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現(xiàn)代的飛輪儲能技術(shù)一般是指利用電機(jī)帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化成動能儲存在飛輪里，在需要的時候利用飛輪的動能帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電并向外輸出能量的儲能方式。
1 飛輪儲能技術(shù)的原理及組成
人們利用飛輪的慣性闖過機(jī)械設(shè)備死點(diǎn),使設(shè)備保持勻速旋轉(zhuǎn)，如古代有紡車、近代的蒸汽機(jī)、現(xiàn)代的汽油柴油發(fā)動機(jī)等。飛輪旋轉(zhuǎn)的周期很短，其風(fēng)阻和軸承摩擦等能量消耗都比較小，可以忽略不計(jì)。但是如果要利用飛輪來儲備較長時間的能量，以備后續(xù)的使用，其能耗問題就變得突出了。
為了減小能耗，人們通過改變軸承結(jié)構(gòu)，比如把滑動軸承改變?yōu)闈L動軸承、液體動壓軸承、氣體動壓軸承等，并且通過抽真空的辦法來減小空氣阻力，滾動軸承的摩擦系數(shù)可以達(dá)到10-3，這種情況下，飛輪能量每天也要損失接近一半左右。
若要維持一個10萬千瓦電廠穩(wěn)定運(yùn)行，就需要一個10萬噸的鋼制飛輪來儲能，其機(jī)械能和電能之間的轉(zhuǎn)換，還需要復(fù)雜的轉(zhuǎn)換裝置，所以這種儲能方式幾乎不能實(shí)現(xiàn)。
飛輪在轉(zhuǎn)動時的動能為:
式中:J為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量;
ω為飛輪旋轉(zhuǎn)角速度.
飛輪轉(zhuǎn)動時動能與飛輪的轉(zhuǎn)動慣量成正比。而飛輪的轉(zhuǎn)動慣量又正比于飛輪的直徑和飛輪的質(zhì)量,過于龐大、沉重的飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時,會受到極大的離心力作用,一般的飛輪是由鋼鐵制成的，由于其抗拉能力有限，如果主要以其質(zhì)量大小來決定儲能大小，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪得到的離心力往往超過飛輪材料的極限強(qiáng)度,很不安全。所以要增大飛輪的轉(zhuǎn)速成為解決飛輪儲能的主要手段。
飛輪儲能系統(tǒng)主要包括3個部分:
（1）轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，主要指儲能飛輪;
（2）軸承系統(tǒng)，用于支撐轉(zhuǎn)子，比如超導(dǎo)磁懸浮技術(shù);
（3）電動/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，用于能量轉(zhuǎn)換.
另外還包括真空容器、制冷及控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示：
目前主要的材料是高碳纖維材料來保障飛輪的強(qiáng)度:
一般的飛輪儲能裝置中有一個內(nèi)置電機(jī)，在儲能時,它作為電動機(jī)給飛輪加速;當(dāng)釋放能量時,它作為發(fā)電機(jī)給外部供電,飛輪的轉(zhuǎn)速不斷下降，動能轉(zhuǎn)化為電能和其它形式的能量;當(dāng)飛輪空轉(zhuǎn)時,整個裝置低功耗運(yùn)行。
目前的飛輪儲能技術(shù)具有效率高、建設(shè)周期短、壽命長、高儲能、充放電快捷、可以無限次充放電以及沒有污染等特點(diǎn)。適用于電網(wǎng)調(diào)頻、電能質(zhì)量保障、UPS。
2 當(dāng)前飛輪儲能系統(tǒng)的主要應(yīng)用
飛輪儲能主要應(yīng)用在以下三個方面：
①高品質(zhì)不間斷電源；
②磁懸浮飛輪儲能發(fā)電車；
③在新能源中的應(yīng)用
(1)高品質(zhì)不間斷電源。
