飞轮储能技术是一种新兴的电能存储技术,它与超导储能技术、燃料电池储能技术等各种先进的储能技术,是近年来出现的、具有很大发展前景的储能技术。虽然目前化学电池(铅酸蓄电池、锂离子蓄电池等)储能技术已经发展得非常成熟,但是,铅酸蓄电池有污染环境的风险,磷酸铁锂蓄电池的充放电次数受到一定的限制。新能源、电动汽车、UPS供电等许多行业迫切需要新型的储能技术来满足某些特殊技术要求。其中飞轮储能技术就是一种具有无限的充放电次数和绿色环保型的储能技术,已经开始越来越广泛地应用于国内外的许多行业中。
1 、飞轮储能电源系统的工作原理
飞轮储能电源系统的原理如图1所示。
飞轮储能电源系统主要由以下三部分组成:飞轮、电机和轴承,整个系统置于真空容器内。飞轮储能电源系统中的电机,既是电动机也是发电机。
“充电”时,作为电动机给飞轮加速,将电能转换成机械能;“放电”时,作为发电机将机械能转换成电能,给外部供电;在为外部供电时,飞轮的转速不断下降。而当飞轮空闲运转时,飞轮储能电源系统的运行损耗非常小。
飞轮旋转时,其转动动能为
式中:J为飞轮的转动惯量;ω为飞轮旋转的角速度。
从式(1)中可以看出,飞轮转动时的动能E与飞轮的转动惯量J 成正比。而飞轮的转动惯量J 又正比于飞轮的直径和飞轮的质量,为得到较大的转动惯量J ,要采用大直径和大质量的飞轮。庞大、沉重的飞轮在高速旋转时,将会产生极大的离心力,若超过飞轮材料的极限强度,将是极不安全的。因此,用增大飞轮转动惯量的方法来增加飞轮的动能是不现实的。
不能用增大飞轮转动惯量来获得飞轮动能的增加,那么,只有通过提高飞轮的角速度ω 来增大飞轮的转动惯量。当飞轮处于大气中时,飞轮高速转动要克服空气的阻力(摩擦力)和轴承的摩擦损耗。将飞轮系统置于真空容器中,并采用超导磁悬浮技术,可以使飞轮在高速转动时耗能达到最小。另一个关键问题是轴承的设计和选择。能在高速转动下工作的轴承除要求轴承的摩擦损耗极小外,还应具有足够的承载能力,保证飞轮工作的可靠性和稳定性。
2 、飞轮储能技术在新能源中的应用
太阳能、风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视。仅以风能为例,中国风能储量很大、分布面广,仅陆地上的风能储量就有约2.53亿千瓦。近几年来,中国的并网风电迅速发展。截至2011年3月中旬,我国风电累计装机容量达4450万千瓦,风电建设的规模居全球之首。这也意味着中国已进入可再生能源大国行列。中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔,预计未来很长一段时间都将保持高速发展。
在我国风电建设规模高居世界第一的同时,风电并网问题却始终制约着我国风电的发展。我国风电装机容量中仍然有近三成风电没有并网。这是由于风能随机性和间歇性的特点,造成风电机组的出力频繁波动,从而风电场的出力可靠性也差,风电比重过大,会使电网的调频、调峰压力加大,因此,风电场大规模的并网接入对电力系统的运行带来一些新问题。光伏发电、风力发电等绿色新能源自身所固有的随机性、间歇性、不可控性的特点,使得可再生能源电厂不可能像其它传统电源一样制定和实施准确的发电计划,这给电网的运行调度带来巨大压力。同时,可再生能源的大规模接入所带来的局部电网无功电压和频率问题、电能质量问题等等也不容忽视,会对电网调峰和系统安全运行带来显著影响。研究表明,如果风电装机占装机总量的比例在10%以内,依靠传统电网技术以及增加水电、燃气机组等手段基本可以保证电网安全;但如果所占比例达到20%甚至更高,电网的调峰能力和安全运行将面临巨大挑战。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传统电网。高速飞轮储能系统可以在瞬间释放出巨大电力以稳定电网波动。可实现对电网的调峰功能,从而替代水力、燃气发电厂,为电网运营商创造更可靠的供电系统。由此可见,飞轮储能技术能够提高电网对可再生能源的接纳能力。
中国国家电网公司规定了风电场1min和10min的功率变化率,该变化率与风电场的装机容量有关,如小于30MW的风电场10min最大变化量为20MW,1min最大变化量为6MW。由于飞轮储能电源系统可以以巨大的峰值电流极高速的充放电,将其用于克服光伏发电和风力发电所固有的随机性、间歇性、不可控性的特点对并入传统电网所带来的弊病是完全可行的。
