飞轮储能技术的现状和发展前景

飞轮储能技术的现状和发展前景 飞轮储能系统(FESS)又称飞轮电池或机械电池,由于它与化学电池相比所具有的巨大优势 和未来市场的巨大潜力,引起了人们的密切关注。它结合了当今最新的磁悬浮技术、高速电机技术、电力电子技术和新材料技术,使得飞轮储存的能量有了质的飞跃,再加上真空技术的应用,使得各种损耗也非常小。 飞轮电池的发展开始于20 世纪70 年代,当时正处于石油禁运和天然气危机时期。此时,美国能量研究发展署(ERDA) 及其后的美国能源部(DoE) 资助飞轮系统的应用开发,包括电动汽车的超级飞轮的研究。Lewis 研究中心(LeRC) 在ERDA 的协助和美国航空航天局(NASA) 的资助下专门研究用于真空下的机械轴承和用于复合车辆的飞轮系统的传动系统。NASA 同时也资助Goddard 空间飞行中心(GSFC) 研究适用于飞行器动量飞轮的电磁轴承。 80 年代,DoE 削减了飞轮储能研究的资助,但NASA 继续资助GSFC 研究卫星飞轮系统的电 磁轴承,同时还资助了Langley 研究中心(LaRC) 及Marshall 空间飞行中心(MSFC) 关于组合能量储存和姿态控制的动量飞轮构形的研究。 近10 年来,一大批新型复合材料和新技术的诞生和发展,如高强度的碳素纤维复合材 料(抗拉强度高达8. 27 GPa) 、磁悬浮技术和高温超导技术、高速电机/ 发电机技术以及电力电子技术等,使得飞轮能够储存大量的能量,给飞轮的应用带来了新的活力。它可应用于国防工业(如卫星、电磁炮和电热化学枪、作战侦察车辆等) 、汽车工业(电动汽车) 、电力行业(如电力质量和电力负载调节等) 、医疗和电信业(作UPS 用) 等1NASA 的应用有航天器(宇宙飞船) 、发射装置、飞行器动力系统、不间断电源(UPS) 和宇宙漫步者。 飞轮电池是一种高科技机电一体化产品,它在国防工业、汽车工业、电力工业、电信业等领域具有广阔的应用前景。作为电池家族的成员,这种新型的电池与化学电池相比具有以下几方面突出的优点: (1)储能密度高。 转子转速大于60 000 r/ min的飞轮电池,在75 %放电深度下产生大于20 Whr/ lb的比能量(此值还不是最高的) ,而镍氢电池只有5~6 Whr/ lb 的比能量,其放电深度一般限制在30 %~ 40 %的范围内。 (2)无过充电、过放电问题。 化学电池一般不能深度放电,也不能过充电,否则其寿命会急剧下降。而飞轮电池在深度放电时,其性能完全不受影响,而且在电力电子协助下,非常容易防止过充电(实际上是限制转子的最高转速)。飞轮电池的寿命主要取决于其电力电子的寿命,故一般可达到20 年左右。 (3)容易测量放电深度,充电时间较短。 飞轮电池只要测出转子的转速,就能确切知道其放电深度,而化学电池就没有这么容易了。另外,飞轮电池的充电一般在几分钟之内即可完成,而化学电池则需要几个小时,常见的需要七八个小时。 (4)对温度不敏感。 化学电池在高温或低温时其性能会急剧下降,而飞轮电池则不然。 (5)对环境友好。 化学电池在报废后会对环境产生恶劣影响,而且回收成本较高。飞轮电池是一种绿色电池,它不会对环境产生任何影响,故它在电动汽车方面的应用极具潜力。 典型的飞轮电池一般由5 个部分组成: ①高速储能飞轮; ②集成驱动的电动机2发电机; ③磁悬浮轴承及控制系统; ④电力电子; ⑤辅件和应用接口。 飞轮储能技术的开发是昂贵的,但又是急需的。由于飞轮储存能量所需要的高转速带来极大的力的作用,任何缺乏必要的精度和工程细节的设计将会造成灾难性的后果。尽管如此,它并没有丝毫减少科研工作者们对飞轮电池研究的热情,也没有吓住投资人对它的研究的支持,其原 因就在于飞轮电池的市场空间太大了。在电力工业,它能用于电力质量和电网负载调节;在汽车工业,它能用于电动汽车和一些军事车辆的动力源,部分或完全取代内燃机;在国防工业,它既能用于卫星和航天器的动力源,又能用于电磁炮和电热化学炮的发射助力器等。 在本世纪初,这些市场每年将产生数以千计的订单,紧接着,随着这些低价格的产品不断应用,将成为大型市场,为车辆和通信铺平道路。此外,结合能量储存和姿态控制的航天市场也将具有广阔的前景。在2010 年之前,航天站上的能量储存装置将会被双重用途的飞轮电池所代替,而且飞轮电池将成为复合动力车辆的最普遍的动力装备。飞轮电池在电力质量市场同样会产生巨大的应用潜力,可以预见,未来的城市电网中分布式飞轮动力系统将会起到越来越大的作用。