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飞轮储能
一.飞轮储能原理
飞轮储能器中没有任何化学活性物质,也没有任何化学反应发生。旋转时的飞轮是纯粹的机械运动,飞轮在转动时的动能为:E=1/2Jω2式中:J为飞轮的转动惯量;ω为飞轮旋转的角速度。
飞轮转动时动能与飞轮的转动惯量成正比。而飞轮的转动惯量又正比于飞轮的直径和飞轮的质量,过于庞大、沉重的飞轮在高速旋转时,会受到极大的离心力作用,往往超过飞轮材料的极限强度,很不安全。因此,用增大飞轮转动惯量的方法来增加飞轮的动能是有限的。
飞轮储能装置中有一个内置电机,它既是电动机也是发电机。在充电时,它作为电动机给飞轮加速;当放电时,它又作为发电机给外设供电,此时飞轮的转速不断下降;而当飞轮空闲运转时,整个装置则以最小损耗运行。
飞轮储能是通过电动/发电互逆式双向电机,电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换与储存,并通过调频、整流、恒压与不同类型的负载接口。典型的飞轮储能系统由飞轮本体、轴承、电动/发电机、电力转换器和真空室5个主要组件构成。在实际应用中,飞轮储能系统的结构有很多种。图1是一种飞轮与电机合为一个整体的飞轮储能系统。充电时,电动/发电机通过转换器接外电源作电动机运行,把飞轮转子快速加速到非常高的转速,于是电能转化为动能储存起来。放电时,电动/发电机作发电机运行,通过电子转换器向负载输出电能,转子转速下降,动能转化为电能。
二.飞轮储能的关键技术
飞轮电池的原理简单,主要结构和运行方法已经基本明确,但要实现起来却并不容易,要突破的关键技术有:(1)飞轮转子的设计:转子动力学,强度和密度的优化 ;(2)磁轴承和真空设计:低功耗,动力设计,高转速,长寿命;(3)功率电子电路:高效率,高可靠性,低功耗电动\发电机;(4)安全及保护特性:不可预期动量传递,防止转子爆炸可能性,安全轻型保护壳设计;(5)机械备份轴承:磁轴承失效时支撑转子。
飞轮储能方法一直未能得到广泛的应用,其原因主要有三个:
1.飞轮本身的能耗主要来自轴承摩擦和空气阻力。人们曾通过改变轴承结构,如变滑动轴承为滚动轴承、液体动压轴承、气体动压轴承等来减小轴承摩擦力,通过抽真空的办法来减小空气阻力,轴承摩擦系数已小到0.001。即使如此飞轮所储的能量在一天之内仍有25%被损失,仍不能满足高效储能的要求。
2. 常规的飞轮是由钢(或铸铁)制成的,储能有限。例如,欲使一个发电力为100万千瓦的电厂均衡发电,储能轮需用钢材150万吨!
3. 要完成电能机械能的转换,还需要一套复杂的电力电子装置。
三.飞轮储能系统的构成
飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置,突破了化学电池的局限,用物理方法实现储能。基本原理是在储能时,电能通过电力转换器变换后驱动电机运行,电机带动飞轮加速转动,飞轮以动能的形式把能量储存起来,完成电能到机械能转换的储存能量过程,能量储存在高速旋转的飞轮体中;之后,电机维持一个恒定的转速,直到接收到一个能量释放的控制信号;释能时,高速旋转的飞轮拖动电机发电,经电力转换器输出适用于负载的电流与电压,完成机械能到电能转换的释放能量过程。整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出过程。
典型的飞轮储能系统由飞轮本体、轴承、电动/发电机、电力转换器和真空室5个主要组件构成。在实际应用中,飞轮储能系统的结构有很多种。图1是一种飞轮与电机合为一个整体的飞轮储能系统。飞轮本体是飞轮储能系统中的核心部件,作用是力求提高转子的极限角速度,减轻转子重量,最大限度地增加飞轮储能系统的储能量,目前多采用碳素纤维材料制作。轴承系统的性能直接影响飞轮储能系统的可靠性、效率和寿命。目前应用的飞轮储能系统多采用磁悬浮系统,减少电机转子旋转时的摩擦,降低机械损耗,提高储能效率。飞轮储能系统的机械能与电能之间的转换是以电动/发电机及其控制为核心实现的,电动/发电机集成一个部件,在储能时,作为电动机运行,由外界电能驱动电动机,带动飞轮转子加速旋转至设定的某一转速;在释能时,电机又作为发电机运行,向外输出电能,此时飞轮转速不断下降。显然,低损耗、高效率的电动/发电机是能量高效传递的关键。电力转换装置是为了提高飞轮储能系统的灵活性和可控性,并将输出电能变换(调频、整流或恒压等)为满足负荷供电要求的电能。真空室的主要作用是提供真空环境,降低电机运行时的风阻损耗。
四.飞轮储能技术特点
飞轮储能系统由高速飞轮、轴承支撑系统、电动机、发电机、功率变换器、电子控制系统和真空泵、紧急备用轴承等附加设备组成。谷值负荷时,飞轮储能系统由工频电网提供电能,带动飞轮高速旋转,以动能的形式储存能量,完成电能到机械能的转换;出现峰值负荷时,高速旋转的飞轮作为原动机拖动电机发电, 经功率经功率变换器输出电流和电压,完成机械能到电能的转换。
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