飞轮储能的工作原理及技术现状

飞轮储能的工作原理及技术现状
2023年01月27日 20:40 市场资讯
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根据储能方式不同,储能技术主要分为三类:机械储能(如抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等)、电磁储能(如超导电磁储能、超级电容器储能等)、电化学储能(如铅酸电池、氧化还原液流电池、钠硫电池、锂离子电池等)。

飞轮储能技术是利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式储存起来,当能量紧急缺乏或需要时,飞轮减速运行,将存储的能量释放出来。

以下视频来源于

制造原理

飞轮储能

工作机制

飞轮储存的能量基于旋转质量原理。它是一种机械储存装置,通过电动/发电互逆式双向电机,实现电能与高速旋转飞轮的机械动能之间的相互转换与储存。

飞轮储能系统的输入能量通常来自电网或任何其他电能来源。飞轮与电机同轴连接,表明控制电机可以控制飞轮。

旋转的飞轮由电机驱动,实现电能与机械能的交换,反之亦然。飞轮在储存能量时由电机驱动飞轮加速,电能转换为动能;在释放能量时由飞轮驱动电机发电,飞轮减速,动能转换为电能。

 飞轮内部构造图 飞轮内部构造图

相对优势

飞轮储能目前作为储能行业中的一种新型技术,在很多地方具备自己独特的优势,是目前最具发展前途的短时大功率储能技术之一,具体表现在:

1)储能密度高,瞬时功率大。在短时间内可以输出更大的能量,有利于电磁炮的发射和车辆的快速启动。

2)寿命周期长。在整个寿命周期内,不会因为过充电或过放电而影响储能密度和使用寿命,而且飞轮也不会受到损害。其寿命主要取决于飞轮电池中电子元器件的寿命,一般可长达20年左右。

3)容易测量放电深度和剩余“电量”。

4)充电时间短。一般几分钟内就可以将电量充满。

5)能量转换效率高。一般可达90%左右,这意味着有更多可利用的能量、更少的热耗散,高于化学电池的转换效率。

6)绿色环保,无污染。

飞轮储能系统的结构组成

飞轮储能系统由飞轮转子、电机、轴承、电力电子接口和外壳组成。

飞轮系统构成图

飞轮转子

飞轮中储存的能量由转子的形状和材料决定。能量与惯性矩及其角速度的平方成线性比例,因此可以通过提高转速或增加惯性矩来优化飞轮的存储能量。

这就为飞轮储能系统提供了两种选择:低速飞轮储能系统(通常高达10,000rpm)和高速飞轮储能系统(高达100,000rpm)。

低速飞轮通常由较重的金属材料制成,由机械轴承或磁轴承支承。高速飞轮一般使用较轻但较强的复合材料,通常需要磁轴承。高速飞轮的成本通常可高达低速飞轮成本的5倍。

电机

电动/发电互逆式双向电机与飞轮耦合,以实现飞轮的能量转换和充电过程。这台机器可为马达,通过加速飞轮并从电源中汲取电能来给飞轮储存动能。

飞轮上存储的能量由作为发电机的的同一电机提取,因此,飞轮在将动能转化为电能的过程中减速。飞轮储能系统中常用的电机有感应电机(IM)、永磁电机(PM)和可变磁阻电机(VRM)。

由于其坚固耐用、高扭矩和低成本,感应电机被用于高功率应用。速度限制、复杂的控制和更高的维护要求是感应电机的主要问题。

双馈感应电机(DFIM)由于其灵活的控制和较低的功率转换额定值,目前已在飞轮储能系统应用中使用,从而减少了电力电子设备的尺寸。

可变磁阻电机具有性能稳定、怠速损耗低、调速范围宽等特点。对于高速操作,可变磁阻电机的控制机制比感应电机更简单。它的缺点是功率因数低,功率密度低,扭矩波动大。开关磁阻和同步磁阻两种磁阻类型均适用于高速飞轮储能系统。

