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國內(nèi)外飛輪儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀研究

   2012-09-18 中國儲能網(wǎng)26170
核心提示:一、大規(guī)模發(fā)展新能源和推動節(jié)能環(huán)保亟須發(fā)展大容量儲能產(chǎn)業(yè)  傳統(tǒng)能源的日益匱乏和環(huán)境日趨惡化,極大地促進了新能源的發(fā)展,新能
一、大規(guī)模發(fā)展新能源和推動節(jié)能環(huán)保亟須發(fā)展大容量儲能產(chǎn)業(yè)
 
  傳統(tǒng)能源的日益匱乏和環(huán)境日趨惡化,極大地促進了新能源的發(fā)展,新能源發(fā)電的規(guī)模也快速攀升。但風(fēng)電、太陽能發(fā)電自身所固有的隨機性、間歇性特征,決定了其規(guī)?;l(fā)展必然會對電網(wǎng)調(diào)峰和系統(tǒng)安全運行帶來顯著影響,必須要有先進的儲能技術(shù)作支撐。國外有關(guān)研究表明,如果風(fēng)電裝機占裝機總量的比例在10%以內(nèi),依靠傳統(tǒng)電網(wǎng)技術(shù)以及增加水電、燃?xì)鈾C組等手段基本可以保證電網(wǎng)安全;但如果所占比例達(dá)到20%甚至更高,電網(wǎng)的調(diào)峰能力和安全運行將面臨巨大挑戰(zhàn)。儲能技術(shù)在很大程度上解決了新能源發(fā)電的隨機性、波動性問題,可以實現(xiàn)新能源發(fā)電的平滑輸出,能有效調(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)電及太陽能發(fā)電方便可靠地并入常規(guī)電網(wǎng)。
 
  中國新能源大發(fā)展在即,對儲能產(chǎn)業(yè)有更急迫的現(xiàn)實需求。預(yù)計到2020年風(fēng)電和太陽能發(fā)電裝機會突破1.7億千瓦,占全國發(fā)電裝機總量的比例會超過15%。但由于目前我國電力系統(tǒng)煤電比例較高,在部分地區(qū)又主要是調(diào)峰能力差的供熱機組,核電發(fā)展很快但卻不能參與調(diào)峰,水電、燃?xì)獍l(fā)電等調(diào)峰性能優(yōu)越的電源所占比例過低,導(dǎo)致現(xiàn)有電力系統(tǒng)接納新能源的能力很弱。再加上我國能源資源所在地多遠(yuǎn)離負(fù)荷地,不得不實施風(fēng)電、光電的“大規(guī)模集中開發(fā)、遠(yuǎn)距離輸送”,這更進一步加大了電網(wǎng)運行和控制風(fēng)險。隨著國內(nèi)新能源發(fā)電規(guī)模的快速擴大,電網(wǎng)與新能源的矛盾越來越突出,對儲能的需求更為迫切。
 
  大容量儲能還可提高能源利用效率,為國家節(jié)約巨額投資。為應(yīng)對城市尖峰負(fù)荷,電力系統(tǒng)每年都要新增大量投資用于電網(wǎng)和電源后備容量建設(shè),但利用率卻非常低。以上海為例,2004—2006年間,為解決全市每年只有183.25小時的尖峰負(fù)荷,僅對電網(wǎng)側(cè)的投資每年就超過200億元,而為此形成的輸配電能力的年平均利用率不到2%。同樣是為了應(yīng)對尖峰負(fù)荷,轉(zhuǎn)而采用大容量儲能技術(shù),不僅投資會成倍減少,而且由于儲能設(shè)施占地少、無排放,其節(jié)地、節(jié)能、減排的效果是其他調(diào)峰措施無法比擬的。
 
  二、全球大容量儲能技術(shù)呈多元化發(fā)展格局,中國企業(yè)已掌握關(guān)鍵技術(shù),擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。
 
  全球儲能技術(shù)主要有化學(xué)儲能(如鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池、鎳鎘電池、超級電容器等)、物理儲能(如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等)和電磁儲能(如超導(dǎo)電磁儲能等)三大類。目前技術(shù)進步最快的是化學(xué)儲能,其中鈉硫、液流及鋰離子電池技術(shù)在安全性、能量轉(zhuǎn)換效率和經(jīng)濟性等方面取得重大突破,產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的條件日趨成熟。鈉硫電池的充電效率已可達(dá)到80%,能量密度是鉛酸蓄電池的3倍,循環(huán)壽命更長。日本在此項技術(shù)上處于國際領(lǐng)先地位,2004年日本在本國Hitachi自動化工廠安裝了當(dāng)時世界上最大的鈉硫電池系統(tǒng),容量是9.6MW/57.6MWh。液流釩電池的基礎(chǔ)材料是釩,該電池具有能量效率高、蓄電容量大、能夠100%深度放電、壽命長等優(yōu)點,已進入商業(yè)化階段。鋰離子電池的基礎(chǔ)材料是鋰,已開始在電動自行車、電動汽車等領(lǐng)域應(yīng)用,近年來由于磷酸亞鐵鋰、納米磷酸鐵鋰等新材料的開發(fā)與應(yīng)用,大大改善了鋰離子電池的安全性能和循環(huán)壽命,大容量鋰電池儲能電站正逐漸興起。
 
