光伏技术：太阳能飞轮储能方案

飞轮储能系统也是一种具有广阔应用前景的机械储能系统，具有储能密度高、适应性强、应用范围广、效率高、长寿命、无污染和维修花费低等优点。这种利用高速旋转的飞轮来存储能量的想法早在20世纪50年代就有人提出来了，并且设想将其应用在电动汽车上，但由于当时技术条件的限制，一直未取得突破性的进展。直到90年代，由于在三个方面取得的突破性进展，给飞轮储能技术的实现带来了新的希望。一是超导磁悬浮技术的飞速发展，配合真空技术，把电机的摩擦损耗和风损耗降到了最低限度；二是高强度的碳素纤维合成材料的出现，允许线速度可达500～ 1 000m／s，大大增加了质量中的动能储量；三是电力电子技术的新进展，给飞轮储存的动能与电能之间的交换提供了灵活的桥梁［20，21］。至此，飞轮储能技术迈出了由实验室研究向实际应用转变的关键一步，并向产业化、市场化的方向发展。目前，飞轮储能系统已被应用于航空航天、UPS电源、交通运输、风力发电、核工业等领域。随着复合材料技术、磁支撑技术、动发一体机技术和多学科优化设计技术的不断进步，对飞轮储能技术的关注也越来越多，相关的新技术也不断出现。

1）飞轮储能系统的工作原理

飞轮储能系统的工作原理如图16．8所示。将能量从外界输入后，电动机将在电力电子输入设备的驱动下带动飞轮高速旋转，这一过程相当于给飞轮储能系统充电，当飞轮转子达到一定工作转速时，电力电子输入设备停止驱动电动机，系统完成充电；当外界需要能量输出时，高速旋转的飞轮转子降低转速，通过发电机的发电功能将动能转化成电能释放，通过给负载提供能量，完成系统的放电过程。

图16．8　飞轮储能装置的工作原理图

2）飞轮储能系统的结构组成

飞轮储能装置一般由以下部件组成，即飞轮、轴承、电机、真空容器和电力电子装置，如图16．9所示。下面我们将对飞轮储能系统的每一部分进行具体的介绍。

图16．9　飞轮储能装置结构示意图

（1）飞轮转子［25］。

由飞轮储能装置的基本原理可以看出，飞轮是飞轮储能装置中的核心部件。飞轮所受应力制约了飞轮的转速的提高，为了增加飞轮的转速，研究人员主要从三个方面着手：①研制高强度合成材料，像现在已经使用的碳纤维钢、玻璃纤维钢、合成树脂以及一些合金钢；②根据飞轮所受的切向应力大于径向应力的特点，在制造时使用各向异性材料使飞轮沿着切向能承受更大的应力；③设计不同的飞轮结构，使飞轮的转动惯量和切向应力得到最优组合，如比较新颖的多层材料结构和辐轮结构。

（2）轴承支承系统。

飞轮储能的最大特点便是在一段相当长待机时间里，飞轮需要一直保持高速运转以维持其动能以满足负载随时可能需要的能量需求。因此，消除轴承的摩擦损耗便成为实现飞轮高速旋转的关键所在。自从飞轮储能的概念诞生以来，轴承支撑系统的发展一直是推动飞轮储能系统实用化的重要力量。纵观其发展历程，轴承支撑系统主要经历了传统机械轴承，磁悬浮轴承，高温超导轴承，稀土永磁轴承以及永磁与电磁混合轴承的过程，各种轴承的优缺点如表16－2所示。

表16－2　各种类型的轴承优缺点比较［26］

由表16－2可以看出，各种轴承都有自己的优缺点，实际使用时应根据不同的需要选择合适的轴承类型。同时，各种方法也被用来配合轴承系统以提高整个飞轮系统的应用性能。如Han等人［27］报道了一个35Kh的超导飞轮储能系统，采用的是高温超导轴承和主动磁铁阻尼器，阻尼器便是用来维持整个飞轮系统的稳定性的，其内部结构如图16．10所示。目前主要还是采用磁轴承作为低能耗的支撑方式［28，29］，但同时为了避免磁轴承失效对转子系统造成的损伤，多选用机械辅助轴承配合磁轴承的支撑方案［30］。而将永磁轴承和电磁轴承结合起来，构成一种具有结构简单、能耗低、寿命长等优点混合控制的磁轴承也是未来的发展趋势之一。

