飞轮储能技术概述

飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转,在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。

1.飞轮储能技术的前景

飞轮储能技术是一种新兴的电能存储技术,它与超导储能技术、燃料电池储能技术等各种先进的储能技术,是近年来出现的、具有很大发展前景的储能技术。虽然目前化学电池(铅酸蓄电池、锂离子蓄电池等)储能技术已经发展得非常成熟,但是,铅酸蓄电池有污染环境的风险,磷酸铁锂蓄电池的充放电次数受到一定的限制。新能源、电动汽车、UPS供电等许多行业迫切需要新型的储能技术来满足某些特殊技术要求。其中飞轮储能技术就是一种具有无限的充放电次数和绿色环保型的储能技术,已经开始越来越广泛地应用于国内外的许多行业中。《国家能源科技“十二五”规划》及《2020年能源科技发展目标》已将智能电网、间歇式电源的接入和大规模储能等列为重大技术研究、重大技术装备及示范工程项目。现在,发展大规模储能已成为国家战略,而中国也已成为可再生能源及城市交通电动化(城轨及电动汽车)的最大市场,这为飞轮储能技术提供了广阔市场。随着 “新基建”的新一轮能源储能技术变革,飞轮储能应用将进入快速发展期。

2.国内外的技术概况                            

飞轮储能技术发展1967-2019年经历53年的历程。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,技术处于领先地位。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。目前国外主流技术采用第三代飞轮储能技术,其采用NASA提出的碳纤维和磁悬浮技术。近年来,国内飞轮储能技术整体提高。2014年9月16日国内第一台飞轮200千瓦工业化磁飞轮调试成功,各项实验测试指标均达良好,这项具有完全知识产权的储能技术和产品填补了国内科技和市场的空白。盾石磁能的 GTR 飞轮储能装置在城市轨道交通应用项目在轨道交通领域达到国际先进水平。但从总体上来看,国内飞轮储能技术的发展现状落后国外十年,许多成果尚处于研究阶段,在推广应用上还会有一段路要走。2020年4月,中关村储能产业技术联盟正式发布国内首个飞轮储能系统团体标准T/CNESA1202-2020《飞轮储能系统通用技术条件》,助推国内飞轮储能行业规范化发展。

3.存在的关键问题

能量密度不够高,能量释放只能维持较短时间,一般只有几十秒钟。自放电率高,如停止充电,能量在几到几十个小时内就会自行耗尽。ActivePower公司的飞轮储能系统单位模块输出250千瓦,待机损耗为2.5千瓦,有些数据称其效率为99%。但其前提是迅速用掉电量的情况下才可具备的效率。自放电的情况效率大大降低。例如,几万转高速飞轮系统损耗在100瓦左右,1千瓦时的系统只能维持10小时的自放电。因此,飞轮储能最适合高功率、短时间放电或频繁充放电的储能需求。对于数据中心,飞轮储能秒级的放电时间是否可靠存在考量。

飞轮储能概念与原理

1.概念

飞轮储能技术是利用互逆式双向电机(电动/发电机)实现电能与高速旋转飞轮的机械能之间相互转换的一种储能技术。

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图1.飞轮储能系统原理图

2.技术原理

飞轮储能电源系统主要由以下三部分组成:飞轮、电机和轴承,整个系统置于真空容器内。飞轮储能电源系统中的电机,既是电动机也是发电机。

“充电”时,作为电动机给飞轮加速,将电能转换成机械能;“放电”时,作为发电机将机械能转换成电能,给外部供电;在为外部供电时,飞轮的转速不断下降。而当飞轮空闲运转时,飞轮储能电源系统的运行损耗非常小。 

飞轮旋转时,其转动动能为:

