飞轮储能系统构成、核心技术及应用(2)

　　3.3.1 机械轴承
　　
　　较为普遍的机械轴承有滚动轴承、滑动轴承、挤压油膜阻尼轴承和陶瓷轴承等，由于滚动轴承和滑动轴承的摩擦损耗相对较大，所以在高速飞轮储能系统中一般只用做辅助轴承，挤压油膜阻尼轴承和陶瓷轴承在飞轮储能中有所应用[3].
　　
　　3.3.2 被动磁轴承
　　
　　（1）永磁轴承是被动磁轴承的一种，是利用永磁体使两个或多个磁环在轴向或是径向悬浮。随着这几年永磁体的不断发展，其承载力也大大提高，应用的越来越广泛。然而根据Earnshaw定理，仅依靠永磁体无法使物体在空间六个自由度都达到稳定悬浮，稳定悬浮至少需要其中一个自由的上的主动控制[4].
　　
　　（2）超导磁轴承也是被动磁轴承的一种。超导体在超导环境下具有迈斯纳效应，当超导体处于磁场中时，其内部的磁场恒等于零，即超导体在磁场中表现出完全抗磁性。超导体在磁场作用下其表面产生无损的感应电流，该电流在超导体中没有损耗，同时形成了一个和原磁场大小相等、方向相反的镜像磁场，如图3所示。这种磁场可以使物体稳定悬浮。
　　
　　3.3.3 主动磁轴承
　　
　　主动磁轴承又称电磁轴承，是通过改变控制电路中电流的通断和大小来控制磁场的变化，同时通过实时反馈位置信号与输出电流信号及时调整控制电流，从而使轴承定子、转子之间能够稳定悬浮，主动磁轴承控制策略框图，如图4所示。
　　
　　3.3.4 混合轴承
　　
　　在实际应用中，通常将上述几种轴承结合起来使用达到优势互补。（1）机械轴承与永磁轴承结合。机械轴承主要的缺点是摩擦损耗较大，永磁轴承可以帮助克服重力到来的定子、转子之间的压力，从而减少摩擦损耗。（2）超导体与永磁体混合轴承。超导体作为定子，永磁体做转子，转子能够悬浮在某一位置。同时超导体中俘获的磁通由于钉扎力的存在不会随便运动，保证了轴向稳定性，使得转子稳定悬浮[5].（3）电磁与永磁体混合轴承。为了减少功耗，利用永磁体产生偏置磁场，电流产生控制磁场，图三极混合磁轴承[6],如图5所示。
　　
　　4 飞轮储能系统的应用
　　
　　由于飞轮储能系统具有能量密度大、效率高、无污染等优点，技术水平也日益完善，已经在越来越多的领域中得到应用。
　　
　　4.1 在电力系统中的应用
　　
　　4.1.1 电力调峰
　　
　　飞轮储能系统用于电力调峰具有储能、释能速度快，效率高，同时不受地理环境影响的优点。当用电低谷时，将产生的多余电力用于驱动飞轮储能；当用电高峰时，飞轮带动发电机运行，通过电力电力设备将机械能转化为与电网匹配的电能。2008年，美国Beacon Power公司在马萨诸塞州的Tyngsboro建设的一座5MW飞轮储能调峰、调频电厂投入商业使用，电厂总效率达到85%,该系统响应时间为4s,相比较于需要5min响应时间的传统发电机调节来说优势很明显[7].
　　
　　4.1.2 不间断供电
　　
　　为了避免政府重要部门、军事指挥中心、医院手术楼、计算中心等重要用电场合停电或者电能质量不稳定，都会使用不间断供电系统（UPS）。过去常使用化学电池，虽然其技术成熟，但使用寿命较短，不支持频繁的开关操作，据业界统计，UPS系统的故障70%都是由化学电池引起的。美国Active Power公司于2007年将飞轮储能技术运用在中国网通山西省通信公司太原第二枢纽楼的UPS中[8].在市电正常时，飞轮相当于一台低耗空载电动机，转速维持在7700r/min;当市电异常或停电时，飞轮系统能够瞬间供电。
　　
　　4.2 在交通工具中的应用
　　
　　4.2.1 车载飞轮电池
　　
　　随着能源日益短缺和对环境保护的重视，世界各地都在研究汽车的新动力，而用飞轮储能系统代替内燃机具有很好的前景，称之为车载飞轮电池。车载飞轮电池具有清洁无污染、充电快捷等优点。上世纪80年代，瑞士研究出第一辆飞轮电池汽车的充电时间控制在2min中内；90年代末，美国Texas大学将飞轮储能系统应用于军用车辆中，该系统可以间歇性的提供5MW的输出脉冲，连续输出功率为350k W,最小的空载损耗小于1000W,可以满足14-ton的军用侦查车辆的脉冲电力需求[9].
