關鍵詞:飛輪儲能;電力;復合材料;飛輪電池
引言：近年來.世界各地屢屢發(fā)生大面積停電等重人電力事故.美國、加拿人、英國、瑞典、意人利等都遭遇了地鐵癱瘓、民航、鐵路運輸中斷等事故.經濟損失達上千億美元.大面積停電和嚴重缺電能夠迅速波及整個網絡.其損失和造成的影響都是難以估量的.采取一些有效的措施把用電低谷時多余的電能儲存起來.在用電高峰時釋放出來緩解用電壓力是各國都在積極考慮的問題.現(xiàn)在己采取的儲能技術有機械儲能（飛輪、抽水、彈簧、壓縮空氣等)、熱能蓄能(顯熱、潛熱、蒸發(fā)、融解、升華等)、電磁蓄能(電容器、超導等)和化學蓄能(蓄電池、合成燃料、濃度差發(fā)電、物理化學能量等).其中發(fā)展最快、規(guī)模最大的是抽水蓄能.其次是壓縮空氣蓄能.排在第二位的就是飛輪蓄能.飛輪蓄能裝置可配置在城市和用電中心附近的變電所.用來調峰調頻.它的規(guī)模己達幾十和幾百MW級.特別是由于高溫超導磁力軸承的開發(fā)和應用.將加速飛輪儲能技術的發(fā)展.與其他形式的儲能方式相比較.飛輪儲能具有大容量、高效率、無限循環(huán)壽命、零排放、無污染和裝置對環(huán)境無要求等優(yōu)點。
一、飛輪儲能原理
飛輪儲能系統(tǒng)主要包括3個部分:(1)轉子系統(tǒng);(2)支撐轉子的軸承系統(tǒng);(3)轉換能量和功率的電動/發(fā)電機系統(tǒng).另外還有一些支持系統(tǒng)，如真空、深冷、外殼和控制系統(tǒng).基木結構如圖1所示.
1 .1、飛輪轉子
飛輪轉子是飛輪儲能系統(tǒng)的一個重要的組成部分.儲存在飛輪內的動能E用下式表示為
式中J和w分別表示飛輪的轉動慣量和轉動角速度.考慮到制造飛輪所用材料強度的限制.其轉動角速度有一個上限.超過此上限.飛輪將會因離心力而發(fā)生破壞.因此.儲能計算公式則可表示為
式中e為飛輪單位重量的儲能能。Ｋs為飛輪形狀系數ρ為材料的比重.，σ為材料的許用應力.由式(2)可以比較出不同材料制造的飛輪的儲能效率.經過研究與試驗.發(fā)現(xiàn)復合材料是制造儲能飛輪最好的材料.近年來.山于高強度碳素纖維的出現(xiàn).飛輪允許線速度可達500m/s~1000m/s,增加了單位飛輪的動能儲量。
1 .2、電動機發(fā)電系統(tǒng)
飛輪儲能裝置中有一個內置電機，它既是電動機也充當發(fā)電機.在充電時，它作為電動機給飛輪加速，當放電時，它又作為發(fā)電機給外設供電，此時飛輪的轉速不斷下降，而當飛輪空閑運轉時，整個裝置則以最小損耗運行.由于電機轉速高，運轉速度范圍大，且工作在真空之中，散熱條件差，所以電機的工作性能要求非常高.從系統(tǒng)結構和降低功耗的思想出發(fā)，現(xiàn)在常用的電機有永磁無刷電機、三相無刷直流電機、磁阻電機和感應電機.其中以永磁無刷直流/交流電機應用居多，特別是應用在轉速30 000 r/min以上的系統(tǒng)中.永磁電機結構簡單，成本低，恒功率調速范圍寬，在各種條件下都有較高的效率.口前永磁電機的轉速可以達到200 000 r/min，而且調速非常容易.美國Indig能源公司的飛輪電池采用了三相高效的永磁無刷電機，其能量轉換效率大于95%。
1.3、其他系統(tǒng)
飛輪儲能系統(tǒng)還包括真空腔、外殼和控制系統(tǒng)等.真空腔的主要功能有2點:一是提供真空環(huán)境.降低風損、提高效率;二是屏蔽事故.飛輪轉子的轉速必須非常高可達200 000 r/min才會有高的儲能密度.在空氣環(huán)境中高速運轉的飛輪轉子會造成極高風阻損耗.因此.飛輪轉子必須在真空中工作.日前真空度一般可達到0.00001Pa均數量級。高速運轉的飛輪轉子如果發(fā)生斷裂.將會有碎片飛出.那么包裹在飛輪外而的殼體是否能有效地阻止碎片穿透傷人是人們所關心的問題.所以.飛輪的外殼要求選用密度小、強度高的復合材料.電力轉換器是儲能飛輪系統(tǒng)的控制元件.它控制電機.實現(xiàn)電能與機械能的相電力轉換器在輸入電能時.可將交流電轉換成直流.驅動電動機;而在輸出電能時則將直流變成交流.并且具有調頻、穩(wěn)流、恒壓等功能.美國Beacon動力公司采用脈沖寬度調制轉換器.實現(xiàn)從直流母線到二相變頻交流的雙向能量轉換.馬德蘭也己開發(fā)出“敏捷微處理器電力轉換系統(tǒng)”，用于電力轉換器的控制。