  物理儲能中最成熟也是世界應(yīng)用最普遍的是抽水蓄能,主要用于電力系統(tǒng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用等。其能量轉(zhuǎn)換效率在70%—75%左右。目前世界范圍內(nèi)抽水蓄能電站總裝機容量9000萬千瓦,約占全球發(fā)電裝機容量的3%。壓縮空氣技術(shù)早在1978年就實現(xiàn)了應(yīng)用,但由于受地形、地質(zhì)條件制約,沒有大規(guī)模推廣。飛輪蓄能的特點是壽命長、無污染,動態(tài)特性好,但超大容量的飛輪,目前技術(shù)尚不成熟。電磁儲能技術(shù)現(xiàn)在仍很昂貴,還沒有商業(yè)化。
 
  三、國外飛輪儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
 
  美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家對飛輪儲能技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用比較多。日本已經(jīng)制造出在世界上容量最大的變頻調(diào)速飛輪蓄能發(fā)電系統(tǒng)(容量26.5MVA,電壓1100V,轉(zhuǎn)速510690r/min,轉(zhuǎn)動慣量710t·m2) 。美國馬里蘭大學(xué)也已研究出用于電力調(diào)峰的24kwh的電磁懸浮飛輪系統(tǒng)。飛輪重172.8kg, 工作轉(zhuǎn)速范圍11, 610—46, 345rpm,破壞轉(zhuǎn)速為48, 784rpm, 系統(tǒng)輸出恒壓110-240V ,全程效率為81%。經(jīng)濟分析表明,運行3 年時間可收回全部成本。飛輪儲能技術(shù)在美國發(fā)展得很成熟,他們制造出一種裝置,在空轉(zhuǎn)時的能量損耗達(dá)到0. 1 %每小時。歐洲的法國國家科研中心、德國的物理高技術(shù)研究所、意大利的SISE均正開展高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承的飛輪儲能系統(tǒng)研究。
 
  1、美國宇航局(NASA)Glenn 研究中心及其合作單位
 
  NASA飛輪主要應(yīng)用于航空航天,以及軍用裝甲車輛上,用途主要是:能量儲存;動力和姿態(tài)控制;峰值功率調(diào)節(jié)等。設(shè)計儲能量:300-700W3S;儲能密度44wh/kg;轉(zhuǎn)速:60000rpm;線速度:不小于880m/s。目標(biāo)建立和測試大型飛輪儲能系統(tǒng),目標(biāo):儲能密度大于100wh/kg;線速度不小于1260m/s。工作高低轉(zhuǎn)速比:3:1;放電深度:90%;運行轉(zhuǎn)速內(nèi)無臨界模態(tài),后期研究控制模態(tài)可能性。
 
     2、Bescon Power 公司
 
  Bescon Power 公司生產(chǎn)的飛輪電池產(chǎn)品用以滿足迅速增長的可靠的、分布式電源需求。建立為通訊應(yīng)用提供后備電源的商業(yè)基礎(chǔ),估計每年擁有10000套飛輪系統(tǒng)需求。為電信/ 電纜設(shè)備提供備用電力供應(yīng)的20C1000飛輪儲能系統(tǒng)為主。
 
  飛輪采用采用高強度復(fù)合材料輪緣,高速、長壽命、無需維護、低損耗永磁偏置主動/被動磁軸承,直流永磁無刷高效率、低損耗電動/發(fā)電機,正弦波脈寬調(diào)制實現(xiàn)驅(qū)動電壓、電流一體化控制的雙向換流器,真空密封,埋入地下,運行狀況可以通過互聯(lián)網(wǎng)進行監(jiān)視。
 
  指標(biāo):工作轉(zhuǎn)速:30000-100000rpm,最高線速度:700m/s,放電深度:90%,電機效率:96%,輸出可用儲量2000wh;輸出電壓為直流36V、48V 或96V,額定輸出功率1kw;輸入電壓120/240 DC,50/60HZ,最大輸入功率kw;轉(zhuǎn)子重量:68kg,飛輪模塊重量:383kg,電子模塊重量90kg;設(shè)計壽命:20年,平均故障間隔時間:10萬小時。
 
