网。 Bescon Power 公司生产的飞轮电池产品用以满足迅速增长的可靠的、分布式电源需求。建立为通讯应用提供后备电源的商业基础，估计每年拥有10000套飞轮系统需求。为电信/ 电缆设备提供备用电力供应的20C1000飞轮储能系统为主。 飞轮采用采用高强度复合材料轮缘，高速、长寿命、无需维护、低损耗永磁偏置主动/被动磁轴承，直流永磁无刷高效率、低损耗电动/发电机，正弦波脉宽调制实现驱动电压、电流一体化控制的双向换流器，真空密封，埋入地下，运行状况可以通过互联网进行监视。指标：工作转速：30000-100000rpm，最高线速度:700m/s，放电深度:90%，电机效率:96%,输出可用储量2000wh;输出电压为直流36V、48V 或96V，额定输出功率1kw;输入电压120/240 DC，50/60HZ，最大输入功率kw;转子重量：68kg,飞轮模块重量:383kg，电子模块重量90kg;设计寿命：20年，平均故障间隔时间：10万小时。2.2 飞轮储能技术在其他工业中的应用2.2.1 汽车工业 飞轮安装在化学电池或内燃机供能的机车上起缓冲器作用与系统协同工作.称之为飞轮混合电池。汽车制动过程中，将制动能耗通过电动机转化为飞轮的机械动能储存起来，成为再生能源；当汽车需大功率工作时，飞轮再通过发动机将动能释放以供系统使用。研究表明：合理设计混合飞轮电池可节约能耗30，并能减少废气排放量75。美国的威斯康星麦迪逊大学、劳伦斯国家实验室、麻省理工学院、德国的磁电机公司和加拿大的McMaster大学等目前都在此方面有所研究，并取得了一定的成果。 Texas大学和Texas能源贮备局等联合组成的Texas电动汽车计划研究出可以存贮2 kW /h能量的功率可达100 kW150 kW的飞轮电池，主要用于电动汽车，在军事上用于战斗车辆、电磁炮、电磁悬浮(在高机动多用途轮式车和M1坦克上己用)、电磁干涉，其运行时的损失只有1 AFS公司和美国Honeywell公司的飞轮电池己经被安装在德国的BMW汽车做实验.ARPA也在进行电动汽车的研究和开发，包括M 113军用人员运输车、Bradley步兵战斗车、高机动多用途轮式车、M939AI货运卡车、电动航空器等.据报道，某些公司设计的纯飞轮系统供电的电动汽车一次充电可行驶450 km500 km,最高可传输600 kW的能量，这些飞轮夜间充电、白天工作，充电过程简单、方便，既可在家中也可在充电站中进行，一次充电花费仅为6美元。2.2.2 航天工业 可以应用于人造卫星、飞船、空间站等。飞轮电池一次充电可以提供同重量化学电池两倍的功率，同负载的使用时间为化学电池的310倍。同时，因为它的转速是可测可控的，故可以随时查看电能的多少。美国太空总署已在空间站安装了48个飞轮电池，联合在一起可提供超过150KW的电能。据估计相比化学电池，可节约200万美元左右。 北京航空航天大学先进惯性仪表与导航技术创新团队先后成功研制出磁悬浮姿控储能两用飞轮、高精度磁悬浮反作用飞轮、单框架磁悬浮控制力矩陀螺，并在国际上首次研制出双框架磁悬浮控制力矩陀螺原理样机，解决了各类卫星姿态稳定、姿态机动、大型航天器姿态控制和储存能量、延长寿命的共性核心技术瓶颈问题，令国外同行惊叹。有了这一技术，卫星不仅能准确地调整、保持稳定的飞行姿态，获取覆盖面更广、清晰度更高的影像资料，而且可使其寿命从目前的几年延长到十几年乃至几十年。NASA飞轮主要应用于航空航天上，用途主要是：能量储存;动力和姿态控制;峰值功率调节等。设计储能量：300-700W3S;储能密度44wh/kg;转速：60000rpm;线速度：不小于880m/s。目标建立和测试大型飞轮储能系统，目标：储能密度大于100wh/kg;线速度不小于1260m/s。工作高低转速比：3：1;放电深度：90%;运行转速内无临界模态，后期研究控制模态可能性。2.2.3 不间断电源(UPS) 飞轮电池可提供高可靠的稳定电源，可提供几秒到几分钟的电能，这段时间足已保证工厂进行电源切换。Active Power 公司主要生产作为不间断电源(UPS) 的飞轮电池系统,以取代传统的铅- 酸电池,解决当今对于电力品质的高要求。公司产品的应用对象主要是广大工业用户,比如:先进的数据中心、工业设备和广播站等。目前,公司拥有29 项发明专利,主要产品有Cat UPS 系列和Cleansource DC 系列。Active Power 的飞轮材料为4340 锻铁,其飞轮转子与电动/ 发电机、磁轴承整合在一起。用磁铁卸去80 %的重量以延长飞轮轴承的寿命和减小损耗。飞轮的工作转速在70007700rpm。工作维持时间为几十秒到几分钟。目前公司飞轮已经产品化出售，并在北京设有办事处。3 总结 作为一种新兴的储能方式，飞轮电池所拥有传统化学电池无法比拟的优点已被人们广泛认同，它非常符合未来储能技术的发展方向。目前，飞轮电池除了上面介绍的应用领域以外，也正在向小型化、低廉化的方向发展。现在，最可能出现的是手机电池。可以预见，伴随着技术和材料学的进步，飞轮电池将在未来的各行各