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式中:J为飞轮的转动惯量;ω为飞轮旋转的角速度。

从式(1)中可以看出,飞轮转动时的动能E与飞轮的转动惯量J成正比。而飞轮的转动惯量J又正比于飞轮的直径和飞轮的质量,为得到较大的转动惯量J ,要采用大直径和大质量的飞轮。庞大、沉重的飞轮在高速旋转时,将会产生极大的离心力,若超过飞轮材料的极限强度,将是极不安全的。因此,用增大飞轮转动惯量的方法来增加飞轮的动能是不现实的。

不能用增大飞轮转动惯量来获得飞轮动能的增加,那么,只有通过提高飞轮的角速度ω 来增大飞轮的转动惯量。当飞轮处于大气中时,飞轮高速转动要克服空气的阻力(摩擦力)和轴承的摩擦损耗。将飞轮系统置于真空容器中,并采用超导磁悬浮技术,可以使飞轮在高速转动时耗能达到最小。另一个关键问题是轴承的设计和选择。能在高速转动下工作的轴承除要求轴承的摩擦损耗极小外,还应具有足够的承载能力,保证飞轮工作的可靠性和稳定性。

飞轮储能关键技术分析

1.飞轮材料的选择

飞轮的储能密度和飞轮能承受的强度会直接影响飞轮材料的选择。

飞轮的储能密度e为:

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式中:ks—飞轮形状系数;ρ—飞轮材料的密度,kg/cm3;σ—飞轮材料的许用应力,MPa。

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表1.飞轮转子材料参数

由式(2)可以看出,飞轮材料密度成反比,与飞轮材料的许用应力成正比。几种常见的用于飞轮的材料,如表 1 所示。从数据中可以看出碳素纤维密度小,强度高,是其中最好的选择。同时,使用碳素纤维制成的飞轮一旦发生解体,飞轮本身会变成絮状物飞出,降低了事故带来的危害。

2.真空室

当前真空室的真空度达到了 10-5 Pa 级,用于减少飞轮旋转过程中与空气的摩擦,同时也防止外力影响飞轮正常运行。真空室可以使用透明的高强度玻璃钢,这样方便观测飞轮的运行状况。同等气压下氦气的导热性是空气的七倍,与飞轮的摩擦损耗大约只有空气的七分之一,并且充入氦气的工艺更简单,因此选择氦气作为真空室的介质气体具有一定优势。

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3.轴承技术

在飞轮储能系统的众多损耗中,轴承的损耗占据了很大的比例,随着各种先进轴承技术的问世,这部分损耗可以被大大的减少。下面将介绍几种用于飞轮储能系统的轴承。

机械轴承

较为普遍的机械轴承有滚动轴承、滑动轴承、挤压油膜阻尼轴承和陶瓷轴承等,由于滚动轴承和滑动轴承的摩擦损耗相对较大,所以在高速飞轮储能系统中一般只用做辅助轴承,挤压油膜阻尼轴承和陶瓷轴承在飞轮储能中有所应用。

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被动磁轴承

(1)永磁轴承是被动磁轴承的一种,是利用永磁体使两个或多个磁环在轴向或是径向悬浮。随着这几年永磁体的不断发展,其承载力也大大提高,应用的越来越广泛。然而根据Earnshaw 定理,仅依靠永磁体无法使物体在空间六个自由度都达到稳定悬浮,稳定悬浮至少需要其中一个自由的上的主动控制。

(2)超导磁轴承也是被动磁轴承的一种。超导体在超导环境下具有迈斯纳效应,当超导体处于磁场中时,其内部的磁场恒等于零,即超导体在磁场中表现出完全抗磁性。超导体在磁场作用下其表面产生无损的感应电流,该电流在超导体中没有损耗,同时形成了一个和原磁场大小相等、方向相反的镜像磁场,如图 2所示。这种磁场可以使物体稳定悬浮。

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图2.迈斯纳效应

主动磁轴承

主动磁轴承又称电磁轴承,是通过改变控制电路中电流的通断和大小来控制磁场的变化,同时通过实时反馈位置信号与输出电流信号及时调整控制电流,从而使轴承定子、转子之间能够稳定悬浮,主动磁轴承控制策略框图,如图 3所示。

