飞轮储能关键技术
飞轮储能系统关键技术分析及应用现状
摘要：本文从飞轮储能系统的结构原理入手，首先介绍了飞轮储能系统的结构组成、工作原理及其工作模式，然后对飞轮转子、支承轴承、真空室、电动/发电机及电力电子装置等关键技术进行了全面的分析，并介绍了关键技术的国内外研究现状，在此基础上对飞轮储能的应用现状进行了阐述。
关键词：飞轮储能；关键技术；应用现状
中图分类号：TK02 文献标识码：A 文章编号：
0、前言
随着中国经济的快速发展，能源和环境问题成为了中国快速发展主要阻碍。然而，在能源如此短缺的情况下，使用目前的耗能设备和耗能方式却使得世界上总能量的50%～70%白白的浪费了[1]。因此在开发新能源的同时，研究如何回收存储被白白浪费的能量也是非常重要的。目前的储能方式主要有：化学储能、物理储能和超导储能，在这几种储能方式中化学储能技术比较成熟，并已得到广泛的应用，但是它使用寿命短、受外界条件影响显著、对环境污染严重。超导储能对技术要求高、对环境要求苛刻暂时还不适合大规模应用。由于物理储能是利用物理方法将能量春初起来，所以不存在对环境污染问题比较适合当今的发展要求。物理储能方式主要有抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能。在这几种物理储能方式中飞轮储能以其在使用寿命、充电时间、效率方面的突出特点得到了广泛的关注。
1、飞轮储能系统的结构及工作原理
1.1飞轮储能系统基本的结构
飞轮储能系统又称飞轮电池其基本结构是由飞轮、轴承、电动机/发电机、电力电子控制装置、真空室等五个部分组成[2]。其中飞轮是飞轮电池的关键部件，一般选用强度高密度相对较小的复合材料制作；轴承是支撑飞轮的装置，由于磁悬浮支承可以降低摩擦损耗提高系统效率而成为了支撑技术的研究热点；飞轮电池的电机是一个集成部件，可以在电动和发电两种模式下自由切换，以实现机械能和电能的相互转换；电力电子控制装置主要是对输出和回馈的电能进行控制，通过对电力电子控制装置的操作可以实现对飞轮电机的各种工作要求的控制；真空室的功用有两个即为飞轮提供真空环境降低风阻损耗和在飞轮高速旋转破裂时起到保护周围人员和设备的作用。图1给出了一种飞轮储能系统结构简图。
图1 飞轮储能系统结构简图
1.2飞轮储能系统的工作原理
飞轮储能系统是利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式存储起来的装置。它有三种工作模式即充电模式、保持模式、放电模式。充电模式即飞轮转子从外界吸收能量使飞轮转速升高将能量以动能的形式存储起来；放电模式即飞轮转子将动能传递给发电机，发电机将动能转化为电能在经过电力控制装置输出适合于用电设备的电流和电压，实现了机械能到电能的转化；
保持模式即当飞轮转速达到预定值时既不
在吸收能量也不向外输出能量如果忽略自
身的能量损耗其能量保持不变。高速旋转的飞轮以动能的形式存储的能量可以表示为[3]：
（1.1）式中v—飞轮边缘线速度，m—飞轮的质量，J—飞轮的转动惯量，ω—飞轮的角速度。由式（1.1）可知飞轮具有的能量与飞轮的转动惯量、飞轮角速度的平方成正比，由此可知提高飞轮储能量的方法有增大飞轮的转动惯量和提高飞轮转速。由于可将飞轮看似薄圆盘因此求飞轮转动惯量的公式为：
2
mr
)2/1(
J=（1.2）
式中r—飞轮的转动半径。
有公式（1.2）可知增加飞轮转动惯量的方法有增加飞轮转动半径和增加飞轮质量，然而在一般设计情况下在保证能量容量一定的情况下应尽量缩减飞轮的质量和体积，所以增加飞轮存储能量的方法一般为提高飞轮转速和减少飞轮质量。图2给出了飞轮储能系统工作原理简图。
图2 飞轮储能系统工作原理简图2、飞轮储能系统关键技术分析
及研究状况
早在20世纪50年代飞轮储能技术就得到了人们的关注，并将其应用于电动汽车中。但是受到当时技术水平的限制，未能取得突破性进展。直到20世纪90年代，由于与飞轮电池储能相关的技术取得了突破性进展，才使得飞轮电池储能进入了快速发展阶段。
2.1飞轮转子技术分析与研究
现状
2.1.1飞轮转子技术分析
