飞轮储能装置的性能特点及其应用展望

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

    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、燃料电池技术等一样，都是近年来出现的有很大发展前景的储能技术。虽然目前化学电池储能技术已经发展得非常成熟，但是，化学电池储能技术存在着诸如充放电次数的限制、对环境的污染严重以及对工作温度要求高等问题。这样就使新兴的储能技术越来越受到人们的重视。尤其是飞轮储能技术，已经开始越来越广泛地应用于国内外的许多行业中。

2  飞轮储能装置简介

    飞轮储能装置主要包括3个核心部分：飞轮、电机和电力电子装置。它最基本的工作原理就是，将外界输入的电能通过电动机转化为飞轮转动的动能储存起来，当外界需要电能的时候，又通过发电机将飞轮的动能转化为电能，输出到外部负载，要求空闲运转时候损耗非常小。它的原理图如图1所示。

图1   飞 轮 储 能 装 置 原 理 图

    事实上，为了减少空闲运转时的损耗，提高飞轮的转速和飞轮储能装置的效率，飞轮储能装置轴承的设计一般都使用非接触式的磁悬浮轴承技术，而且将电机和飞轮都密封在一个真空容器内?减少风阻。通常发电机和电动机使用一台电机来实现，通过轴承直接和飞轮连接在一起。这样，在实际常用的飞轮储能装置中，主要包括以下部件：飞轮、轴、轴承、电机、真空容器和电力电子装置，飞轮储能装置结构的示意图如图2所示。

图2   飞 轮 储 能 装 置 结 构 示 意 图

    当外设通过电力电子装置给电机供电时，电机就作为电动机使用，它的作用是给飞轮加速，储存能量；当负载需要电能时，飞轮给电机施加转矩，电机又作为发电机使用，通过电力电子装置给外设供电；当飞轮空闲运转时，整个装置就可以以最小损耗运行。这样利用电机的四象限运行原理，使发电机和电动机共用一台电机的方法，不但可以提高效率，还可以减少整个储能装置的尺寸，使储能密度大大提高。

    在整个飞轮储能装置中，飞轮无疑是其中的核心部件，它直接决定了整个装置的储能多少，它储存的能量E由式（1）决定。

      E=jω2    (1)

式中：j为飞轮的转动惯量，与飞轮的形状和重量有关；

         ω为飞轮转动的角速度。

    电力电子装置通常是由FET或IGBT组成的双向逆变器，它们决定了飞轮储能装置能量输入输出量的大小，而与储能装置外接负载的性质无关。

3  飞轮储能装置与其它储能装置性能比较

    电能的储存一般都采用化学蓄电池，无疑化学电池是技术最为完善也是目前产量最大的储能装置，它是通过将电能转换为化学能实现电能储存的，然而伴随而来的环境污染和腐蚀问题就难以避免，而且受到储能方式本身特性的限制，一些主要性能总是难以提高，虽然它价格低廉，但是由于现在对环保和电池性能特点要求的不断提高，在许多领域中，人们已经不能接受化学电池的弊端，而逐渐将目光放在更加先进的储能方式上了。

    超导储能装置是一种科技含量较高的先进的储能方式，它把能量储存于超导线圈的磁场中，通过电磁相互转换实现储能装置的充电和放电。由于在超导状态下线圈没有电阻，因此超导储能的能量损耗非常小，它的主要存储性能也很不错，对环境几乎不会造成污染，但是，超导的实现是通过把线圈的温度降低到它要求的温度以下来完成的，这个温度非常低，因此，持续维持线圈处于超导状态所需要的低温而花费的维护费用就十分昂贵，维持低温的费用过高就成为了人们在选择长期能量储备方式时不得不考虑的因素，这样便限制了超导储能应用的普及。但是，超导储能仍然是许多科研工作者们的研究方向。

    被誉为改变未来世界的十大科技之首的燃料电池，是一种将燃料的化学能转化为电能的装置，它由燃料、氧化剂、电极、电解液等组成。燃料一般采用氢，而电极只用作化学反应的场所并不参与化学反应，所以这种装置质量轻、无污染、不用充电、工作可靠、寿命长。然而它是通过不断补充燃料来维持能量供应的，所以它需要不断进行维护，这也就决定了其应用范围必然不会很广，不过它在汽车和电力工业中却倍受青睐。

