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飞轮储能的优缺点ag亚游集团只为非 发布日期:2019-02-12 22:23 浏览量:

  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)、通信(UPS)、汽车工业(电动汽车)等领域有广阔的应用前景。

  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。

  飞轮储能就是在需要能量时,飞轮减速运行,将存储的能量释放出来。飞轮储能其中的单项技术国内基本都有了(但和国外差距在10年以上),难点在于根据不同的用途开发不同功能的新产品,因此飞轮储能电源是一种高技术产品但原始创新性并不足,这使得它较难获得国家的科研经费支持。

  不足之处: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。只适合于一些细分市场,比如高品质不间断电源等。

  典型的飞轮储能系统由飞轮本体、轴承、电动/发电机、电力转换器和线个主要组件构成。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。飞轮贮能系统是由高速飞轮转子磁轴承系统、电动/发电机、电力变换系统和线为飞轮储能系统模块示意图。

  

  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。

  (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。

  目前随着环境保护意识的提高以及全球能源的供需矛盾,开发节能及采用替代能源的环保型汽车,以减少对环境的污染,是当今世界汽车产业发展的一个重要趋势。汽车制造行业纷纷把目光转向电动汽车的研制。能找到储能密度大、充电时间短、价格适宜的新型电池,是电动汽车能否拥有更大的机动性并与汽油车一争高下的关键,而飞轮电池具有清洁、高效、充放电迅捷、不污染环境等特点而受到汽车行业的广泛重视。预计21世纪飞轮电池将会是电动汽车行业的研究热点。

  不间断电源由于能确保不间断供电和保证供电质量而在通讯枢纽、国防指挥中心、工业生产控制中心等地方得到广泛使用目前不问断电源由整流器、逆变器、静态开关和蓄电池组等组成。但目前蓄电池通常都存在对工作温度、工作湿度、输入电压、以及放电深度等条件要求.同时蓄电池也不允许频繁的关闭和开启。而飞轮具有大储能量、高储能密度、充电快捷、充放电次数无限等优点,因此在不间断电源系统领域有良好的应用前景。

  风力发电由于风速不稳定,给风力发电用户在使用上带来了困难。传统的做法是安装柴油发电机,但由于柴油机本身的特殊要求,在启动后30分钟内才能停止。而风力常常间断数秒,数分钟。不仅柴油机组频繁启动,影响使用寿命;而且风机重启动后柴油机同时作用,会造成电能过剩。考虑到飞轮储能的能量大。充电快捷,因此,国外不少科研机构已将储能飞轮引入风力发电系统。美国将飞轮引入风力发电系统,实现全程调峰,飞轮机组的发电功率为300KW,大容量储能飞轮的储能为277KW每小时。

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