飞轮储能简介
飞轮储能思想早在一百年前就有人提出,但是由于当时技术条件的制约,在很长时间内都没有突破。直到20世纪60~70年代,才由美国宇航局(NASA)Glenn研究中心开始把飞轮作为蓄能电池应用在卫星上。到了90年代后,由于在以下3个方面取得了突破,给飞轮储能技术带来了更大的发展空间。
(1) 高强度碳素纤维复合材料(抗拉强度高达8.27GPa)的出现,大大增加了单位质量中的动能储量。
(2) 磁悬浮技术和高温超导技术的研究进展迅速,利用磁悬浮和真空技术,使飞轮转子的摩擦损耗和风损耗都降到了最低限度。
(3) 电力电子技术的新进展,如电动/发电机及电力转换技术的突破,为飞轮储存的动能与电能之间的交换提供了先进的手段。储能飞轮是种高科技机电一体化产品,它在航空航天(卫星储能电池,综合动力和姿态控制)、军事(大功率电磁炮)、电力(电力调峰)、通(UPS)、汽车工业(电动汽车)等领域有广阔的应用前景。
飞轮储能工作原理
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。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。
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。
飞轮储能组成结构
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。
飞轮储能系统主要包括转子系统、轴承系统和转换能量系统三个部分构成。另外还有一些支持系统, 如真空、深冷、外壳和控制系统。
1、转子系统
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直径的2次方和飞轮的质量(J=(0.5~1)*M*R^2,飞轮质量分布均匀时取0.5,质量完全集中在边缘时取1)。当过于庞大、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。
2、轴承系统
支撑转子的轴承,支撑转子运动,降低摩擦阻力,使整个装置则以最小损耗运行。3、转换能量系统
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 =1/2Jω/2,式中: J为飞轮的转动惯量,ω为飞轮旋转的角速度.
飞轮储能的技术优势是技术成熟度高、充放电次数无限以及无污染等特性。飞轮储能的能量密度不够高、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。适用于电网调频和电能质量保障。
飞轮储能应用
1、免蓄电池磁悬浮飞轮储能UPS
(1)在市电输入正常,或者在市电输入偏低或偏高(一定范围内)的情况下,UPS通过其内部的有源动态滤波器对市电进行稳压和滤波,保证向负载设备提供高品质的电力保障,同时对飞轮储能装置进行充电,UPS利用内置的飞轮储能装置储存能量。(2)在市电输入质量无法满足UPS正常运行要求,或者在市电输入中断的情况下,UPS将储存在飞轮储能装置里的机械能转化为电能,继续向负载设备提供高品质并且不间断的电力保障。
(3)在UPS内部出现问题影响工作的情况下,UPS通过其内部的静态开关切换到旁路模式,由市电直接向负载设备提供不问断的电力保障。
(4)在市电输入恢复供电,或者在市电输入质量恢复到满足UPS正常运行要求的情况下,则立即切换到市电通过UPS供电的模式,继续向负载设备提供高品质并且不间断的电力保障,并且继续对飞轮储能装置进行充电。