飛輪儲(chǔ)能裝置的性能特點(diǎn)及其應(yīng)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(chǔ)能技術(shù)是一種新興的電能存儲(chǔ)技術(shù)，它與超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)、燃料電池技術(shù)等一樣，都是近年來出現(xiàn)的有很大發(fā)展前景的儲(chǔ)能技術(shù)。雖然目前化學(xué)電池儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，但是，化學(xué)電池儲(chǔ)能技術(shù)存在著諸如充放電次數(shù)的限制、對(duì)環(huán)境的污染嚴(yán)重以及對(duì)工作溫度要求高等問題。這樣就使新興的儲(chǔ)能技術(shù)越來越受到人們的重視。尤其是飛輪儲(chǔ)能技術(shù)，已經(jīng)開始越來越廣泛地應(yīng)用于國內(nèi)外的許多行業(yè)中。

2 飛輪儲(chǔ)能裝置簡(jiǎn)介

飛輪儲(chǔ)能裝置主要包括3個(gè)核心部分：飛輪、電機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能儲(chǔ)存起來，當(dāng)外界需要電能的時(shí)候，又通過發(fā)電機(jī)將飛輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，輸出到外部負(fù)載，要求空閑運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)候損耗非常小。它的原理圖如圖1所示。

圖1 飛 輪 儲(chǔ) 能 裝 置 原 理 圖

事實(shí)上，為了減少空閑運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的損耗，提高飛輪的轉(zhuǎn)速和飛輪儲(chǔ)能裝置的效率，飛輪儲(chǔ)能裝置軸承的設(shè)計(jì)一般都使用非接觸式的磁懸浮軸承技術(shù)，而且將電機(jī)和飛輪都密封在一個(gè)真空容器內(nèi)?減少風(fēng)阻。通常發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)使用一臺(tái)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，通過軸承直接和飛輪連接在一起。這樣，在實(shí)際常用的飛輪儲(chǔ)能裝置中，主要包括以下部件：飛輪、軸、軸承、電機(jī)、真空容器和電力電子裝置，飛輪儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)的示意圖如圖2所示。

圖2 飛 輪 儲(chǔ) 能 裝 置 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖

當(dāng)外設(shè)通過電力電子裝置給電機(jī)供電時(shí)，電機(jī)就作為電動(dòng)機(jī)使用，它的作用是給飛輪加速，儲(chǔ)存能量；當(dāng)負(fù)載需要電能時(shí)，飛輪給電機(jī)施加轉(zhuǎn)矩，電機(jī)又作為發(fā)電機(jī)使用，通過電力電子裝置給外設(shè)供電；當(dāng)飛輪空閑運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)裝置就可以以最小損耗運(yùn)行。這樣利用電機(jī)的四象限運(yùn)行原理，使發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)共用一臺(tái)電機(jī)的方法，不但可以提高效率，還可以減少整個(gè)儲(chǔ)能裝置的尺寸，使儲(chǔ)能密度大大提高。

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

E=jω2 (1)

式中：j為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，與飛輪的形狀和重量有關(guān)；

ω為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)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(chǔ)能裝置能量輸入輸出量的大小，而與儲(chǔ)能裝置外接負(fù)載的性質(zhì)無關(guān)。

3 飛輪儲(chǔ)能裝置與其它儲(chǔ)能裝置性能比較

電能的儲(chǔ)存一般都采用化學(xué)蓄電池，無疑化學(xué)電池是技術(shù)最為完善也是目前產(chǎn)量最大的儲(chǔ)能裝置，它是通過將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能實(shí)現(xiàn)電能儲(chǔ)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(chǔ)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(jià)格低廉，但是由于現(xiàn)在對(duì)環(huán)保和電池性能特點(diǎn)要求的不斷提高，在許多領(lǐng)域中，人們已經(jīng)不能接受化學(xué)電池的弊端，而逐漸將目光放在更加先進(jìn)的儲(chǔ)能方式上了。

超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置是一種科技含量較高的先進(jìn)的儲(chǔ)能方式，它把能量?jī)?chǔ)存于超導(dǎo)線圈的磁場(chǎng)中，通過電磁相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置的充電和放電。由于在超導(dǎo)狀態(tài)下線圈沒有電阻，因此超導(dǎo)儲(chǔ)能的能量損耗非常小，它的主要存儲(chǔ)性能也很不錯(cuò)，對(duì)環(huán)境幾乎不會(huì)造成污染，但是，超導(dǎo)的實(shí)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(gè)溫度非常低，因此，持續(xù)維持線圈處于超導(dǎo)狀態(tài)所需要的低溫而花費(fèi)的維護(hù)費(fèi)用就十分昂貴，維持低溫的費(fèi)用過高就成為了人們?cè)谶x擇長(zhǎng)期能量?jī)?chǔ)備方式時(shí)不得不考慮的因素，這樣便限制了超導(dǎo)儲(chǔ)能應(yīng)用的普及。但是，超導(dǎo)儲(chǔ)能仍然是許多科研工作者們的研究方向。

被譽(yù)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(xué)能轉(zhuǎn)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(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所并不參與化學(xué)反應(yīng)，所以這種裝置質(zhì)量輕、無污染、不用充電、工作可靠、壽命長(zhǎng)。然而它是通過不斷補(bǔ)充燃料來維持能量供應(yīng)的，所以它需要不斷進(jìn)行維護(hù)，這也就決定了其應(yīng)用范圍必然不會(huì)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(chǔ)能的技術(shù)已經(jīng)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(duì)比較理想的性能價(jià)格比，而越來越多地應(yīng)用于各種場(chǎng)合，已經(jīng)成為近幾年儲(chǔ)能設(shè)備應(yīng)用研究的主要對(duì)象，而且必將逐步占領(lǐng)更大的儲(chǔ)能設(shè)備市場(chǎng)。