  3、Active Power 公司
 
  公司主要生產(chǎn)作為不間斷電源(UPS) 的飛輪電池系統(tǒng),以取代傳統(tǒng)的鉛- 酸電池,解決當(dāng)今對于電力品質(zhì)的高要求。公司產(chǎn)品的應(yīng)用對象主要是廣大工業(yè)用戶,比如:先進的數(shù)據(jù)中心、工業(yè)設(shè)備和廣播站等。目前,公司擁有29 項發(fā)明專利,主要產(chǎn)品有Cat UPS 系列和Cleansource DC 系列。ActivePower 的飛輪材料為4340 鍛鐵,其飛輪轉(zhuǎn)子與電動/ 發(fā)電機、磁軸承整合在一起。用磁鐵卸去80 %的重量以延長飛輪軸承的壽命和減小損耗。飛輪的工作轉(zhuǎn)速在7000~7700rpm。工作維持時間為幾十秒到幾分鐘。目前公司飛輪已經(jīng)產(chǎn)品化出售,并在北京設(shè)有辦事處。
 
  4、德國Forschungszentrum karlsruhe Gmbh 公司
 
  德國Forschungszentrum karlsruhe Gmbh 公司1997年著手設(shè)計5MWh/100MW超導(dǎo)飛輪儲能電站的概念設(shè)計。電站由10個飛輪模塊組成,每個模塊儲能0.5MWh,功率10MW,重30t,直徑3.5m、高6.5m,用同步電動/發(fā)電機進行電能輸入輸出。每個模塊包括一個電動/發(fā)電機子模塊、4個碳纖維復(fù)合材料制成的轉(zhuǎn)子模塊和6個SMB子模塊。每個飛輪轉(zhuǎn)子儲能125kwh,重3t,能量密度42wh/kg,運行轉(zhuǎn)速為2250-4500rpm,最大外緣線速度600m/s,最大拉應(yīng)力810Mpa。SMB由YBCO塊材料和稀土鐵棚型高強度永磁材料構(gòu)成,耗用10t的YBCO塊材和5t的永磁材料。系統(tǒng)效率96%。
 
  5、日本
 
  日本已投資3500 萬美元進行高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承飛輪儲能研究,由三菱、日立、精工等公司和多個研究所、高校組成3 個研究組合作承擔(dān)。已研制出3 種試驗?zāi)P蜋C,并進行了儲能8MW.h 容量1000kW 的飛輪儲能機組的概念設(shè)計。日本原子能研究所一座大型核融合實驗爐采用了飛輪儲能發(fā)電裝置,其主要參數(shù)為:功率235MVA、電壓18kv、電流6898A、飛輪轉(zhuǎn)速420-600rpm、可釋放能量為020MJ,轉(zhuǎn)子為碳素鋼鍛造的實心圓盤,重1000t。
 
  四、國內(nèi)飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
 
  目前國內(nèi)從事與飛輪研究相關(guān)的單位有:清華大學(xué)工程物理系飛輪儲能實驗室、華北電力大學(xué)、北京飛輪儲能柔性研究所(由中科院電工所、天津核工業(yè)理化工程研究院等組成) 、北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、中國科大、中科院力學(xué)所、東南大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等,主要集中在小容量系列,其中,北航針對航天領(lǐng)域研制的“姿控/儲能兩用磁懸浮飛輪”已獲得2007年國家技術(shù)發(fā)明一等獎。華北電力大學(xué)和中國科學(xué)院電工研究所、河北省電力局合作,已經(jīng)開始就電力系統(tǒng)調(diào)峰用飛輪儲能系統(tǒng)的課題進行研究, 預(yù)計能夠取得可喜的成果。
 
  五、結(jié)束語
 
  隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展和高強度復(fù)合材料的出現(xiàn)以及電力電子技術(shù)的新進展, 開發(fā)飛輪儲能技術(shù)已經(jīng)成為可能。從經(jīng)濟和技術(shù)角度看, 飛輪儲能機組作為一種重要的調(diào)峰手段分散接入電網(wǎng)是可行的。由于飛輪機組運行控制的靈活性, 可使電力系統(tǒng)的運行可靠性和穩(wěn)定性得到提高。
 
  飛輪的發(fā)展方向及研究熱點:
 
  1) 超大儲能量、大功率飛輪的研制;
 
  2) 進一步降低儲能飛輪系統(tǒng)的功耗;
 
  3) 系統(tǒng)的安全性、可靠性分析;
 
  4) 機電參數(shù)匹配問題;
 
  5) 強力充放電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
 
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