3 、飞轮储能技术在电动汽车中的应用
目前随着环境保护意识的提高以及全球能源的供需矛盾,研发环保型汽车成为当今世界汽车产业发展的一个重要趋势。汽车制造行业纷纷把目光转向电动汽车的研制。能找到储能密度大、充电时间短、循环寿命长的新型储能电源系统,是电动汽车与汽油车比拼的关键。而飞轮储能电源系统,因具有清洁、高效、充放电快速、可无限制的充放电、不污染环境等特点而受到汽车行业的广泛重视。预计21世纪飞轮电池将会是电动汽车行业的研究热点。
飞轮储能电源系统非常适合应用于混合电动汽车中。车辆在正常行使或刹车制动时,给飞轮储能电源系统充电;在车辆加速或爬坡时,飞轮储能电源系统放电,给车辆提供动力,保证车辆运行在一种平稳、最优状态下的转速,可减少燃料消耗,并可以减少发动机的维护,延长发动机的寿命。众所周知,在城区运行的各种车辆需要频繁的刹车制动、再启动。而刹车制动的能量,却以机械磨擦的形式转化为热能消耗掉。研究证明,此能量约占车辆使用能量的30%。如果能再利用这部分能量,则会产生巨大的经济效益。
飞轮储能电源系统除了在电动汽车中的应用以外,还可以用于电车、载重汽车、城铁、铁路交通等许多领域。图2是基于三菱PLC控制的飞轮储能在电车中应用的原理示意图。通过三菱O系列PLC、CC-Link现场总线和F700变频器的控制系统,依据一定的控制算法,把电机运行时的电能转化为动能储存在飞轮的机械系统中,电机处于发电机状态时,再释放这部分能量。
飞轮储能电源系统在电车中应用的工作原理可以分为三个部分来说明:
(1)飞轮储能:
此例中,电车是由三相交流电供电。交流输入在变频器B中经整流和逆变后,驱动电机B处于电动机状态,带动飞轮高速运转,此时,将电能转化为飞轮的动能储存起来;
(2)电车启动:
与飞轮储能的同时,交流输入在变频器A中经整流和逆变后,驱动电机A通过传动装置驱动车轮转动;当电车运行时,控制变频器B的输出频率使电机B处于再生发电状态,此时飞轮储存的能量回馈到变频器的直流母线侧,再经过变频器A的逆变器将直流电转化为交流电,为电车的运行提供能量,在这个过程中,需要对变频器B的输出频率进行相应的控制,使变频器的直流母线电压稳定在一定范围内;
(3)电车制动:
在电车制动时,同样控制变频器A的输出频率,将电动汽车的能量回馈到变频器直流母线侧,此时提高变频器B的输出频率,飞轮加速,将电车回馈的能量重新储存到飞轮中,从而达到节能的效果。
4 、飞轮储能技术在UPS供电系统中的应用
磁悬浮式飞轮储能UPS引发了人们越来越多的关注。这种技术抛弃了传统UPS利用铅酸蓄电池进行储能的方式。在现代数据中心中,迅速增长的业务需求,日益增加的运营成本,有限的机房空间和更高的能量密度,已经成为云计算时代下,数据中心及其电源管理系统建设面临的最大挑战。
IDC的统计数据显示,电力能源成本已经成为困扰数据中心运营者的头号难题。其中,UPS、空调等周边设备的耗电量大大高于主机电量。另外,酸铅蓄电池并非绿色环保的产品。因此,配备一套智能绿色UPS供电系统成为数据中心节能环保的重中之重。传统电源系统中的蓄电池需要空调制冷,而且24小时连续运转,耗能巨大。磁悬浮式飞轮储能UPS系统则无需空调,大大节省了运营成本;而且,其占用的空间也大幅减小;维护成本低,无需更换电池;寿命长达20年。图3给出了柜式磁悬浮飞轮储能型UPS的外形图。
在传统UPS供电系统中,当电力发生中断时,蓄电池会支撑系统正常运转,与此同时,柴油发动机开始启动,以此保证数据中心主机正常工作、空调连续运转。蓄电池型UPS在此过程中,提供了“分钟级”的电力供电。而飞轮储能型UPS受制于机械储能,仅仅能够提供30s到1min电力供电,这也是飞轮UPS被诟病的主要原因。然而,专家指出,如今,市电电源的可靠性达到99.9%,有些重要的负载都采用双路市电供电,市电的可靠性可以说已经达到了99.99%。万一市电中断,后备电源的可靠性也可以达到99.9%,从市电到后备电源的切换,在技术上只需要10s的时间,这是一个公开的标准。目前,欧洲已经将这个时间定了8s。可以断定,飞轮储能型UPS能提供30s的电力完全能够满足从市电到后备电源的可靠切换的要求。图4给出了柜式磁悬浮飞轮储能型UPS的运行示意图。
5、 国内外飞轮储能技术发展现状
(1)国外飞轮储能技术的发展处于领先地位