（3）电机［31］。

图16．10　飞轮储能装置的内部结构

位于飞轮储能装置内部，它既是电动机同时也充当发电机。在充电时，它作为电动机给飞轮加速，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。由于电机转速高，运转速度范围大，且工作在真空之中，散热条件差，所以电机的工作性能要求非常高。从系统结构和降低功耗出发，常用的电机有永磁无刷电机、三相无刷直流电机、磁阻电机和感应电机。其中以永磁无刷直流／交流电机应用居多，特别是应用在转速30 000r／min以上的系统中。永磁电机结构简单，成本低，恒功率调速范围宽，在各种条件下都有较高的效率。目前永磁电机的转速可以达到200 000r／min，而且调速非常容易。

（4）电力电子装置［32］。

电力电子装置是储能飞轮系统中能量转换控制的关键部件，它起到调频、恒压、整流等功能。电力电子装置的应用提高了飞轮系统的灵活性和可控性。在充电过程中，电力电子装置采用恒转矩控制和恒功率控制两种变频控制方式，将交流电转换成直流电，驱动电机使飞轮加速旋转。当飞轮达到最高转速时，电力转换装置提供低压以便维持飞轮转速，降低转子系统的自身能量损耗。(www.xing528.com)

（5）真空容器。

真空容器是飞轮储能装置中的辅助系统。将高速旋转的飞轮转子置于真空状态下，可以明显减少飞轮转子系统的风阻损耗，同时还可以有效屏蔽高速运转的转子意外断裂而伤人的意外事故。但Acamley等［33］的研究结果表明：真空度过高会降低储能系统内部的散热能力，导致飞轮转子的温度升高。相比于高真空度的状态，氦气环境下更有利于减小风损。

除前面所述的主要组成部分外，飞轮储能系统内部还必须拥有健康监测系统，用以监测转子速度、转子振动和电机温度等相关参数。

3）飞轮储能系统的工程应用

（1）智能电网的应用。

基于飞轮储能系统特殊的原理，它可以从电网中快速吸收和释放电力，因此，飞轮储能系统与电力系统相结合可以解决电网稳定性和电能质量问题，提供可靠的电力运行系统。美国Beacon Power公司已经在马萨诸塞州建成了1MW的调频电厂，且美国能源部又支持Beacon Power公司建设两个20MW的飞轮储能电站。图16．11为Beacon Power公司建设的储能电厂。该公司已经同爱尔兰的风电开发Gaelectric集团的子公司签订了一项多MW级的针对频率调节、频率响应和短期旋转备用的飞轮储能系统的开发和合作协议［34］。另外，NRStor与TemporalPower近日共同宣布，它们将和OPG共同为IESO提供2MW的调节服务，为电网平衡提供快速响应资源。NRStor使用TemporalPower公司的飞轮储能产品，是加拿大安大略省具有里程碑意义的项目［35］。这些公司之间的合作项目预示了飞轮储能系统在智能电网中的应用得到了足够的重视，随着飞轮储能技术的进一步完善，相信它还可以被用于负荷中心的削峰填谷，提高电网的运行经济性［36］。

