飞轮储能系统组成「GTR飞轮储能系统」

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飞轮储能系统

飞轮储能原理

飞轮储能已经有几千年的历史，远古的人类就懂得用旋转的轮盘储存能量来制造圆形的陶器。在汽车、拖拉机中也用飞轮来使直线运动转换成旋转运动时更加平稳。但是，这一类飞轮只是将动能存储在旋转的飞轮中，释放能量时也仍然是直接将动能输出，这样就势必限制了飞轮的转速。而现代飞轮储能是通过高速电动机带动飞轮旋转，将电能转换成动能∶释放能量时。再通过飞轮带动发电机发电.转换为电能输出。这样一来，飞轮的转速与接受能量的设备转速无关。根据牛顿定律，飞轮的储能为∶

显然，为了尽可能多地储能，主要应该增加飞轮的转速φo，而不是增加转动惯量J。所以现代飞轮转速至少都是几万转/分，以增加功率密度与能量密度。

早在 20世纪50年代就有人进行了飞轮储能的试验，但一直没有突破性的进展。近年来，由于以下三方面的突破，给飞轮储能带来了新的活力;一是采用高强度碳素纤维和玻璃纤维飞轮转子，使得飞轮允许线速度可达500~1000 m/s.大大增加了单位质量的动能储量∶二是申电力电子技术的新进展.给飞轮电机与系统的能量换提世了强大的支持∶一是电磁悬浮，超导磁悬浮技术的发展，背配合直空技术，极大地隆低了机械摩擦与风力损耗。

飞轮储能系统由高速飞轮和同轴的电动/发电机构成，为了最大限度地增加动能，飞轮常采用轻质高强度纤维复合材料制造，并用磁力轴承悬浮在真空罐内。目前世界转速最高的飞轮最高可达 20万转/分钟以上.因此能量非常大，理论上可达到铅酸电池的6倍。

飞轮电池寿命为15年以上，效率约90%，且充电迅速、无污染，是21世纪最有前途的绿色储能电源之一，因此发达国家均在加紧研穿。美国"空军研究所与航空航天局飞轮储能项目"的研发目标是;近期用于大型航天器，，轨道机车和城市客车与卡车，中远期用于中小型航天器、战车、航天飞机、民用飞机、电力调峰和电动轿车等。目前，将飞轮电池用于城市公交车、电瓶车和铁路轨道车等环保要求严格、运行路线规则的中低速车辆的储能电源，在技术上比较容易实现，而且会带来巨大的经济效益与社会效益。

飞轮储能的应用

一、电力调峰

电力调峰是电力系统必须要充分考虑的一个重要问题。飞轮储能能量输入、输出快捷，可就近分散放置，不污染、不影响环境，因此，国际上很多研究机构都在研究采用飞轮实现电力调峰。德国 1996年着手研究储能5MW·h/100 MW·h的超导磁悬浮储能飞轮电站，电站由10 个飞轮模块组成，每只模块重 30t、直径3.5 m、高6.5m，转子运行转速为2 250~4 500 r/min，能量输入、输出采用电动/发电机来实现，系统效率为 96%。20世纪 90年代以来，美国马里兰大学一直致力于储能飞轮的应用开发，1991年开发出用于电力调峰的 24 kW·h电磁悬浮飞轮系统，飞轮重172.8 kg，工作转速范围 11610~46 345 r/min，破坏转速为48 784 r/min.系统输出恒压110/240V，全程效率为81%。图6-39所示为电力系统中的飞轮储能装置。

二、电动车辆飞轮电池

将飞轮储能系统安装在纯电动汽车里，作为电动汽车的动力源，称之为飞轮电池。研究表明.重2.200kg 的汽车，为维持200-250 km 的行程和 10 s的 10-96km/h的加速过程大约需要 78 kW·h的储能量以及94 kW的发电功率。20世纪 80年代初，瑞士 Oerlikon 工程公司，研制成功完全由飞轮供能的第一辆公共汽车。飞轮直径 1.63m，重1.51，在氢气环境里以3 000r/min 运行以降低风损。该车乘客70名，行程大约0.8 km，在每一靠站停车时，飞轮将需要充电2 min。美国研制的 ASF20飞轮轿车，充电 15 min 可以行驶 560 km。英国研制的飞轮有轨电车，充电 90s可行驶 10 km，比内燃机节能 23。

