朱桂華,劉金波,張玉柱

(中南大學(xué),湖南長(zhǎng)沙410083)

0 引 言

2011年3月11 日發(fā)生在日本本州島以東的大地震引發(fā)的核泄漏事故使各國(guó)的目光轉(zhuǎn)向更安全的能源,其中包括風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮芎惋L(fēng)能等可再生能源。在這之前,國(guó)內(nèi)酒泉一次的大規(guī)模風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故,導(dǎo)致電壓大幅波動(dòng),甚至波及甘肅電網(wǎng),對(duì)整個(gè)西北電網(wǎng)造成威脅。這一切重大事情的背后實(shí)際上是能源的巨大需求與供應(yīng)關(guān)系的緊張。為解決能源生產(chǎn)商和用戶之間的供需矛盾,開(kāi)發(fā)新能源的同時(shí)并更有效地利用現(xiàn)有的能源,就需要發(fā)展先進(jìn)節(jié)能技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù),飛輪儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)成為儲(chǔ)能需求中的一種。目前關(guān)于飛輪儲(chǔ)能用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用方法與前景介紹的較多[1-2],采用飛輪儲(chǔ)能單元作為并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的能量緩沖裝置以穩(wěn)定并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的功率輸出的研究較多[3-6],而且已有對(duì)飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品應(yīng)用于風(fēng)電系統(tǒng)的產(chǎn)品應(yīng)用介紹[7-8]。

飛輪儲(chǔ)能的基本原理是由電能驅(qū)動(dòng)飛輪做高速旋轉(zhuǎn),電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能儲(chǔ)存。當(dāng)外界需要電力時(shí),再把電力輸出為負(fù)載所用;當(dāng)外界不需要電力時(shí),則電動(dòng)機(jī)以很小的功率帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子與飛輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)。飛輪儲(chǔ)能裝置主要結(jié)構(gòu)為飛輪轉(zhuǎn)子、軸承(支承)、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)、電力轉(zhuǎn)換器、抽真空裝置及真空室。關(guān)鍵技術(shù)為飛輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝、磁懸浮軸承設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究、高速轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究與高效能量轉(zhuǎn)換技術(shù)等。其中飛輪儲(chǔ)能具有儲(chǔ)能密度高、適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣、效率高、長(zhǎng)壽命、無(wú)污染和維修花費(fèi)低等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)在清潔能源研究越來(lái)越熱,飛輪儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展更是非常迅速,國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)與科技公司均投入到此項(xiàng)目中。如美國(guó)、歐洲、日本等工業(yè)強(qiáng)國(guó)爭(zhēng)相投入大量的研究資金和人力,并取得了許多的研究成果。本文主要介紹國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)、公司在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)方面研究進(jìn)展與應(yīng)用現(xiàn)狀。

1 國(guó)外飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研究進(jìn)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 高等院校研究進(jìn)展

馬里蘭大學(xué)從1977年開(kāi)始進(jìn)行飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究,其多層圓柱儲(chǔ)能飛輪的轉(zhuǎn)子材料為碳纖維-環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料,具體參數(shù)為:外徑564mm、內(nèi)徑254 mm、厚553mm、重172.8 kg,最大轉(zhuǎn)速達(dá)到46 345 r/min。設(shè)計(jì)出的磁芯疊片,磁鐵材料和磁芯纏繞方式,電機(jī)總效率可達(dá)94%。電樞繞線采用三相△連接,每相具有1/3極距的交疊;已開(kāi)發(fā)出的“敏捷微處理器電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”,當(dāng)電壓式電流過(guò)零時(shí)能大幅地提高共振頻率[9],并長(zhǎng)期從事電磁懸浮儲(chǔ)能飛輪開(kāi)發(fā),采用差動(dòng)平衡磁軸承,已完成儲(chǔ)能20 kWh飛輪研制。

賓州州立大學(xué)復(fù)合材料制造技術(shù)中心(PSUCMTC)在復(fù)合材料飛輪的纖維束纏繞、固化成型、系統(tǒng)測(cè)試及后期系統(tǒng)集成方面做了許多有效工作。

