超导储能：理想的储能装置

目前航天器上的储能方式众多，就储能机理而言，大致可分为三种：①电化学储能，如铅酸电池、铷镉电池、镍氢、锂电池等化学电池，化学电池技术成熟，应用十分广泛；②电磁储能，常见的有超大电容储能、超导电磁储能等；③飞轮储能。

1.电化学储能

化学储能主要是指各种通过化学反应的方法来储存、释放电能的能源，主要有各种化学蓄电池。化学蓄电池储存的电能容量有限，主要用于太阳能电池在产电高峰期时储能以应对地影期的设备电力供应。

在航天活动中最为常见的一次化学电池是银锌电池、锂原电池及Li/SOCl2电池等，这类电池无法重复充电，目前只在返回式卫星、火箭等少数短时航天飞行器及一些航天飞行器的备用电源中还有应用。Li/SOCl2 电池的优点是可在-55～85 ℃的温度范围内正常工作，短时大电流放电可达几百安培，单位质量能量密度已经达到0.4～0.6 kWh/kg，单位体积能量密度则为800 kWh/m3，但在高电流放电时存在散热问题并导致安全性问题，限制了这种电池的发展［1，6］。

航天活动中已经实际应用的蓄电池组主要包括银锌、银镉、镍镉、镍氢、锂离子蓄电池组等类型。表8-1 所示为几种主要航天蓄电池组的基本性能。

表8-1　几种主要航天蓄电池组的基本性能

银锌蓄电池性能稳定，1957 年苏联发射的世界第一颗人造地球卫星Sputnik-1 采用的就是银锌蓄电池组。银锌蓄电池在干燥环境中可以保存5 年以上，但在湿态条件下自放电现象严重，只能保存1～2 个月，且循环充放电次数较少。由于缺点明显，目前银锌蓄电池组在航天活动中的应用已经很少见，多应用于载人航天的应急备用电源上［1］。

镍镉蓄电池在航天中的应用最早可以追溯到1959 年美国发射的Explorer-6卫星上。其具有很长的使用寿命和循环寿命，是目前技术最为成熟的航天应用化学电源，在航天应用中已经实现了标准化，外形为矩形结构，尺寸为12.3 in×7.3 in×7.7 in （1 in=0.025 4 m），在静止轨道卫星和中低轨道卫星的储能电源上有很广泛的应用，我国发射的“神舟号”载人航天飞船采用的电源储能系统就包括镍镉蓄电池组。镍镉蓄电池具有充电和放电记忆性，过放电会较大地影响电池的使用循环寿命。近年来镍镉蓄电池充放电记忆性已经较好地得到改善，但随着镍氢蓄电池的应用日益成熟，其在许多场合逐渐被替代已不可避免。镍氢蓄电池是在镍镉蓄电池的基础上发展而来的，于1977 年第一次出现在美国海军技术卫星2 号上，正极与镍镉蓄电池相同，负极则用燃料电池的氢电极代替镉电极使得电池的质量降低，单位质量能量密度增高，但电池负极是气体电极，体积较大，单位体积能量密度相对较低。镍氢蓄电池的充放电记忆性远弱于镍镉蓄电池，且在过放电和过充电时对电池的性能影响相对较小，但自放电速度较高，且氢气具有一定的安全隐患。目前的高空卫星上的储能电源系统应用镍氢蓄电池已经很普遍，在低轨道飞行器如国际空间站和哈勃太空望远镜上已经开始使用镍氢蓄电池组代替镍镉蓄电池来做储能电源［4］。

锂离子蓄电池在航天储能系统中的最早应用是应用于2000 年英国发射的STRV-1d 小型卫星，应用还处于早期，通过对比可以发现锂离子蓄电池组的单位质量和单位体积能量密度都显著地高于其他化学电池，且温度适用范围也较宽，具有很好的发展潜力。锂离子电池的循环使用寿命较低，在未来的航天应用中充当过渡电源的可能性较高［4，6］。

银锌蓄电池是航天活动起始阶段所使用的人造卫星主电源，随后发展的镍镉和镍氢及其他蓄电池组均作为储能电源使用，镍镉蓄电池是应用最多的航天蓄电池组，镍氢蓄电池优良的功率特性使得其在航天上的应用迅速增加，和镍镉蓄电池构成目前储能电池的主体部分，此外还有锂硫、钠硫蓄电池等许多处于试验阶段的蓄电池类型。

2.电磁储能

1）超导储能

在磁场中放置一个超导体圆环，周围温度被降至圆环材料的临界温度以下，然后该磁场被撤去，圆环中便由于电磁感应而产生感生电流。只要温度一直处于临界温度以下，该感生电流就会一直持续下去。试验数据表明，这种电流的衰减时间超过10 万年。显然这是一种理想的储能装置，称为超导储能。

从上述可知，超导储能装置是一种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的先进储能方式。超导储能的优点是能量损耗非常小，因为在超导状态下线圈不具有电阻，而且它的主要存储性能也很好，几乎不会对环境造成污染。其缺点是实现超导的温度非常低，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。在空间环境下，实现超导的低温装置也占用较大的体积质量，限制了其在航天中的应用。但是，超导储能仍然是许多科研工作者的研究方向。