美国、德国、日本等发达国家的飞轮储能技术的发展处于领先地位。日本已经制造出容量26.5MVA,系统输出电压1100V,转速510690r/min的变频调速飞轮蓄能发电系统。美国马里兰大学也已研究出用于电力调峰的24kWh的电磁悬浮飞轮系统,其飞轮重172.8kg,工作转速范围11,610—46,345rpm,破坏转速为48,784rpm,系统输出恒压110～240V,全程效率为81%。经济分析表明,运行3年时间可收回全部成本。飞轮储能技术在美国发展得很成熟,他们制造出一种装置,在空转时的能量损耗达到每小时0.1%。欧洲的法国国家科研中心、德国的物理高技术研究所、意大利的SISE均正开展高温超导磁悬浮轴承的飞轮储能系统研究。2011年10月30日,全球大规模飞轮储能应用先驱Beacon Power申请破产保护。BeaconPower开创了飞轮储能系统与电力公司合作的先例,使电力市场开始接受飞轮储能技术。从这个角度讲,在飞轮储能技术发展的历史上,甚至于储能发展的历史上,Beacon Power的成就无人可以替代。尽管公司面临破产,但去年6月在纽约Stephen镇,仍为20MW的飞轮储能项目举行一个建成投运仪式。该飞轮储能电源系统用于电厂储能调频,能做到15min的储能规模。而一般应用于UPS的飞轮储能时间都不超过100s。可以说这是美国目前最先进的飞轮储能系统。这也说明美国的很多项目还处在示范阶段。表1给出了国外几个著名的飞轮储能电源系统的厂商。
现介绍美国、西欧和日本的主要研发飞轮储能电源系统的厂商。
①美国宇航局(NASA)Glenn研究中心及其合作单位
NASA飞轮主要应用于航空航天, 以及军用装甲车辆上,用途主要是: 能量储存、动力和姿态控制以及峰值功率调节等。设计储能量: 360～840 kWh ;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。
②Bescon Power公司（主打电力领域，由于激进的市场策略，现金流断裂，已破产）
Bescon Power公司生产的飞轮储能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120/240VDC,50/60Hz,最大输入功率1.05kW;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。
Bescon Power公司虽在2012年年破产,但使其在飞轮储能技术方面的领先对于飞轮储能技术的应用还是具有重大意义的。
③Active Power公司（2016年被Piller收购）
公司主要生产不间断电源(UPS)的飞轮储能电源系统,以取代传统的铅酸蓄电池,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7000～7700rpm。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。
由Active Power公司所研发的、一款集成飞轮UPS的模块化电源系统“PowerHouse”已在中国推广。作为箱式数据中心中不可缺少的部分——电源系统,PowerHouse摈弃传统蓄电池UPS而采用飞轮UPS作为整个系统的核心。专家认为飞轮储能不间断供电系统将把箱式数据中心带入全新境界。
PowerHouse以飞轮UPS为核心部件，并将柴油机组、ATS切换柜、开关配电柜及制况设备等部件集成在标准集装箱内，形成可持续供电的不间断电源系统。基于Active Power公司的高效及灵活性结构，PowerHouse系统可被快速装配及应用。它的功率范围从200kW到800kW不等，是完全可以扩展的结构，可随用户需求扩容备用电源。
传统备用电源需单个部件现场组装, 而PowerHouse系统则是在工厂组装完成、可现场复验的电源解决方案。其设计、质量控制、测试、建设和验证都在工厂完成,而不是现场完成的,所以确保了集成飞轮UPS、开关柜、备用发电机和冷却设备之间的相互操作性,也为系统的现场安装、部署节省了宝贵时间。
传统UPS中的蓄电池有效工作温度为20～25℃,并且温度每升高或降低10℃,其性能都会下降一半甚至更多。当环境温度超过25℃之后,温度每升高1℃,蓄电池寿命将缩短一年。飞轮UPS对环境的适应能力很强,可以在0℃到40℃之间正常运转,它不会因外界因素而发生退化现象,这就为箱式数据中心的应用创造了条件。另外,因为有150多个遥测网络点对飞轮的运行情况进行遥测,并可提供准确的系统性能图片,所以这样的机械动力系统具有可预知性。也就是说PowerHouse系统的安全性精确可控。