图16．11　Beacon　Power建立的飞轮储能电场［32］

（2）交通运输的应用。

飞轮储能系统最早便是被应用在交通运输领域，据理论计算，飞轮电池的比能量可达150Wh／kg，比功率达5 000～10 000W／kg，使用寿命长达25年，可供电动汽车行驶500万km。自20世纪80年代，瑞士的Oerlikon工程公司便研制成功了完全由飞轮供能的第一辆公共汽车。该车可载乘客70人，行程大约0．8km，在每一靠站停车时，飞轮系统需要充电2min［37］。1992年，美国西雅图市美洲飞轮系统公司获得了飞轮电池的专利，1995年完成样机，由哈尼韦儿公司生产，用于豪华型AFS20电动汽车。通用汽车公司生产的“GM冲击3”型电动汽车显示出优异的性能，每充电一次可行驶560km。时速从0增至96．6km／h只需6s，飞轮电池的使用寿命为25年，一次充电只需15min。911GT3是保时捷于2012年推出的第一辆混合动力赛车，该赛车使用了飞轮技术，标志着飞轮技术在混合动力系统中实现了在不牺牲速度和敏捷性的前提下，让汽车更有效率，这是混合动力汽车领域一个令人振奋的进步。

（3）UPS电源的应用。

UPS不间断电源是一种利用市电或蓄电池能源向负载提供高质量交流电源的设备。飞轮储能装置完全可以取代UPS中的化学蓄电池，特别是用在通信行业的UPS，由于很多工作在户外，工作环境差，一般的化学蓄电池不能适应，而飞轮储能装置对环境无要求，工作适应能力较强，特别是飞轮储能系统的快速充放电性能使其具有强大的瞬间断电保护能力。美国的Active Power公司便是以生产作为不间断电源（UPS）的飞轮电池系统而出名。该公司飞轮转子与电动／发电机、磁轴承整合在一起，用磁铁卸去80%的重量以延长飞轮轴承的寿命和减小损耗，飞轮的工作转速在7 000r／min～7 700r／min，工作维持时间为几十秒到几分钟。最近该公司宣布，其公司生产的UPS储能飞轮系统已经帮助客户节省了两亿多度电能，代替了190多万节的铅酸蓄电池，减少了超过80万t CO2的排放［38］。图16．12为Active Power生产的UPS飞轮储能系统。美国的Vista公司将飞轮引入到风力发电系统，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277kWh。试验表明，风力发电系统电能输出性能及经济性能良好，较未采用飞轮储能有很大改善。加拿大CANMET能源研究中心开发用于UPS的飞轮电池，功率1 500W，能量1 100Wh，重量65kg，转速15 000r／min～45 000r／min。

图16．12　Active　Power生产的UPS飞轮储能系统

图16．13　NASA研制的飞轮储能系统［31］

（4）新能源电力的储存。

由于在国际空间站中，能量来源主要是太阳能，因此当月食出现时，便会出现能量供应不足，此时具有能够快速充放电特性的飞轮电池便显示出了很大的优势［39］。与化学电池相比，飞轮储能系统在能量存储密度、存储效率、使用寿命以及航天器的小型化、轻量化等方面均具有明显的优势。在20世纪90年代末，飞轮储能系统在地球轨道卫星储能与姿态控制等方面的应用也得到了飞速发展。图16．13为美国NASA研制的飞轮储能系统。

飞轮储能技术在风力发电系统以及大功率脉冲电源中也有重要的应用。例如，澳大利亚电力公司将飞轮和低载荷柴油机（LLD）技术应用于风力发电系统，安装在澳大利亚Coral Bay的风力发电机与一台飞轮储能设备和一些低载荷柴油机组结合，使城镇电网中风力发电部分超过60%［40］。美国Beacon Power公司的20MW飞轮储能系统已在纽约州史蒂芬镇开建，用来配合当地风场，建成后可以满足纽约州10%的储能需要［41］。另外，飞轮储能系统快速释放大电流的功能特性，使其完全可以作为大功率供电系统应用在这一领域。

此外，飞轮储能在军事上也有过成功的应用，如美国的电磁炮就曾采用飞轮储能系统结合补偿脉冲发电机来提高装置的功率密度和能量密度。飞轮储能系统还被应用在舰载机的电磁弹射、防空导弹的电磁弹射等设备中。可以相信飞轮储能系统作为一种新型的能源存储与转换系统，将会在更多的应用领域展现它的多种优异性能。