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的機(jī)電研究中心(UT-CEM)致力于適用于公共汽車(chē)的低質(zhì)量、高性能的復(fù)合材料飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的研制,在試制的飛輪儲(chǔ)能

系統(tǒng)飛輪轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)測(cè)試中,最高轉(zhuǎn)速可達(dá)45 000 r/min。UT-CEM于2004年研制出同時(shí)期單體最大的移動(dòng)式復(fù)合材料飛輪重達(dá)2 273 kg,最高轉(zhuǎn)速15 000 r/min,儲(chǔ)能130 kWh的復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子[10]。目前正在進(jìn)行的“阿爾卑斯”計(jì)劃系統(tǒng)中,包括一個(gè)3MW渦輪機(jī)/發(fā)電機(jī)與原動(dòng)機(jī)的480 MJ,2 MW飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)耦合[11]。

賓夕法尼亞州立大學(xué)的飛輪儲(chǔ)能研究小組致力于先進(jìn)復(fù)合材料飛輪的制作與纏繞工藝,為防止徑向離心應(yīng)力引起的脫層,外層的三個(gè)碳纖維飛輪圓環(huán)之間有彈性聚亞胺脂彈性過(guò)渡層,中間的玻璃纖維圓環(huán)內(nèi)外均與碳纖維環(huán)過(guò)盈預(yù)壓力裝配,他們克服徑向脫層的另一個(gè)技術(shù)措施是采用高彈性材料作為纖維基底,為克服纏繞殘余應(yīng)力和提高品質(zhì),采用了獨(dú)特的固化與纏繞同步工藝[12]。

休斯頓大學(xué)的德克薩斯超導(dǎo)中心研發(fā)出復(fù)合材料的儲(chǔ)能飛輪,重19 kg、飛輪外徑304.8 mm,能做到儲(chǔ)能1 kWh,主要特點(diǎn)是做到了等應(yīng)力設(shè)計(jì),采用超導(dǎo)磁懸浮與永磁結(jié)合支承方式[6]。

此外,華盛頓大學(xué)機(jī)械工程系在進(jìn)行玻璃纖維飛輪的研究工作,并采用寶石軸承/永磁軸承。

1.2 科研院所研究進(jìn)展

美國(guó)國(guó)家宇航局(NASA)在上世紀(jì)80年代開(kāi)始衛(wèi)星飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究,在90年代末期研制成兼有電源和調(diào)姿功能的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng),以用于低地球軌道衛(wèi)星;1998年夏,兼有姿態(tài)調(diào)控的復(fù)合材料飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在美國(guó)已進(jìn)入航天器應(yīng)用的研制階段[13];2000年3月,NASA G1enn中心在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境研制成功磁懸浮復(fù)合材料飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng),轉(zhuǎn)速達(dá)到600 000 r/min,線速度為800 m/s。該中心目前的研究重點(diǎn)集中在高速軸(HSS),飛輪系統(tǒng)能夠達(dá)到的速度高達(dá)100 000 r/min。

美國(guó)勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用永磁釹鐵硼棒料特別排列成定子,產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)偶極區(qū),轉(zhuǎn)子多相纏繞,電感低,靜子銅損通過(guò)冷卻加以控制。美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和發(fā)展采用超導(dǎo)軸承,設(shè)計(jì)儲(chǔ)能量20 kWh的高效飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)裝置用于工業(yè)領(lǐng)域。

1.3 科技企業(yè)研究進(jìn)展與應(yīng)用

Beacon Power公司對(duì)20C1000飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)和改進(jìn),從而確定雙飛輪結(jié)構(gòu),為電信/電纜裝備供給備用電力,其飛輪轉(zhuǎn)速30 000～100 000 r/min,最高線速700 m/s,放電深度90%,電機(jī)效率96%,輸入可用儲(chǔ)量2 000Wh,輸入電壓為直流36 V、48 V或96 V,額外輸出功率1 kW;輸出電壓120/240 V DC,50/60 Hz,最大輸出功率4 kW;轉(zhuǎn)子分量:68 kg,飛輪模塊分量:383 kg,電子模塊分量90 kg;設(shè)計(jì)壽命:20年,平均故障距離時(shí)間:10萬(wàn)小時(shí)。在2001年5月,推出全新100 kW高功率飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng),采用脈沖寬度調(diào)制轉(zhuǎn)換器,實(shí)現(xiàn)從直流母線到三相變頻交流的雙向能量轉(zhuǎn)換,具有穩(wěn)速、恒壓功能,此功能是運(yùn)用一個(gè)專利算法自動(dòng)實(shí)現(xiàn),而不需要指定的主動(dòng)或從動(dòng)元件。

