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國內外飛輪儲能系統研究的現狀、發展及未來

作者:中國儲能網新聞中心 來源:雪球網 發布時間:2016-08-28 瀏覽:
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中國儲能網訊:飛輪電池是90年代提出的新概念電池,它突破了化學電池的局限,用物理方法實現儲能,由于是電能和機械能的相互轉化,不會造成污染。 飛輪儲能電池最初只是想將其應用在電動汽車上,但限于當時的技術水平,并沒有得到發展。直到上世紀90年代由于電路拓撲思想的發展,碳纖維材料的廣泛應用,以及全世界范圍對污染的重視,這種新型電池又得到了高速發展,并且伴隨著磁軸承技術的發展,這種電池顯示出更加廣闊的應用前景,現正迅速地從實驗室走向社會。

縱觀歐美國家的現狀,在汽車行業中,美國飛輪系統公司(AFS)就生產出了以克萊斯勒LHS轎車為原形的飛輪電池轎車AFS20;在火車方面,德國西門子公司已研制出長1.5m,寬0.75m的飛輪電池,可提供3MW的功率,同時,可儲存30%的剎車能;在軍用設備上,美國已經開始嘗試使用飛輪裝置,尤其是大型混能牽引機車上,美國國防部預測未來的戰斗車輛在通信、武器和防護系統等方面都廣泛需要電能,飛輪電池由于其快速的充放電,獨立而穩定的能量輸出,重量輕,能使車輛工作處于最優狀態,減少車輛的噪聲(戰斗中非常重要),提高車輛的加速性能等優點,已成為美國軍方首要考慮的儲能裝置;在太空方面,由于飛輪儲能裝置的儲能密度很大,并且隨著材料學和磁懸浮軸承技術的不斷發展,在衛星上使用的飛輪儲能裝置甚至小到可以裝進衛星壁中,而且飛輪儲能裝置運行的時候損耗很小,基本上不用維護,這就使得飛輪技術不斷應用于衛星裝置和太空空間站的太陽能儲能電池中作為它們的能量供應中心來使用,同時飛輪還可以用于衛星的姿態控制中。

根據市場研究公司Research and Markets最新發布的報告,從2010年到2014年,全球飛輪儲能市場的年復合增長率將達到12%。不過,國內飛輪儲能市場開始發力也只有3、4年時間。美國、德國、日本等發達國家對飛輪儲能技術的開發和應用比較多。歐洲的法國國家科研中心、德國的物理高技術研究所、意大利的SISE均正開展高溫超導磁懸浮軸承的飛輪儲能系統研究。飛輪儲能的研究主要著力于研發提高能量密度的復合材料技術和超導磁懸浮技術。其中超導磁懸浮是降低損耗的主要方法,而復合材料能夠提高儲能密度,降低系統體積和重量。2014年9月16日國內第一臺飛輪200千瓦工業化磁飛輪調試成功,各項實驗測試指標均達良好,飛輪運行正常,性能安全可靠。專家評價,這項具有完全知識產權的儲能技術和產品填補了國內科技和市場的空白。

目前已有機構在積極開發混合電動車(HEV)用的飛輪電池系統。其主要作用:A)穩定主動力源的功率輸出。在混合動力汽車起步、爬坡和加速時,飛輪電池能夠快速、大能量的放電,為主動力源提供輔助動力,并減少主動力源的動力輸出損耗。B)提高能量回收的效率。在混合動力電動汽車下坡、滑行和制動時,飛輪電池能夠快速、大量的存儲動能,充電速度不受“活性物質”化學反應速度的影響,可提高再生制動時能量回收的效率。飛輪儲能用于HEV,存在的主要問題是如何盡可能減輕飛輪的陀螺效應以及提高飛輪的工作效率。對應同等級別的汽車,安裝飛輪儲能系統后,可以采用相對小的發動機來提供動力,實現節能和減排的目的。最近國家工業和信息化部發布《新能源汽車生產企業及產品準入管理規則》時,特別將高效儲能器作為解決新能源途徑之一寫入了規則,作為高效儲能器的代表,飛輪儲能在汽車上應用有著巨大潛力。據稱,飛輪電池比能呈可達150W ?h/kg,比功率達5000-10000W/kg,使用壽命長達25年,可供電動汽車行駛500萬公里。

飛輪儲能技術看似很神秘,其實與人們生活密切相關,比如地鐵列車進出站時的能量轉換,列車進站剎車時將多余能量輸入飛輪,列車出站提速時需要能量,飛輪將能量輸出,這個系統可為地鐵節省20%左右的能量消耗。飛輪技術在我國仍處在研發階段,而國際發達國家已有幾十年的發展歷史,在諸多領域獲得應用,如F1賽車能量回收、軌道牽引能量回收、微電網調壓及并網,超低溫余熱回收利用、應急UPS電源、高速離心風機等。

