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飛輪儲能關鍵技術及其發展現

放大字體  縮小字體 發布日期:2021-11-05 10:54:48    瀏覽次數:23    評論:0
導讀

摘要飛輪儲能是一種研究價值高、應用前景廣闊的新型儲能技術,具有大儲能容量、高效率、無汙染、適用廣、無噪聲、長壽命、維護簡單及可實現連續工作等優點,它為解決目前廣泛關注的能源問題提供了新途徑。本文闡述了飛輪儲能的原理和五大關鍵技術(包括飛輪轉子、軸承支承係統、能量轉換環節、電動/發電機與真空室),並分

摘要 飛輪儲能是一種研究價值高、應用前景廣闊的新型儲能技術,具有大儲能容量、高效率、無汙染、適用廣、無噪聲、長壽命、維護簡單及可實現連續工作等優點,它為解決目前廣泛關注的能源問題提供了新途徑。本文闡述了飛輪儲能的原理和五大關鍵技術(包括飛輪轉子、軸承支承係統、能量轉換環節、電動/發電機與真空室),並分別以五大關鍵技術為出發點,詳細論述了飛輪儲能係統的國內外發展現狀,指出了飛輪儲能關鍵技術的未來發展方向。

關鍵詞:飛輪儲能 工作原理 關鍵技術 應用 發展現狀

1 引言

能源問題是 21世紀人類所麵臨的重大課題之一,在不斷開發新能源的同時,為了更有效地利用現有的能源需要發展先進的節能技術和儲能技術。飛輪儲能是可以將電能、風能、太陽能等能源轉化成飛輪的旋轉動能加以儲存的一種新型的高效的機械儲能技術。飛輪儲能的主要特點為[1]:①儲能密度高,功率密度大,因而在短時間內可以輸出更大的能量,這非常有利於電磁炮的發射和電動汽車的快速啟動;②能量轉換效率高,一般可達 85%~95%;③對溫度不敏感,對環境友好;④使用壽命和儲能密度不會因過充電或過放電而受到影響,隻取決於飛輪電池中電子元器件的壽命,一般可達20年左右;⑤容易測量放電深度和剩餘“電量”;⑥充電時間短,是屬於分鍾級別;⑦與某些其他裝置組合使用時,如與其他動力裝置一起混合用於電動汽車上,與衛星姿態控製裝置結合用於衛星上,與傳統的發電機組混合用於分布式發電係統中,它的優勢更加明顯。

圖1將飛輪儲能與幾項儲能技術(燃氣輪機、電池、抽水儲能、超導儲能)的五項性能指標(能量轉換效率、使用壽命、維護周期、儲能容量及充電時間)進行比較。從圖1中可以看出:作為傳統儲能技術的代表,電池的能量轉換效率為 65%~75%,使用壽命為3~5年,維護周期為半年以內,儲能容量一般,充電時間長(屬於小時級別);而作為新興儲能技術的代表—超導儲能,其能量轉換效率為85%~95%,使用壽命為15~20年,需要經常維護,儲能容量高,充電時間短(屬於分鍾級別)。經過比較幾種儲能技術可以得出:飛輪儲能技術無論和傳統的儲能技術相比較還是與新興的儲能技術相比較,都有自己的優勢,隨著現代電動/發電機技術、電力電子技術、新材料技術、磁懸浮技術和控製技術的進一步發展,這一新型儲能技術必將會掀起一場綠色革命,為解決能源問題貢獻力量。

圖1 儲能技術比較
Fig.1 Comparison of energy storage technology

2 飛輪儲能工作原理

飛輪儲能又稱飛輪電池,是一種機-電能量轉換與儲存裝置,其工作原理為:電力電子變換裝置從外部輸入電能驅動電動機旋轉,電動機帶動飛輪旋轉,飛輪儲存動能(機械能),當外部負載需要能量時,用飛輪帶動發電機旋轉,將動能轉化為電能,再通過電力電子變換裝置變成負載所需要的各種頻率、電壓等級的電能,以滿足不同的需求。圖2所示為德國Enercon公司生產的一款飛輪儲能裝置[2],由於其構造簡單,這款裝置已經廣泛應用於商業中小裝機容量的發電機組。

圖2 飛輪儲能圖片(200kW,5kWh)
Fig.2 Flywheel energy storage system (200kW, 5kWh)