Vycon公司開(kāi)發(fā)出140 kW的儲(chǔ)能飛輪,轉(zhuǎn)速24 000～6 000 r/min,能提供15 s工業(yè)UPS應(yīng)用的能力。飛輪在真空中旋轉(zhuǎn),其支承為主動(dòng)磁軸承(磁懸浮),以盡量減少損失軸承,并具有高功率電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)耦合到一個(gè)高效的電源轉(zhuǎn)換模塊[15]。在使用和沒(méi)有飛輪儲(chǔ)能的膠輪龍門(mén)起重機(jī)的一小時(shí)燃油及廢氣排放測(cè)試中,有近21%的燃料消耗減少,它比理論上最大的預(yù)期要小[16]。

德國(guó)Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh公司1997年動(dòng)手設(shè)想5 MWh/100 MW超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能電站的概念。電站由10個(gè)飛輪模塊構(gòu)成,每個(gè)模塊儲(chǔ)能0.5 MWh,功率10 MW,重30 t,直徑3.5 m、高6.5 m,用同步電動(dòng)/發(fā)電機(jī)停止電能輸出輸出。每個(gè)模塊包羅一個(gè)電動(dòng)/發(fā)電機(jī)子模塊、4個(gè)碳纖維復(fù)合材料制成的轉(zhuǎn)子模塊和6個(gè)SMB子模塊。每個(gè)飛輪轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能125 kWh,重3 t,能量密度42Wh/kg,運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為2 250～4 500 r/min,最大外緣線速度600 m/s,最大拉應(yīng)力810 MPa,用該超導(dǎo)磁懸浮儲(chǔ)能飛輪電站來(lái)進(jìn)行電力調(diào)峰,整個(gè)系統(tǒng)效率達(dá)96%。

Urenco集團(tuán)公司發(fā)展了FQ系列飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng),設(shè)計(jì)壽命20年,循環(huán)1 000萬(wàn)次,轉(zhuǎn)子可免維修,長(zhǎng)期運(yùn)行,提供DC和AC電力品質(zhì),軌道列車(chē)制動(dòng)能源回收,像傳統(tǒng)的UPS應(yīng)用一樣地穩(wěn)定電網(wǎng)頻率,并能在島嶼風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用。其技術(shù)指標(biāo)如下:輸出功率100 kW,輸出電壓直流650～700V,最大功率放電時(shí)間30 s,工作速度12 000 r/min～36 000 r/min,并成功應(yīng)用于交通、電力、UPS電源等領(lǐng)域。

波音公司從1999年開(kāi)始與阿貢實(shí)驗(yàn)室合作研制5 kWh/100 kW等級(jí)的HTS-FESS,2007年底完成了5 kWh/100 kW等級(jí)的整機(jī)實(shí)驗(yàn),測(cè)試速度達(dá)到了15 000 r/min,并完成整個(gè)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的最終用戶測(cè)試,后來(lái)測(cè)試速度將達(dá)到22 500 r/min。最近波音公司的高溫超導(dǎo)(HTS)軸承工作概況是:在現(xiàn)場(chǎng)安裝部署,飛輪是由高溫超導(dǎo)懸浮軸承,其定子是由連接到制冷機(jī)傳導(dǎo)冷卻。在全速情況下,飛輪有5 kWh的動(dòng)能,它可以提供三相208V電源千瓦到電力負(fù)荷[17]。

美國(guó)Satcon技術(shù)公司開(kāi)發(fā)傘狀飛輪,這種結(jié)構(gòu)有利于電機(jī)的位置安放,對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性十分有利,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大,節(jié)省材料,輪轂強(qiáng)度設(shè)計(jì)合理,用機(jī)械支承支承方式的飛輪一般用于快速充放電系統(tǒng),并開(kāi)發(fā)先進(jìn)飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)等。