　　
　　4.2.2 飞轮混合电池
　　
　　飞轮储能系统也可以与内燃机或者化学电池并用于汽车中，当汽车下坡或是刹车时，将汽车的动能转化为飞轮的机械能储存；当汽车加速、上坡等需要短时间大功率输出时，飞轮再将能量释放出来。这样可以使汽车节约大约30%的能量，也使加速度更大[10].由于轨道交通制动比公路汽车更有规律性，飞轮在其中能够在回收巨大能量。
　　
　　4.3 在航空航天中的应用
　　
　　飞轮储能系统使用寿命长，非常适合对卫星供电。同时，利用飞轮的动量矩可以有效地对卫星的姿态进行控制，代替原来的化学电池可以减少了卫星的重量。1986年2月，法国发射“SPOT”卫星，首次将飞轮技术运用于航天器，上面的3个反作用飞轮使卫星对地球的指向控制精度为0.15°，的姿态稳定达到0. 0001°/s.
　　
　　5 飞轮储能关键技术发展趋势
　　
　　随着技术的不断进步，飞轮储能向大容量、高效率、无污染、高安全性、适应性强的方向发展，飞轮储能技术未来的研究重点应该包括以下几个方面：
　　
　　（1）新材料的应用。使用新型的复合材料可以有效地增加飞轮的强度与储能密度，高温超导材料的突破也将为超导飞轮赢得更大的优势。（2）磁轴承的研究。磁轴承的使用将使飞轮储能系统的损耗大大减少，同时增加其使用寿命，对飞轮速度的提升也大有帮助。（3）高速电机的研究。高速电机的研究将提供足够的动力使飞轮能够携带更大的能量，增大飞轮电池的续航能力。（4）使用先进的控制方法。先进的控制方法能使系统效率高，响应速度快，飞轮的高速问题和损耗问题也能有效解决。现代控制方法向着智能控制的方向发展，常见的有模糊控制、神经网络控制、自适应控制等。（5）模块化建设。将多个飞轮列阵式的运行，实现飞轮单元的模块化。这样就可以大大扩充储能的规模，同时也增大了负载能力。
　　
　　6 结论
　　
　　目前飞轮储能还不是主流的储能方式，但其表现出来的潜质让人们寄予厚望，尤其是它储能密度大、效率高、充放电快捷、清洁无污染等特点得到人们认可。这里对飞轮储能系统的结构原理、关键技术、应用和发展趋势都做了介绍与分析，并指出了飞轮储能存在的局限性，通过这些不足分析了它的关键技术所需要解决的问题。由于飞轮储能在能源领域具有很多优势，因此对其研究具有重大意义。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]汤双清，杨家军，廖道训。飞轮储能系统研究综述[J].三峡大学学报：自然科学版，2002,24（1）：78-82.（Tang Shuang -qing,Yang Jia -jun,Liao Dao -xun.Summarization ofresearch on fflywheel energy storage system[J].Journal of China ThreeGorges University:Natural Science,2002,24（1）：78-82.）
　　[2]Werfel F N,Floegel Delor U,Riedel T.Flywheel challenge:HTS magneticbearing[J].Journal of Physics:Conference Series,2006（43）：1007-1010.
　　[3]王健，戴兴建，李奕良。飞轮储能系统轴承技术研究新进展[J].机械工程师，2008（4）：71-73.（Wang Jian,Dai Xing-jian,Li Yi-liang.Progress of bearing technologyfor flywheel energy storage system[J].Mechanical Engineer,2008（4）：71-73.）
　　[4]朱熀秋，陈艳，谢志意。磁悬浮轴承结构与磁路分析[J].机械设计与制造，2007（6）：57-59.（Zhu Huang -qiu,Chen Yan,Xie Zhi -yi.Structure and magnetic circuitanalysis of magnetic bearings[J].Machinery Design & Manufacture,2007（6）：57-59.）
　　[5]邓自刚，王家素，王素玉。高温超导飞轮储能技术发展现状[J].电工技术学报，2008,23（12）：1-10.（Deng Zigang,Wang Jia-su,Wang Suyu.Status of high Tc supercondu-cting flywheel energy storage system[J].Transactions of China Electrot-echnical Society,2008,23（12）：1-10.）
　　[6]朱熀秋，张仲，诸德宏。交直流三自由度混合磁轴承结构与有限分析[J].中国电机工程学报，2007,27（12）：77-81.（Zhu Huang-qiu,Zhang Zhong,Zhu De-hong.Structure and finite elementanalysis of An AC-DC three degrees of freedom hybrid magnetic bearing[J].Proceedings of the CSEE,2007,27（12）：77-81.）
　　[7]Cleary J,Lazarewicz M L,Nelson L.Interconnection study:5MW of beaconpower flywheels on 23 k V line-tyngsboro,MA[J].2010 IEEE Conferenceon Innovative Technologies for an Efficient and Reliable ElectricitySupply（CITRES），2010:285-291.
　　[8]邓成博。磁悬浮飞轮储能技术UPS及连续供电[J].新能源，2008（12）：31-34+47.（Deng Cheng-bo.Maglev Flywheel Energy Storage Technology in UPS[J].New Energy,2008（12）：31-34+47.）
        [9]Aanstoos T A,Kajs J P,Brinkman W G.High voltage stator for a flywheelenergy storage system[J].IEEE Transactions on Magnetics,2001,37（1）：242- 247.
　　[10]彭江涛。车载飞轮电池磁力轴承设计理论及方法的研究[D].武汉：武汉理工大学，2006.（Peng Jiang-tao.Research on design theory and method of magneticbearing of flywheel battery for vehicle[D].Wuhan:Wuhan University ofTechnology,2006.）