飞轮电池是依靠飞轮转子的高速旋转来存储能量，从飞轮储能原理可知飞轮转速越高其存储的能量就越多，然而随着飞轮转速的升高，飞轮在离心力作用下使其内部所受应力不断增大，受材料许用应力的限制使得飞轮转速不可能无限制的增加。为了保证飞轮能够安全可靠地运行在选择飞轮材料时必须进行应力计算，根据计算结果仔细选择飞轮材料，对于一个薄壁圆筒飞轮有[4]：
2
2
22
22
22
J=mr
11
22
δρ
δ
1
22ρ
m m
m
m
E J
E
e
r
m
ω
==
==
=
=
ωm rω
rω
2.1
式中：δ—材料的最大抗拉强度，pa; ρ—材料的密度，3
/
kg m；J—飞轮的转动惯量，2
kg m
?；
m
ω—飞轮转子的极限角速度，rad/s；r—飞轮的旋转半径，m。e为飞轮在高速旋转时引起的应力达到材料抗拉强度极限值时单位质量转子所存储的能量，即飞轮的极限储能密度。由公式2.1可知飞轮的储能密度与材料的抗拉强度成正比，与飞轮材料密度成反比。因此为了增加飞轮的储能密度应该选用高比强度（）的材料制作飞轮。表1给出了不同飞轮材料的物理参数，其中储能密度值是计算的等厚圆盘飞轮的理论值。从表中可以看出高强度钢和铝合金在抗拉强度和储能密度两个方面均不及复合材料，这也是早期飞轮储能技术难以取得突破进展
的原因之一，复合材料在抗拉强度和储
能密度方面表现出的优良特性使得复合材料成为制造飞轮转子的理想材料。
有研究表明，提高飞轮电池储能密度的先决条件是制作飞轮的材料要有很高的强度，在材料满足条件的前提下还要考虑飞轮的制作工艺，由于复合材料的各向异性，导致其沿纤维方向强度很高，而垂直纤维方向表现强度很低，为了最大限度的发挥复合材料沿纤维方向强度高的优点，一般采用环向缠绕的多层圆环结构[5]。
2.1.2飞轮转子技术现状
美国Active Power公司研发的基于飞轮储能的电源系统其转子使用的材料是4340锻铁，飞轮转速最高可达到
7700r/min,并且该系统已经规模化生产[8]。
波音公司在2010年设计的复合材料飞轮转子，采用了环向缠绕的三层圆环结构，根据每一层的受力特点使用了不同规格的碳纤维，使得飞轮的整体强度和材料利用率都得到了提高[9]。
北京航空航天大学将使用碳纤维材料制造飞轮储能系统用于航天器的姿态控制和能量存储，该飞轮转速可达500000r/min,储能密度为36.1w·h/kg[10]。
2012年7月，清华大学设计的质量为1200kg的低速重型合金钢飞轮转速达到
了3600r/min。该储能系统实现了100 kW 充电/500 kW发电运行，并且在储能量和发电功率方面已经具备了工业应用的条件[11]。
2.2支承轴承技术分析与研究
现状
2.2.1支承轴承技术分析
飞轮转速的大小，可以决定飞轮电池存储能量的多少，然而飞轮电池储能系统中飞轮所能达到的极限转速除与飞轮本身的属性有关外，还与支承轴承的选择有很大的关系。因为飞轮电池在能量保持模式时飞轮需要保持高速运转，这就需要轴承的摩擦损耗尽量小甚至为零，以减少能量白白地损耗，从而提高系统的储能效率。轴承在承受飞轮本体重量的同时，还要承受着飞轮转子在高速旋转时引起的离心力，这就要求支承轴承既要损耗少又要强度高。目前的支撑轴承可分为机械轴承、磁悬浮轴承和组合式轴承等。
机械轴承由于摩擦损耗大、承载的极限转速低不合适单独作为高转速飞轮储能系统的支撑方式，由于其支撑强度高、结构紧凑的优点，使得机械轴承适合于作为保护轴承或作为短时间快速充放电飞轮系统的支撑方式使用。
由于磁悬浮轴承可以在无机械接触的情况下承载，无机械摩擦损耗提高了系统储能效率延长了轴承使用寿命，使其成为了飞轮储能系统的理想支撑方式。磁悬浮轴承分为永磁轴承、超导磁轴承和电磁轴承。
2.2.2支承轴承技术研究现状
韩国电力公司研究所研发的组合式轴承飞轮储能系统，飞轮转速可达到12000r/min，该系统的组合式轴承是由一个高温超导次轴承、一个角接触球轴承和一个主动电磁阻尼器组成[12]。
波音公司研制的使用高温超导磁轴承的小型飞轮储能系统，在全速时飞轮可以储存5KW·h的动能，它能够提供3KW的三相208V电源到电力负载[13]。