三、飞轮储能-再生制动系统

过去车辆在制动时，多余的动能只能转化为刹车片摩擦产生的热量消耗掉。电力机车与地铁车辆虽然可以采用再生制动，但目前在技术上还有一定问题。对于内燃机车与汽车. 因为没有接触网系统，更无法采用向接触网回馈电能的再生制动方式，最常用的是采用电阻制动等消耗能量的办法。另外，对于内燃机车辆，仅仅在起动和加速时，发电机组的容量才能完全发挥出来，在运行情况下，车辆只需要很少的能量，因此车载发电机组容量冗余很大，例如普通汽车稳定运行时，功率需求仅为峰值功率的1/4。对于电力机车与地铁等，牵引变压器也有容量冗余的问题。采用飞轮储能装置，可以在车辆制动过程中，将制动能耗通过电动机转化成飞轮的机械动能储存起来，成为再生能源。

当列车需大功率工作时（如启动、上坡、加速等），飞轮再通过发电机将动能释放，以供系统使用，这不仅可以节能，还可以减小车载发电机组或地面供电系统的容量。所以，各种电气传动车辆（电力机车、地铁列车、无轨电车、电传动内燃机车等）和混合电动汽车都可以使用飞轮储能实现再生制动。以下是一些应用实例∶

（1）内燃机车车载飞轮再生制动系统 可用于电传动内燃机车的再生制动，将飞轮储能系统放在内燃机车上，与内燃发电机组配合，向牵引电动机供电。美国得克萨斯大学已经开发出一种飞轮储能燃气轮机轻型机车，称为"下一代高速列车"，已经在纽约和波士顿之间进行了多次运行试验。德国也开发出采用飞轮储能装置的 LIREX 混合动力轻轨列车。

（2）混合电动汽车飞轮储能系统 与内燃机车飞轮再生制动类似.在制动过程中.将制动能耗通过电动机转化成、飞轮的机械动能储存起来，成为再生能源当汽车需大功率工作时（如启动、上坡、加速等），飞轮再通过发电机将动能释放，以供系统使用。这样就迫切需要引入大功率输出储能系统，而飞轮系统具有满足这种输出功率和能量密度的特别要求。研究表明，合理设计混合飞轮电池，可节约能耗 30%，并能减少废气排放量 75%。美国从 1992 年开始对采用飞轮电池的6辆公交车在洛杉矶、得克萨斯哈利斯两地进行了试验，如图6-42 所示。

（3）轨道车辆轨旁飞轮再生制动系统 可用于接触网/轨供电的电力机车或地铁车辆的再生制动。列车进站前，牵引电动机将多余的动能通过接触网/轨送给车站上的飞轮储能系统，当列车再次起动时，飞轮可以反过来向列车供电，不仅节能，而且可以减小车站牵引变压器的容量。纽约、伦敦的地铁已经进行了试验。

四、风力发电系统不间断供电

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，但由于柴油机组本身的特性要求，在启动后 30 min 才能停机，而风力常常间断数秒、数分钟。不仅柴油机组频繁起动，影响使用寿命;而且风机重启动后与柴油发电机同时作用，又会造成电能过剩。考虑到飞轮的储能量大，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。美国将飞轮引入到风力发电系统，实现全程调峰.飞轮机组的发电功率为 300 kW，大容量储能飞轮的储能为277 kW·h。试验表明，风力发电系统电能输出性能及经济性能良好，对电能质量有很大改善。

五、卫星姿态控制

这是飞轮应用最早的领域。由于飞轮高速旋转，不仅可以储能，还可以起到防螺仪的作用。美国航天局（NASA）等已开发出卫星姿态控制用飞轮系统，并已经进行了太空运行试验。

六、大功率脉冲放电电源

为了避免运载火箭只能使用一次的巨大浪费和减少大气污染，美国正在研究一种磁悬浮直线电动机托架（被称为太空电梯）来发射航天飞机，这需要功率巨大，但放电时间非常短促的电源，所以如果专门建设一个容量巨大的电力系统提供能量，显然是不合理的。而采用飞轮储能系统，可以用一个小容量的电力系统长时间向飞轮储能系统充电以满足发射时的瞬时大功率需要即可，这恰好发挥了飞轮储能系统能短促放电的优势。

另外，电磁炮发射、舰载飞机起飞助推、托克马克装置点火等，也都可以采用飞轮储能脉冲放电装置。例如，美国研制的电磁炮采用储能飞轮实现强力放电，可以在几毫秒钟内输出数百千安的强电流脉冲。七、其他应用

作为不间断供电系统，飞轮储能已经在龙门吊等柴油发电机—电动机传动系统中得到应用，可 以有效节能。另外，储能飞轮在太阳能发电、风力发电、潮汐发电、地热发电以及电信系统不间断电源等方面也有良好的应用前景。