二、儲能飛輪的應用
飛輪儲能技術在許多領域都己經有廣泛的應用.特別是在美國、日木、德國等發(fā)達國家.儲能技術發(fā)展的己比較成熟.其主要應用在以下幾個方面。
2. 1電力調峰
由于用電高峰與用電低谷時電力負荷差超過l0%以上.所以電力調峰非常重要.飛輪儲能發(fā)電系統(tǒng)具有能量的存儲和釋放非常方便的優(yōu)點.可在任意時間間隔、以任意的規(guī)模進行.它可以就近分散放置.且零排放、低噪聲.適應環(huán)境保護的要求.因此.飛輪儲能技術被認為是近期最有希一望和最有競爭力的新型調峰技術.國際上人多數研究機構均將電力調峰定為飛飛輪開發(fā)的最終目標.美國的馬德蘭己于1991年開發(fā)出了用于電力調峰的24 kW/h電磁懸浮飛輪系統(tǒng).飛輪重172. 8 kg.工作轉速范圍11 610 r/min-46 345 r/min.破壞轉速為48 784 r/min.系統(tǒng)輸出恒壓110 V/240 V.全程效率為81﹪.德國在1996年著手研究儲能5 MW /h/100 MW/h的超導磁懸浮儲能飛輪電站.電站山10只飛輪模塊組成.每只模塊重30 t,直徑3. 5 m,高6. 5 m.轉子運行轉速為2 250 r/min~4 500 r/min,最人外緣線速度600 m/s,最大拉應力810 MPa.能量輸入、輸出采用電動/發(fā)電機來實現(xiàn).系統(tǒng)效率96﹪。
2.2飛輪電池
Texas大學和Texas能源貯備局等聯(lián)合組成的Texas電動汽車計劃研究出可以存貯2 kW /h能量的功率可達100 kW~150 kW的飛輪電池，主要用于電動汽車，在軍事上用于戰(zhàn)斗車輛、電磁炮、電磁懸浮(在高機動多用途輪式車和M1坦克上己用)、電磁干涉，其運行時的損失只有1﹪ AFS公司和美國Honeywell公司的飛輪電池己經被安裝在德國的BMW汽車做實驗.ARPA也在進行電動汽車的研究和開發(fā)，包括M 113軍用人員運輸車、Bradley步兵戰(zhàn)斗車、高機動多用途輪式車、M939AI貨運卡車、電動航空器等.據報道，某些公司設計的純飛輪系統(tǒng)供電的電動汽車一次充電可行駛450 km~500 km,最高可傳輸600 kW的能量，這些飛輪夜間充電、白天工作，充電過程簡單、方便，既可在家中也可在充電站中進行，一次充電花費僅為6美圓。
飛輪安裝在化學電池或內燃機供能的機車上起緩沖器作用與系統(tǒng)協(xié)同工作.稱之為飛輪混合電池.汽車制動過程中.將制動能耗通過電動機轉化為飛輪的機械動能儲存起來.成為再生能源.當汽車需人功率工作時.飛輪再通過發(fā)動機將動能釋放以供系統(tǒng)使用.研究表明.合理設計混合飛輪電池.可節(jié)約能耗30﹪。并能減少廢氣排放量75﹪.美國的威斯康星麥迪遜人學、勞倫斯國家實驗室、麻省理工學院、德國的磁電機公司和加拿人的McMaster人學等日前都在此方面有所研究.并取得了一定的成果。
三、展望
隨著新型材料技術和電力電子技術的發(fā)展.飛輪儲能技術越來越顯示出它的優(yōu)越性.在各國也越來越受到重視人量的資金投入研究。日前己經取得了一定的成果，許多公司己有產品推向市場.儲能飛輪盡管有很多優(yōu)點.但山于技術上的問題使其成本較高.市場價格也相應提高.所以不能進一步擴大規(guī)模.如果能夠降低成木.使飛輪儲能系統(tǒng)技術進一步成熟.將會有更加廣泛的應用.首先應該降低飛輪試驗成本.山于飛輪實物強度試驗成本比較高.應該人力開展動態(tài)仿真研究.同時進行模型試驗.采用相似原理模擬實況.其次是降低飛輪生產成本.日前飛輪原材料價格并不高.費用主要用于提高其安全性能方面.由于飛輪儲存能量所需要的高速旋轉帶來極大的離心力的作用.因此對安全性能提出了高的要求.除了應該在原有基礎上降低這力方面的成本外，還應該人力發(fā)展智能化安全保險研究，預測智能化安全保險研究將是今后的一個熱點。