中国电力科学研究院的工程师研制出了一种可作为电动汽车辅助动力源的五自由度的主动磁悬浮轴承飞轮电池储能系统，并进行了飞轮电池样机的30000r/min 旋转试验[14]。
西南交通大学超导技术研究所研制了一台高温超导磁悬浮飞轮储能样机，并实现了电能、机械能的相互转换，该系统的飞轮转速可以达到13000r/min[15]。
2.3电动/发电机技术分析与发展现状
2.3.1电动/发电机技术分析
在飞轮储能系统中机械能到电能、电能到机械能之间相互转换是依靠集成的电动/发电机来实现的，所以电动/发电机的性能的好坏直接影响着飞轮储能系统的效率。飞轮储能系统在充电时飞轮转速增加
到设计的极限转速，在这个过程中电动/发电机的转速也在不断升高；而在放电过程中随着飞轮转速的不断降低，电动/发电机的转速也随之下降。因此在飞轮储能系统的充放电过程中电动/发电机的转速是在不断变化的，这就要求飞轮储能系统选用的电动/发电机应该满足高转速、高效率、自损耗低，适应宽转速范围等条件。目前条件下可选择应用于飞轮储能系统的电机有开关磁阻电机、感应电机、永磁电机等。表2给出了三种电机的相关性能参数对比。
表2 几种电机的相关性能参数对比[16]
电机类型永磁无刷
直流电机
感应电机开关磁阻电机
峰值效率/% 95～97 91～94 90 10%负载效率/% 90～95 93～94 80～87 最高转速/(r/min) >30000 900～15000 >15000 控制其相对成本 1 1～1.5 1.5～4 电机牢固性良好优优
永磁电机以其效率高、能量密度大、维护方便、可在宽转速范围内高效率运行等特点使得在飞轮储能系统中得到了广泛的应用。
2.3.2电动/发电机技术发展现状
韩国忠南大学的学者对飞轮储能系统使用的高速永磁同步电机进行了研究，并于2009年设计了一台高速双转子永磁电机，该电机的功率为30KW/20000（r/min），在6000—13084r/min转速范围内其效率均在99%以上[17]。
美国宇航局在2012年设计的由两台锥型永磁同步电机组成的磁悬浮永磁电机可以实现电机转子五自由度主动控制，省去了磁轴承，进而减小了系统的功率损耗，提高了系统效率，转子的极限转速也有所增加[18]。
沈阳工业大学研制的由磁悬浮轴承支撑的75KW/60000（r/min）高速永磁电动/发电机，其采用的定子环形绕组结构既可以提高冷却效率又可以增加转子刚度[19]。
2.4电力电子装置技术分析
电机选定之后，电力电子装置的性能直接影响着飞轮储能系统的效率。飞轮储能系统的中动能和电能之间的转换是电动/发电机在电力电子装置的控制下实现的，输入电能时将交流转化为直流驱动电机，使飞轮转速升高，存储能量；输出电能时将直流转化为交流并经过有整流、调频、稳压后供给负载。而且电力电子装置的使用寿命也决定了飞轮储能系统的寿命。
美国Beacon Power公司使用脉宽调制转换器，实现了能量从直流母线到三相变频交流的双向转换，并且可自动实现飞轮系统稳速、恒压的功能。
2.5真空室技术分析
要提高飞轮储能系统的效率除了要减少摩擦损耗外尽量减低风阻损耗也是非常必要的，对于高速飞轮减少风阻的有效方法是将飞轮置于真空室内，这样既可以有效降低风阻损耗又可以对事故进行屏蔽。以目前的技术制造这样的真空条件并不难，但是如何长时间保持这种状态才是问题的难点，要想解决这个问题就必须解决密封问题和真空室内材料逸出气体问题。真空度对系统效率起着主要的决定作用，目前国际上的真空度可以达到量级。随着真空度的增加风阻损耗明显下降，但是在此环境下散热性能减弱，飞轮本体温度升高较快。英国研究人员已经验证了在低速运转条件下，氦气环境可以减少风阻损耗。
3、飞轮储能技术的应用现状
随着磁悬浮技术、复合材料技术和电力电子转换技术取得突破性进展，飞轮储
能作为一种新的储能方式得到了各国的普遍关注，并且已经成功应用于许多领域。
3.1飞轮储能技术应用于电动
汽车
