国内外飞轮储能技术发展现状研究

 

　　传统能源的日益匮乏和环境日趋恶化，极大地促进了新能源的发展，新能源发电的规模也快速攀升。但风电、太阳能发电自身所固有的随机性、间歇性特征，决定了其规模化发展必然会对电网调峰和系统安全运行带来显著影响，必须要有先进的储能技术作支撑。国外有关研究表明，如果风电装机占装机总量的比例在10%以内，依靠传统电网技术以及增加水电、燃气机组等手段基本可以保证电网安全;但如果所占比例达到20%甚至更高，电网的调峰能力和安全运行将面临巨大挑战。储能技术在很大程度上解决了新能源发电的随机性、波动性问题，可以实现新能源发电的平滑输出，能有效调节新能源发电引起的电网电压、频率及相位的变化，使大规模风电及太阳能发电方便可靠地并入常规电网。

 

　　中国新能源大发展在即，对储能产业有更急迫的现实需求。预计到2020年风电和太阳能发电装机会突破1.7亿千瓦，占全国发电装机总量的比例会超过15%。但由于目前我国电力系统煤电比例较高，在部分地区又主要是调峰能力差的供热机组，核电发展很快但却不能参与调峰，水电、燃气发电等调峰性能优越的电源所占比例过低，导致现有电力系统接纳新能源的能力很弱。再加上我国能源资源所在地多远离负荷地，不得不实施风电、光电的“大规模集中开发、远距离输送”，这更进一步加大了电网运行和控制风险。随着国内新能源发电规模的快速扩大，电网与新能源的矛盾越来越突出，对储能的需求更为迫切。

 

　　大容量储能还可提高能源利用效率，为国家节约巨额投资。为应对城市尖峰负荷，电力系统每年都要新增大量投资用于电网和电源后备容量建设，但利用率却非常低。以上海为例，2004—2006年间，为解决全市每年只有183.25小时的尖峰负荷，仅对电网侧的投资每年就超过200亿元，而为此形成的输配电能力的年平均利用率不到2%。同样是为了应对尖峰负荷，转而采用大容量储能技术，不仅投资会成倍减少，而且由于储能设施占地少、无排放，其节地、节能、减排的效果是其他调峰措施无法比拟的。

 

　　二、全球大容量储能技术呈多元化发展格局，中国企业已掌握关键技术，拥有自主知识产权。

 

　　全球储能技术主要有化学储能(如钠硫电池、液流电池、铅酸电池、镍镉电池、超级电容器等)、物理储能(如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等)和电磁储能(如超导电磁储能等)三大类。目前技术进步最快的是化学储能，其中钠硫、液流及锂离子电池技术在安全性、能量转换效率和经济性等方面取得重大突破，产业化应用的条件日趋成熟。钠硫电池的充电效率已可达到80%，能量密度是铅酸蓄电池的3倍，循环寿命更长。日本在此项技术上处于国际领先地位，2004年日本在本国Hitachi自动化工厂安装了当时世界上最大的钠硫电池系统，容量是9.6MW/57.6MWh。液流钒电池的基础材料是钒，该电池具有能量效率高、蓄电容量大、能够100%深度放电、寿命长等优点，已进入商业化阶段。锂离子电池的基础材料是锂，已开始在电动自行车、电动汽车等领域应用，近年来由于磷酸亚铁锂、纳米磷酸铁锂等新材料的开发与应用，大大改善了锂离子电池的安全性能和循环寿命，大容量锂电池储能电站正逐渐兴起。

 

　　物理储能中最成熟也是世界应用最普遍的是抽水蓄能，主要用于电力系统的调峰、填谷、调频、调相、紧急事故备用等。其能量转换效率在70%—75%左右。目前世界范围内抽水蓄能电站总装机容量9000万千瓦，约占全球发电装机容量的3%。压缩空气技术早在1978年就实现了应用，但由于受地形、地质条件制约，没有大规模推广。飞轮蓄能的特点是寿命长、无污染，动态特性好，但超大容量的飞轮，目前技术尚不成熟。电磁储能技术现在仍很昂贵，还没有商业化。

 

　　三、国外飞轮储能技术发展现状

 

　　美国、德国、日本等发达国家对飞轮储能技术的开发和应用比较多。日本已经制造出在世界上容量最大的变频调速飞轮蓄能发电系统(容量26.5MVA，电压1100V，转速510690r/min，转动惯量710t·m2) 。美国马里兰大学也已研究出用于电力调峰的24kwh的电磁悬浮飞轮系统。飞轮重172.8kg, 工作转速范围11, 610—46, 345rpm，破坏转速为48, 784rpm, 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。飞轮储能技术在美国发展得很成熟，他们制造出一种装置，在空转时的能量损耗达到0. 1 %每小时。欧洲的法国国家科研中心、德国的物理高技术研究所、意大利的SISE均正开展高温超导磁悬浮轴承的飞轮储能系统研究。

 

　　1、美国宇航局(NASA)Glenn 研究中心及其合作单位

 