數(shù)據(jù)顯示，發(fā)達(dá)國家95%以上的停電都由分秒級的電網(wǎng)波動導(dǎo)致。電網(wǎng)的波動使得數(shù)據(jù)機(jī)房不得不采用配備大量的傳統(tǒng)鉛酸電池的UPS，隨著業(yè)務(wù)增長的需求，運(yùn)營成本也越來越高，為了給機(jī)房降溫，需配備大量的空調(diào)設(shè)備，數(shù)據(jù)中心及其電源管理系統(tǒng)建設(shè)越來越面臨巨大的挑戰(zhàn)；另外傳統(tǒng)UPS所使用的鉛酸蓄電池，使用年限短，更換成本高，管理不善會在生產(chǎn)和使用中產(chǎn)生環(huán)境污染，所以人們逐漸傾向于綠色環(huán)保節(jié)能的UPS系統(tǒng)。
而磁懸浮式飛輪儲能UPS系統(tǒng)則無需空調(diào)來制冷,節(jié)省了運(yùn)營電費(fèi)成本;而且,其占用的空間也大幅減小;維護(hù)成本低,更不需更換電池;壽命長達(dá)20年。圖2是一款柜式磁懸浮飛輪儲能型UPS的外觀：
在傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)中,當(dāng)電力發(fā)生中斷時,蓄電池會支撐系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn),與此同時,柴油發(fā)動機(jī)開始啟動,以此保證數(shù)據(jù)中心主機(jī)正常工作、空調(diào)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。蓄電池型UPS在此過程中,提供了“分鐘級”的電力供電。而飛輪儲能型UPS受制于機(jī)械儲能,僅僅能夠提供30s到1min電力供電,這也是飛輪UPS被詬病的主要原因。然而,專家指出,如今,市電電源的可靠性達(dá)到99.9%,有些重要的負(fù)載都采用雙路市電供電,市電的可靠性可以說已經(jīng)達(dá)到了99.99%。萬一市電中斷,后備電源的可靠性也可以達(dá)到99.9%,從市電到后備電源的切換,在技術(shù)上只需要10s的時間,這是一個公開的標(biāo)準(zhǔn)。目前,歐洲可做到8s?？梢詳喽?飛輪儲能型UPS能提供30s的電力完全能夠滿足從市電到后備電源的可靠切換的要求。圖3給出了柜式磁懸浮飛輪儲能型UPS的運(yùn)行示意圖。
(2)磁懸浮飛輪儲能發(fā)電車
目前國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出磁懸浮飛輪儲能移動電源設(shè)備，其容量可以達(dá)到200~500kVA）。多項(xiàng)專利填補(bǔ)國內(nèi)空白，使我國電源車制造能力達(dá)到國際領(lǐng)先水平。使用該種車可以顯著提升企業(yè)的應(yīng)急反應(yīng)能力及供電質(zhì)量，增強(qiáng)機(jī)動性能，提高效益，是城市應(yīng)急機(jī)制中的核心硬件設(shè)備之一。電源車外形美觀，功率、重量配置合理，使用方便靈活，具有極大實(shí)用性，更能提升企業(yè)形象。
傳統(tǒng)的發(fā)電車在保供電作業(yè)的時候，無法做到市電斷電時，發(fā)電車立即投入到送電狀態(tài)，在這之間需要至少3~10s的時間來起動發(fā)電機(jī)組再切換。存在這個問題的發(fā)電車在實(shí)際使用的時候是一個不完美的發(fā)電車。在這個市電斷電的3~10s時間里很重要，特別是在重要會議、執(zhí)行政治任務(wù)或是用電設(shè)備對電源要求高的時候。而磁懸浮飛輪儲能發(fā)電車在這種情況下就可以起到關(guān)鍵作用，在市電斷電的瞬間由磁懸浮飛輪儲能系統(tǒng)（UPS）提供電能，同時啟動發(fā)電機(jī)組。機(jī)組啟動成功運(yùn)行穩(wěn)定后，由機(jī)組經(jīng)過磁懸浮飛輪儲能系統(tǒng)（UPS）向負(fù)載供電。這樣來達(dá)到市電與發(fā)電機(jī)組供電之間的零秒切換。
圖4為移動式飛輪儲能應(yīng)急電源車的實(shí)物照片。
(4)飛輪儲能技術(shù)在新能源中的應(yīng)用
太陽能、風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源,越來越受到世界各國的重視。僅以風(fēng)能為例,中國風(fēng)能儲量很大、分布面廣,僅陸地上的風(fēng)能儲量就有約2.53億千瓦。近幾年來,中國的并網(wǎng)風(fēng)電迅速發(fā)展,截至2011年3月中旬,我國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)4450萬千瓦,風(fēng)電建設(shè)的規(guī)模居全球之首。這也意味著中國已進(jìn)入可再生能源大國行列。中國風(fēng)力等新能源發(fā)電行業(yè)的發(fā)展前景十分廣闊,預(yù)計(jì)未來很長一段時間都將保持高速發(fā)展。