3 飛輪儲能係統關鍵技術分析

飛輪儲能係統的結構主要有五部分組成:飛輪轉子、支撐軸承、能量轉換係統、電動/發電機、真空室,下麵圍繞飛輪儲能的五大關鍵技術進行分析。

3.1 飛輪轉子

飛輪儲能係統中最重要的環節即為飛輪轉子,整個係統得以實現能量的轉化就是依靠飛輪的旋轉。

飛輪旋轉時的動能E表示為

式中 Jω—飛輪的轉動慣量和轉動角速度。

由式(1)可見,為提高飛輪的儲能量可以通過增加飛輪轉子轉動慣量和提高飛輪轉速來實現。這需解決4個問題:①轉子材料選擇;②轉子結構設計;③轉子製作工藝;④轉子的裝配工藝。

3.1.1 飛輪轉子材料的選擇

通過提高轉速來增加動能,如果轉速超過一定值,飛輪將會因離心力而發生破壞,原因是受到製造飛輪所用材料強度限製。儲能計算公式為

式中 e—飛輪的儲能密度,Wh/kg;

Ks—飛輪形狀係數;

ρ—材料的比重,kg/cm3

σ —材料的許用應力,MPa。

由式(2)可以計算出不同材料製造的飛輪儲能密度。在設計飛輪的時候,要選用一些低密度、高強度複合材料,如超強碳纖維等纖維(或玻璃纖維—環氧樹脂複合材料作為飛輪轉子的材料,材料的選擇直接影響著飛輪儲能係統穩定性。

3.1.2 飛輪轉子結構設計

由3.1.1節可知,飛輪轉子最適合采用複合材料製造,由於複合材料具有可設計性,但纏繞加工工藝較複雜,不易製作形狀複雜的飛輪,因此複合材料飛輪大多采用圓環形狀,精心設計飛輪的結構形狀,可以提高飛輪的形狀係數。由文獻[3]可知,多層轉子結構可使飛輪線速度和儲能密度得到提高。從現在的發展來看,許多國家還把飛輪形狀做成了紡綞狀、傘狀、實心圓盤、帶式變慣量與輪幅狀等,並且應用到了實際係統中,實現了預想效果。

3.1.3 飛輪製作工藝[4]

鑒於複合材料飛輪本體的特點,製備過程主要采用纏繞成型法。由於濕法纏繞成本低、纏繞製品的氣密性好,在複合材料飛輪的纏繞過程中采用濕法纏繞工藝。

3.1.4 多環過盈裝配工藝[4]

過盈裝配思想發展而來的多環過盈裝配技術有效增強飛輪徑向強度的方法被廣泛應用於飛輪實際工程設計中。實際上多環過盈裝配中的多個複合材料環套是分別在不同金屬芯軸上利用張緊力纏繞工藝製成的。從這個角度來講,多環過盈裝配工藝和張緊力纏繞工藝是密切相關。

3.2 飛輪儲能的軸承支承係統

支承高速飛輪的軸承技術是製約飛輪儲能效率、壽命的關鍵因素之一,飛輪儲能的支承方式主要有四種:

3.2.1 機械軸承

機械軸承主要有滾動軸承、滑動軸承、陶瓷軸承和擠壓油膜阻尼軸承等,其中滾動軸承和滑動軸承常用作飛輪係統的保護軸承,陶瓷軸承和擠壓油膜阻尼軸承在特定的飛輪係統中獲得應用[5]

3.2.2 被動磁軸承(Permanent Magnetic Bearing,PMB)

被動磁軸承有兩種,即永磁軸承和超導磁軸承:

(1)永磁軸承:隨著永磁材料的快速發展,永磁軸承的承載力迅速增加,且具有能耗低,無需電源,結構簡單等優點。但是隻用永磁軸承是不可能實現穩定懸浮,需要至少在一個方向上引入外力(如電磁力、機械力等)[5-6]

(2)超導磁軸承(Superconducting Magnetic Bearing,SMB):當外部磁場(磁體)接近超導體時,在超導體內部感應電流,感應電流產生的磁場與外部磁場方向相反,大小相同,這相當於在超導體背後出現了外部磁場的鏡像磁場,由此,產生超導體和磁體之間的電磁斥力,使超導體或永久磁體穩定在懸浮狀態。

3.2.3 主動磁軸承(Active Magnetic Bearing,AMB)

主動磁軸承又稱為電磁軸承,它通過控製電磁線圈中的電流大小產生電磁力,對軸承的位置進行主動控製,具有阻尼和剛度可調的優點。電磁鐵須同時提供靜態偏置磁通及控製磁通,在穩態懸浮時,要靠功率放大電路提供靜態偏置電流,因而功放損耗較大,散熱器體積較大。