　　NASA飞轮主要应用于航空航天，以及军用装甲车辆上，用途主要是：能量储存；动力和姿态控制；峰值功率调节等。设计储能量：300-700W3S;储能密度44wh/kg；转速：60000rpm;线速度：不小于880m/s。目标建立和测试大型飞轮储能系统，目标：储能密度大于100wh/kg；线速度不小于1260m/s。工作高低转速比：3：1；放电深度：90%；运行转速内无临界模态，后期研究控制模态可能性。

 

     2、Bescon Power 公司

 

　　Bescon Power 公司生产的飞轮电池产品用以满足迅速增长的可靠的、分布式电源需求。建立为通讯应用提供后备电源的商业基础，估计每年拥有10000套飞轮系统需求。为电信/ 电缆设备提供备用电力供应的20C1000飞轮储能系统为主。

 

　　飞轮采用采用高强度复合材料轮缘，高速、长寿命、无需维护、低损耗永磁偏置主动/被动磁轴承，直流永磁无刷高效率、低损耗电动/发电机，正弦波脉宽调制实现驱动电压、电流一体化控制的双向换流器，真空密封，埋入地下，运行状况可以通过互联网进行监视。

 

　　指标：工作转速：30000-100000rpm，最高线速度：700m/s，放电深度：90%，电机效率：96%,输出可用储量2000wh；输出电压为直流36V、48V 或96V，额定输出功率1kw；输入电压120/240 DC，50/60HZ，最大输入功率kw；转子重量：68kg,飞轮模块重量：383kg，电子模块重量90kg；设计寿命：20年，平均故障间隔时间：10万小时。

 

　　3、Active Power 公司

 

　　公司主要生产作为不间断电源(UPS) 的飞轮电池系统,以取代传统的铅- 酸电池,解决当今对于电力品质的高要求。公司产品的应用对象主要是广大工业用户,比如:先进的数据中心、工业设备和广播站等。目前，公司拥有29 项发明专利,主要产品有Cat UPS 系列和Cleansource DC 系列。ActivePower 的飞轮材料为4340 锻铁,其飞轮转子与电动/ 发电机、磁轴承整合在一起。用磁铁卸去80 %的重量以延长飞轮轴承的寿命和减小损耗。飞轮的工作转速在7000～7700rpm。工作维持时间为几十秒到几分钟。目前公司飞轮已经产品化出售，并在北京设有办事处。

 

　　4、德国Forschungszentrum karlsruhe Gmbh 公司

 

　　德国Forschungszentrum karlsruhe Gmbh 公司1997年着手设计5MWh/100MW超导飞轮储能电站的概念设计。电站由10个飞轮模块组成，每个模块储能0.5MWh，功率10MW，重30t，直径3.5m、高6.5m，用同步电动/发电机进行电能输入输出。每个模块包括一个电动/发电机子模块、4个碳纤维复合材料制成的转子模块和6个SMB子模块。每个飞轮转子储能125kwh，重3t，能量密度42wh/kg,运行转速为2250-4500rpm，最大外缘线速度600m/s，最大拉应力810Mpa。SMB由YBCO块材料和稀土铁棚型高强度永磁材料构成，耗用10t的YBCO块材和5t的永磁材料。系统效率96%。

 

　　5、日本

 

　　日本已投资3500 万美元进行高温超导磁悬浮轴承飞轮储能研究，由三菱、日立、精工等公司和多个研究所、高校组成3 个研究组合作承担。已研制出3 种试验模型机，并进行了储能8MW.h 容量1000kW 的飞轮储能机组的概念设计。日本原子能研究所一座大型核融合实验炉采用了飞轮储能发电装置，其主要参数为：功率235MVA、电压18kv、电流6898A、飞轮转速420-600rpm、可释放能量为020MJ，转子为碳素钢锻造的实心圆盘，重1000t。

 

　　四、国内飞轮储能技术的发展现状

 

　　目前国内从事与飞轮研究相关的单位有:清华大学工程物理系飞轮储能实验室、华北电力大学、北京飞轮储能柔性研究所(由中科院电工所、天津核工业理化工程研究院等组成) 、北京航空航天大学、南京航空航天大学、中国科大、中科院力学所、东南大学、合肥工业大学等,主要集中在小容量系列，其中，北航针对航天领域研制的“姿控/储能两用磁悬浮飞轮”已获得2007年国家技术发明一等奖。华北电力大学和中国科学院电工研究所、河北省电力局合作，已经开始就电力系统调峰用飞轮储能系统的课题进行研究， 预计能够取得可喜的成果。

 

　　五、结束语

 

　　随着超导技术的发展和高强度复合材料的出现以及电力电子技术的新进展, 开发飞轮储能技术已经成为可能。从经济和技术角度看, 飞轮储能机组作为一种重要的调峰手段分散接入电网是可行的。由于飞轮机组运行控制的灵活性, 可使电力系统的运行可靠性和稳定性得到提高。

 

　　飞轮的发展方向及研究热点：

 

　　1) 超大储能量、大功率飞轮的研制；

 

　　2) 进一步降低储能飞轮系统的功耗；

 

　　3) 系统的安全性、可靠性分析；

 

　　4) 机电参数匹配问题；

 

　　5) 强力充放电系统的稳定性。