随着能源危机和环境问题的日益凸显，开发节能环保型汽车已成为了未来汽车工业的发展趋势，各个制造商纷纷把目光投向了混合动力电动汽车和纯电动车，由于飞轮储能与化学蓄电池相比具有储能密度大、能量转换效率高、充电速度快、使用寿命长、对环境友好等特点，因此可以将飞轮储能系统应用在电动汽车中，飞轮储能系统即可作为独立的能量源驱动汽车也可以作为辅助能源驱动汽车，同时加入了飞轮储能系统的汽车其再生制动效率也比较高。
美国飞轮系统公司（AFS）研制出的复合材料制作飞轮，成功将一辆克莱斯勒轿车改装成纯电动汽车AFS20，该车由20 节质量为13.64Kg的飞轮电池驱动。改装后的电动汽车性能良好，仅需6.5 秒就可以从零加速到96km/h，充电一次可行使里程为600km[5]。
美国罗森公司研发的由飞轮储能系统和涡轮发动机共同驱动的混合动力汽车，经过道路测试其百公里加速时间仅为6s，且在长时间不用的情况下，飞轮也能在涡轮发动机的带动下，在2min内达到正常工作转速。日本研制出的最高转速可达36000r/min的飞轮电池，将其应用于电动车中可对制动时的能量进行回收，这样可以提高汽车的能源利用率，经实验证实其机械能——电能转化率可达85%[20]。
3.2飞轮储能技术应用于风力
发电系统
在风力发电过程中由于其不稳定性使得系统产生的电压、频率随时间不断变化，这就需要这风力发电系统中引入一个即可以在能量过剩时吸收存储多余的能量，又能在能量不足时快速为系统补充能量以稳定系统电力输出的装置。目前一般使用蓄电池或柴油机来稳定系统的电力输出，但是这两种方式都存在着一定的弊端，比如瞬间启动时蓄电能不能马上为系统提供足够的功率，且蓄电池本身也存在着对环境的污染问题，然而柴油机组存在着必须启动30min后才能停机的特殊要求，对于时大时小的风能来说就存在着系统电能过剩问题且频繁的启停影响柴油机的寿命[9]。
美国的Beacon Power公司在纽约州史蒂芬镇建设了20 MW飞轮储能项目，该项目既可以为纽约州的智能电网进行频率调节，又能将该地区风力发电的过剩电能进行缓存，并在用电高峰期将电力注入电网。
3.3飞轮储能技术应用于不间
断电源（UPS）
由于不间断电源可以在提供不间断供电、确保供电质量使其在医院、金融机构、国防指挥中心、大型数据中心、政府重要部门以及大型生产企业等地方被广泛应用。传统的不间断电源使用的是价格低廉、技术相对比较成熟的化学蓄电池作为储能单元，但是其使用寿命短、充电时间长、对工作环境有特定要求、对环境还有污染。由于飞轮储能具有充电时间短、反应速度快、储能密度大、对工作环境无特定要求、对环境友好等特点使其成为替代化学电池应用于不间断电源的理想选择。
美国的Active Power公司致力于使用飞轮储能替代化学蓄电池储能的全新不间断电源系统的研究，该公司研制的飞轮不间断电源可以提供最长维持时间为几分钟的持续供电，并且系统效率高达98%[21]。加拿大矿物与能源研究中心（CANMET）开发的用于不间断电源的飞轮电池，其功率为1.5Kw，质量65 kg，转速15000～45000r/min，可存储1.1KW·h的能量[22]。
3.4飞轮储能技术其他应用
应用于航空航天领域，美国的马里兰大学已开发出了用于航天器姿态控制的飞轮储能系统，美国太空总署也已经做过了太空运行试验并已在空间站安装了48个飞轮电池，可以提供超过150KW的能量[22,23]。
应用于轨道交通中，在列车制动时将能量回收存储到高速旋转的飞轮中，当列
车牵引时将回收的能量在回馈给列车使回收的能量得以有效利用，这样就可以极大地提高系统节能的效果，西门子公司研制的功率为3MW的飞轮储能系统，可以回收30%的制动能量[23]。
4、结语
飞轮储能作为一种新型能源储备方式以其储能密度高、使用寿命长、能量转换效率高、充电时间短、对环境友好等优点受到了人们的广泛重视，成为了能源界的研究热点之一。随着新型特殊材料技术、磁悬浮轴承技术、现代电力电子技术等取得突破性进展，使得飞轮储能技术的优越性得以充分展现，这使得飞轮储能的应用范围越来越广许多科技企业也加入到了飞轮储能的研发队伍之中。随着飞轮储能技术的不断发展，在不久的将来飞轮储能将会像蓄电池和燃料电池一样，作为独立能源向系统提供电力。
参考文献：
[1] 张健.车辆高速飞轮储能系统关键技术及其优化设计[J].机械制造与研究，2007,36
（4）:52-54.