3.2.4 組合式軸承

除了以上介紹的機械軸承、被動磁軸承和主動磁軸承之外,目前飛輪儲能係統經常選擇幾種類型的軸承組合起來使用[7]

(1)永磁軸承與機械軸承相混合。

(2)電磁軸承與機械軸承相混合。

(3)永磁軸承與電磁軸承相混合,此類混合軸承的靜態偏置磁通由永磁體提供,吸力盤在平衡位置時不需要控製電流,僅靠永磁體產生的磁通使轉子懸浮於平衡位置,減小了功耗和磁懸浮軸承重量。

(4)永磁軸承與超導電磁軸承相混合,一般是用高溫超導體作定子,常規的永磁體作轉子。液氮溫度下,高溫超導體進入超導混合態後,由於釘紮中心的存在磁通線被其阻滯運動,即被超導體俘獲,當超導體俘獲了足夠的磁通時,便使轉子自由懸浮在某一位置上;同時超導體特有的磁通釘紮能力阻止俘獲磁通運動,保證側向穩定性,從而實現了轉子穩定的懸浮。

3.3 能量轉換環節

飛輪儲能係統的核心是電能與機械能之間的轉換,所以能量轉換環節是必不可少的,它決定著係統的轉換效率,支配著飛輪係統的運行情況。電力電子轉換器對輸入或輸出的能量進行調整, 使其頻率和相位協調起來。總結起來,在能量轉換裝置的配合下,飛輪儲能係統完成了從電能轉化為機械能,機械能轉化為電能的能量轉換環節。

(1)電能轉化為機械能。此時是對飛輪儲能係統輸入能量過程,電力電子轉換器對充電電流進行調整,將電網的交流電轉換成直流,驅動電動/發電機,使飛輪的轉速增加,並確保飛輪運轉的平穩、安全和可靠。此時,電機升速,可以采用兩種變頻控製方式:恒轉矩控製和恒功率控製。

(2)以動能形式存儲電能。此過程飛輪高速旋轉,儲存動能。飛輪達到一定轉速後轉入低壓模式,由電力電子裝置提供低壓,維持飛輪儲能能量的機械損耗為最小水平,維持飛輪的轉速。

(3)機械能轉化為電能。此時是飛輪儲能係統向外輸出能量的過程,電力電子轉換器將發出的電能轉換成與電網頻率和相位一致的交流電, 送到電網中去。根據電網的具體運行情況,高速旋轉的飛輪通過高速發電機將飛輪動能轉換成電能,此過程中,電機作為發電機運行,電機的輸出電壓與頻率隨轉速變化而不斷變化,但是一段時間後,飛輪不斷減速,造成輸出電壓降低,為確保輸出電壓平穩,因此,需要升壓電路將電壓提升。

在儲存能量時,要求係統要有快的反應速度及盡可能快的儲能速度;在維持能量時,保持係統的穩定運行及最小損耗;在釋放能量時能滿足負載的頻率和電壓的要求。上述幾環節協調一致、連續運行,就可以完成電能的高效存儲。

3.4 電動/發電機

飛輪儲能中的電動/發電機是一個集成部件,主要充當能量轉換角色,充電時充當電動機使用,而放電時充當發電機使用,因此,可以大大減少係統的大小和重量。通常選擇電機時要考慮幾方麵因素:①經濟方麵考慮:選擇能滿足要求的最低價格的電機即可;②使用壽命長:由於所設計的飛輪儲能係統要求長時間的儲能運行,要求電機的空載損耗極低,所以電機必須滿足這一要求;③能量轉換效率高,調速範圍大;④飛輪儲能過程中要求係統有盡可能快的儲能速度,要求電機作為電動機使用時有較大的轉矩和輸出功率。

3.5 真空室

真空室是飛輪儲能係統工作的輔助係統,保護係統不受外界幹擾,不會影響外界環境。主要作用:①提供真空環境,以降低風損;②屏蔽事故。

4 國內外飛輪儲能關鍵技術的發展現狀

近年來,飛輪儲能技術發展非常迅速。國內外都積極地投入大量資金和人力在這項儲能技術上,目前已經有了可喜成果,以飛輪儲能五大關鍵技術為出發點,分別對其技術發展現狀進行闡述。

4.1 飛輪轉子技術現狀

美國休斯頓大學的德克薩斯超導中心致力於紡錘形飛輪開發,這是一種等應力設計,形狀係數等於或接近 1,材質同樣為玻璃纖維複合材料,儲能1kWh、重19kg、飛輪外徑30.48cm[8]

