1、飞轮储能技术研究新动态_卫海岗 收稿日期:2021-12-20 基金项目:清华大学基础研究基金(JC1999030) 文章编号:0254-0096(2021)06-0748-06飞轮储能技术研究新动态卫海岗,戴兴建,张龙,沈祖培(清华大学工程物理系,北京100084)摘要:飞轮储能是一种研究价值高、应用前景广阔的新型环保储能技术。该文介绍飞轮储能技术研究机构及其技术的新进展。关键词:飞轮储能系统;动态中图分类号:T K512+.4 文献标识码:A0引言飞轮储能的基本原理是由电能驱动飞轮到高速旋转,电能转变为机械能储存,当需要电能时,飞轮减速,电动机作发电机运行,将飞轮动能转换成电能,飞轮的升速
2、和降速,实现了电能的存入和释放1。飞轮储能系统基本的结构均包括以下5个组成部分:1)采用高强度玻璃纤维(或碳纤维)复合材料飞轮本体;2)利用电磁轴承悬浮飞轮并采用机械保护轴承;3)直流永磁无刷同步电动/发电互逆式双向电机;4)电机控制与电力转换器;5)高真空及安全保护罩。20世纪90年代,由于高强度纤维材料、低损耗轴承、电力电子学3方面技术的发展使飞轮储能的实际应用成为现实,并显示出储能密度高、功率大、效率高、寿命长、无污染等优点。关于飞轮储能技术在电力系统调峰、风力发电、太阳能发电、汽车供能、不间断电源、低地轨道卫星储能、大功率机车、电磁炮、鱼雷等方面的应用,美国、英国、德国、日本、瑞士、加
3、拿大等国家已开展广泛的研究2。近年,随着飞轮技术的飞速发展,飞轮系统也已经从实验室研究转变为面向实际应用,并向产业化、市场化方向发展。如Beacon Pow er 公司20C1000系列、Active Pow er 公司CAT UPS 和Cleansource DC Flyw heel 系列、Urenco 公司的PQ 系列飞轮已经作为产品在世界范围内销售。因此飞轮的研究一方面追求技术进步;另一方面面向市场,进行产品化开发。文献2已系统地介绍了飞轮储能技术原理、关键技术进展以及飞轮储能技术的应用研究方向,本文主要从飞轮储能技术研究机构、研究项目及其技术特点这一角度来了解飞轮储能技术研究的最新动态
4、以供国内日益兴起的飞轮储能技术研究借鉴。1国外飞轮研究机构及其飞轮储能技术发展1.1美国宇航局(NASA )Glenn 研究中心及其合作单位 美国宇航局Glenn 研究中心(原为Lewis 研究中心)与其合作单位:US -Flyw heel 公司、Mary land 大学、Optimal 公司、AFS Trinity 公司、Texas 大学、Texas 大学Austin 分校、美国空军研究实验室(AFRL )、Honeyw ell 公司等,从20世纪80年代起就开始了卫星航天飞轮的研究,于20世纪90年代末期在低地球轨道卫星电力与姿态控制集成系统、转子制造工艺、飞轮磁悬浮等方面取得很大进展。
5、在2021年3月,飞轮转速达到了工作转速60krmp (Revolutions per minute )这标志着飞轮电池在技术上可以取代化学电池3。 NASA 飞轮应用于航空航天,以及军用装甲车辆上,用途主要是:1)能量储存;2)动力和姿态控制3)峰值功率调节。其主要研究方向有:1)国际空间站飞轮系统模型工程样机(Engi -neering M odel Flyw heel Energy Sto rage system )。目的是建立和测试大型飞轮储能系统,以获得能量储存和单轴扭矩控制的经验,以此作为后来中型飞轮研究的基础(250500Whrs )。飞轮设计指标:储能第23卷第6期2021年1
6、2月 太阳能学报AC TA ENERGIAE S OLARIS SINICA Vo l .23,No .6 Dec .,2021量500Wh ,储能密度44Wh /kg ,转速42,000rpm ,采用反向双飞轮结构,系统结构如图1所示。目前此装置在地面试验中转速已经达到了60krpm ,线速度880m /s 。计划在2021年达到1260m /s ,储能密度大于100Wh /kg 4。图1NA SA 工程样机模型图4F ig .1Eng ineering model fly wheel energ ystorage system of NASA 2)世纪飞轮(Century Flyw hee
7、l Energy Sto rage System )。用于中型LEO 卫星,技术指标如下:储能量300700Wh ,系统可用能量密度初期13Wh /kg ,后期目标2233Wh /kg ;充放电功率500W , 循环电效率85%,后期90%;工作高低转速比初期21,放电深度75%,后期31,放电深度90%;5a LEO 寿命(30,000次循环),目标达到或超过10a ;电源电压:3050VDC +/-TBD ;运行转速内无临界模态,后期研究控制模态可能性。目前NASA 飞轮研究的中心焦点任务是:2021年内,在风洞工作台进行两自由度(能量/动量)测试,预计将在2021年发射上空,进行空间实验