在我國風(fēng)電建設(shè)規(guī)模高居世界第一的同時,風(fēng)電并網(wǎng)問題卻始終制約著我國風(fēng)電的發(fā)展。我國風(fēng)電裝機(jī)容量中仍然有近三成風(fēng)電沒有并網(wǎng)。這是由于風(fēng)能隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn),造成風(fēng)電機(jī)組的出力頻繁波動,從而風(fēng)電場的出力可靠性也差,風(fēng)電比重過大,會使電網(wǎng)的調(diào)頻、調(diào)峰壓力加大,因此,風(fēng)電場大規(guī)模的并網(wǎng)接入對電力系統(tǒng)的運(yùn)行帶來一些新問題。光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等綠色新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)度帶來巨大壓力。同時,可再生能源的大規(guī)模接入所帶來的局部電網(wǎng)無功功率和頻率問題,電能質(zhì)量問題不容忽視,會對電網(wǎng)調(diào)峰和系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來不利影響。研究表明,如果風(fēng)電裝機(jī)占裝機(jī)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(jī)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(yùn)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(jī)性、波動性問題,可以實(shí)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)電方便可靠地并入傳統(tǒng)電網(wǎng)。高速飛輪儲能系統(tǒng)可以在瞬間釋放出巨大電力以穩(wěn)定電網(wǎng)波動。可實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的調(diào)峰功能,從而替代水力、燃?xì)獍l(fā)電廠,為電網(wǎng)運(yùn)營商創(chuàng)造更可靠的供電系統(tǒng)。由此可見,飛輪儲能技術(shù)能夠提高電網(wǎng)對可再生能源的接納能力。
3 國內(nèi)外飛輪儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析
(1) 大容量儲能技術(shù)呈多元化發(fā)展
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(jìn)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(jì)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(xiàng)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(diǎn)，已進(jìn)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%。目前世界范圍內(nèi)抽水蓄能電站總裝機(jī)容量9000萬千瓦，約占全球發(fā)電裝機(jī)容量的3%。壓縮空氣技術(shù)早在1978年就實(shí)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(diǎn)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。
(2) 國外飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展處于領(lǐng)先地位