美國(guó)Kaman電磁公司研制的電磁炮、電化學(xué)炮,要求在幾個(gè)毫秒時(shí)間產(chǎn)出200 kA的放電,以滿足負(fù)載的需要。國(guó)外其他科技企業(yè)研究飛輪的還有很多,并有實(shí)際的應(yīng)用方面。

1.4 總結(jié)

美國(guó)是研究飛輪儲(chǔ)能最早的國(guó)家之一,其擁有多家研究機(jī)構(gòu),資金雄厚,技術(shù)先進(jìn),在飛輪技術(shù)的研究與應(yīng)用方面頗有成果。其他發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)入飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)也不晚,研究的機(jī)構(gòu)眾多,其飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品也都終將走向成熟,尤其在關(guān)鍵的技術(shù)方面更是更專業(yè),有更高的水準(zhǔn)。

2 國(guó)內(nèi)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研究進(jìn)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 高等院校研究進(jìn)展

清華大學(xué)工程物理系儲(chǔ)能飛輪實(shí)驗(yàn)室于1997年設(shè)計(jì)出第一套復(fù)合材料飛輪系統(tǒng),轉(zhuǎn)子重8 kg,直徑23 cm,于1998年成功運(yùn)轉(zhuǎn)到48 000 r/min,線速度580m/s,并實(shí)現(xiàn)充放電。2003年完成500Wh飛輪儲(chǔ)能不間斷電源原理樣機(jī),飛輪轉(zhuǎn)速42 000 r/min,復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子邊緣線速度達(dá)到650 m/s[18]。2008年6月,對(duì)復(fù)合材料環(huán)向纏繞的高儲(chǔ)能密度飛輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn),達(dá)到實(shí)驗(yàn)極限轉(zhuǎn)速54 300 r/min,輪緣線速度796 m/s,儲(chǔ)能密度48

北京航空航天大學(xué)在航天器姿態(tài)穩(wěn)定控制高精度執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)-磁懸浮飛輪研究方面國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。飛輪儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)裝置可用電能為13Wh,轉(zhuǎn)換效率達(dá)到83%,實(shí)驗(yàn)輸出功率100W,最大輸出功率可達(dá)200W左右[19]。

華北電力大學(xué)研制的鋼質(zhì)飛輪極限轉(zhuǎn)速10 000 r/min,采用永磁-流體動(dòng)壓混合支承,將控制規(guī)律應(yīng)用到飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)試驗(yàn)中,成功進(jìn)行了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)加速儲(chǔ)能試驗(yàn)以及飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)與電力系統(tǒng)同步運(yùn)行控制試驗(yàn)[20]。

合肥工業(yè)大學(xué)趙韓教授提出面向應(yīng)用的簡(jiǎn)化復(fù)合材料工業(yè)設(shè)計(jì)方法,并設(shè)計(jì)了一個(gè)10層、內(nèi)徑60 mm、外徑120mm、轉(zhuǎn)速80 000 r/min的飛輪[21]。

從論文發(fā)表情況看,中國(guó)科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、東南大學(xué)、華中科技大學(xué)、武漢理工大學(xué)、鄭州大學(xué)、中南大學(xué)、西北工定大學(xué)、上海大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等也在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)某個(gè)方面開(kāi)展了一些研究。

2.2 科研院所研究進(jìn)展

中國(guó)科學(xué)院電工研究所制作了一臺(tái)混合SMB樣機(jī),轉(zhuǎn)軸采用軸向型SMB、永磁軸承和電磁懸浮軸承共同支撐懸浮,最高轉(zhuǎn)速達(dá)到9 600 r/min;其中SMB定子由七塊直徑30mm、高度13 mm的YBCO超導(dǎo)塊材拼成,而對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子由一直徑75 mm的永磁圓環(huán)和直徑20mm的永磁圓柱體組成,上述樣機(jī)中選用的SMB結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作容易。