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图3.主动磁轴承控制策略框图

混合轴承

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在实际应用中,通常将上述几种轴承结合起来使用达到优势互补。(1)机械轴承与永磁轴承结合。机械轴承主要的缺点是摩擦损耗较大,永磁轴承可以帮助克服重力到来的定子、转子之间的压力,从而减少摩擦损耗。(2)超导体与永磁体混合轴承。超导体作为定子,永磁体做转子,转子能够悬浮在某一位置。同时超导体中俘获的磁通由于钉扎力的存在不会随便运动,保证了轴向稳定性,使得转子稳定悬浮。(3)电磁与永磁体混合轴承。为了减少功耗,利用永磁体产生偏置磁场,电流产生控制磁场,图三极混合磁轴承如图4 所示。

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图4.三极混合磁轴承

飞轮储能技术特点

1.参数性能

飞轮储能技术,特别是高速飞轮储能系统,具有功率密度高、寿命长、可实时监测系统荷电状态,对环境温度不敏感等优点,但也不可避免地存在严重的自放电现象。在能量型应用时,飞轮储能价格昂贵,在一定程度上限制了其在能量型应用领域的发展。高速飞轮储能技术的性能参数见表。

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表2. 高速飞轮储能技术的性能参数表

2.技术优势

目前大规模电储能以抽水储能为主,各种正在研发的新型储能技术具有良好的应用前景,如飞轮储能、超级电容器储能、超导磁储能、压缩空气储能、锂离子电池、液流电池和钠硫电池储能等。

电能存储按容量可分为长时大能量、短时高功率两种,长时大容量的抽水储能电站可以在电网规模上提供数小时的电能供给;而短时高功率的飞轮储能可为高端用户端提供高品质不间断电能供给。高品质电能供给、过渡电源、能源管理对储能时间尺度分别为秒分、分时和数小时。

各种储能方式的技术对比如表3所示。从中可以看出,飞轮储能具有效率高(达 90%)、瞬时功率大(单台兆瓦级)、响应速度快(数毫秒)、使用寿命长(10 万次循环和 15 年以上)、环境影响小等诸多优点,是目前最有发展前途的短时大功率储能技术之一。

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表3.储能方式技术对比表

飞轮储能在UPS供电系统中的应用

磁悬浮式飞轮储能UPS引发了人们越来越多的关注。这种技术抛弃了传统UPS利用铅酸蓄电池进行储能的方式。在现代数据中心中,迅速增长的业务需求,日益增加的运营成本,有限的机房空间和更高的能量密度,已经成为云计算时代下,数据中心及其电源管理系统建设面临的最大挑战。

IDC的统计数据显示,电力能源成本已经成为困扰数据中心运营者的头号难题。其中,UPS、空调等周边设备的耗电量大大高于主机电量。另外,酸铅蓄电池并非绿色环保的产品。

因此,配备一套智能绿色UPS供电系统成为数据中心节能环保的重中之重。传统电源系统中的蓄电池需要空调制冷,而且24小时连续运转,耗能巨大。磁悬浮式飞轮储能UPS系统则无需空调,大大节省了运营成本;而且,其占用的空间也大幅减小;维护成本低,无需更换电池;寿命长达20年。图6给出了柜式磁悬浮飞轮储能型UPS的外形图。

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图6.柜式磁悬浮飞轮储能UPS的外形图

在传统UPS供电系统中,当电力发生中断时,蓄电池会支撑系统正常运转,与此同时,柴油发动机开始启动,以此保证数据中心主机正常工作、空调连续运转。蓄电池型UPS在此过程中,提供了“分钟级”的电力供电。