以上這些儲(chǔ)能裝置是目前人們最看好的或者是最常用的儲(chǔ)能設(shè)備，當(dāng)然，另外還有很多其它的新型儲(chǔ)能設(shè)備，如核電池、超大容量電池等都受到了科學(xué)家們的關(guān)注，并且正在不斷地進(jìn)行技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)。

這些儲(chǔ)能技術(shù)各有特色，分別適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)所，尤其是前4種儲(chǔ)能設(shè)備更是現(xiàn)在研究的重點(diǎn)課題，它們?cè)诟髯缘膽?yīng)用領(lǐng)域中保持著一定的市場(chǎng)，除非科技發(fā)展到某天出現(xiàn)一種的新技術(shù)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?chǎng)的儲(chǔ)能設(shè)備的一些主要性能指標(biāo)。

表1 儲(chǔ) 能 裝 置 性 能 比 較

4 飛輪儲(chǔ)能裝置的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及目前的應(yīng)用情況和展望

飛輪儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)能密度很大，由于使用的材料越來越先進(jìn)，現(xiàn)在衛(wèi)星上使用的飛輪儲(chǔ)能裝置甚至小到可以裝進(jìn)衛(wèi)星壁中，而且飛輪儲(chǔ)能裝置運(yùn)行的時(shí)候損耗很小，基本上不用維護(hù)，這就使得飛輪技術(shù)目前不斷應(yīng)用于衛(wèi)星裝置和太空空間站的太陽能儲(chǔ)能電池中作為它們的能量供應(yīng)中心來使用，同時(shí)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(shí)的增強(qiáng)，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(shù)由于是電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化，不會(huì)造成污染，而逐漸走進(jìn)汽車制造商們的視野。美國飛輪系統(tǒng)公司（AFS）就生產(chǎn)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(yīng)用于混合能量汽車技術(shù)中。這種汽車是靠?jī)?nèi)燃機(jī)和電機(jī)兩種方式共同提供推動(dòng)力的，在汽車正常行駛和制動(dòng)的時(shí)候給飛輪電池充電，汽車爬坡和加速，需要功率大的時(shí)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(chǔ)能技術(shù)的這一特點(diǎn)，而對(duì)相關(guān)方面的應(yīng)用已開始進(jìn)行了研究和嘗試。

目前，美國已經(jīng)開始在軍用設(shè)備上嘗試使用飛輪裝置，尤其是大型混能牽引機(jī)車上。由于飛輪的快速充放電和獨(dú)立而且穩(wěn)定的能量輸出，當(dāng)設(shè)備需要能量突然增加或者在能量轉(zhuǎn)換時(shí)需要平穩(wěn)過渡的時(shí)候，經(jīng)?？紤]到使用飛輪技術(shù)。

隨著材料學(xué)和磁懸浮軸承技術(shù)的不斷發(fā)展，飛輪儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)能密度越來越大，效率和壽命也在不斷提高。在放電的時(shí)候，是機(jī)械能和電能的相互轉(zhuǎn)化，所以飛輪的壽命和放電的深度沒有關(guān)系，這樣飛輪可以應(yīng)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(chǎng)合。在飛輪儲(chǔ)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(fù)載沒有關(guān)系，還可以很方便地通過控制飛輪的旋轉(zhuǎn)速度來控制飛輪的充電，這種特點(diǎn)在化學(xué)電池中實(shí)現(xiàn)起來要困難得多。再加上飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電速度可以非常快，所有這些特點(diǎn)使得飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣泛。

近年來，在許多外接負(fù)載為脈沖式負(fù)載的應(yīng)用場(chǎng)所中，飛輪技術(shù)的應(yīng)用研究正在逐漸增加，而且逐漸成熟。在混合能量供應(yīng)系統(tǒng)中，使用飛輪儲(chǔ)能技術(shù)可以使能量轉(zhuǎn)換得到平穩(wěn)過渡，而且使動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上不用按照最大功率進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究人員在飛輪技術(shù)上的關(guān)注也在逐漸增加，相信不久的將來，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在這些領(lǐng)域的應(yīng)用一定會(huì)更加廣泛。

5 結(jié)語

作為一門新興的高科技儲(chǔ)能技術(shù)，飛輪儲(chǔ)能裝置擁有傳統(tǒng)化學(xué)電池?zé)o可比擬的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)被人們所認(rèn)同，它的理論論證已經(jīng)比較成熟，而且它的技術(shù)特點(diǎn)非常符合未來能源儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展方向。目前，飛輪技術(shù)已經(jīng)不斷地應(yīng)用于航天航空設(shè)備和其它的一些領(lǐng)域中，而且人們也正在不斷地開發(fā)飛輪儲(chǔ)能裝置更多的應(yīng)用領(lǐng)域，飛輪儲(chǔ)能裝置的應(yīng)用正在向我們的日常生活走來，可以預(yù)測(cè)，未來幾年的儲(chǔ)能裝置市場(chǎng)將會(huì)有很大一部分為飛輪儲(chǔ)能裝置所占領(lǐng)。

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