[2] 何瑞金.飞轮储能控制系统及能量回馈技术的研究[D].上海：东华大学，2004.
[3] R.Okou,A.B.Sebitosi,P.Pillay. Flywheel rotor manufacture for rural energy storage in sub-Saharan Africa. Energy, 2011, 36: 6138-6145.
[4] 刘春和，张俊，潘龙飞.飞轮一新的储能方式[J].微特电机.2003，5:38-40
[5] 杨志秩.飞轮电池储能关键技术研究[D].合肥:合肥工业学,2002.
[6] Post R F, Fowler T K., Post, S F. A high-efficiency electromechanical battery. Proceedings of the IEEE, 1993,81(3 ):
462--474.
[7] Nagy G, Rosenwasser S. The evaluation of advanced composite material performance in high speed pulsed power rotor applications. IEEE Transactions on Magnetics, 2001, 37(1):314-317.
[8] 墨柯.飞轮储能技术及产业发展概况[J].新材料产业.2013，7:37-42
[9] Strasik M, Hull J R，Mittleider J A，et al. An overview of Boeing flywheel energy storage systems with hightemperature superconducting bearings [J].Superconductor Science and Technology，2010，23(3):21-23.
[10]Tang J, Zhang Y. High-speed carbon fiber rotor for superconducting attitude control and energy storage flywheel[C].2012 Third international Conference on Digital Manufacturing and
Automation(ICDMA ),2012,477-481
[11] 戴兴建，张小章，姜新建，王善铭，沈祖培，孙旭东. 清华大学飞轮储能技术研究概况[J].储能科学与技术，2012,1（1）:64-68.
[12] 周红凯，谢振宇，王晓. 车载飞轮电池的关键技术分析及其研究现状[J].机械与电
子,2014,1:3-7.
[13] Strasik M, Hull J R, Mittleider J A, et al. An overview of Boeing flywheel energy storage systems with high-temperature superconducting bearings [J]. Superconductor Science and Technology, 2010, 23(31): 1-6.
[14] 高辉，李怀良，翟长国，陈良亮. 电动汽车磁悬浮飞轮电池储能系统设计[J].电力系统自动化,2013,37（1）:186-190.
[15] 邓自刚，林群煦，王家素，等. 高温超导磁悬浮飞轮储能系统样机[J].低温物理学
报,2009,31（4）:311-314.
[16] 崔薇薇.车用飞轮储能系统研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2012.
[17] Jang S M, You D J, Ko K J, et al. Design and experimental evaluation of synchronous machine without iron loss using double-sided Halbach magnetized PM rotor in high power
FESS[J]. Magnetics, IEEE Transactions on, 2008, 44(11): 4337-4340.
[18] Peter Kascak, Ralph Jansen,Timothy Dever,et al. Motoring Performance of a Conical Pole-Pair Separated Bearingless Electric Machine[J].IEEE Energy technology, 2011:1-6.
[19] 鲍海静，梁培鑫，柴凤. 飞轮储能用高速永磁同步电机技术综述[J] .微电机，2014，47(2):64-72.
[20] 张邦力. 飞轮储能装置在机车车辆上的应用研究[D].成都:西南交通大学,2011.
[21] 何翼. 飞轮电池控制系统研究[D].兰州：兰州理工大学，2011.