    现在飞轮储能的技术已经比较成熟，而且正在不断飞速发展，由于它具有良好的性能和相对比较理想的性能价格比，而越来越多地应用于各种场合，已经成为近几年储能设备应用研究的主要对象，而且必将逐步占领更大的储能设备市场。

    以上这些储能装置是目前人们最看好的或者是最常用的储能设备，当然，另外还有很多其它的新型储能设备，如核电池、超大容量电池等都受到了科学家们的关注，并且正在不断地进行技术研究和产品开发。

    这些储能技术各有特色，分别适用于不同的应用场所，尤其是前4种储能设备更是现在研究的重点课题，它们在各自的应用领域中保持着一定的市场，除非科技发展到某天出现一种的新技术打破它们之间的平衡。

    表1列出了这4种有巨大发展潜力和有着庞大市场的储能设备的一些主要性能指标。

表1  储 能 装 置 性 能 比 较

4  飞轮储能装置的技术优势及目前的应用情况和展望

    飞轮储能装置的储能密度很大，由于使用的材料越来越先进，现在卫星上使用的飞轮储能装置甚至小到可以装进卫星壁中，而且飞轮储能装置运行的时候损耗很小，基本上不用维护，这就使得飞轮技术目前不断应用于卫星装置和太空空间站的太阳能储能电池中作为它们的能量供应中心来使用，同时飞轮还可以用于卫星的姿态控制中。

    随着人们环保意识的增强，在汽车行业中，正在寻找一种无污染或污染小的能量供给方式。飞轮技术由于是电能和机械能的相互转化，不会造成污染，而逐渐走进汽车制造商们的视野。美国飞轮系统公司（AFS）就生产出了以克莱斯勒LHS轿车为原形的飞轮电池轿车AFS20。飞轮电池的充电放电次数很多而且充电速度很快，所以更适合应用于混合能量汽车技术中。这种汽车是靠内燃机和电机两种方式共同提供推动力的，在汽车正常行驶和制动的时候给飞轮电池充电，汽车爬坡和加速，需要功率大的时候让飞轮电池放电，这样可以大幅度提高汽车的性能。在铁路系统中也注意到了飞轮储能技术的这一特点，而对相关方面的应用已开始进行了研究和尝试。

    目前，美国已经开始在军用设备上尝试使用飞轮装置，尤其是大型混能牵引机车上。由于飞轮的快速充放电和独立而且稳定的能量输出，当设备需要能量突然增加或者在能量转换时需要平稳过渡的时候，经常考虑到使用飞轮技术。

    随着材料学和磁悬浮轴承技术的不断发展，飞轮储能装置的储能密度越来越大，效率和寿命也在不断提高。在放电的时候，是机械能和电能的相互转化，所以飞轮的寿命和放电的深度没有关系，这样飞轮可以应用的放电深度范围非常宽，特别适用于放电深度不规则的场合。在飞轮储能装置中，决定输入输出能量的是外接的电力电子装置，而与外部的负载没有关系，还可以很方便地通过控制飞轮的旋转速度来控制飞轮的充电，这种特点在化学电池中实现起来要困难得多。再加上飞轮储能系统的充电速度可以非常快，所有这些特点使得飞轮储能技术的应用范围越来越广泛。

    近年来，在许多外接负载为脉冲式负载的应用场所中，飞轮技术的应用研究正在逐渐增加，而且逐渐成熟。在混合能量供应系统中，使用飞轮储能技术可以使能量转换得到平稳过渡，而且使动力系统的设计上不用按照最大功率进行设计，研究人员在飞轮技术上的关注也在逐渐增加，相信不久的将来，飞轮储能技术在这些领域的应用一定会更加广泛。

5  结语

    作为一门新兴的高科技储能技术，飞轮储能装置拥有传统化学电池无可比拟的优势已经被人们所认同，它的理论论证已经比较成熟，而且它的技术特点非常符合未来能源储存技术的发展方向。目前，飞轮技术已经不断地应用于航天航空设备和其它的一些领域中，而且人们也正在不断地开发飞轮储能装置更多的应用领域，飞轮储能装置的应用正在向我们的日常生活走来，可以预测，未来几年的储能装置市场将会有很大一部分为飞轮储能装置所占领。

参考文献

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