美國Beacon電力公司推出的Beacon智能化儲能係統,其飛輪轉子以一種強度高、重量輕的石墨和玻璃纖維複合材料製成,用樹脂膠合。

美國Satcon技術公司開發的傘狀飛輪,這種結構有利於電機的位置安放,對係統穩定性十分有利,轉動慣量大,節省材料,輪轂強度設計合理[8]

NASA Glenn中心和美國賓州州立大學高級複合材料製造中心等單位均采用濕法纏繞工藝製備了複合材料飛輪[4]

4.2 飛輪儲能的軸承支承係統技術現狀

4.2.1 機械軸承

美國TSI公司應用高級的潤滑劑、先進的軸承材料及設計方法和計算機動態分析,成功地開發出內部含有固體潤滑劑的陶瓷軸承,最新又研製的基於真空罩的超低損耗軸承,其摩擦係數隻有0.000 01[5]

4.2.2 被動磁軸承(PMB)

目前對永磁軸承的研究較少,目前主要集中在對超導磁軸承(SMB)的研究上[7]

西南交通大學超導技術研究所從20世紀90年代初期開始,就一直致力於高溫超導磁懸浮技術的應用基礎研究,2000年研製成功了世界首輛載人的高溫超導磁懸浮實驗車。

日本ISTEC正在對10kWh/400kW等級飛輪係統中的SMB進行組裝實驗,同時加工設計100kWh等級飛輪定子。

德國 ATZ公司則從 2005年開始對 5kWh/250kW等級的飛輪進行研究。圖 3為 ATZ公司與L-3MM合作生產的高溫超導儲能,並即將進行工程應用電性能測試。並且兩家機構還達成共識,準備為韓國當地UPS市場開發一套15kWh/400kW的高溫飛輪儲能係統[9]

圖3 ATZ/MM高溫超導飛輪儲能
Fig.3 ATZ/MM HTS flywheel

4.2.3 主動磁軸承(AMB)

馬裏蘭大學長期從事電磁懸浮儲能飛輪開發,采用差動平衡磁軸承,已完成儲能 20kWh飛輪研製,係統效率為81%。另外大力開展電磁懸浮飛輪研究的還有勞倫斯國家實驗室等[8]

韓國機械和材料學院研製出了5kWh的飛輪儲能係統,該係統采用兩個徑向主動磁軸承和一個止推磁軸承支承,采用 PD控製器及陷波濾波器使飛輪到達15 000r/min的轉速,並且采用主從機通信及利用Matlab實時調整參數的方法,使得頻率響應函數計算簡便且監控信號容易獲得[10]

4.2.4 組合式軸承

(1)永磁軸承與機械軸承相混合。美國西雅圖的華盛頓大學,正在研製1kWh永磁軸承和寶石軸承混合支承飛輪:永磁軸承用於立式轉子上支承,並卸載以降低下支承的摩擦功耗,寶石軸承作為下支承,同時引入徑向電磁支承,作為振動的主動控製,以確保係統的穩定性[8]。華北電力大學設計並製作的飛輪儲能係統:轉子質量 334kg,轉動慣量10.43kg·m2,軸承采用的是永磁軸承和油浮軸承組成的混合式軸承係統。

(2)電磁軸承與機械軸承相混合。美國Active Power,歐洲 Urenco和德國 Piper等公司生產的采用飛輪儲能技術的小間斷電源己經在世界範圍內銷售,這些產品中飛輪的支承係統采用的都是電磁軸承和機械軸承組合技術。

(3)永磁軸承與超導磁軸承相混合。中國科學院電工研究所研製了一台采用永磁軸承卸載,軸向位置確定,超導磁軸承提供穩定的立軸旋轉機構,徑向剛度大於 3N/mm,徑向振動小於 10µm。還提出了立式永磁有源超導混合磁軸承(PASMB)研究方案:采用PMB軸向卸載,一個SMB確保係統穩定,一個AMB提高徑向剛度及阻尼[5]

4.3 能量轉換環節技術現狀

馬裏蘭大學已開發出“敏捷微處理器電力轉換係統”。在電動模塊時,“敏捷微處理器電力轉換係統”功能為電動機控製器,而發電模塊時,其功能為交流轉換器。該“電力轉換係統”全部為固定部件,由固態開關、過濾器、控製電路及二極管組成,屬共振轉換器。當電壓式電流過零時,使用自然整流控製動力在“共振箱”內的輸入、輸出。因為電壓電流為零開關操作,加之自然整流,所以,動力損耗極小,這樣共振頻率能大幅提高[8]。美國Beacon動力公司采用脈衝寬度調製轉換器,實現從直流母線到三相變頻交流的雙向能量轉換。飛輪係統具有穩速、恒壓功能,此功能是運用一個專門算法自動實現,而不需要指定主動或從動元件。

