不能用增大飞轮转动惯量来获得飞轮动能的增加,那么,只有通过提高飞轮的角速度ω 来增大飞轮的转动惯量。当飞轮处于大气中时,飞轮高速转动要克服空气的阻力(摩擦力)和轴承的摩擦损耗。将飞轮系统置于真空容器中,并采用超导磁悬浮技术,可以使飞轮在高速转动时耗能达到最小。另一个关键问题是轴承的设计和选择。能在高速转动下工作的轴承除要求轴承的摩擦损耗极小外,还应具有足够的承载能力,保证飞轮工作的可靠性和稳定性。
2 、飞轮储能技术在新能源中的应用
太阳能、风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视。仅以风能为例,中国风能储量很大、分布面广,仅陆地上的风能储量就有约2.53亿千瓦。近几年来,中国的并网风电迅速发展。截至2011年3月中旬,我国风电累计装机容量达4450万千瓦,风电建设的规模居全球之首。这也意味着中国已进入可再生能源大国行列。中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔,预计未来很长一段时间都将保持高速发展。
在我国风电建设规模高居世界第一的同时,风电并网问题却始终制约着我国风电的发展。我国风电装机容量中仍然有近三成风电没有并网。这是由于风能随机性和间歇性的特点,造成风电机组的出力频繁波动,从而风电场的出力可靠性也差,风电比重过大,会使电网的调频、调峰压力加大,因此,风电场大规模的并网接入对电力系统的运行带来一些新问题。光伏发电、风力发电等绿色新能源自身所固有的随机性、间歇性、不可控性的特点,使得可再生能源电厂不可能像其它传统电源一样制定和实施准确的发电计划,这给电网的运行调度带来巨大压力。同时,可再生能源的大规模接入所带来的局部电网无功电压和频率问题、电能质量问题等等也不容忽视,会对电网调峰和系统安全运行带来显著影响。研究表明,如果风电装机占装机总量的比例在10%以内,依靠传统电网技术以及增加水电、燃气机组等手段基本可以保证电网安全;但如果所占比例达到20%甚至更高,电网的调峰能力和安全运行将面临巨大挑战。储能技术在很大程度上解决了新能源发电的随机性、波动性问题,可以实现新能源发电的平滑输出,能有效调节新能源发电引起的电网电压、频率及相位的变化,使大规模风电及太阳能发电方便可靠地并入传统电网。高速飞轮储能系统可以在瞬间释放出巨大电力以稳定电网波动。可实现对电网的调峰功能,从而替代水力、燃气发电厂,为电网运营商创造更可靠的供电系统。由此可见,飞轮储能技术能够提高电网对可再生能源的接纳能力。
中国国家电网公司规定了风电场1 m i n 和10min的功率变化率,该变化率与风电场的装机容量有关,如小于30MW的风电场10min最大变化量为20MW,1min最大变化量为6MW。由于飞轮储能电源系统可以以巨大的峰值电流极高速的充放电,将其用于克服光伏发电和风力发电所固有的随机性、间歇性、不可控性的特点对并入传统电网所带来的弊病是完全可行的。
3 、飞轮储能技术在电动汽车中的应用
目前随着环境保护意识的提高以及全球能源的供需矛盾,研发环保型汽车成为当今世界汽车产业发展的一个重要趋势。汽车制造行业纷纷把目光转向电动汽车的研制。能找到储能密度大、充电时间短、循环寿命长的新型储能电源系统,是电动汽车与汽油车比拼的关键。而飞轮储能电源系统,因具有清洁、高效、充放电快速、可无限制的充放电、不污染环境等特点而受到汽车行业的广泛重视。预计21世纪飞轮电池将会是电动汽车行业的研究热点。
飞轮储能电源系统非常适合应用于混合电动汽车中。车辆在正常行使或刹车制动时,给飞轮储能电源系统充电;在车辆加速或爬坡时,飞轮储能电源系统放电,给车辆提供动力,保证车辆运行在一种平稳、最优状态下的转速,可减少燃料消耗,并可以减少发动机的维护,延长发动机的寿命。众所周知,在城区运行的各种车辆需要频繁的刹车制动、再启动。而刹车制动的能量,却以机械磨擦的形式转化为热能消耗掉。研究证明,此能量约占车辆使用能量的30%。如果能再利用这部分能量,则会产生巨大的经济效益。
飞轮储能电源系统除了在电动汽车中的应用以外,还可以用于电车、载重汽车、城铁、铁路交通等许多领域。图2是基于三菱PLC控制的飞轮储能在电车中应用的原理示意图。通过三菱O系列PLC、CC-Link现场总线和F700变频器的控制系统,依据一定的控制算法,把电机运行时的电能转化为动能储存在飞轮的机械系统中,电机处于发电机状态时,再释放这部分能量。
