飞轮储能技术研究的发展现状

1 飞轮储能的基本原理
早在 50 年代就有人提出飞轮储能的设想, 但 一直没有突破性的进展。近年来, 由于以下三方面 的突破, 给飞轮储能带来了新的活力: 一是高强度 碳素纤维和玻璃纤维的出现, 飞轮允许线速度可 达 500—1000m s, 大大增加了单位质量的动能储 量; 二是电力电子技术的新进展, 给飞轮电机与系 统的能量交换提供了灵活的桥梁; 三是电磁悬浮、 超导磁悬浮技术的发展, 配合真空技术, 极大地降 低了机械摩擦与风力损耗。
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4 期 蒋书运等: 飞轮储能技术研究的发展现状
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空 0193Pa 下, 混合支承每小时功耗小于 5% 。 [4] 永磁悬浮与机械支承相混合: 美国西雅图的华盛顿大学, 正在研制 1kW h 永磁悬浮和宝石
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使摩擦最低, 同时轴向卸载, 减小下支承负载和摩擦功耗, 同时便于下端机械动压轴承形成全 油膜, 飞轮下端采用低功耗动压螺槽轴承; 上下支承处设有专门设计的油膜阻尼器来控制转子 振动; 永磁同步电动 发电机转子与飞轮做成一体, 结构简单、效率高、充放电同步、快捷; 飞轮 转子采用多层复合材料缠绕而成; 系统放置在真空腔里, 以降低风损。
超强玻璃纤维 (或碳纤维等) ——环氧树脂复合材料作为飞轮材料。 也有少量文献介绍用铝合 金或优质钢材制作飞轮。
复合材料飞轮本体制作工艺主要有预压缠绕和多环热装两种。 预压缠绕又分为线缠绕与 织带缠绕[2 ]。
从飞轮形状看, 有单层圆柱状、多层圆柱状、纺缍状、伞状、实心圆盘、带式变惯量与轮幅状等。 美国的马里兰大学已经研究成功储能 20kW h 多层圆柱飞轮, 飞轮材料为碳纤维——环氧 树脂复合材料, 具体参数为: 外径 01564m、内径 01254m、厚 01553m、重 17218kg, 最大转速 46345r m in [3 ]。 美国休斯顿大学的德克萨斯超导中心致力于纺缍形飞轮开发, 这是一种等应力设计, 形状 系 数 等 于 或 接 近 1, 材 质 同 样 为 玻 璃 纤 维 复 合 材 料, 储 能 1kW h、重 19kg、飞 轮 外 径 30148cm [4 ]。 美国 Sa tcon 技术公司开发伞状飞轮, 这种结构有利于电机的位置安放, 对系统稳定性十 分有利, 转动惯量大, 节省材料, 轮毂强度设计合理[5]。 伊朗 Sh iraz 大学机械工程系研制一种带式可变惯量飞轮, 用于电动车, 其目的为了节能 与系统平稳[6 ]。 多层复合材料飞轮采用过盈配合, 从而可提高转子的极限角速度, 增加储能量, 减少转子重量[7]。 (b) 支承 飞轮的支承方式主要有超导磁悬浮、电磁悬浮、永磁悬浮和机械支承四种, 也有四种中的 某二种组合。 超导磁悬浮: 采用这种方式的研究单位较多, 如日本三菱重工, 美国阿贡国家实验室等。但 最具规模的当数德国, 他们正在研制 5MW h 100MW 超导飞轮储能电站。 每只飞轮重达 12t, 整个电站需要 10 吨 YB azCu (bu lk YBCO ) 材料。 系统的效率高达 96%。[8]。 电磁悬浮: 马里兰大学长期从事电磁悬浮储能飞轮开发, 采用差动平衡磁轴承, 已完成储 能 20kW h 飞轮研制, 系统效率为 81%。另外大力开展电磁悬浮飞轮研究的还有劳伦斯国家实 验室等[3 ]。 机械支承: 这类支承方式的飞轮一般用于快速充放电系统。如美国 Kam an 电磁公司研制的电 磁炮、电化学炮, 要求在几个毫秒时间产出 200kA 的放电, 以满足负载的需要[9]。 英国纽卡斯尔大 学研制了混合汽车的飞轮电池[10], 美国 Sa tcon 技术公司开发的先进飞行器姿态控制系统等[5]。 超导磁悬浮与永磁支承相混合: 休斯顿大学采用这种支承方式已浮起 19kg 的飞轮转子, 永磁轴承提供悬浮力, 而超导轴承用于消除系统固有磁- 磁不稳定相互影响。 试验表明, 在真
