國(guó)內(nèi)外飛輪儲(chǔ)能電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與市場(chǎng)研究

    鋰電世界  一、大規(guī)模發(fā)展新能源和推動(dòng)節(jié)能環(huán)保亟須發(fā)展大容量?jī)?chǔ)能產(chǎn)業(yè)

    傳統(tǒng)能源的日益匱乏和環(huán)境日趨惡化，極大地促進(jìn)了新能源的發(fā)展，新能源發(fā)電的規(guī)模也快速攀升。但風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電自身所固有的隨機(jī)性、間歇性特征，決定了其規(guī)模化發(fā)展必然會(huì)對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰和系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來(lái)顯著影響，必須要有先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù)作支撐。國(guó)外有關(guān)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(chǔ)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(dòng)性問(wèn)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(yáng)能發(fā)電方便可靠地并入常規(guī)電網(wǎng)。

    中國(guó)新能源大發(fā)展在即，對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)有更急迫的現(xiàn)實(shí)需求。預(yù)計(jì)到2020年風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)會(huì)突破1.7億千瓦，占全國(guó)發(fā)電裝機(jī)總量的比例會(huì)超過(guò)15%。但由于目前我國(guó)電力系統(tǒng)煤電比例較高，在部分地區(qū)又主要是調(diào)峰能力差的供熱機(jī)組，核電發(fā)展很快但卻不能參與調(diào)峰，水電、燃?xì)獍l(fā)電等調(diào)峰性能優(yōu)越的電源所占比例過(guò)低，導(dǎo)致現(xiàn)有電力系統(tǒng)接納新能源的能力很弱。再加上我國(guó)能源資源所在地多遠(yuǎn)離負(fù)荷地，不得不實(shí)施風(fēng)電、光電的“大規(guī)模集中開(kāi)發(fā)、遠(yuǎn)距離輸送”，這更進(jìn)一步加大了電網(wǎng)運(yùn)行和控制風(fēng)險(xiǎn)。隨著國(guó)內(nèi)新能源發(fā)電規(guī)模的快速擴(kuò)大，電網(wǎng)與新能源的矛盾越來(lái)越突出，對(duì)儲(chǔ)能的需求更為迫切。

    大容量?jī)?chǔ)能還可提高能源利用效率，為國(guó)家節(jié)約巨額投資。為應(yīng)對(duì)城市尖峰負(fù)荷，電力系統(tǒng)每年都要新增大量投資用于電網(wǎng)和電源后備容量建設(shè)，但利用率卻非常低。以上海為例，2004—2006年間，為解決全市每年只有183.25小時(shí)的尖峰負(fù)荷，僅對(duì)電網(wǎng)側(cè)的投資每年就超過(guò)200億元，而為此形成的輸配電能力的年平均利用率不到2%。同樣是為了應(yīng)對(duì)尖峰負(fù)荷，轉(zhuǎn)而采用大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)，不僅投資會(huì)成倍減少，而且由于儲(chǔ)能設(shè)施占地少、無(wú)排放，其節(jié)地、節(jié)能、減排的效果是其他調(diào)峰措施無(wú)法比擬的。

    二、全球大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)呈多元化發(fā)展格局，中國(guó)企業(yè)已掌握關(guān)鍵技術(shù)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)

    全球儲(chǔ)能技術(shù)主要有化學(xué)儲(chǔ)能(如鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池、鎳鎘電池、超級(jí)電容器等)、物理儲(chǔ)能(如抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等)和電磁儲(chǔ)能(如超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能等)三大類(lèi)。目前技術(shù)進(jìn)步最快的是化學(xué)儲(chǔ)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(zhǎng)。日本在此項(xiàng)技術(shù)上處于國(guó)際領(lǐng)先地位，2004年日本在本國(guó)Hitachi自動(dòng)化工廠安裝了當(dāng)時(shí)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(zhǎng)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(kāi)始在電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域應(yīng)用，近年來(lái)由于磷酸亞鐵鋰、納米磷酸鐵鋰等新材料的開(kāi)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(chǔ)能電站正逐漸興起。