8、其它研究方向有:用于低轨道小型地球卫星的储能量50Wh 的外转子小型飞轮系统;储能和姿态一体化控制地面试验研究;航天飞轮安全寿命研究,主要研究飞轮材料特性、多方向性复合材料、无损评估及寿命预计技术;以及国际空间站航天飞轮研究等3。1.2Beacon Power 公司公司的目标就是成为世界范围内飞轮储能系统的制造和销售的领先者。利用其所拥有的尖端飞轮储能系统技术,Beacon Power 公司生产飞轮电池产品以满足迅速增长的可靠的、分布式电源需求5。公司的战略目标就是建立为通讯应用提供后备电源的商业基础,估计每年拥有10,000套飞轮系统需求的潜在市场。目前,公司产品以为电信/电缆设备提供备用
9、电力供应的20C1000飞轮储能系统为主。20C1000飞轮储能系统采用高强度复合材料轮缘,高速、长寿命、无需维护、低损耗永磁偏置主动/被动磁轴承,直流永磁无刷高效率、低损耗电动/发电机,正弦波脉宽调制实现驱动电压、电流一体化控制的双向换流器,真空密封,埋入地下,运行状况通过互联网进行监视。系统模型如图2所示。图2飞轮结构模型图4Fig .2Flyw heel Co mponents 系统指标:工作转速30krpm 10krpm ,最高线速度700m /s ,放电深度90%,电机效率96%,输出可用储量2kWh ;输出电压为直流36V 、48V 或96V ,额定输出功率1.0kW ;输入电压1
10、20/240V DC ,50/60Hz ,最大输入功率4kW ;转子重量68kg ,飞轮模块重量383kg ,电子模块重量90kg ;设计寿命20a ,平均故障间隔时间1105 h 。公司从1998年9月开始对20C1000飞轮储能系统进行现场实验,通过试验和各种改进,确定了双飞轮结构,并在1999年第四季度,实验型产品问世。在2021年初进行面向扩展试验的销售和首次安装。Cox Communications ,Media One ,Comcast ,Buford Television ,GTE ,NTT 和ABB 安装和测试生产版本的早期单元。其后有很多的公司都选择了Beacon Power
11、 公司的飞轮系统作为其后备电源6。公司与Satcon Technology 合作,开发新的250kW 不间断电源UPS 系统,另外,公司与欧洲U renco 公司建立战略合作关系,在2021年5月,推出全新100kW 高功率飞轮储能系统,而200kW 的飞轮系统目前正在加紧开发之中,预计2021年问世。大功率不间断电源飞轮系统将是飞轮发展的一个重要方向。7496期 卫海岗等:飞轮储能技术研究新动态1.3Urenco 公司欧洲U renco 集团是世界范围内气体离心分离,浓缩铀同位素领域的领先者。利用其成熟的离心技术,同时考虑离心机对电力品质的需要,发展了PQ 系列飞轮,其飞轮结构如图3所示7。
12、飞轮特点是采用磁化加载复合材料长转子,针状轴承,其技术源自离心机。飞轮转子由磁化加载的高强度碳纤维和玻璃纤维复合材料制成,即复合材料在缠绕时将NdFeB 磁粉掺入,再按照一定的模式被印在转子上。转子采用两种不同模式进行磁化:在一端,磁极按照环向印刻,形成被动磁轴承的一半;其余的转子被轴向磁化成12极,形成永磁电动/发电机的转子。由于这种独特的结构,磁轴承和电动发电转子内无涡流损耗,同时受力均匀,转子能够运行到42,000rpm 并储存18MJ (合5kWh )的能量。在转子下端是一个高速,低损耗针状轴承,它通过转子的下端盖支承转子重量。整个装置被安放在一个金属真空容器中。图3U renco 飞
13、轮结构模型图Fig .3Fly wheel structrural model of U renco 飞轮现场实验从1999年7月开始,2021年1 月全系统运行。其技术指标:工作转速3600012021rpm ,放电深度90%,全程效率90%,储能5kWh ;输出功率100kW ,输出电压直流650700V ,最大功率放电时间30s ;设计寿命20a ,循环1000万次,转子部分免维修8。1.4Active Power 公司公司主要生产作为不间断电源(UPS )的飞轮电池系统,以取代传统的铅-酸电池,解决当今对于电力品质的高要求。公司产品的应用对象主要是广大工业用户,比如:先进的数据中心、工
14、业设备和广播站等。目前,公司拥有29项发明专利,主要产品有Cat UPS 系列和Cleansource DC 系列9。Active Power 的飞轮材料为4340锻铁,其飞轮转子与电动/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70007700rpm 。工作维持时间为几十秒到几分钟。目前公司飞轮已经产品化出售。1.5AFS Trinity Power 公司AFS Trinity Power Corporation 拥有世界上飞轮技术方面的最大投资。首期商业产品将在2021年出货,该产品将通过功率输出提供紧急能源给因特网数据中心、通讯中心和
