兆瓦级飞轮储能研发可行性探讨;;;; ;储能系统主要组成：包括3个部分：(1)转子系统；(2)支撑转子的轴承系统；(3)转换能量和功率的电动/发电机系统。另外还有真空室、外壳和控制系统等辅助系统。 ;1.3 飞轮储能的特点;1.3 飞轮储能的特点;目 录;;分项;;2.1 国内外飞轮储能发展现状;2.2 飞轮储能的应用范围;;;目 录; 飞轮储能系统的几个关键技术: ◆飞轮转子的设计：转子动力学，转子材料强度与密度的优化； ◆磁轴承和真空设计：低功耗，动力设计，高转速，长寿命； ◆机械备份轴承：磁悬浮轴承失效时，支撑转子。 ◆功率电子电路：高效率，高可靠性，低功耗的电动机/发电机系统； ◆安全及保护特性：不可预期的动量传递，防止转子爆炸可能性，安全 轻型保护壳设计； 图3.1 超高速飞轮的结构示意图;飞轮转子的设计，一般考虑三个方面： 1、飞轮本身的强度问题：它限定了飞轮的最大储能量； 2、飞轮材料的选择：要求材料具有较高的比强度； 3、飞轮的结构形式：好的结构形式能形成更大的储能电池。 薄壁圆环飞轮，它储存的能量与材料的许用应力的关系为： 注：E-飞轮动能；m-薄壁圆环质量；r-圆环旋转半径；ω-飞轮旋转角速度； I-飞轮转动惯量；[σ]-飞轮材料许用应力；ρ-飞轮材料密度。 飞轮的旋转速度及结构尺寸（外径）受到飞轮材料强度限制。材料许 用应力限制了飞轮的转速不能无限地升高，从而使得飞轮储存的能量受到 限制。因此：材料选择与形状设计是飞轮转子设计的关键。 ; 设计飞轮转子时，对于储能容量一定的飞轮电池来说，应尽可能地做 到质量轻，体积小，造价低。为此，引入下列三个评价指标： 质量能量密度： ，Ks-飞轮的形状系数(Ks≤l)； 体积能量密度： ，V-飞轮转子体积； 价格能量密度： ，C-飞轮转子价格，c-飞轮转子单位质量价格。 通常人们所说的能量密度、储能密度指的是质量能量密度。设计飞轮 转子时，应根据实际应用确定着重考虑哪种评价指标。譬如，对于航天航 空应用，应着重考虑其质量与体积能量密度；对于电网调峰和电动汽车应 用，性价比（价格能量密度）就是其主要因素。 ; ; 表3.1 不同材料飞轮的最大储能能力 ;◆ 高强度纤维复合材料飞轮，不仅密度小、强度高，而且资源丰富，性 能价格比会不断提高，更为可贵的是，一旦纤维材料在高速旋转下破坏， 会变成“棉花糖”样的絮状绒毛，因此现代高强度纤维复合材料是制作飞 轮转子的理想材料。 ◆ 据介绍，中国航天科工集团第六研究院自主研制了F-12高强有机纤维 填补国家高强有机纤维材料的空白。该纤维性能达到国际先进水平，远远 超过国内量产的芳纶II纤维，是芳纶纤维类产品的“佼佼者”，为我国国 防军工及高端民用产品的研制提供了强有力的支撑。50吨生产线的启动对 进一步提高其批量生产能力，打破我国在高端芳纶纤维研究制造领域依赖 于国外进口的被动局面，解决国外对我国此类材料的 “卡脖子”问题， 形成芳纶纤维的国内自主保障能力，具有重要的现实意义。 ; 转子的临界转速不仅与材料的弹性模量、密度有关，而且与转子的形 状高径比（L/r）也有关。对于圆环转子而言，它的极限转速受以下两个因 素控制： 强度控制： ； 临界转速控制： 。 注：1.根据转子动力学计算，高径比一般按照以下形状尺寸设计： ； 2.强度计算出来的转速低于临界转速，强度因素是关键。 ; 表3.2 不同材料飞轮的最大极限速度 ; 复合材料是各向异性材料，在沿纤维方向强度很高，在垂直纤维方向 强度却很低。因此要分别通过环向强度和径向强度分别计算出来的极限转 速，取其中的转速低的为极限转速。 图3.3 圆环强度控制的极限速度理论计算公式; 复合材料的正交可向异性性能导致其设计概念与金属飞轮的设计有 很大的不同。确定转子性能时，需要将几何形状和材料性能结合起来才 能使飞轮性能得到提高。 单层圆环式(single-ring) 飞轮形状设计 同构式 多层圆环式(multi-ring) 异构式 图3.4 多层异构式飞轮剖面示意图; 多层异构式结构主要有以下优点: ◆ 每个单独飞轮环比较容易用连续纤维缠绕工艺理想制造； ◆ 由于各飞轮环使用不同的材料,可以降低复合材料飞轮储能系统的整体 造价,节约制造成本,同时充分发挥复合材料特有的可设计性。 ◆ 内层环强度低的材料比外层环强度高的材料沿径向膨胀要快，产生径向 压应力，调节装配过盈量，从而可有效地改善各层圆环径向应力与环向 应力的分布。 1.选择最佳的分层径向厚度与半径比； 2.选择合适的材料，从内层到外层材料的模质比满足： 3.不同圆环间用一层柔软树脂分割开来, 以阻止拉伸应力的 传递（有待研究）；; 表3.3 复合材料飞轮转子材料性能 注：M-Mandrel (metal), A-glass/epoxy, B-T300/2500, C-T800H/2500 ; 表3.4 不同环间混杂复合材料飞轮的分析结果 注：1.空心/实心圆盘尺寸：R内= 30mm， R外= 120mm，L=100 mm，d=30 mm； 2.M/A/B/C分别对应上表的四种材料。 ; 从表3.4可以看出： (1)无论单一纤维或混杂的复合材料飞轮,空心结构的初始极限转速均高于相应的实心结构的初始极限转速,储能密度亦如此。 (2)对于实心的混杂复合材料飞轮,采用低模量的纤维混杂后,均导致初始极限转速有明显的不同程度的降低。这是由于低模量的纤维而引起的,因此不宜采用低模量的纤维来制造实心的混杂复合材料飞轮。 ; 图3.5 空心飞轮的离心应力曲线 实心飞轮的离心应力曲线 ; 从以上两张图可以看出： (1)单一纤维复合材料飞轮的环向和径向应力沿径向均连续光滑分布(无论空心或实心)；而混杂飞轮的环向应力沿径向分段连续分布,径向应力沿径向连续分布,但不光滑(无论空心或实心)。 (2)无论单一纤维或混杂的复合材料飞轮,也无论空心或实心结构,在转速为60 kr/min时,局部区域的径向应力已接近或超过复合材料的径向拉伸强度;但环向应力远未达到复合材料的环向拉伸强度。这说明,飞轮的径向强度低是限制其转速进一步提高的主导因素。 因此有必要结合多环套装和张紧力缠绕等工艺方法来提高飞轮的径向强度。 (3)无论单一纤维或混杂的复合材料飞轮,空心结构飞轮的径向应力均不同程度地小于相应的实心结构,这是因为空心结构飞轮释放掉了金属芯轴对飞轮内环的约束,这与金属空心飞轮具有同样的结果。 说明选用空心结构有利于提高复合材料飞轮的径向强度。 (4)无论空心或实心结构,单一纤维复合材料飞轮的径向应力沿径向非线性分布,且在径向中部附件的径向应力??大。这是采用混杂的复合材料飞轮、实现一定意义上“等强度”设计的依据；但对于实心混杂飞轮,若内层采用低模量的纤维,反而导致径向应力增大。 ; 为了减少损耗,延长使用寿命,超高速飞轮的轴承多采用非机械接触式,即磁悬浮轴承支承方式。 