工业化储能技术及其飞轮储能的应用

　　摘要：文章主要介绍了工业化贮能的三种主要技术，即：电磁贮能、化学贮能和物理贮能。从六个方面比较了工业化储能的技术特征，对典型的储能方式进行了比较。分析了飞轮储能的技术优势，给出了飞轮储能的应用领域。

　　关键词：工业贮能；飞轮储能；电磁能；电化学能

　　1贮能技术分类及特性

　　⑴电磁贮能。电磁贮能按照介质不同可以分为两类：超导材料和电容器贮能，即分别应用这两种材质存储磁场能，输送功率的时候不需要任何形式能量的转换，具有功率大、变换效率高、响应时间短等优势，能够很好地提升电力网络的输出电能质量、削弱输出功率波动。

　　⑵电化学贮能。主要包括：1）钠硫电池；2）锂离子电池；3）铅酸电池；4）液流钒电池；电化学的存储介质是常温中性的，流动性好有利于散热，便于实时监控充放电状态。但作为大型贮能技术的第一选择来讲还是十分现实的。

　　⑶物理贮能。物理贮能是在材料组成不变的基础上，应用物理设备将一种能量转换为另一种不同种类的能量，并在能量紧缺时将存储的能量释放的一种贮能技术。目前，主要的物理贮能方式有以下几类：1）压缩空气贮能；2）抽水贮能；3）飞轮贮能。

　　2工业贮能的技术特性

　　各类贮能技术的贮能容量、模块化程度、使用寿命、充电时间、地点要求、建设时间以及开发程度都不一样，导致储存原理也不一样，所以对其特性的分析显得极其必要。贮能技术的特征主要归为下面六点：

　　⑴能量转换率。只有较高能量转换率才能保证系统处于高效运行状态。

　　⑵储存容量。一般来讲，储存容量通常比实际输出能量要大一些。

　　⑶自放电效率。自放电效率，其与周围环境、材质、空间设计等因素有关。例如，阳极的高温易分解性影响自放电效率，一次性电池比充电电池自放电效率高一些。

　　⑷功率密度与能量密度。我们通常将贮能系统分成两种类型：功率型和能量型，而这两种类型能够相互补充，各有优势。

　　⑸使用寿命。自动控制水平和维护服务水平将直接决定其循环工作周期的长短。前者如果不能达到最佳的工作状态，将会进一步减少其循环工作周期。

　　⑹放电时间。放电时间即系统最大功率运行时能量的持续释放时间，与系统功率是否恒定、工作情况和系统容量等条件有关。

　　不同贮能技术的比较见表1中。

　　3飞轮贮能的优势

　　（1）相比于化学电池，飞轮贮能机构能够通过控制转子转速的方法来避免过充电的情况发生，并且没有自放电的情况，从而其循环工作周期较长。（2）飞轮贮能机构充放电过程所耗费的时间都不长，通常以秒计算，储电容量很容易地通过读取转子转速的数值而计算得到。（3）飞轮贮能机构的维护量极少，使用寿命完全决定于电子元件的寿命。通常来讲，寿命为几万次的深度充放电过程或20年左右。（4）飞轮贮能技术的输出跟随和自动化控制性能良好。（5）飞轮贮能机构基本不受温度的影响，低温或高温均能正常工作。（6）飞轮贮能机构对建设地点无任何要求。

　　4飞轮贮能机构的应用领域

　　飞轮贮能技术的上述优点决定了其在不同领域都有广阔的发展前景，例如交通、供电和信息领域等等。飞轮贮能技术主要应用在以下各个领域中：

　　⑴交通领域中的应用。飞轮贮能技术可以应用在汽车、火车等交通工具中，通过电力电子装置将刹车时产生的能量转换为高速旋转飞轮转子的机械能并贮存，当加速或上坡时，机械能反向转换为动力供交通工具使用。

　　⑵航天领域中的应用。目前，大多数航天工具的供电系统都是由化学电池与太阳能组成的综合供电系统，这种系统存在充电时间长和放电深度难以测量等约束问题，而飞轮贮能技术能够完美的解决上述问题，还可以通过姿态控制的方法来减轻航天工具的负重，大大降低了航天工具的运行和维护成本。

　　⑶电力系统中的应用。1）电力调峰。当前经济的快速发展使得发电量的增速远远低于电力需求的增速，从而引起负荷峰谷差距增大，导致电力调峰问题日益严重。飞轮贮能技术对地理环境无任何要求，充放电时间短且不会对环境造成任何污染，虽然贮能容量相对较小，但作为一种辅助调峰手段是非常合适的。2）风力发电。风速并不是持续不变的，也不是有规律可循的，因此弃风现象十分严重。为了达到分时段发电、稳定机组输出功率、增大机组功率因数和降低机组损耗的目的，必须以贮能系统为依托。飞轮贮能机构刚好可以满足这种要求，其能够大幅度提升机组的功率因数。当机组捕获风能而产生的电能超过用户需求量时，需求以外的电能则反馈回与飞轮相连的机组，促使其极速转动并带动飞轮转动，变换成机械能贮存；而当机组捕获风能而产生的电能少于用户需求量时，飞轮转子减速，同时变换机械能为电能供给负荷。本文来自《储能科学与技术》杂志