飛輪儲能系統的優點

飛輪儲能技術是目前最有發展前途的儲能技術之一。相比鋰電池、鉛酸電池,飛輪儲能具有諸多優點:

1、儲能密度大。儲能密度可達100~200wh/kg,功率密度可達5000~10000w/kg

2、效率高。工作效率高達百分之95

3、維護成本低。運行的時候損耗很小,基本上不用維護

4、壽命長。不受重復深度放電影響,設計壽命20年以上,磁懸浮軸承和真空環境使機械損耗可以被忽略,系統維護周期長

5、無噪聲。

6、環境污染小,對周圍環境幾乎沒有影響。

不受地理環境限制等,是目前最有發展前途的儲能技術之一。

飛輪儲能系統的缺點

能量密度不夠高,能量釋放只能維持較短時間,一般只有幾十秒鐘。自放電率高,如停止充電,能量在幾到幾十個小時內就會自行耗盡。Active Power公司的飛輪儲能系統單位模塊輸出250千瓦,待機損耗為2.5千瓦,因此有些數據稱其效率為99%。但這是有條件的。只有在迅速用掉的情況下才有這么高的效率。如果自放電的話,效率大大降低。例如,幾萬轉高速飛輪系統損耗在100瓦左右,1千瓦時的系統只能維持10小時的自放電。因此,飛輪儲能最適合高功率、短時間放電或頻繁充放電的儲能需求。

飛輪儲能系統目前使用的領域

由于技術和材料價格的限制,飛輪電池的價格相對較高,在小型場合還無法體現其優勢。但在下列一些需大型儲能裝置的場合,使用化學電池的價格也非常昂貴,飛輪電池已得到逐步應用。

1、太空 包括人造衛星、飛船、空間站,飛輪電池一次充電可以提供同重量化學電池兩倍的功率,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,故可以隨時查看電能的多少。美國太空總署已在空間站安裝了48個飛輪電池,聯合在一起可提供超過150KW的電能。據估計相比化學電池,可節約200萬美元左右。

2、交通運輸 包括火車和汽車,這種車輛采用內燃機和電機混合推動,飛輪電池充電快,放電完全,非常適合應用于混合能量推動的車輛中。車輛在正常行使時和剎車制動時,給飛輪電池充電,飛輪電池則在加速或爬坡時,給車輛提供動力,保證車輛運行在一種平穩、最優的狀態下的轉速,可減少燃料消耗,空氣和噪聲污染,發動機的維護,延長發動機的壽命。美國TEXAS大學已研制出一汽車用飛輪電池,電池在車輛需要時,可提供150KW的能量,能加速滿載車輛到100Km/h。

在2010美國勒芒系列賽最后一輪中,保時捷911GT3混合動力賽車首次正式使用了該項技術(該車成績在比賽中排名中游)。911 GT3是保時捷第一輛混合動力賽車,它是918 Spyder混合動力車的前身,飛輪技術在不犧牲速度和敏捷性的前提下,讓汽車更有效率,這是一個令人振奮的進步——保時捷918 Spyder混合動力車有500加馬力的全輪驅動,僅需3.2秒即能將速度從0提至62英里每秒。保時捷公司表示,已有900名準買家簽約購買該車。

3、不間斷電源 飛輪電池可提供高可靠的穩定電源,可提供幾秒到幾分鐘的電能,這段時間足已保證工廠進行電源切換。德國GmbH 公司制造了一種使用飛輪電池的UPS,在5s內可提供或吸收5MW的電能。國外數據表明,在UPS應用中,飛輪儲能正在逐步取代鉛酸蓄電池,成為主流技術。

4、軍用戰斗車輛

作為一種新興的儲能方式,飛輪電池所擁有傳統化學電池無法比擬的優點已被人們廣泛認同,它非常符合未來儲能技術的發展方向。飛輪電池除了上面介紹的應用領域以外,也正在向小型化、低廉化的方向發展。最可能出現的是手機電池。可以預見,伴隨著技術和材料學的進步,飛輪電池將在未來的各行各業中發揮重要的作用。

國內相關企業

1、冀東發展集團

2014年9月16日國內第一臺200千瓦工業化磁飛輪在冀東發展集團盾石磁能科技有限責任公司調試成功。這項具有完全知識產權的儲能技術和產品填補了國內科技和市場的空白。

2、北京奇峰聚能科技有限公司

中國英利集團投資組建,專注于磁懸浮飛輪儲能研究。2011年1月,英利自主研發出1千瓦時儲能飛輪樣機。同年9月,國內首臺20千瓦時磁懸浮飛輪儲能樣機也在英利下線。此后,由英利投資的北京奇峰聚能科技有限公司經過國家科技部審批,在國家高技術研究發展計劃(863)高性能物理儲能項目中承擔了磁懸浮儲能飛輪技術課題研究工作。

原標題:【知識】飛輪儲能系統概述

關鍵字:飛輪儲能系統

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