15、一些公司(如战略伙伴,Calpine C power 公司)的服务器中心,该产品已经被工程化并正在位于加利福尼亚州Livermore 公司的工厂加工11。公司第一代产品称为FPS (Flyw heel Power System ),其飞轮转子材料为高强度T7碳纤维,采用有限元分析分析设计,转子直径随飞轮具体型号变化而变,其变化范围为9英寸到12英寸(合22.5cm 30cm ),整体重量为20kg 。飞轮转速为44,000rpm ,边缘线速度为2倍(680m /s )。飞轮的充放电时间为几秒到几十秒,直流输出。系统的反应时间为10ms ,可以在10ms 内启动保护数据经济中的敏感设备不受电压垂
16、直下降和上升的影响12。公司研制的电动发电机已经运行到63,000rpm ,当最新的测试装备完成,预计将可以达到在90,000rpm 可靠运行。另外,公司已经签定制造另一种高速电动发电机(80,000rpm ),用于极低损耗能量轮磁轴承的测试11。AFS Trinity 公司目前提供3种不同配置的飞轮功率系统,分别是用于固定不间断UPS 应用容量为100kW 和300kW 的单个立式飞轮M 2A 和M3A 系统,用于运输机车容量750kW 采用反向旋转飞轮的M FPM 系统。另外AFS 公司还同美国空军研究实验室合作研究用于探索者二号的动量轮。1.6US flywheel 公司公司建立的目的是
17、为了提供有着广阔应用的能量储存领域与其之外的革新性技术。应用领域:航空、航天和军事;电信;移动系统;不间断后备电源;峰值功率储存。产品状况:第二代磁轴承飞轮:提供给NASA ,转速60,480rpm ;第一代机械轴承飞轮:太阳能演示750 太 阳 能 学 报 23卷(NREL)20,000rpm;机械轴承飞轮:通过测试台演示(T RW),42,000rpm;被提议的第二代飞轮: 400Whs,25kW;磁轴承高速轮毂:63,480rpm;电力连接模拟器:成功验证并提供给NASA13。1.7其他研究飞轮的机构非常多,其技术上也各有特点,但由于篇幅的限制,下面只能对其他机构作简单介绍:1.7.1加
18、拿大Flyw heel energy systems Inc公司公司复合材料飞轮设计制造技术成熟,已经有系列成品出售如:45系列、39系列、25系列等,其中45系列4号飞轮达到转速45krpm,线速度996m/s,储能密度97Wh/kg。飞轮储能系统作为未来产品正处在研发之中,研发分三个方向,分别是姿态控制能量储存,不间断电源UPS,电力品质/混合动力机车。公司对飞轮的产品化,市场化进行了比较详尽的研究分析,对飞轮的市场前景充满信心14。1.7.2The University of Texas at Austin Electro mechanics w orks研究用于空间的飞轮电池,以取代传
19、统的化学电池。飞轮设计参数:重135kg,直径45cm,长90cm 用于空间站。采用磁轴承悬浮,复合材料转子。同时该系统还用在提高工厂的电力品质上。现在,UT Austin为了满足航天的需要,将重点放在制造比商业系统更轻、更小的飞轮系统技术上。UT Austin 计划由NASA Johnson空间飞行中心资助,由NASA Glenn研究中心管理。工程人员期待在5年内(2021年)完成这项工作15。1.7.3美国Optimal Energy Sy stem s Inc公司位于内华达州,专门开发和制造用于电力生产和高品质能量储存的电机和飞轮动力单元。公司技术特长在于飞轮转子和电动/发电机方面。设计
20、飞轮重10.8kg,其中复合材料轮缘重9.45kg,轮毂重1.35kg,安全验证可储能900Wh,能量密度83Wh/ kg。公司将运行第二阶段的飞轮设计模型,使该飞轮在最大储能密度超过67Wh/kg的条件下循环100,000次;电动/发电机设计精巧很好解决了磁材料在超音速情况下的强度问题。该飞轮项目也用于航天低轨道卫星16。1.7.4M aryland大学及FARE Inc公司M aryland大学从1977年开始飞轮储能系统的调查研究。名为工程发展单元(Engineering Devel-opment Unit)的300Wh外转子复合材料飞轮(Open Core Composite Fly
21、wheel)是其第四代飞轮单元。FARE Inc公司参与NASA航天飞轮计划,在M ary-land大学的研究基础上设计了用于低轨道地球卫星的50wh外转子(Open Co re Rotator)飞轮储能系统。外转子飞轮研究作为长期的发展规划项目,目前仍处在试验阶段,离设计目标差距还很大。Mary land 大学还研制了储能量为20kWh的飞轮储能系统17。1.7.5Regenerative Power&Motion公司与其他飞轮不同,RPM的飞轮几乎为零损耗(空闲),零维修,无限期寿命。公司将应用焦点集中在固定的不间断电源UPS上。近期目标,提供完整的公用电力后备UPS;长期面向新建筑物,与