美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家的飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展處于領(lǐng)先地位。日本已經(jīng)制造出容量26.5MVA、系統(tǒng)輸出電壓1100V,轉(zhuǎn)速510690r/min的變頻調(diào)速飛輪蓄能發(fā)電系統(tǒng)。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),其飛輪重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(jì)分析表明,運(yùn)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,已制造出一種裝置,在空轉(zhuǎn)時的能量損耗達(dá)到每小時0.1%。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。2011年10月30日,全球大規(guī)模飛輪儲能應(yīng)用先驅(qū)BeaconPower申請破產(chǎn)保護(hù)。BeaconPower開創(chuàng)了飛輪儲能系統(tǒng)與電力公司合作的先例,使電力市場開始接受飛輪儲能技術(shù)。從這個角度講,在飛輪儲能技術(shù)發(fā)展的歷史上,甚至于儲能發(fā)展的歷史上,BeaconPower的成就無人可以替代。盡管公司面臨破產(chǎn),但去年6月在紐約Stephen鎮(zhèn),仍為20MW的飛輪儲能項(xiàng)目舉行一個建成投運(yùn)儀式。該飛輪儲能電源系統(tǒng)用于電廠儲能調(diào)頻,能做到15min的儲能規(guī)模。而一般應(yīng)用于UPS的飛輪儲能時間都不超過100s?？梢哉f這是美國目前最先進(jìn)的飛輪儲能系統(tǒng)。這也說明美國的很多項(xiàng)目還處在示范階段。
表1給出了美國、西歐和日本幾個著名的飛輪儲能電源系統(tǒng)的廠商。
(3) 我國飛輪儲能技術(shù)的現(xiàn)狀落后國外十年
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(shí)驗(yàn)室、華北電力大學(xué)、北京飛輪儲能柔性研究所(由中國科學(xué)院電工研究所、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(jìn)行研究，預(yù)計(jì)能夠取得可喜的成果。從總體上來看，國內(nèi)飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀落后國外十年，許多成果尚處于研究階段，在推廣應(yīng)用上還會有一段路要走。
隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展和高強(qiáng)度復(fù)合材料的出現(xiàn)以及電力電子技術(shù)的新進(jìn)展,開發(fā)飛輪儲能技術(shù)已經(jīng)成為可能。從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)角度看,飛輪儲能機(jī)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(jī)組運(yùn)行控制的靈活性,可使電力系統(tǒng)的運(yùn)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(diǎn)：
①超大儲能量、大功率飛輪的研制;
②進(jìn)一步降低儲能飛輪系統(tǒng)的能耗;
③系統(tǒng)的安全性、可靠性分析;
④機(jī)電參數(shù)匹配問題;
⑤ 強(qiáng)力充放電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
4 飛輪儲能技術(shù)在現(xiàn)代汽車中的應(yīng)用