PowerHouse系统效率很高,但占用空间却很小,用户可在现场限制条件下,迅速部署具有安全防护特点的PowerHouse系统。用户可以将其放置在诸如房顶、闲置的装卸间、院落甚至停车厂之类的场所。
PowerHouse系统,具有部署快,基建要求低,占地空间小,模块化可方便升级、扩容,结构紧凑、方便移动等特点;越来越成为现今供电系统的新宠。
④VYCON公司
飞轮储能设备制造商VYCON日前喜获美国成长最快500家私营企业殊荣。排名第436位。这是该公司第二次入选该榜单。入选原因是由于该公司三年之内获得了797%的高速销售增长率,实现收益660万美元。同时,总部位于加利福尼亚州的约巴林达的VYCON公司也是加州能源行业中获得本排名最高的入选企业。
VYCON公司更是将飞轮储能系统纳入港口起重机制造的先驱,需要提及的是VYCON公司继续加大与伊顿电气集团的合作,以促进其VDC和VDC-XE飞轮储能系统的市场销售。
VYCON公司总裁FrankDeLattre表示:我们与伊顿的合作是十分成功的,我们将继续加强双方的合作关系,为伊顿的客户提供安全高效的清洁能源储备装置。
伊顿产品经理PedroRobredo表示:“我们十分高兴继续与VYCON加深合作,VYCON的高速飞轮储能系统作为一种替代蓄电池的储能系统,各方面性能都非常好,这为我们的客户提供了很好的解决方案。
⑤德国Forschungszentrum karlsruhe Gmbh公司
德国Forschungszentrum karlsruhe Gmbh公司1997年着手设计5MWh/100MW超导飞轮储能电站的概念设计。电站由10个飞轮模块组成,每个模块储能0.5MWh,功率10MW,重30t,直径3.5m、高6.5m,用同步电动/发电机进行电能输入输出。每个模块包括一个电动/发电机子模块、4个碳纤维复合材料制成的转子模块和6个SMB子模块。每个飞轮转子储能125kWh,重3t,能量密度42Wh/kg,运行转速2250～4500rpm,最大外缘线速度600m/s,最大拉应力810Mpa。SMB由YBCO块材料和稀土铁棚型高强度永磁材料构成,耗用10t的YBCO块材和5t的永磁材料。系统效率96%。
⑥日本合作研发高温超导磁悬浮轴承飞轮储能电源系统日本已投资3500万美元进行高温超导磁悬浮轴承飞轮储能研究,由三菱、日立、精工等公司和多个研究所、高校组成3个研究组合作承担。已研制出3种试验模型机,并进行了储能8MWh容量1000kW的飞轮储能机组的概念设计。日本原子能研究所一座大型核融合实验炉采用了飞轮储能发电装置,其主要参数为:功率235MVA、电压18kV、电流6898A、飞轮转速420～600rpm、可释放能量20MJ,转子为碳素钢锻造的实心圆盘,重1000t。
(2)我国飞轮储能技术的现状落后国外十年
目前国内从事与飞轮研究相关的单位有:清华大学工程物理系飞轮储能实验室、华北电力大学、北京飞轮储能柔性研究所(由中国科学院电工研究所、天津核工业理化工程研究院等组成)、北京航空航天大学、南京航空航天大学、中国科大、中科院力学所、东南大学、合肥工业大学等,主要集中在小容量系列。其中,北航针对航天领域研制的“姿控/储能两用磁悬浮飞轮”已获得2007年国家技术发明一等奖。华北电力大学和中国科学院电工研究所、河北省电力局合作, 已经开始就电力系统调峰用飞轮储能系统的课题进行研究，预计能够取得可喜的成果。国内飞轮相关公司还有盾石科技、奇峰聚能、飞旋科技等公司，从总体上来看，国内飞轮储能技术的发展现状落后国外十年，许多成果尚处于研究阶段，在推广应用上还会有一段路要走。
6 、结束语
飞轮储能电源系统具有效率高、建设周期短、寿命长、高储能、充放电快捷、充放电次数无限以及无污染等特点,必将得到迅速的发展和广泛的应用。
关于微控新能源
深圳微控新能源技术有限公司（简称微控或微控新能源）是全球物理储能技术领航者。公司全球总部位于深圳，业务覆盖北美、欧洲、亚洲、拉美等地区，凭借“安全、可靠、高效”的全球领先的磁悬浮能源技术，产品与服务广泛受到华为、GE、ABB、西门子、爱默生等众多世界500强企业的信赖。
面向未来能源“更清洁、高密度、数字化”的三大趋势，公司持续致力于为战略性新兴产业提供能源运输、储存、回收、数据化管理提供系统解决方案。