永磁电机具有较高的效率、较高的功率密度和较低的转子损耗,是飞轮储能系统最常用的电机。它被广泛应用于高速应用中。永磁电机的主要问题是定子涡流损耗导致的空转损耗、高价格和低抗拉强度。

无刷直流电动机(BLDCM)、永磁同步电机(PMSM)和哈尔巴赫阵列机(HAM)是飞轮储能系统应用中使用的主要永磁电机类型。

轴承

需要轴承以非常低的摩擦将转子保持在适当位置,同时为飞轮提供支撑机构。轴承系统可以是机械或磁性的,取决于重量、寿命和较低的损耗。

传统上使用机械球轴承,但与磁性轴承相比,机械球轴承具有更高的摩擦,并且由于润滑剂劣化,需要更高的维护成本。这些不足可以通过使用磁性和机械轴承的混合系统来缓解。磁性轴承没有摩擦损失,不需要任何润滑。

永久(被动)磁轴承(PMB)、主动磁轴承(AMB)和超导磁轴承(SMB)是磁轴承系统的主要类型。

PMB具有高刚度、低成本和低损耗。然而,PMB在提供稳定性方面存在局限性,通常被视为辅助轴承系统。

AMB是由控制转子位置的载流线圈产生的磁场驱动的。AMB成本高,控制系统复杂,运行时消耗能量,进而增加系统损耗。为了确保整个系统的良好效率,必须在速度和损耗之间进行折衷。

SMB提供高速、无摩擦、长寿命、紧凑和稳定的操作。它是高速运行的最佳磁性轴承,因为它可以在没有电力或定位系统的情况下稳定飞轮。

然而,SMB需要低温冷却系统,因为它在非常低的温度下工作;但近些年,通过使用高温超导体(HTS)对其进行了改进。SMB系统的主要缺点是成本非常高。

应用

飞轮储能技术最早应用于航天领域,作为卫星姿控、储能一体化使用,其关键技术也逐渐转化到民用领域。

飞轮储能因其功率密度高、效率高、寿命长和无污染的优势,目前广泛应用于大功率、响应快、高频次的场景,典型市场包括轨道交通、电网调频、UPS不间断电源等。

根据相关数据,截止至2021年底,全球飞轮储能在储能装机中占比仅0.22%,未来发展空间巨大。

市场现状

飞轮储能技术自20世纪中叶开始发展,至今已经有超过50年的研究、开发和应用历史。目前全球飞轮储能技术的研发力量主要集中在美国、欧洲和日本。

在飞轮技术基础应用研究、关键技术、制造工艺、产品产业化开发与市场运作等方面,美欧日都远远领先于其他国家,全球研发格局一度呈现出三足鼎立的局面。目前,随着其他国家对储能技术的重视和大力投入,多极化趋势日益明显。

美国:目前,美国在飞轮储能技术研究方面居于全球领先地位,这主要得益于DOE和NASA等机构从上世纪70年代以来的长期投入和近10多年资本市场的持续支持。

在商用飞轮市场,具有代表性的企业主要包括专注于电网级应用的BeaconPower公司、专注于企业级UPS应用的ActivePower公司、专注于大功率应用的AFSTrinityPower公司和专注于城市轻轨动能再生的Pentadyne公司(已重组)等。

欧洲:在众多欧洲国家中,德国和英国对飞轮储能技术的研究最为深入,另外法国、意大利等国也有较大的投入。

日本:日本在高强度碳纤维材料、高温超导材料等方面具有雄厚的技术实力,为飞轮储能技术的发展提供了有利条件。

各国飞轮储能开发商及其代表产品各国飞轮储能开发商及其代表产品

中国:国内自20世纪80年代开始关注飞轮储能技术,目前,我国的飞轮储能在发电、石油钻井、导航等领域已取得了诸多实际应用示范的成功经验。

国内飞轮储能相关研究机构

本文参考资料:国盛证券、网络等

(中国节能协会碳中和专业委员会)

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