北京飛輪儲(chǔ)能柔性研究所率先在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了立軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)是永磁高溫超導(dǎo)的聯(lián)合磁旋浮,接著又完成了永磁卸荷和由液體動(dòng)壓軸承提供輔助支撐的準(zhǔn)磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的仿真,其飛輪重20 kg,轉(zhuǎn)速3 000 r/min。

中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密儀器研究所,主持航天姿控及儲(chǔ)能一體化飛輪系統(tǒng)技術(shù),采用飛輪儲(chǔ)能兼作姿態(tài)機(jī)動(dòng)和穩(wěn)定的方法來(lái)代替現(xiàn)有的蓄電池和三軸姿態(tài)控制系統(tǒng),在重量、儲(chǔ)能潛力、大功率、長(zhǎng)壽命等方面有較大的優(yōu)越性[11]。

2.3 科技企業(yè)研究進(jìn)展與應(yīng)用

我國(guó)科技企業(yè)在飛輪儲(chǔ)能的研發(fā)方面較遲,但是也在不斷地發(fā)展中,認(rèn)為大有可為。目前蘇州菲萊特能源科技有限公司與深圳飛能能源有限公司也在從事商業(yè)化的飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品研發(fā)。

2.4 總結(jié)

上世紀(jì)80年代初期,中國(guó)科學(xué)院電工研究所就開(kāi)始飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研究探索,之后從90年代中期,國(guó)內(nèi)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)逐步興起,研究的單位也隨著新能源的需求不斷地增加,在飛輪儲(chǔ)能的各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)也取得了一些進(jìn)展。與國(guó)外相比,國(guó)內(nèi)在復(fù)合材料性能、軸承技術(shù)和電能轉(zhuǎn)換效率和實(shí)驗(yàn)研究方面存在明顯的差距,總的來(lái)說(shuō),國(guó)內(nèi)理論研究較多,工程實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)而較少;理論分析與計(jì)算較為充分,實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)欠缺;國(guó)內(nèi)在飛輪儲(chǔ)能的產(chǎn)品投入不足,開(kāi)發(fā)還處于初級(jí)階段,目前國(guó)內(nèi)只有樣機(jī)的問(wèn)世,一直沒(méi)有產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。

3 應(yīng)用前景

目前,隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高以及全球能源的供需矛盾,飛輪儲(chǔ)能研發(fā)人員的目光也必將將其轉(zhuǎn)向更多的應(yīng)用領(lǐng)域。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電速度快,放電完全,損耗小,也決定它廣闊的應(yīng)用前景。

3.1 不間斷電源

不間斷電源由于能確保不間斷供電和保證供電質(zhì)量,在醫(yī)院、金融機(jī)構(gòu)、大型飯店、商場(chǎng)、國(guó)防指揮中心、電信運(yùn)營(yíng)商、大型數(shù)據(jù)中心、政府重要部門(mén)及大型生產(chǎn)企業(yè)等地方得到廣泛使用。目前蓄電池通常都存在對(duì)工作溫度、工作濕度、輸入電壓以及放電深度等條件要求,同時(shí)蓄電池也不允許頻繁的關(guān)閉和開(kāi)啟,而飛輪具有充電快捷、充放電次數(shù)無(wú)限,可靠、安全、高效的電力供應(yīng)保障等優(yōu)點(diǎn),因此在不間斷電源系統(tǒng)領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。

3.2 電力調(diào)峰

電力調(diào)峰是電力系統(tǒng)必須要解決的重要問(wèn)題,因?yàn)殡娋W(wǎng)頻率的變動(dòng)和偏差,對(duì)用戶和原動(dòng)機(jī)的影響和危害很大。電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,是供電質(zhì)量的重要指標(biāo)。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是在電網(wǎng)負(fù)荷處于低谷時(shí),雙向互逆電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)飛輪,把電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。當(dāng)在用電高峰時(shí),互逆電機(jī)作為發(fā)電機(jī)把儲(chǔ)存在飛輪中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。與目前常用的抽水蓄能相比,飛輪儲(chǔ)能技術(shù)具有能量輸入、輸出快捷,轉(zhuǎn)換效率高,成本低,充放電快捷與近分散放置等特點(diǎn),在電力行業(yè)有廣泛的應(yīng)用前景。