[22] 王巍，高原，姜晓弋. 飞轮储能技术发展与应用[J].船电技术,2013,33（1）:31-34. [23] 陈仲伟. 基于飞轮储能的荣幸功率调节器关键技术研究[D].武汉：华中科技大学，2011.
Analysis on the Key Technology and the Application Status of Flywheel Energy Storage System Abstract:From the structural principle of flywheel energy storage system, this paper firstly introduces the structural components, working principle and operating mode of the flywheel energy storage system, and then it has carried on the comprehensive analysis to the flywheel rotor, supporting bearing, vacuum chamber, electric motor or generator and power electronic devices and so on working as the key technologies, and it also introduces research situation at home and abroad of the key technology, and the current application of flywheel energy storage are expounded based on this.
Key words: flywheel energy storage; key technology; application status
飞轮储能技术的现状和发展前景
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。
浅谈先进储能技术及其发展前景
Technological Development of Enterprise ■湖南省科学技术信息研究所胡丹 随着风能、太阳能等可再生能源的普及应用、新能源汽车产业的发展及智能电网的建设，各种储能技术成为万众瞩目的焦点。大规模储能技术作为支撑可再生能源普及的战略性新兴技术，得到世界各国政府和企业的广泛关注与高度重视。同时，储能技术由于其巨大的市场潜力，也迅速受到了风投基金的青睐。本文将对先进储能技术的现状和前景加以介绍。 迄今为止，人们已经开发出多种储能技术，主要分为机械储能、化学储能、电磁储能和相变储能４个大类。机械储能主要包括抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能；化学储能主要包括铅酸电池、液流储能电池、镍氢电池、锂离子电池和钠硫电池；电磁储能主要包括超导储能和超级电容器储能，如超导电磁储能；相变储能主要是冰蓄冷技术。本文所研究的先进储能技术以新能源汽车与智能电网储能应用领域为划分基础，主要包括镍氢电池、锂离子电池、燃料电池、超级电容器与液流电池。 1镍氢电池 镍氢电池是目前镍系电池技术路线最先进的电池之一，由氢离子和金属镍合成。其优点在于电量储 备比镍镉电池多３０％，比镍镉电池更轻，使用寿命更长，并且对环境无污染。镍氢电池的价格更贵，与镍氢电池相比，性能稍差。 近年来镍氢电池技术发展迅速，尤其是Ｎｉ－ＭＨ电池正极材料技术和Ｎｉ－ＭＨ电池负极储氢材料技术。 1.1Ni-MH电池正极材料技术 Ｎｉ－ＭＨ电池正极材料主要是镍电极，自１８８７年首次将镍电极运用于碱性电池以来，其发展经历了袋式镍电极、烧结式镍电极和泡沫式镍电极等形式。主要成分均为氢氧化镍，按照镍电极的晶体结构可以分为α－Ｎｉ（ＯＨ）２和β－Ｎｉ（ＯＨ）２，对应的充电态分别为γ－ＮｉＯＯＨ和β－ＮｉＯＯＨ。球形β－Ｎｉ（ＯＨ）２具有较高的储能导电性能，对于β－Ｎｉ（ＯＨ） ２ 的改性技术主要包括引入钴、锂、镉、锌、稀土系元素进行掺杂，也可以通过纳米 材料与普通球形Ｎｉ（ＯＨ） ２ 进行混合。 而正极材料的制备技术则主要包括烧结式氧化镍工艺、发泡镍填充工艺和纤维镍填充工艺。填充法一般制作简单，所需设备较少，制成的极板具有更高的比容量，但大量生产存在工艺性和性能均衡的问题；烧结式氧化镍基体浸渍活性物质的方法虽然需要 浅谈先进储能技术及其发展前景 透视
飞轮储能系统及简述
