飛輪儲能的優(yōu)缺點

飛輪儲能介紹

飛輪儲能思想早在一百年前就有人提出，但是由于當(dāng)時技術(shù)條件的制約，在很長時間內(nèi)都沒有突破。直到20世紀60~70年代，才由美國宇航局（NASA）Glenn研究中心開始把飛輪作為蓄能電池應(yīng)用在衛(wèi)星上。到了90年代后，由于在以下3個方面取得了突破，給飛輪儲能技術(shù)帶來了更大的發(fā)展空間。

（1） 高強度碳素纖維復(fù)合材料（抗拉強度高達8．27GPa）的出現(xiàn)，大大增加了單位質(zhì)量中的動能儲量。

（2） 磁懸浮技術(shù)和高溫超導(dǎo)技術(shù)的研究進展迅速，利用磁懸浮和真空技術(shù)，使飛輪轉(zhuǎn)子的摩擦損耗和風(fēng)損耗都降到了最低限度。

（3） 電力電子技術(shù)的新進展，如電動／發(fā)電機及電力轉(zhuǎn)換技術(shù)的突破，為飛輪儲存的動能與電能之間的交換提供了先進的手段。儲能飛輪是種高科技機電一體化產(chǎn)品，它在航空航天（衛(wèi)星儲能電池，綜合動力和姿態(tài)控制）、軍事（大功率電磁炮）、電力（電力調(diào)峰）、通信（UPS）、汽車工業(yè)（電動汽車）等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

飛輪儲能的工作原理

飛輪儲能系統(tǒng)是一種機電能量轉(zhuǎn)換的儲能裝置，突破了化學(xué)電池的局限，用物理方法實現(xiàn)儲能。通過電動／發(fā)電互逆式雙向電機，電能與高速運轉(zhuǎn)飛輪的機械動能之間的相互轉(zhuǎn)換與儲存，并通過調(diào)頻、整流、恒壓與不同類型的負載接口。

在儲能時，電能通過電力轉(zhuǎn)換器變換后驅(qū)動電機運行，電機帶動飛輪加速轉(zhuǎn)動，飛輪以動能的形式把能量儲存起來，完成電能到機械能轉(zhuǎn)換的儲存能量過程，能量儲存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪體中；之后，電機維持一個恒定的轉(zhuǎn)速，直到接收到一個能量釋放的控制信號；釋能時，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪拖動電機發(fā)電，經(jīng)電力轉(zhuǎn)換器輸出適用于負載的電流與電壓，完成機械能到電能轉(zhuǎn)換的釋放能量過程。整個飛輪儲能系統(tǒng)實現(xiàn)了電能的輸入、儲存和輸出過程。

飛輪儲能的優(yōu)缺點

飛輪儲能就是在需要能量時，飛輪減速運行，將存儲的能量釋放出來。飛輪儲能其中的單項技術(shù)國內(nèi)基本都有了（但和國外差距在10年以上），難點在于根據(jù)不同的用途開發(fā)不同功能的新產(chǎn)品，因此飛輪儲能電源是一種高技術(shù)產(chǎn)品但原始創(chuàng)新性并不足，這使得它較難獲得國家的科研經(jīng)費支持。

不足之處：能量密度不夠高、自放電率高，如停止充電，能量在幾到幾十個小時內(nèi)就會自行耗盡。只適合于一些細分市場，比如高品質(zhì)不間斷電源等。

輪儲能系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

典型的飛輪儲能系統(tǒng)由飛輪本體、軸承、電動/發(fā)電機、電力轉(zhuǎn)換器和真空室5個主要組件構(gòu)成。在實際應(yīng)用中，飛輪儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有很多種。圖1是一種飛輪與電機合為一個整體的飛輪儲能系統(tǒng)。飛輪貯能系統(tǒng)是由高速飛輪轉(zhuǎn)子磁軸承系統(tǒng)、電動／發(fā)電機、電力變換系統(tǒng)和真空罩等部分組成。圖1為飛輪儲能系統(tǒng)模塊示意圖。

飛輪本體是飛輪儲能系統(tǒng)中的核心部件，作用是力求提高轉(zhuǎn)子的極限角速度，減輕轉(zhuǎn)子重量，最大限度地增加飛輪儲能系統(tǒng)的儲能量，目前多采用碳素纖維材料制作。

軸承系統(tǒng)的性能直接影響飛輪儲能系統(tǒng)的可靠性、效率和壽命。目前應(yīng)用的飛輪儲能系統(tǒng)多采用磁懸浮系統(tǒng)，減少電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的摩擦，降低機械損耗，提高儲能效率。