正在开发
超导储能
～ 90 高 否
无限 时
很低 极好
年 很好
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正在开发
燃气轮机
～ 50 无
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现在
① 本文 1999207214 收到 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
基于飞轮储能能量输入、输出快捷, 可就近分散放置, 不污染、不损坏环境等特点, 因此, 国 际上大多数研究机机构均将飞轮开发最终目标定为实现电力调峰。
德国的 Fo rschung szen t rum ka rlsruhe Gm bH 1996 年着手研究储能 5MW h 100MW 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 30t、直径 315m、高 615m , 转子 运行转速为 2250—4500r m in, 最大外缘线速度 600m s, 最大拉应力 810M Pa; 能量输入、输出采 用电动 发电机来实现, 系统效率 96%。 经过成本分析, 全部预算约耗资 14000DM kW h 。 [8]
我们现阶段主要研究目标是基础固定的飞轮储能模块(如电力调峰, 不间断供电、电磁炮等)。 基于以上新结构, 我们设计并成功运行了一储能为 013kW h 的小型飞轮系统, 包括电力转换部分 (如电机控制、整流、变压、变频等) , 已实现飞轮线速度 500m s, 发电功率 200W 。 我们现在正着手 开发 1kW h 的储能飞轮模块, 并进一步开发真空、上磁钢卸载力、阻尼和电机 发电机等相关技术。
轴承混合支承飞轮。 永磁悬浮用于立式转子上支承, 并卸载以降低下支承的摩擦功耗; 宝石轴 承作为下支承, 同时引入径向电磁支承, 作为振动的主动控制, 以确保系统的稳定性[11]。
(2) 电动 发电机 从系统结构及降低功耗出发, 国外研究单位一般均采用永磁无刷同步电动 发电互逆式双 向电机。电机功耗还取决于电枢电阻、涡流电流和磁滞损耗, 因此无铁静子获得广泛应用, 转子 选用钕铁硼永磁磁铁。 马里兰大学特别设计了磁芯叠片, 磁铁材料和磁芯缠绕方式, 电机总效率可达 94%。电枢 绕线采用三相 ∃ 连接, 同时, 每相具有 1 3 极距的交叠; 电枢的叠层材料选用 Ca rp en ter H ym u80, 每片用激光切割并用硅石涂层绝缘, 静子钕铁硼表面磁感应强度达 312kT , 大电机 气隙中强磁铁产生 014T 的磁通密度[12]。 美国劳伦斯国家实验室应用永磁钕铁硼棒料特别排列成静子, 产生一旋转偶极区, 转子多 相缠绕电感低, 静子铜损通过冷却加以控制[13]。 (3) 电力转换器 电力转换器是储能飞轮系统的控制元件。它控制电机, 实现电能与机械能的相互转换。输 入电能时, 一般将交流电转换成直流, 驱动电动机; 输出电能则将直流变成交流, 并具有调频、 整流、恒压等功能。 马里兰大学已开发出“敏捷微处理器电力转换系统”。 在电动模块时,“敏捷微处理器电力 转换系统”功能为电动机控制器; 而发电模块时, 其功能为交流转换器。该“电力转换系统”全部 为固定部件, 由固态开关、过滤器、控制电路及二极管组成, 属共振转换器。 当电压式电流过零 时, 使用自然整流以控制动力在“共振箱”内的输入、输出。因为电压电流为零开关操作, 加之自 然整流, 所以动力损耗极小, 这样共振频率能戏剧般地大幅提高[3]。 美国B eacon 动力公司采用脉冲宽度调制转换器, 实现从直流母线到三相变频交流的双向 能量转换。飞轮系统具有稳速、恒压功能, 此功能是运用一个专利算法自动实现, 而不需要指定 的主动或从动元件[14 ]。 (4) 真空室 真空室作用主要有二: 一是提供真空环境, 以降低风损; 二是屏蔽事故。真空度对系统效率 是一主要决定因素。 目前国际上真空度一般可达 10- 5p a 量级。 B eacon 动力公司设计一混凝土结构圆柱型真空室, 上端覆盖钢制安全盖, 并用螺母锁紧。 为了安全, 真空室置于地下[14 ]。 英国研究人员用低速运转试验证实: 氦气环境有利于减小风损; 提高真空度虽能降低风 损, 但因为稀薄气体环境散热功能减弱, 转子温升较高[15]。 212 国内飞轮储能技术现状 我国在飞轮储能方面研究刚刚起步, 1995 年始我校和中科院电工所等单位开始进行初步 研究。 我室自筹部分资金, 改建成用于飞轮研究的专用实验室。 鉴于国内在超导磁悬浮、电磁 悬浮方面技术差距, 且附件多, 成本高, 尤其磁悬浮电涡流功率损耗较大, 我们提出了永磁悬浮 与机械轴承混合支承储能飞轮结构方案。 飞轮上端采用自动对中永磁悬浮支承, 实现非接触,
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21 卷 第 4 2000 年 10 月
期
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V o l 1 21, N o 13
O ct. , 2000
飞轮储能技术研究的发展现状①
蒋书运 卫海岗 沈祖培
(清华大学工程物理系, 北京 100084)
以周计 良好 低 无
正在开发 少量已用
电池
～ 70 中 是 几百 时 中 差 月 大 中 显著
现在
抽水蓄能
～ 60 高 否 几千 时 低 极好 年 极大 高 一些
现在, 地 理限制
压缩空气 气体
< 50 高 否
几千 时 低
极好 年
极大 中
一些
现在, 地 理限制
小型超导 储能
～ 90 极低
是 无限
分 高 极好 周 良好 低 无
文 摘: 飞轮储能技术已成为国际能源界研究的热点之一。从飞轮储能技术的技术进展 (包括飞轮 本体、转子支承系统、电动 发电机、电力转换器与真空室) 以及应用研究 (电力调峰、飞轮电池、不 间断供电、强力放电等) 角度出发, 系统地介绍了该技术国内外的发展现状及今后发展方向。 关键词: 飞轮储能系统, 电动机 发电机, 电力调峰, 飞轮电池, 不间断供电
90 年代以来, 马里兰大学一直致力于储能飞轮的应用开发。 1991 年它们已经成功开发用 于电力调峰的 24kW h 电磁悬浮飞轮系统。 飞轮重 17218kg, 工作转速范围 11, 610—46, 345 r m in, 破坏转速为 48, 784r m in, 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[3]。 312 电动汽车的飞轮电池
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2 飞轮储能的技术进展
211 国际飞轮储能技术现状 飞轮储能系统主要由转子、电动 发电机、电力转换器和真空室四部分组成。 (1) 转子系统 转子系统包括飞轮本体与轴承两部分。 (a) 飞轮本体 基于飞轮材料要求比强度 Ρb Θ(Ρb 材料强度极限, Θ材料密度) 最大的设计原则, 一般选用
3 飞轮储能的应用研究
311 电力调峰 电力调峰是电力系统必须要充分考虑的重要问题。 为了满足高峰用电与低峰用电时电力
负荷超过 10% 以上的功率差, 目前广泛使用抽水蓄能电站进行调峰。 这种储能方式具有技术 成熟、储能大、储能时间长等优势, 但是受地理因素影响大, 破坏环境, 有时需远距离输电等。
飞轮储能原理可表示为: 作为电能存贮的手段之一, 它与其它形式的贮能方式相比较[1], 优缺点列于表 1 。
表 1 储能技术的比较
项目
效率 (% ) 储能容量
模块性 循环寿命 充电时间 地点可用性 储能测定 建设时间 环境影响 事故后果 环境控制
可用性
飞轮储能
～ 90 高 是 无限 分 极高 极好