飞轮储能就是利用旋转体高速旋转时的动能存储能量

来源:中国科学报

储能又出事了。不同于以往多次发生的电化学储能起火事件,此次意外是由高速转动的“飞轮”引起的机械事故。

8月19日,北京泓慧国际能源发展有限公司正在进行一场飞轮科技实验,在此过程中,实验设备意外脱落,击中该公司多名员工,造成人员伤亡。

这场“夺命”的科技实验再次敲响储能安全的警钟,同时也将“飞轮储能”这一相对小众的物理储能技术带到了聚光灯下。

那么,什么是飞轮储能?这一“疯狂的陀螺”又会给储能产业带来哪些变革?

拧紧“安全”阀门

与以往我们熟悉的电池等化学储能不同,飞轮储能是一种比较传统的物理储能方式,原理也很简单,就是利用旋转体高速旋转时的动能实现能量存储。

华北电力大学能源动力与机械工程学院教授柳亦兵对《中国科学报》解释道,飞轮储能系统的旋转体由同轴的飞轮转子和双向电机转子组成。双向电机既是电动机,又是发电机。作为电动机可以驱动飞轮加速旋转,将电能转换成动能,进行“充电”;作为发电机又可将动能转换成电能,降低飞轮转速,进行“放电”。

就像“陀螺”,给它施加外力就会以一定的速度旋转起来;如果不抽它,也不会立刻停止,而是过一段时间,等能量消耗完了再停下。

记者采访了解到,飞轮转子的动能等于1/2倍的转动惯量乘以转速的方。即飞轮的储能量与飞轮转子的转动惯量成正比,与转子最高转速的方成正比。所以,提高飞轮储能量的技术途径,一是提高转子的转动惯量,二是提高飞轮转子的转速。

可以说,作为一种物理储能方式,飞轮储能是通过高速旋转的飞轮转子实现能量存储,因此并没有燃烧和爆炸的风险,但却存在飞轮转子脱落等安全隐患。

“高速飞轮转子采用复杂的轴承支撑结构,轴向主要采用磁悬浮轴承支撑,将转子悬浮在真空中运行,减小转子旋转的能量损耗。”柳亦兵告诉记者,“转子在高速旋转状态下,如果发生轴承失效,转子从悬浮状态中脱落,可能与底部或外壳结构发生剧烈接触摩擦,消耗转子动能,造成结构高温或整个飞轮本体移动倾倒,产生次级危害。”

不仅如此,飞轮转子也有可能会发生超速事故,使转子内部应力超过材料强度极限,导致转子部件内部产生裂纹损伤,极端情况下转子会发生爆裂。

因此,在柳亦兵看来,飞轮储能系统应配置转速监测和安全保护系统,使发生转子爆裂事故的风险降至最低并且可以加以监控。同时,飞轮储能单元的外壳和基础设计应具有安全裕度,特别是对于大容量功率型飞轮储能产品,基础结构应尽量采取地井结构形式,将飞轮储能本体设备放置在钢筋混凝土结构的地井中,万一发生转子爆裂故障,也可以发挥安全防护作用,就地消纳能量,有效避免发生次生事故。

具有独特优势

虽然有一定的安全风险,但飞轮储能这一“疯狂的陀螺”仍然能够飞速“转”出一片应用市场。不久前,我国《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》中的兆瓦级飞轮储能技术应用就取得重大突破——首次将飞轮储能应用到电气化铁路领域。

“有了飞轮储能装置,火车进站刹车时产生的巨大电能会加速飞轮旋转,相当于把电能储存起来,当火车提速出站时,飞轮则可以释放能量给火车。”中国铁路北京局集团唐山供电段副段长李彦吉在接受媒体采访时说,“这不仅改善了铁路供电系统电能质量,还减少了电能消耗。仅一个铁路牵引变电站,每天就可节约3000度电能。”

可以说,相比于电化学储能,飞轮储能具有很多独特优势。“飞轮储能的充放电速率取决于双向电机的额定功率,额定功率越大,充放电速率越高,可以实现快速充放电。由于飞轮充放电过程是飞轮转子加速和减速的物理过程,因此可以通过配置较大额定功率的电机,实现能量快速充放,这是飞轮储能的突出优势。”柳亦兵说。

不仅如此,飞轮储能还具有很高功率密度和很快响应时间,额定功率响应时间低于0.1秒。同时具有超多循环充放次数和超长使用寿命,充放电循环次数可达100万次,使用寿命超过20年。另外,由于飞轮转子转速和储能量成精确关系,因此飞轮储能系统还可以实现飞轮转子转速精确测量和控制,通过将多个飞轮储能单元组成阵列,实现较大容量的能量快速精确充放。

当前,以风光为主的新能源系统,随机波动和间歇是其主要局限,这对电力系统快速灵活调节提出新的挑战,需要大力发展各种类型的储能资源,全面提升电力系统的负荷调控能力,同时也对发电企业的灵活调节能力提出更高要求。

柳亦兵表示,飞轮储能由于可以实现大功率快速充放电,在电力系统快速负荷调节方面具有独特优势,可以广泛应用于电网独立调频、火电+储能、新能源(风光)+储能、微电网及综合能源等,具有广阔发展前景。除了电力系统,大容量功率型飞轮储能也可以在其他电能快充快放领域发挥更大作用。

瓶颈待突破

飞轮储能虽然听起来比较陌生,但我国自上世纪90年代就已经开展相关技术研究,走在前列的有上海航天控制技术研究所、清华大学、北京航空航天大学、华北电力大学等单位。但是与国外相比,我国自主研发的飞轮储能技术及工程应用还相对落后。多数公司主要生产容量较小的飞轮储能设备产品,充放电时间也比较短。

柳亦兵坦言,飞轮储能产品的储能量取决于飞轮转子的转动惯量或最高转速。对于储能量较小的飞轮储能产品,技术上相对容易实现。但是对于大容量功率型飞轮储能产品,当飞轮转子的转动惯量和最高转速超过一定数值,就会面临许多技术瓶颈。例如,高强度飞轮转子材料及结构设计制造技术、支撑高速重载飞轮转子的长寿命复合轴承设计制造技术、宽转速范围运行的高速双向电机设计制造技术、真空状态下的电机及轴承冷却技术、飞轮储能单元能量快速转换控制技术及系统、大规模飞轮储能阵列运行优化控制与先进运维技术等。

“目前,我国在这些关键技术领域的研究积累不足,限制了大容量功率型飞轮储能产品的研发。”柳亦兵说,大容量功率型飞轮储能是一种具有很高技术含量的复杂机电设备,这类产品的研发、生产是一项高投入、高风险的事业。

对此,他建议,国家一方面应该在关键技术研发领域加大投入,通过精准资助国内从事该类产品生产的企业,与从事相关研究的高校深入开展校企合作,突破技术瓶颈,不断提升产品技术水,实现科技成果真正落地示范,为新型电力系统提供高可靠能优质的飞轮储能产品;另一方面,应尽快明确储能在电力系统的定位,根据承担的辅助服务业务,制定合理细化的收益支持政策,使从事储能的厂商具有可以预期的投入产出效益,促进储能事业的健康发展。

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