飛輪儲能系統(tǒng)的機械能與電能之間的轉(zhuǎn)換是以電動/發(fā)電機及其控制為核心實現(xiàn)的，電動/發(fā)電機集成一個部件，在儲能時，作為電動機運行，由外界電能驅(qū)動電動機，帶動飛輪轉(zhuǎn)子加速旋轉(zhuǎn)至設(shè)定的某一轉(zhuǎn)速；在釋能時，電機又作為發(fā)電機運行，向外輸出電能，此時飛輪轉(zhuǎn)速不斷下降。顯然，低損耗、高效率的電動/發(fā)電機是能量高效傳遞的關(guān)鍵。

電力轉(zhuǎn)換裝置是為了提高飛輪儲能系統(tǒng)的靈活性和可控性，并將輸出電能變換（調(diào)頻、整流或恒壓等）為滿足負荷供電要求的電能。

真空室的主要作用是提供真空環(huán)境，降低電機運行時的風(fēng)阻損耗。

飛輪儲能系統(tǒng)的應(yīng)用

1、蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS

（1）在市電輸入正常，或者在市電輸入偏低或偏高（一定范圍內(nèi)）的情況下，UPS通過其內(nèi)部的有源動態(tài)濾波器對市電進行穩(wěn)壓和濾波，保證向負載設(shè)備提供高品質(zhì)的電力保障，同時對飛輪儲能裝置進行充電，UPS利用內(nèi)置的飛輪儲能裝置儲存能量。

（2）在市電輸入質(zhì)量無法滿足UPS正常運行要求，或者在市電輸入中斷的情況下，UPS將儲存在飛輪儲能裝置里的機械能轉(zhuǎn)化為電能，繼續(xù)向負載設(shè)備提供高品質(zhì)并且不間斷的電力保障。

（3）在UPS內(nèi)部出現(xiàn)問題影響工作的情況下，UPS通過其內(nèi)部的靜態(tài)開關(guān)切換到旁路模式，由市電直接向負載設(shè)備提供不問斷的電力保障。

（4）在市電輸入恢復(fù)供電，或者在市電輸入質(zhì)量恢復(fù)到滿足UPS正常運行要求的情況下，則立即切換到市電通過UPS供電的模式，繼續(xù)向負載設(shè)備提供高品質(zhì)并且不間斷的電力保障，并且繼續(xù)對飛輪儲能裝置進行充電。

2、動汽車電池

目前隨著環(huán)境保護意識的提高以及全球能源的供需矛盾，開發(fā)節(jié)能及采用替代能源的環(huán)保型汽車，以減少對環(huán)境的污染，是當(dāng)今世界汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要趨勢。汽車制造行業(yè)紛紛把目光轉(zhuǎn)向電動汽車的研制。能找到儲能密度大、充電時間短、價格適宜的新型電池，是電動汽車能否擁有更大的機動性并與汽油車一爭高下的關(guān)鍵，而飛輪電池具有清潔、高效、充放電迅捷、不污染環(huán)境等特點而受到汽車行業(yè)的廣泛重視。預(yù)計21世紀飛輪電池將會是電動汽車行業(yè)的研究熱點。

3、間斷電源

不間斷電源由于能確保不間斷供電和保證供電質(zhì)量而在通訊樞紐、國防指揮中心、工業(yè)生產(chǎn)控制中心等地方得到廣泛使用目前不問斷電源由整流器、逆變器、靜態(tài)開關(guān)和蓄電池組等組成。但目前蓄電池通常都存在對工作溫度、工作濕度、輸入電壓、以及放電深度等條件要求．同時蓄電池也不允許頻繁的關(guān)閉和開啟。而飛輪具有大儲能量、高儲能密度、充電快捷、充放電次數(shù)無限等優(yōu)點，因此在不間斷電源系統(tǒng)領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。

4、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不間斷供電

風(fēng)力發(fā)電由于風(fēng)速不穩(wěn)定，給風(fēng)力發(fā)電用戶在使用上帶來了困難。傳統(tǒng)的做法是安裝柴油發(fā)電機，但由于柴油機本身的特殊要求，在啟動后30分鐘內(nèi)才能停止。而風(fēng)力常常間斷數(shù)秒，數(shù)分鐘。不僅柴油機組頻繁啟動，影響使用壽命；而且風(fēng)機重啟動后柴油機同時作用，會造成電能過剩?？紤]到飛輪儲能的能量大。充電快捷，因此，國外不少科研機構(gòu)已將儲能飛輪引入風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。美國將飛輪引入風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)全程調(diào)峰，飛輪機組的發(fā)電功率為300KW，大容量儲能飛輪的儲能為277KW每小時。