超导磁悬浮 常用的磁悬浮轴承 电磁悬浮 永磁悬浮 磁悬浮轴承技术具有以下特点: ①非接触,没有磨损,寿命长且工作性能不变； ②无须润滑,不需要润滑介质,故不用泵、管道、过滤器和密封件等,也 不会因润滑剂泄漏污染环境,并且能在高温或极低温(-253℃～450℃) 等特殊环境下工作； ③磁悬浮飞轮的转速只受转子离心力的限制,圆周转速高,因此转子角动 量与质量比可以较大地提高,从而减轻了飞轮质量。 ; 永磁轴承分类： 径向永磁轴承 吸力型永磁轴承 支撑方式 ；磁力提供形式 轴向永磁轴承 斥力型永磁轴承 采用永磁轴承需要注意的几个问题： ◆ 结构设计及稳定性分析：轴向刚度与径向刚度间存在相互制约的关 系，径向稳定则轴向不稳定，轴向稳定则径向不稳定； ◆ 磁力与刚度计算：承载能力与刚度是永磁轴承关键的性能指标； ◆ 力学特性分析：吸力与斥力的研究。 ; 图3.7 永磁轴承基本磁路结构; 图3.8 混合磁轴承系统结构简图; 混合轴承系统原理介绍： 永磁轴承：由于径向永磁轴承在径向方向是稳定的，而轴向方向上是不稳定的，故在转轴中部采轴向电磁轴承来主动控制飞轮转子的轴向位置。 电磁轴承：轴向电磁轴承有双边差动和单边两种类型工作方式，在这里电磁轴承主要是承受部分转子重量，属于静态载荷，动态载荷相对较小，所以在这里采用单边工作方式。由于永磁轴承的卸载作用，电磁轴承的轴向承载力较小，其功耗很低，因此这种混合磁轴承系统结构非常适用于对能耗有特别要求的飞轮储能装置中。 辅助轴承：是一对向心推力轴承，系统工作时，辅助轴承不与飞轮转轴接触。系统不工作(如突然断电或磁悬浮失控)时，转轴支承在辅助轴承上，避免磁轴承转子与定子间的固体接触造成损坏。对于径向永磁轴承与轴向电磁轴承结构下文有详细讨论和分析。; 在200 000 r/min的超高转速条件下转动时,飞轮周围的空气会形成强烈的涡流,造成巨大的空气阻力,会损耗飞轮的能量,这对转子的运动非常不利。为了减少飞轮室风力损耗,现代高速飞轮储能器是在高度密封的真空环境中运转的。 线Pa以下。 真空容器的密封,防止外部气体渗入真空容器中； 关键注意点 飞轮系统材料逸出气体,会破坏真空容器的真空度。 ; 常用电动机分类： ◆ 三相无刷直流电机； ◆ 磁阻电机； ◆ 感应电机； ◆ 永磁无刷电机：应用在转速30 000 r/min以上的飞轮系统中。永磁电 机结构简单,成本低,恒功率调速范围宽,在各种条件下都有较高的效率。目前永磁电机的转速可以达到200 000 r/min,且调速较容易。 美国Indigo能源公司的飞轮电池采用了三相高效永磁无刷电机,其能量转换效率大于95%。 ; 功率变换器必须能够实现双向功率流动,既可以向永磁无刷电动机供能,又可以从永磁无刷电动机吸收能量,并且功率变换器还应具有较高的功率密度和能量转换效率。 ◆ 美国马里兰大学开发出的“敏捷微处理电力转换系统”,在飞轮运行在电动模块时,其功能为电动机控制器；而运行于发电模块时,功能为交流转换器； ◆ 美国Beacon动力公司采用脉冲宽度调制转换器,实现从直流母线到三相变频交流的双向能量转换,飞轮系统具有稳速恒压功能； ◆ 中科院电工研究所采用感应电机调速控制,实现了飞轮中机械能的存储和释放,在飞轮能量释放过程中,利用电压反馈控制负载能获得恒定的电功率。 ;目 录; 表4.1 不同国家的用电峰谷比 表4.2 国家电网峰谷时间段 注：中国国家电网面临的调峰任务也非常严峻。 ; ;◆ 从装机量来说：年1610.9亿kW·h的电力调峰量，则每天需要调峰4.413亿kW·h。如按单台储能100 kW·h （几十千瓦级）计算每天储能3次，则需要147万台，装机量太大，对于电力调峰来说，单机容量小解决不了实际问题；如按每台储能2000 kW·h （兆瓦级）计算，则需要7.36万台装机量。对于一些关键区域的变电站，装上百台调峰也很现实。可见电力调峰系统迫切需要兆瓦级以上飞轮电池的出现。 ◆ 从装机成本来说：目前抽水蓄能系统总成本达到4000～5000元/kW，系统效率在75%左右。从度电成本来说，几十千瓦功率的飞轮电池成本在10000元/kW以上，根本无法和抽水蓄能竞争，只有飞轮储能的功率达到兆瓦级以上，成本会降到5000元/kW 左右，虽比抽水蓄能略高些，但是其系统效率可达到90% 以上。 综上两点，无论从装机量要求还是度电成本的??价比要求，考虑环境因素等方面，兆瓦级以上飞轮储能都具备很大的竞争优势，发展潜力非常巨大。; 国外飞轮储能系统电力调峰实例分析： ◆ 美国马里兰大学已于1991年开发明了用于电力调峰的24 kW·h电磁悬浮飞轮系统,飞轮重172. 8 kg,工作转速范围在11610 ～ 46345 r/min之间,破坏转速为48 784 r/min,系统输出电压110 V/240 V,全程效率为81%。 ◆ 德国：在1996年着手研究储能5MW·h的超导磁悬浮储能飞轮电站,电站由10个飞轮模块组成，每个模块重30t、直径3.5m、高6.5m，转子运行转速为2250～4500r /min,最大外缘线MPa，能量输入、输出采用电动/发电机来实现，系统效率96%。 ;◆ 目前飞轮电池已经成熟应用于UPS，但是单机容量都不大。兆瓦级飞轮电池的研发成功，可以给一些特殊领域，如大功率的工作站等提供兆瓦级的UPS。 ◆ 为太阳能、风能等间歇式电源提供大功率的无功补偿，为它们的并网“瓶颈”问题，提供保障和贡献力量，因此也会间接提高可再生能源占整个能源的比例。; 大容量飞轮电池研发阶段： ◆ 第一阶段：研发50kW · h（20kW级别）的飞轮储能电池，验证飞轮储能系统的整体可行性，包括飞轮转子的极限转速、磁悬浮轴承是否稳定可行、整个系统的效率等方面。研发成功后，此类型产品可以直接应用于目前比较成熟的小储能的UPS电源市场。 ◆ 第二阶段：待小储能量的飞轮电池技术成熟以后，总结经验，优化设计原理，研发2000kW · h（兆瓦级）以上的飞轮储能电池。; ; ; ; 目前研发兆瓦级飞轮的技术壁垒： ◆ 复合材料转子 ：对于一定几何形状尺寸的转子，它的储能量受制于转子的外缘极限速度。强质比越高的材料，极限转速越高，但是价格也更加昂贵，因此要选用最佳性价比的高强复合材料。同时高强复材生产加工一直受制于国外，目前航天六院具备批量生产芳纶F-12的能力，为兆瓦级飞轮转子的研发提供了后盾。 ◆ 磁悬浮轴承：目前小型磁悬浮轴承设计原理、生产制造都比较成熟了，但是飞轮转子做大以后，磁悬浮轴承也都要相应的增大，设计原理依然是否可行，需要试验验证。这也是限制大容量飞轮电池能否成功的一个关键技术。;;谢 谢 ！

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