而飞轮储能型UPS受制于机械储能,仅仅能够提供30s到1min电力供电,这也是飞轮UPS被诟病的主要原因。然而,专家指出,如今,市电电源的可性达到99.9%,有些重要的负载都采用双路市电供电,市电的可靠性可以说已经达到了99.99%。万一市电中断,后备电源的可靠性也可以达到99.9%,从市电到后备电源的切换,在技术上只需要10s的时间,这是一个公开的标准。目前,欧洲已经将这个时间定了8s。可以断定,飞轮储能型UPS能提供30s的电力完全能够满足从市电到后备电源的可靠切换的要求。图7给出了柜式磁悬浮飞轮储能型UPS的运行示意图。

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图7.柜式磁悬浮飞轮储能型UPS的运行示意图

国内外飞轮储能技术发展现状

1.国外飞轮储能技术的发展处于领先地位

美国、德国、日本等发达国家的飞轮储能技术的发展处于领先地位。日本已经制造出容量26.5MVA,系统输出电压1100V,转速510690r/min的变频调速飞轮蓄能发电系统。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,其飞轮重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。

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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每小时0.1%。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。

2011年10月30日,全球大规模飞轮储能应用先驱Beacon Power申请破产保护。BeaconPower开创了飞轮储能系统与电力公司合作的先例,使电力市场开始接受飞轮储能技术。从这个角度讲,在飞轮储能技术发展的历史上,甚至于储能发展的历史上,Beacon Power的成就无人可以替代。尽管公司面临破产,但其仍为20MW的飞轮储能项目举行一个建成投运仪式。该飞轮储能电源系统用于电厂储能调频,能做到15min的储能规模。而一般应用于UPS的飞轮储能时间都不超过100s。就当时而言,可以说这是美国目前最先进的飞轮储能系统。表4给出了国外几个著名的飞轮储能电源系统的厂商。

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表4.国外几个著名的飞轮储能电源系统的厂商

2.我国飞轮储能技术的现状落后国外十年

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(由中国科学院电工研究所、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。从总体上来看,国内飞轮储能技术的发展现状落后国外十年,许多成果尚处于研究阶段,在推广应用上还会有一段路要走。

国内从 2010年前后,出现了飞轮储能系统商业推广示范应用的技术开发公司,如北京奇峰聚能科技有限公司、苏州菲莱特能源科技有限公司、深圳飞能能源有限公司、上海中以投资发展有限公司、北京泓慧国际能源技术发展有限公司、唐山盾石磁能科技有限责任公司等,这和 15 年前的美国情况相似。

飞轮储能工程分析及应用展望

某数据中心,需要500kVA UPS 86套,UPS共43MW。配套450kW ups飞轮储能约86台,工程造价、占地面积和蓄电池采用对比法分析。

下表为某数据中心工程43MW UPS 飞轮储能经济分析。

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表5. UPS系统飞轮与蓄电池投资造价及运营费用比较

可以看出,采用飞轮储能技术比较传统蓄电池技术,20年的TCO可节省24%,具有较高的经济性。

现阶段的应用问题与展望

1.存在的问题

高速飞轮储能系统技术门槛较高,复合材料结构技术、磁轴承技术、真空中的高速高效电机技术仍然有一些亟待解决的课题:如复合材料的使用寿命评估、电磁轴承和高温超导磁轴承的工程化应用问题、大功率高速电机转子材料和结构设计问题以及高速轴系的机电耦合转子动力学问题。

能量密度不够高,能量释放只能维持较短时间,一般只有几十秒钟。对于数据中心,飞轮储能秒级的放电时间是否可靠存在考量。

2.应用的展望

对大型数据中心来说,飞轮UPS的优势非常明显。然而,在我国市场,飞轮UPS还是个新生事物,大家普遍在观望等待。运营与采购分开,对绿色环保的重视程度不够,以及创新风险成为制约飞轮UPS进入中国市场的主要原因。要改变这种状况,非一朝一夕之功。有专家指出,两者并行将持续一段时间。当然,我国积极倡导和推行运用可再生动力,开展以低能耗、低污染、低排放为根底的低碳经济,环保储能技术将成为我国社会经济可继续开展的必定选择。

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