目前隨著環(huán)境保護(hù)意識的提高以及全球能源的供需矛盾,研發(fā)環(huán)保型汽車成為當(dāng)今世界汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要趨勢。汽車制造行業(yè)紛紛把目光轉(zhuǎn)向電動汽車的研制。能找到儲能密度大、充電時間短、循環(huán)壽命長的新型儲能電源系統(tǒng),是電動汽車與汽油車比拼的關(guān)鍵。而飛輪儲能電源系統(tǒng),因具有清潔、高效、充放電快速、可無限制的充放電、不污染環(huán)境等特點(diǎn)而受到汽車行業(yè)的廣泛重視。預(yù)計(jì)21世紀(jì)飛輪電池將會是電動汽車行業(yè)的研究熱點(diǎn)。
4.1 電動汽車的飛輪電池儲能技術(shù)
開發(fā)節(jié)能及采用替代能源的環(huán)保型汽車-電動汽車飛輪儲能應(yīng)用技術(shù)得到支持，圖5是其原理圖。
飛輪電池電動汽車?yán)脙Υ嬖陔S車飛輪中的機(jī)械能驅(qū)動汽車前進(jìn)。它的推進(jìn)系統(tǒng)由飛輪電池、電機(jī)控制器、電機(jī)和傳動系統(tǒng)等組成。
飛輪電池能量比鎳氫電池大2~3倍，飛輪電池的功率也高于一般化學(xué)蓄電池和內(nèi)燃機(jī)，其快速充電可在18min內(nèi)完成,且能量儲存時間長,能超快速充電而無化學(xué)電池的損壽問題，整個電池的使用壽命遠(yuǎn)長于各種化學(xué)蓄電池。更重要的是，飛輪為純機(jī)械結(jié)構(gòu)，不會像內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生排氣污染，同時也沒有化學(xué)蓄電池的化學(xué)反應(yīng)過程，不會引起腐蝕，也無廢料的處理回收問題。
一輛用二十節(jié)直徑為230mm，質(zhì)量為13.64kg的飛輪電池的汽車，用市電充電需要6h，快速充電只需15min，一次充電行駛里程可達(dá)560km。電機(jī)有雙重功能,充電時飛輪中的電機(jī)以電動機(jī)的形式運(yùn)行，在外接電源的驅(qū)動下帶動飛輪旋轉(zhuǎn)，達(dá)到極高的轉(zhuǎn)速，從而完成電能－機(jī)械能轉(zhuǎn)換的儲能過程；放電時，飛輪中的電機(jī)以發(fā)電機(jī)的狀態(tài)運(yùn)行，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機(jī)械能－電能轉(zhuǎn)換的釋放過程。
(2)飛輪動能回收系統(tǒng)在F1賽車中的應(yīng)用
熟悉F1的人對動能回收系統(tǒng)（KERS）應(yīng)該不會陌生。這是國際汽聯(lián)為了順應(yīng)低碳這一國際形勢而采取的重大舉措。KERS系統(tǒng)能將車身制動能量存儲起來，并在賽車加速過程中作為輔助動力釋放利用。現(xiàn)在已經(jīng)面世的KERS系統(tǒng)就是采用飛輪回收。國際汽聯(lián)主席莫斯利曾表示，鋰電池適合于長期的能量儲存，而飛輪則更適合吸收汽車大力制動下短時間內(nèi)釋放的巨大能量。
保時捷918Spyder概念車(見圖7)上前衛(wèi)且符合人體工程學(xué)的中控臺及觸摸式用戶界面均被取消，918RSR駕駛室采用了充分體現(xiàn)簡約主義的控制臺及蹺板開關(guān)。在控制臺右側(cè)，第二個座椅的位置被飛輪儲能裝置所取代。飛輪儲能裝置相當(dāng)于一個電動馬達(dá)，其轉(zhuǎn)子的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)36,000rpm，用以儲存能量。
在車輛制動時，充電在前橋上的兩個電動馬達(dá)以逆向原理進(jìn)行工作時，與發(fā)電機(jī)工作方式相似。只要按下按鈕，駕駛者就可以調(diào)用飛輪儲能裝置中儲存的能量，用于車輛加速或超車。此時，飛輪會被電磁制動，以便通過前橋上的兩個電動馬達(dá)提供2×75kW的額外動力。當(dāng)系統(tǒng)能量儲存充沛時，這些附加動力的提供可以持續(xù)約8s。
(3) 港口、地鐵等特殊場合的電制動能量再生。
除了F1賽車，制動能量巨大的港口起重機(jī)、地鐵列車等都可以配備類似的動能回收系統(tǒng)。
據(jù)悉，國內(nèi)的很多港口起重機(jī)的動能回收方式已經(jīng)從早期的電池轉(zhuǎn)變?yōu)轱w輪。Vycon公司更是將飛輪儲能系統(tǒng)納入港口起重機(jī)的制造，成為其中一個部件。預(yù)計(jì)市場需求量很大。
(4) 儲能飛輪在現(xiàn)代城市公交車上的應(yīng)用的預(yù)期
