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1、飞轮储能技术的现状和发展前景 飞轮储能系统(FESS)又称飞轮电池或机械电池,由于它与化学电池相比所具有的巨大优势和未来市场的巨大潜力,引起了人们的密切关注。它结合了当今最新的磁悬浮技术、高速电机技术、电力电子技术和新材料技术,使得飞轮储存的能量有了质的飞跃,再加上真空技术的应用,使得各种损耗也非常小。飞轮电池的发展开始于20 世纪 70 年代,当时正处于石油禁运和天然气危机时期。此时,美国能量研究发展署(ERDA)及其后的美国能源部(DoE)资助飞轮系统的应用开发,包括电动汽车的超级飞轮的研究。Lewis 研究中心(LeRC)在 ERDA 的协助和美国航空航天局(NASA)的资助下专门研究用
2、于真空下的机械轴承和用于复合车辆的飞轮系统的传动系统。NASA 同时也资助 Goddard 空间飞行中心(GSFC)研究适用于飞行器动量飞轮的电磁轴承。80 年代,DoE 削减了飞轮储能研究的资助,但 NASA 继续资助 GSFC 研究卫星飞轮系统的电磁轴承,同时还资助了 Langley 研究中心(LaRC)及 Marshall 空间飞行中心(MSFC)关于组合能量储存和姿态控制的动量飞轮构形的研究。近 10 年来,一大批新型复合材料和新技术的诞生和发展,如高强度的碳素纤维复合材料(抗拉强度高达 8.27 GPa)、磁悬浮技术和高温超导技术、高速电机/发电机技术以及电力电子技术等,使得飞轮能够
3、储存大量的能量,给飞轮的应用带来了新的活力。它可应用于国防工业(如卫星、电磁炮和电热化学枪、作战侦察车辆等)、汽车工业(电动汽车)、电力行业(如电力质量和电力负载调节等)、医疗和电信业(作 UPS 用)等 1NASA 的应用有航天器(宇宙飞船)、发射装置、飞行器动力系统、不间断电源(UPS)和宇宙漫步者。飞轮电池是一种高科技机电一体化产品,它在国防工业、汽车工业、电力工业、电信业等领域具有广阔的应用前景。作为电池家族的成员,这种新型的电池与化学电池相比具有以下几方面突出的优点,(1)储能密度高。转子转速大于 60 000 r/min 的飞轮电池,在 75%放电深度下产生大于 20 Whr/lb
4、 的比能量(此值还不是最高的),而镍氢电池只有 5:6 Whr/lb 的比能量,其放电深度一般限制在 30%:40%的范围内。(2)无过充电、过放电问题。化学电池一般不能深度放电,也不能过充电,否则其寿命会急剧下降。而飞轮电池在深度放电时,其性能完全不受影响,而且在电力电子协助下,非常容易防止过充电(实际上是限制转子的最高转速)。飞轮电池的寿命主要取决于其电力电子的寿命,故一般可达到 20 年左右。(3)容易测量放电深度,充电时间较短。飞轮电池只要测出转子的转速,就能确切知道其放电深度,而化学电池就没有这么容易了。另外,飞轮电池的充电一般在几分钟之内即可完成,而化学电池则需要几个小时,常见的需
5、要七八个小时。(4)对温度不敏感。化学电池在高温或低温时其性能会急剧下降,而飞轮电池则不然。(5)对环境友好。化学电池在报废后会对环境产生恶劣影响,而且回收成本较高。飞轮电池是一种绿色电池,它不会对环境产生任何影响,故它在电动汽车方面的应用极具潜力。典型的飞轮电池一般由 5 个部分组成:?高速储能飞轮;?集成驱动的电动机 2发电机;?磁悬浮轴承及控制系统;?电力电子;?辅件和应用接口。飞轮储能技术的开发是昂贵的,但又是急需的。由于飞轮储存能量所需要的高转速带来极大的力的作用,任何缺乏必要的精度和工程细节的设计将会造成灾难性的后果。尽管如此,它并没有丝毫减少科研工作者们对飞轮电池研究的热情,也没
6、有吓住投资人对它的研究的支持，其原 因就在于飞轮电池的市场空间太大了。在电力工业,它能用于电力质量和电网负载调节;在汽车工业,它能用于电动汽车和一些军事车辆的动力源,部分或完全取代内燃机;在国防工业,它既能用于卫星和航天器的动力源,又能用于电磁炮和电热化学炮的发射助力器等。在本世纪初,这些市场每年将产生数以千计的订单，紧接着,随着这些低价格的产品不断应用,将成为大型市场,为车辆和通信铺平道路。此外,结合能量储存和姿态控制的航天市场也将具有广阔的前景。在 2010 年之前,航天站上的能量储存装置将会被双重用途的飞轮电池所代替,而且飞轮电池将成为复合动力车辆的最普遍的动力装备。飞轮电池在电力质量市场同样会产生巨大的应用潜力,可以预见,未来的城市电网中分布式飞轮动力系统将会起到越来越大的作用。