22、风力、太阳能电力系统结合,提供高效、长期电力储存飞轮单元。公司将首先开发一个小型3kWh系统,接着开发50kWh系统18。飞轮研究机构还有:a)美国华盛顿大学机械工程系,进行玻璃纤维飞轮的研究工作,特点是采用宝石轴承+永磁轴承;b)美国伯克力大学,设计了功率为30kW,储能140Wh的,用于电力机车的飞轮系统原型。目前,该大学还在从事磁轴承的研究;c)美国阿贡国家实验室,设计和发展采用超导轴承,设计储能量20kWh的高效飞轮储能系统装置,用于工业领域;d)欧洲Flyw heel Energy Storage fo r Wind power Generation(FLYWIP),研究用于平整风能
23、风力发电机电力波动的飞轮储能系统模型;e)日本新能源工业技术研究组织,研究用与平整电力波动的高温超导磁悬浮飞轮储能系统;f)其他。2国内部分飞轮研究结构目前国内从事与飞轮研究相关的单位有:清华大学工程物理系飞轮储能实验室、华北电力大学、北京飞轮储能柔性研究所(由中科院电工所、天津核工业理化工程研究院等组成)、北京航空航天大学宇航学院、南京航空航天大学、中国科大、中科院力学所、东南大学、合肥工业大学等,其中清华大学飞轮储能实验室为国内飞轮技术的领先者之一。清华大学飞轮储能实验室成立于1995年,是国内最早研究储能飞轮的实验室之一。1997年实验室设计出第一套复合材料飞轮系统,转子重8kg,直径2
24、3cm,1998年成功运转到48000rpm,线速度7516期 卫海岗等:飞轮储能技术研究新动态580m /s ,实现充放电。1999年实验室设计出第二代飞轮,重15kg ,直径30cm ,于2021年4成功运转到700周,线速度650m /s ,储能量500Wh 。在第二代飞轮的基础上,实验室完成了用作飞轮电池的TH EF1000飞轮储能系统概念设计,目前此项工作正在紧张开展中。预计在2021年底完成19。图4清华大学试验飞轮储能系统简图Fig .4T he test fly wheel energ y storage sy stemof T singhua U niversity 该实验室
25、飞轮系统采用高强度玻璃纤维/碳纤维多层复合材料轮缘-高强度金属轮毂,永磁直流无 刷电动/发电机,永磁悬吊式上阻尼,动压油膜螺旋槽轴承,挤压油膜下阻尼,电子脉宽调制双向电力转换器,真空密封,其结构如图4所示。实验室一方面进行该结构实验飞轮的运行测试、改进工作;另一方面与北京航空航天大学宇航学院合作,积极发展采用磁轴承、用于航天方面的新型飞轮储能系统,该项工作也在积极开展之中20。3结束语飞轮市场调研表明:采用航天飞轮,宇航局每年可以节省2亿美元的费用;飞轮电池的市场潜力大概在100亿美元;不间断UPS 飞轮市场潜力有200亿美元;用于风能太阳能方面的飞轮系统市场潜力有2021亿美元;另外用于电力
26、机车H EV 以及周期性负载应用的其他工程的飞轮系统市场潜力巨大。市场的驱动,必然导致飞轮系统的高速发展。飞轮转速更高、更安全、更具有竞争力。可以预测,随着技术发展,在将来10年里,飞轮在UPS 市场领域将取得一席之地,而在航天方面将逐渐取代化学电池6,15。参考文献1Bitterly J G .Fly wheel technology :past ,present ,and21st century projects J .IEEE Aerospace and Electronic Sy stems M ag azine ,1998,13:1316.2蒋书运,卫海岗,沈祖培.飞轮储能技术研究的
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35、rgy Storage System (FESS )is one kind of new sty le energy storage technology that has w idespread research value and bright prospect for application .In this paper the recent advances in R &D of fly -w heel and its research institutions .Keywords :flyw heel energy storage system ;development 联系人E -mail :w hg ang 99mails .tsinghua .edu .cn7536期 卫海岗等:飞轮储能技术研究新动态
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