    物理儲(chǔ)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%左右。目前世界范圍內(nèi)抽水蓄能電站總裝機(jī)容量9000萬(wàn)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(méi)有大規(guī)模推廣。飛輪蓄能的特點(diǎn)是壽命長(zhǎng)、無(wú)污染，動(dòng)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(chǔ)能技術(shù)現(xiàn)在仍很昂貴，還沒(méi)有商業(yè)化。

    三、國(guó)外飛輪儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

    美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用比較多。日本已經(jīng)制造出在世界上容量最大的變頻調(diào)速飛輪蓄能發(fā)電系統(tǒng)(容量26.5MVA，電壓1100V，轉(zhuǎn)速510690r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量710t·m2) 。美國(guó)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)。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(shí)間可收回全部成本。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在美國(guó)發(fā)展得很成熟，他們制造出一種裝置，在空轉(zhuǎn)時(shí)的能量損耗達(dá)到0. 1 %每小時(shí)。歐洲的法國(guó)國(guó)家科研中心、德國(guó)的物理高技術(shù)研究所、意大利的SISE均正開(kāi)展高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研究。

    1、美國(guó)宇航局(NASA)Glenn 研究中心及其合作單位

    NASA飛輪主要應(yīng)用于航空航天，以及軍用裝甲車(chē)輛上，用途主要是：能量?jī)?chǔ)存；動(dòng)力和姿態(tài)控制；峰值功率調(diào)節(jié)等。設(shè)計(jì)儲(chǔ)能量：300-700W3S;儲(chǔ)能密度44wh/kg；轉(zhuǎn)速：60000rpm;線速度：不小于880m/s。目標(biāo)建立和測(cè)試大型飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，目標(biāo)：儲(chǔ)能密度大于100wh/kg；線速度不小于1260m/s。工作高低轉(zhuǎn)速比：3：1；放電深度：90%；運(yùn)行轉(zhuǎn)速內(nèi)無(wú)臨界模態(tài)，后期研究控制模態(tài)可能性。

    2、Bescon Power 公司

    Bescon Power 公司生產(chǎn)的飛輪電池產(chǎn)品用以滿足迅速增長(zhǎng)的可靠的、分布式電源需求。建立為通訊應(yīng)用提供后備電源的商業(yè)基礎(chǔ)，估計(jì)每年擁有10000套飛輪系統(tǒng)需求。為電信/ 電纜設(shè)備提供備用電力供應(yīng)的20C1000飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)為主。

    飛輪采用采用高強(qiáng)度復(fù)合材料輪緣，高速、長(zhǎng)壽命、無(wú)需維護(hù)、低損耗永磁偏置主動(dòng)/被動(dòng)磁軸承，直流永磁無(wú)刷高效率、低損耗電動(dòng)/發(fā)電機(jī)，正弦波脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電壓、電流一體化控制的雙向換流器，真空密封，埋入地下，運(yùn)行狀況可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)視。

    指標(biāo)：工作轉(zhuǎn)速：30000-100000rpm，最高線速度：700m/s，放電深度：90%，電機(jī)效率：96%,輸出可用儲(chǔ)量2000wh；輸出電壓為直流36V、48V 或96V，額定輸出功率1kw；輸入電壓120/240 DC，50/60HZ，最大輸入功率kw；轉(zhuǎn)子重量：68kg,飛輪模塊重量：383kg，電子模塊重量90kg；設(shè)計(jì)壽命：20年，平均故障間隔時(shí)間：10萬(wàn)小時(shí)。