4.4 電動/發電機技術現狀

從係統結構及降低功耗出發,國外研究單位一般均采用永磁無刷同步電動/發電互逆式雙向電機。電機功耗還取決於電樞電阻、渦流電流和磁滯損耗,因此,無鐵靜子獲得廣泛應用,轉子選用釹鐵硼永磁磁鐵[8]

美國勞倫斯國家實驗室應用永磁釹鐵硼材料特別排列成靜子,產生一旋轉偶極區,轉子多相纏繞電感低,靜子銅損通過冷卻加以控製[8]

西安理工大學與西安永電電氣有限責任公司合作研究的是采用無刷直流電機的飛輪儲能,對其電動/發電機的控製器進行了改進。由於無刷直流電動機固有的轉矩脈動限製了其應用範圍,在充電環節,采用升降壓斬波電路用來擴大調速範圍,在低速時,采用恒轉矩控製,在高速時,采用恒功率控製。

4.5 真空室技術現狀

AFS公司研製的飛輪用碳纖維環氧樹脂複合材料繞製,即使萬一高速下破裂,飛輪立即轉變為棉絮狀結構,且飛輪外有金屬外殼,對車內成員不構成威脅。

Beacon動力公司設計一個混凝土結構圓柱型真空室:為了安全,真空室置於地下,這樣就不會對地麵上的人員造成傷害,而且此結構上端覆蓋鋼製安全蓋,並用螺母鎖緊,相當於加了雙保險,采用多層結構的容器可以抑製轉子破裂所釋放出來的熱能衝擊。

5 飛輪儲能關鍵技術的未來展望

在未來幾十年裏,作為新一代儲能裝置,飛輪儲能將逐步取代傳統儲能技術,獲得更加廣泛的應用,飛輪儲能關鍵技術的發展方向及研究熱點有以下幾點:

(1)飛輪轉子的材料選擇、結構設計、製作工藝及裝配工藝四個方麵的改進都有助於增加飛輪儲能係統的儲能密度,提高飛輪儲能的性能。例如三維編織複合材料有著卓越的力學性能、整體性以及可設計性,隨著三維編織技術的日益成熟,應用三維編織技術和 RTM 工藝製作飛輪轉子以改善飛輪轉子的綜合力學性能,提高飛輪的儲能密度,將成為今後的研究方向[11]

(2)無軸承電機具有體積小,能量消耗低,較短的軸長和更高的臨界速度等優點,代替傳統的飛輪儲能支承形式是必然的趨勢。由於無軸承電機和傳統的電機在結構、控製係統方麵有很大的區別;無軸承電機本身產生懸浮力的磁場和電機原有磁場的依存關係錯綜複雜;飛輪儲能的電機本身是電動/發電機雙向電機,因此,對其控製要求更高,是飛輪儲能下一步值得研究熱點。

(3)國內對飛輪儲能的研究主要集中在飛輪轉子和軸承支承係統,在電力電子控製方麵的研究與國外尚有差距,還沒有開發出轉換控製器,研究工作正在進行當中。隨著國內電力電子技術與設備的突飛猛進,學者對飛輪儲能的轉換控製器的研究也日趨火熱,並且結合目前在電機控製方麵先進控製思想與方法,提出新的控製方法將會是今後研究的熱點[12]

(4)由於不存在模擬器件的特性漂移和偏差,全數字化集成電動/發電機伺服係統的可靠性要遠遠高於模擬係統,數字係統的控製邏輯由軟件來實現,增加了係統使用與設計的靈活性;另外數字係統在速度和精度方麵也要明顯優於模擬係統,因此集成電動/發電機伺服係統的全數字化是發展的必然趨勢[12]

(5)隨著飛輪儲能儲存密度逐漸增高,飛輪轉速越來越高,其輔助設施安全應該倍加注意,結構裝置等應該更巧妙地設計,保證人身及其他設備的安全。

6 結論

飛輪儲能具有大儲能容量、高效率、無汙染、適用廣、無噪聲、長壽命、維護簡單及可實現連續工作等優點,已成為國際能源界研究的熱點之一。本文在介紹飛輪儲能工作原理的基礎上,對飛輪轉子、軸承支承係統、能量轉換環節、電動/發電機與真空室等關鍵技術進行了全麵的闡述,並對關鍵技術在國內外的發展現狀進行了介紹,在此基礎上指出了未來飛輪儲能研究發展趨勢,為進一步研究飛輪儲能技術指明方向。


 
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