2）超级电容

超级电容器是近年来发展的新型储能器件，它与常规电容器不同，其容量可达到数千法拉，而且能在电极端电压超过额定电压的过充电状态下不被击穿。它的功率密度介于常规电容器和充电电池之间，具有内阻小，充放电效率高（90%～95%）、循环寿命长（几万至十万次）、无污染等优点，所以它在脉冲电源方面具有很好的应用前景。这个方面相关的研究文献尚少，但受到研究者们的重点关注，将可能成为技术和应用领域的一个新方向和热点。韩国Ness Cap 公司研制出了5 000 F 的超级电容，其容积大概只占半公升多一点。目前已经有研究人员把超级电容用于脉冲功率领域[8]。(www.xing528.com)

超级电容与普通化学电容、蓄电池的功率密度/能量密度对比如图8-2 所示。相比电化学电容和蓄电池，超级电容具有非常高的功率密度。

图8-2　超级电容器与化学电容、蓄电池对比

按照介质类型和工作原理的差异，电容器一般可分为三类：静电式电容器、电解式电容器和电化学电容器。电容器储能密度每一次大的提高均伴随着新材料或者新工艺的应用：储能脉冲电容器结构的变化（从纸/铝箔结构、纸膜结构发展到金属化电极结构），浸渍剂的改变，电极材料的变化，介质材料的更新等。美国的Aerovox Inc.和Maxwell Energy Products Inc.在这方面处于领先地位。目前国内脉冲功率电源中所用电容器的储能密度一般为100～200 J/L，少数达到500 J/L，国际上所用脉冲电容器的储能密度水平一般在500～1 000 J/L。利用TPL Inc.新的电介质膜，在一般的工艺流程下即可把电容器的功率密度提高到3 500～4 000 J/L。General Atomics Energy Products 公司已经把脉冲电容器的储能密度提高到5 000 J/L 以上[7]。

虽然超级电容具有功率密度大、充放电效率高等优点，但它也存在不少的缺点，主要有能量密度低、端电压波动范围比较大、电容的串联均压问题。

3.飞轮储能

飞轮储能是一种利用高速旋转的飞轮存储能量的技术，具有储能密度高、使用寿命长、工作温度范围宽、效率高、储能状况容易测量、无污染等优点，日益受到人们的关注。近年来，在不间断电源（UPS）、电动汽车、卫星和航天器、电热化学炮及电磁炮、电力质量和电网负载调节等方面都有所应用，被认为是近期最有希望和最有竞争力的储能技术，有着非常广阔的应用前景，极大地引起了国际能源界与工程界的关注［9］。表8-2 对比了飞轮储能、化学储能和超级电容储能的性能指标。飞轮储能的装置称为飞轮电池，是一种机电能量转换与储存装置，它分为充电和放电两个阶段。充电阶段，又称储能阶段，这一阶段的主要功能是通过电动机拖动飞轮，使飞轮加速到一定的转速，将电能转化为动能；放电阶段，又称能量释放阶段，在这一阶段中，电动机作为发电机运行，由飞轮带动进行发电，将动能转化为电能。

表8-2　飞轮储能、化学储能和超级电容储能对比

飞轮储能技术必须借助于磁悬浮技术、电机技术、电力电子技术、传感技术、控制技术和新型材料（复合材料和高矫顽力永磁材料）技术，并将这些技术有机地结合起来才能真正研制出具有实用价值的飞轮储能系统［10］。

飞轮储能系统中最重要的环节即为飞轮转子，整个系统得以实现能量的转化就是依靠飞轮的旋转。

飞轮旋转时的动能E 表示为

式中：J 为飞轮转动惯量；ω 为飞轮角速度。由此可见，为提高飞轮的储能量有两个途径：①增加飞轮转子转动惯量；②提高飞轮转速。

在这项技术中，需解决四方面的问题：①转子的材料选择；②转子的结构设计；③转子的制作工艺；④转子的装配工艺。

飞轮储能系统的应用十分广泛，目前主要作为峰值动力和用于储能。作为峰值动力用的有电力系统峰值负载的调节、分布式发电系统中电网电力的波动调节、混合动力车辆负载的调节以及运载火箭和电磁炮等的瞬时大功率动力供应源等；作为储能装置平时储存能量，需要时释放能量，如卫星和空间站的电源、各种重要设备（如计算机、通信系统等）的不间断电源（UPS）等［9］。

美国自20 世纪80 年代就开始了飞轮储能系统在航天领域应用的可行性研究。研究结果表明飞轮储能系统不仅能取代蓄电池作为航天器的储能装置，还可以利用储能飞轮的动量矩对航天器的姿态进行有效控制，这样就可以省去航天器用于姿态控制的反作用轮或控制力矩陀螺，大大减轻了航天器的重量，进一步提高了飞轮电池的储能密度。有研究表明，飞轮储能系统取代镍氢蓄电池和控制力矩陀螺时，航天器重量将减少50%～70%。飞轮电池独特的兼有储能和姿态控制的双重功能，对于提高宇宙飞船、空间站、人造卫星、运载火箭等诸多航天器的性能有显著意义［10］。