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    飛輪儲能

    飛輪儲能

    大多數飛輪儲能系統是由一個圓柱形旋轉質量塊和通過磁懸浮軸承支撐的機構組成,飛輪系統運行于真空度較高的環境中,飛輪與電動機或發電機相連,其特點是沒有摩擦損耗、風阻小、壽命長、對環境沒有影響,幾乎不需要維護。谷值負荷時,飛輪儲能系統由工頻電網提供電能,帶動飛輪高速旋轉,以動能的形式儲存能量;峰值負荷時,高速旋轉的飛輪作為原動機拖動電動機發電,經功率變換器輸出電流和電壓,完成機械能-電能轉換。飛輪具有優秀的循環使用以及負荷跟蹤性能,它主要用于不間斷電源/應急電源、電網調峰和頻率控制。機械式飛輪系統已成系列產品。

    飛輪能量儲存(英語:Flywheel energy storage,縮寫:FES)系統是一種能量儲存方式,它通過加速轉子(飛輪)至極高速度的方式,用以將能量以旋轉動能的形式儲存于系統中。當釋放能量時,根據能量守恒原理,飛輪的旋轉速度會降低;而向系統中貯存能量時,飛輪的旋轉速度則會相應地升高。

    大多數FES系統使用電流來控制飛輪速度,同時直接使用機械能的設備也正在研發當中。

    高能的FES系統所使用的轉子是由高強度碳纖維制成的,并通過磁懸浮軸承實現懸浮,在真空罩內轉子的轉速可達到20,000到50,000 rpm。這類飛輪可以在幾分鐘內達到所需的速度——遠遠快于其他形式的能量存儲。

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    物理特性


    能量密度

    飛輪轉子的最大能量密度主要依賴于兩個因素,第一個是轉子的幾何形狀,而第二個是所使用的材料的屬性。對于單一材料,各向同性轉子這種關系可表示為,

    其中的變量的定義如下:

    ?– 轉子的動能[J]

    ?– 轉子的質量[kg]

    ?– 轉子的幾何形狀系數[無量綱]

    ?– 材料的拉伸強度[Pa]

    ?– 材料的密度[kg/m^3]

    幾何(形狀因子)材料飛輪

    陀螺效應

    萬向環

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    應用


    交通

    公路軌道交通電氣化軌道

    娛樂

    在環球冒險島的綠巨人過山車中,設有快速加速上坡啟動,而不是典型的重力下降。 這是通過強大的牽引電機將賽車投入賽道實現的。 要實現加快全過山車列車全速上坡需要短暫的非常高的電流,園區利用多種電動發電機組大飛輪。 如果沒有這些儲能單元,園區將不得不投資新的變電站,否則每次搭乘時都有可能使當地電網發生故障。

    脈沖電源

    由于FES可以快速充放電,他們適用于補償脈沖發電機

    飛輪儲能優缺點

    陀螺我們小時候都玩過,只要給予它一些啟動的能量,就能在一個平面上轉動很久。其實早在上世紀五十年代,瑞士的工程師就利用類似的原理,制造了一個電能驅動的大陀螺并用于儲存能量。這種飛輪儲能技術在過去的幾十年間有了長足的發展,并且一直具有很強大的生命力。

    簡單來說,飛輪儲能是利用高速旋轉的飛輪將電能以動能形式儲存起來,在需要時飛輪反向帶動電機并輸出電能的能量儲存裝置。典型的飛輪儲能系統的基本結構如下圖所示, 主要由五部分組成:飛輪轉子、支撐軸承、高速電機、雙向變流器、真空室。

    飛輪儲能裝置軸承的設計一般都使用非接觸式的磁懸浮軸承技術,主要為了減少空閑運轉時的損耗,提高飛輪的轉速以及飛輪儲能裝置的效率。同時電機和飛輪都被密封在一個真空容器內以降低運行時的空氣阻力。為了降低成本,也為了讓系統更加一體化,發電機和電動機通常公用一臺,通過軸承直接和飛輪連接在一起。由于飛輪的能量和轉速有關,充放過程中也伴隨著變速,所以飛輪和電網之間還必須通過變流器來連接。

    飛輪儲能的優點


    和目前討論較多的化學能電池不同,飛輪儲能是用物理方法儲存電能,其大類下還有抽水蓄能和壓縮空氣儲能兩種。對比其他儲能技術,飛輪儲能主要有以下幾種優勢:

    1. 壽命長

    使用壽命超過20年,循環壽命非常長,是目前所有儲能技術中壽命最長的技術之一。

    2. 絕對能量密度和功率密度高

    能量密度通常在15到100 Wh/kg之間,隨著新材料和新技術的發展,目前先進的飛輪儲能能量密度已經超過了150 Wh/kg。功率密度根據電機大小及應用場景有很大差別,最高功率密度可以超過10 kW/kg。

    3. 充放效率高

    充放效率超過90%,超過幾乎所有化學電池的充放效率。

    4. 適應性強

    對工作溫度和運行環境沒有太大要求,適應性非常強。

    應用于太空的飛輪儲能設備(來源:NASA)

    5. 啟動速度快

    啟動速度在毫秒級,在所有儲能系統中排名前列。

    6. 無污染

    飛輪儲能制造和運行過程中都沒有污染,環境友好。

    7. 維護成本低

    運行時幾乎沒有損耗,維護成本較低。

    8. 模塊化

    利用最新技術可以將飛輪的體積做得非常小,根據需要可以將許多小模塊連接在一起。

    飛輪儲能的缺點


    當然飛輪儲能也有一些缺點:

    1. 靜態損失較大

    由于飛輪在充電狀態必須保持幾萬轉的高速旋轉狀態,自放電率高。一般每個充滿狀態下靜態損失超過10%/小時。

    2. 相對能量密度低

    由于大多數應用場景的功率密度要求較高,飛輪儲能一般只能保持幾秒到幾分鐘的放電,相對能量密度較低。

    飛輪儲能的應用場景


    可見,飛輪儲能的優缺點明顯,有著其他儲能設備無法替代的特點。在這些特點下,飛輪儲能也已經有了很多成熟的應用場景:

    1. 不間斷電源

    由于啟動速度快,穩定可靠,飛輪儲能可以用于不間斷電源的構建。在對電能質量要求非常高的工廠和醫院,都可以利用飛輪儲能搭建UPS系統。目前,飛輪儲能在這一領域正在逐漸替代鉛酸電池。

    2. 太空

    在太空中,環境相對惡劣,飛輪儲能的應用場景更多。且飛輪儲能一次充電可以提供同重量化學電池的兩倍功率,同負載的使用時間為化學電池的3-10倍。同時,因為它的轉速是可測可控的,可以更精準方便地查看電量的多少。

    3. 交通運輸

    在不少交通工具中,飛輪儲能的應用已經非常廣泛,在火車、公交和不少轎車的剎車以及啟動過程中,飛輪能夠平滑發動機的出力,節省燃料消耗。

    4. 風電系統輔助電池

    風電系統通常都有著間歇性大、發電不穩定的特點,飛輪儲能能夠很好地平抑風電系統的不穩定出力,讓風場的運行更平穩,也能夠在未來直接通過風電場給用戶提供可靠的電源。

    目前,飛輪儲能系統越來越多地得到行業的重視,很多技術正在逐漸從航空和軍事領域轉移到民用領域。在許多儲能系統的應用導致一系列的環境問題時,飛輪儲能的優勢將具備更大的價值。

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