飛輪儲能裝置的性能特點及其應用展望

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

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

2 飛輪儲能裝置簡介

飛輪儲能裝置主要包括3個核心部分：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電動機轉化為飛輪轉動的動能儲存起來，當外界需要電能的時候，又通過發(fā)電機將飛輪的動能轉化為電能，輸出到外部負載，要求空閑運轉時候損耗非常小。它的原理圖如圖1所示。

圖1 飛 輪 儲 能 裝 置 原 理 圖

事實上，為了減少空閑運轉時的損耗，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，而且將電機和飛輪都密封在一個真空容器內?減少風阻。通常發(fā)電機和電動機使用一臺電機來實現(xiàn)，通過軸承直接和飛輪連接在一起。這樣，在實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

當外設通過電力電子裝置給電機供電時，電機就作為電動機使用，它的作用是給飛輪加速，儲存能量；當負載需要電能時，飛輪給電機施加轉矩，電機又作為發(fā)電機使用，通過電力電子裝置給外設供電；當飛輪空閑運轉時，整個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，還可以減少整個儲能裝置的尺寸，使儲能密度大大提高。

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

E=jω2 (1)

式中：j為飛輪的轉動慣量，與飛輪的形狀和重量有關；

ω為飛輪轉動的角速度。

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無關。

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蓄電池，無疑化學電池是技術最為完善也是目前產量最大的儲能裝置，它是通過將電能轉換為化學能實現(xiàn)電能儲存的，然而伴隨而來的環(huán)境污染和腐蝕問題就難以避免，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，雖然它價格低廉，但是由于現(xiàn)在對環(huán)保和電池性能特點要求的不斷提高，在許多領域中，人們已經不能接受化學電池的弊端，而逐漸將目光放在更加先進的儲能方式上了。

超導儲能裝置是一種科技含量較高的先進的儲能方式，它把能量儲存于超導線圈的磁場中，通過電磁相互轉換實現(xiàn)儲能裝置的充電和放電。由于在超導狀態(tài)下線圈沒有電阻，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)境幾乎不會造成污染，但是，超導的實現(xiàn)是通過把線圈的溫度降低到它要求的溫度以下來完成的，這個溫度非常低，因此，持續(xù)維持線圈處于超導狀態(tài)所需要的低溫而花費的維護費用就十分昂貴，維持低溫的費用過高就成為了人們在選擇長期能量儲備方式時不得不考慮的因素，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。

被譽為改變未來世界的十大科技之首的燃料電池，是一種將燃料的化學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，而電極只用作化學反應的場所并不參與化學反應，所以這種裝置質量輕、無污染、不用充電、工作可靠、壽命長。然而它是通過不斷補充燃料來維持能量供應的，所以它需要不斷進行維護，這也就決定了其應用范圍必然不會很廣，不過它在汽車和電力工業(yè)中卻倍受青睞。

現(xiàn)在飛輪儲能的技術已經比較成熟，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格比，而越來越多地應用于各種場合，已經成為近幾年儲能設備應用研究的主要對象，而且必將逐步占領更大的儲能設備市場。

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家們的關注，并且正在不斷地進行技術研究和產品開發(fā)。

這些儲能技術各有特色，分別適用于不同的應用場所，尤其是前4種儲能設備更是現(xiàn)在研究的重點課題，它們在各自的應用領域中保持著一定的市場，除非科技發(fā)展到某天出現(xiàn)一種的新技術打破它們之間的平衡。

表1列出了這4種有巨大發(fā)展?jié)摿陀兄嫶笫袌龅膬δ茉O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越先進，現(xiàn)在衛(wèi)星上使用的飛輪儲能裝置甚至小到可以裝進衛(wèi)星壁中，而且飛輪儲能裝置運行的時候損耗很小，基本上不用維護，這就使得飛輪技術目前不斷應用于衛(wèi)星裝置和太空空間站的太陽能儲能電池中作為它們的能量供應中心來使用，同時飛輪還可以用于衛(wèi)星的姿態(tài)控制中。

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

目前，美國已經開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上。由于飛輪的快速充放電和獨立而且穩(wěn)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需要平穩(wěn)過渡的時候，經常考慮到使用飛輪技術。

隨著材料學和磁懸浮軸承技術的不斷發(fā)展，飛輪儲能裝置的儲能密度越來越大，效率和壽命也在不斷提高。在放電的時候，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有關系，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(guī)則的場合。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，而與外部的負載沒有關系，還可以很方便地通過控制飛輪的旋轉速度來控制飛輪的充電，這種特點在化學電池中實現(xiàn)起來要困難得多。再加上飛輪儲能系統(tǒng)的充電速度可以非?？欤羞@些特點使得飛輪儲能技術的應用范圍越來越廣泛。

近年來，在許多外接負載為脈沖式負載的應用場所中，飛輪技術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(tǒng)中，使用飛輪儲能技術可以使能量轉換得到平穩(wěn)過渡，而且使動力系統(tǒng)的設計上不用按照最大功率進行設計，研究人員在飛輪技術上的關注也在逐漸增加，相信不久的將來，飛輪儲能技術在這些領域的應用一定會更加廣泛。

5 結語

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

參考文獻

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