    3、Active Power 公司

    公司主要生產(chǎn)作為不間斷電源(UPS) 的飛輪電池系統(tǒng),以取代傳統(tǒng)的鉛- 酸電池,解決當(dāng)今對(duì)于電力品質(zhì)的高要求。公司產(chǎn)品的應(yīng)用對(duì)象主要是廣大工業(yè)用戶,比如:先進(jìn)的數(shù)據(jù)中心、工業(yè)設(shè)備和廣播站等。目前，公司擁有29 項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利,主要產(chǎn)品有Cat UPS 系列和Cleansource DC 系列。ActivePower 的飛輪材料為4340 鍛鐵,其飛輪轉(zhuǎn)子與電動(dòng)/ 發(fā)電機(jī)、磁軸承整合在一起。用磁鐵卸去80 %的重量以延長(zhǎng)飛輪軸承的壽命和減小損耗。飛輪的工作轉(zhuǎn)速在7000～7700rpm。工作維持時(shí)間為幾十秒到幾分鐘。目前公司飛輪已經(jīng)產(chǎn)品化出售，并在北京設(shè)有辦事處。

4、德國(guó)Forschungszentrum karlsruhe Gmbh 公司

    德國(guó)Forschungszentrum karlsruhe Gmbh 公司1997年著手設(shè)計(jì)5MWh/100MW超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能電站的概念設(shè)計(jì)。電站由10個(gè)飛輪模塊組成，每個(gè)模塊儲(chǔ)能0.5MWh，功率10MW，重30t，直徑3.5m、高6.5m，用同步電動(dòng)/發(fā)電機(jī)進(jìn)行電能輸入輸出。每個(gè)模塊包括一個(gè)電動(dòng)/發(fā)電機(jī)子模塊、4個(gè)碳纖維復(fù)合材料制成的轉(zhuǎn)子模塊和6個(gè)SMB子模塊。每個(gè)飛輪轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能125kwh，重3t，能量密度42wh/kg,運(yùn)行轉(zhuǎn)速為2250-4500rpm，最大外緣線速度600m/s，最大拉應(yīng)力810Mpa。SMB由YBCO塊材料和稀土鐵棚型高強(qiáng)度永磁材料構(gòu)成，耗用10t的YBCO塊材和5t的永磁材料。系統(tǒng)效率96%。

    5、日本

    日本已投資3500 萬(wàn)美元進(jìn)行高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承飛輪儲(chǔ)能研究，由三菱、日立、精工等公司和多個(gè)研究所、高校組成3 個(gè)研究組合作承擔(dān)。已研制出3 種試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋C(jī)，并進(jìn)行了儲(chǔ)能8MW.h 容量1000kW 的飛輪儲(chǔ)能機(jī)組的概念設(shè)計(jì)。日本原子能研究所一座大型核融合實(shí)驗(yàn)爐采用了飛輪儲(chǔ)能發(fā)電裝置，其主要參數(shù)為：功率235MVA、電壓18kv、電流6898A、飛輪轉(zhuǎn)速420-600rpm、可釋放能量為020MJ，轉(zhuǎn)子為碳素鋼鍛造的實(shí)心圓盤(pán)，重1000t。

    四、國(guó)內(nèi)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

    目前國(guó)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(chǔ)能實(shí)驗(yàn)室、華北電力大學(xué)、北京飛輪儲(chǔ)能柔性研究所(由中科院電工所、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(guó)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(duì)航天領(lǐng)域研制的“姿控/儲(chǔ)能兩用磁懸浮飛輪”已獲得2007年國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。華北電力大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院電工研究所、河北省電力局合作，已經(jīng)開(kāi)始就電力系統(tǒng)調(diào)峰用飛輪儲(chǔ)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。

    五、結(jié)束語(yǔ)

    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(kāi)發(fā)飛輪儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能量、大功率飛輪的研制；

    2) 進(jìn)一步降低儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)的功耗；

    3) 系統(tǒng)的安全性、可靠性分析；

    4) 機(jī)電參數(shù)匹配問(wèn)題；

    5) 強(qiáng)力充放電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。