機(jī)械式儲能飛輪可回收公交汽車在制動時所浪費(fèi)的制動能量，并將其用于汽車的再次起步過程，這樣既能回收制動能量，也能避免汽車起步時的巨大油耗，還可以減少汽車的尾氣排放。
由于城市中公交運(yùn)輸團(tuán)體的龐大，決定了它的能源消耗一直是城市能源消耗的主體之一。所以公交汽車的節(jié)能運(yùn)行越來越受到社會的關(guān)注。在現(xiàn)代城市公交的運(yùn)行工況下，公交車難免走走停停。在這樣的運(yùn)行狀態(tài)下，汽車的很大一部分能量被浪費(fèi)在汽車的剎車過程中，而且汽車在起步過程中的油耗也相當(dāng)高。設(shè)計(jì)儲能飛輪制動能量再生系統(tǒng)回收制動能量并用于汽車再次起步加速過程，這樣既能使浪費(fèi)能量回收再利用，又起到降低油耗、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的目的。而且，與傳統(tǒng)的混合動力汽車相比，該儲能飛輪制動能量回收系統(tǒng)在運(yùn)行過程中并不需要儲能電池及充放電機(jī)構(gòu)，這樣就延長了系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)周期性，降低了廢舊電池的處理壓力。所以該系統(tǒng)是一種能夠較好的降低公交運(yùn)行成本的節(jié)能系統(tǒng)。
可以在類似的交通工具上進(jìn)行大范圍推廣，如地鐵、輕軌以及無軌電車等。制動能量再生是混合動力汽車節(jié)油最有效的途徑之一，通過Advisor2002以及AMESin-Sinulink仿真結(jié)果表明，制動能量再生可節(jié)油5%~8%甚至更高。在北京的循環(huán)工況下，傳統(tǒng)客車燃油消耗為56.4L/100km。根據(jù)以上信息可大概估算：汽車每運(yùn)行100km可節(jié)約4L左右燃油，假設(shè)每輛汽車每天運(yùn)行的總里程數(shù)為200km，那么每天每一輛車將節(jié)油8L。一座中型城市按1000輛公交汽車來計(jì)算，節(jié)油總量為8000L，一年將節(jié)油2880000L，減少CO2排放約為10000噸。
5 用于可再生能源并網(wǎng)的分秒級儲能電源
風(fēng)力發(fā)電的波動很大，為了穩(wěn)定輸出往往會為風(fēng)機(jī)配備柴油機(jī)組，但柴油機(jī)并不適合頻繁啟動，而這恰恰是飛輪的強(qiáng)項(xiàng)。國外現(xiàn)在采用的一種解決方案是同時配備飛輪儲能系統(tǒng)用于分秒級的儲能，減少柴油機(jī)啟動次數(shù)。跟UPS只有幾百千瓦到幾兆瓦的容量相比，風(fēng)力發(fā)電的容量大、規(guī)模大，因此市場也更大。百兆瓦級別的風(fēng)電場配備供電容量20%~50%的飛輪儲能就能解決柴油機(jī)頻繁啟動問題并保障輸出穩(wěn)定問題。
6 家庭化的飛輪儲能模式
對于普通家庭，儲能式飛輪也有廣闊的應(yīng)用前景。家庭用電系統(tǒng)可以采用電力公司供電、太陽能電池組、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及微型汽油發(fā)電機(jī)來保障家庭的電源的不間斷供應(yīng)。而平時多余的太陽能和風(fēng)能首先可以給后備的飛輪儲能機(jī)構(gòu)以及電池組充電，其次也可以用來給室內(nèi)加熱取暖，再次可以通過逆變器給電網(wǎng)反饋，并取得收益。圖7為家庭用飛輪輪能機(jī)構(gòu)的示意圖。
7 結(jié)束語
飛輪儲能電源系統(tǒng)所具有的高效、節(jié)能、建設(shè)短周期、使用長壽命、存取方便快捷以及充放無限次并且沒有污染碳排放的優(yōu)點(diǎn)，必將得到社會的認(rèn)可和迅速發(fā)展以及推廣應(yīng)用。
作者簡介
馬李紅,電力工程師,就業(yè)于北寧電力電子(北京)有限公司,從事電源行業(yè)20多年,曾發(fā)表多篇綠色節(jié)能技術(shù)文章,參與多項(xiàng)中石油、中石化、中國核電、中廣核電國家重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)。
編輯：Harris
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