3.3 軌道交通應(yīng)用

將飛輪陳列安裝于城軌變電站,列車(chē)制動(dòng)時(shí)吸收能量回饋到電網(wǎng),儲(chǔ)存于高速旋轉(zhuǎn)的飛輪中;當(dāng)區(qū)間有列車(chē)加速時(shí),將儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)以提供較大的功率。這樣調(diào)節(jié)了系統(tǒng)電壓穩(wěn)定,減少損耗,平抑功率流,提高基礎(chǔ)設(shè)施利用率,且無(wú)廢熱排放等優(yōu)點(diǎn)。

3.4 電動(dòng)汽車(chē)

隨著環(huán)境保護(hù)的需求及石油儲(chǔ)量問(wèn)題的日益突出,開(kāi)發(fā)節(jié)能及采用替代能源的環(huán)保型汽車(chē),以減少對(duì)環(huán)境的污染,是當(dāng)今世界汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。汽車(chē)制造行業(yè)紛紛把目光轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車(chē)的研制,能找到儲(chǔ)能密度大、充電時(shí)間短、價(jià)格適宜的新型電池是電動(dòng)汽車(chē)能否擁有更大的機(jī)動(dòng)性并與汽油車(chē)一爭(zhēng)高下的關(guān)鍵,而飛輪電池能在車(chē)輛正常行駛時(shí)和剎車(chē)時(shí),給飛輪充電,在加速或爬坡時(shí),給車(chē)輛提供動(dòng)力,在減少燃料消耗、空氣和噪聲污染、發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)等方面有著積極的意義。

3.5 新能源并網(wǎng)應(yīng)用

光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等綠色能源自身所固有的隨機(jī)性、間歇性、不可控性的特點(diǎn),使得可再生能源電廠不可能像其它傳統(tǒng)電源一樣制定和實(shí)施準(zhǔn)確的發(fā)電計(jì)劃,這給電網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)度帶來(lái)巨大壓力;同時(shí)可再生能源的大規(guī)模接入所帶來(lái)的局部電網(wǎng)無(wú)功電壓和頻率問(wèn)題、電能質(zhì)量問(wèn)題等等也不容忽視,會(huì)對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰和系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來(lái)顯著影響。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)能在很大程度上解決新能源發(fā)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性問(wèn)題,可以實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電的平滑輸出,有效調(diào)節(jié)新能源發(fā)電引起的電網(wǎng)電壓、頻率及相位的變化,使大規(guī)模風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電方便可靠地并入常規(guī)電網(wǎng),減少溫室氣體排放。

此外,飛輪儲(chǔ)能在太空、潮汐、地?zé)?、軍事以及在港口特殊?chǎng)合等也大有用途和良好的應(yīng)用前景,并有更多的應(yīng)用領(lǐng)域加入飛輪儲(chǔ)能的使用范圍中來(lái)。

4 結(jié)論與展望

從國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展與應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看,國(guó)外在各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)上均取得了較好的成果,從而使得飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在整體性能上比較優(yōu)越。國(guó)內(nèi)也在追趕國(guó)外先進(jìn)技術(shù)水平的研究方向,也取得一定的進(jìn)步。先進(jìn)復(fù)合材料的高強(qiáng)度和低密度特性和高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承使得飛輪儲(chǔ)能技術(shù)向著高轉(zhuǎn)速發(fā)展,高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承與高真空技術(shù)使飛輪運(yùn)行的損耗越來(lái)越小,更加成熟的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)讓自身的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣,更好的前景也讓更多的科技企業(yè)加入飛輪儲(chǔ)能的研發(fā)隊(duì)伍中。

在不間斷供電電源、電力調(diào)峰、車(chē)輛混合動(dòng)力、航天電源和姿態(tài)控制儲(chǔ)能一體化等方面具有廣闊的應(yīng)用前景,其具有效率高、建設(shè)周期短、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),是很有競(jìng)爭(zhēng)力、有廣泛應(yīng)用前景的儲(chǔ)能方式,必將能對(duì)抗傳統(tǒng)UPS電源系統(tǒng)。可以預(yù)測(cè),隨著儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展,在不久的將來(lái)飛輪各個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域?qū)@得實(shí)際應(yīng)用。

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