飞轮储能系统及简述 在电网的调频调峰方面，飞轮储能电站与核电站，火电站等其他类型的电站相比，在爬升能力，调峰调频比率等方面有着一定的优势。 1研究意义 储能技术应用于电力系统，可以改变电能生产、输送与消费必须同步完成的传统模式。目前，我国正在规划与大力发展坚强智能电网，全面覆盖发-输-变-配-用-调的六大环节与信息平台的建设。储能技术将是未来智能电网的重要组成部分，涉及其建设的各个主要环节。发展储能技术重要意义包括削峰填谷、调节节约能源、提高电力电网系统效率、保证电力电网系统安全等方面。同时采用储能技术可以弥补新能源发电的随机性、波动性，并实现新能源发电的平滑输出，使大规模风电及太阳能发电更安全更可靠地并入常规电网。储能技术也可以解决电动汽车充电的随机性、波动性问题，有效调节电动汽车充电引起的电网电压、频率及相位的变化，为新能源汽车的大规模推广提供基础。随着智能电网、分布式供电等新技术的推广应用，储能的作用进一步突现出来。大规模储能技术的发展和应用将对新能源乃至整个电力系统带来革命性的影响。 2飞轮储能的原理 飞轮储能是利用高速旋转的飞轮将电能以动能形式储存起来。典型的飞轮储能系统的基本结构如图1所示, 主要由五部分组成：飞轮转子、支撑轴承、高速电机、双向变流器、真空室。为了减少空闲运转时的损耗，提高飞轮的转速和飞轮储能装置的效率，飞轮储能装置轴承的设计一般都使用非接触式的磁悬浮轴承技术，而且将电机和飞轮都密封在一个真空容器内以减少风阻。通常发电机和电动机使用一台电机来实现，通过轴承直接和飞轮连接在一起。
图1飞轮储能系统的基本结构 其工作原理为：系统储能时，高速电机作为电动机运行，由工频电网提供的电能经变频器驱动电机加速，电机拖动飞轮加速储能，能量以动能形式储存在旋转的飞轮体中。当飞轮达到设定的最大转速后，系统处于能量保持状态，直到接收到一个释放能量的控制信号，系统释放能量，高速旋转的飞轮利用其惯性作用拖动电机减速发电，经变流器输出适用于电网要求的电能，完成动能到电能的转换。在整个飞轮储能装置中，飞轮是其中的核心部件，它决定了整个装置的储能多少，其储存的能量为： J 为飞轮的转动惯量, 与飞轮的形状和重量有关；ω为飞轮转动的角速度。 3飞轮储能的技术优势 储能技术是指，将电能通过某种装置转换成其他便于存储的能量高效存储起来，在需要时，可以将所存储的能量方便地换成所需形式能量的一种技术。储能技术主要有物理储能(如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等)、化学储能(如各类蓄电池、可再生燃料电池、液流电池、超级电容器等)和电磁储能(如超导电磁储能等)。 飞轮储能是用物理方法实现电能存储, 是一种高度机电一体化产品, 是最有发展前途的储能技术之一。飞轮储能与其他几种典型储能方式性能比较如表1所示。飞轮储能使用寿命可达到20年以上，超过了其他几种储能方式，并且由于飞轮储能是机械储能方式，对于工作温度没有特定的要求，对于环境几乎没有影响。飞轮储能具有较大的容量密度和功率密度，维护周期长，系统稳定性强，适用于调峰调频，电能质量调节，输配电系统稳定性，UPS等场合。
储能技术的应用心得
储能技术应用的发展前景阅读报告 摘要：针对电的储能技术主要分为三种：物理储能（抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能）、电化学储能（液流电池、铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池、镍镉电池、镍氢电池和超级电容器等）和电磁储能（如超导电磁储能等）。 一、概述 目前我国储能行业刚刚起步，比较成熟的储能技术是抽水蓄能和铅酸电池，技术进步最快的是电化学储能，其中以液流电池、锂离子电池和钠硫电池最为显著。在实际生产和应用方面，我国已经在实验以及试用不少电化学储能技术，但从整体来看，在实际生产中主要以中低端的镍氢动力电池和铅酸电池为主，更大容量的液流电池、锂离子电池、超级电容器等领域的关键技术虽有突破，但由于缺乏政策支持，未发展到商业化运作和大规模运用的阶段，部分储能技术如磷酸铁力、液流电池等真正的大规模工业化适用刚刚开始，产业化水平很低。 二、能量型和功率型电池分析 能量型储能以高比能量为特点，主要用于高能量输入、输出场合；功率型储能以高比功率为特点主要用于瞬间高功率输入、输出场合。 据了解，功率型储能电池主要用于调频，其特点是能够在短时间内，满足大功率充放电要求。各种电池技术中，以飞轮储能和超级电容的效果最好，前者理论上没有寿命限制，后者单体循环寿命为100万次。 风电一般每年运行2000-3000小时，要保证功率平滑输出，大概每10秒就要充、放电一次，那么储能电池1年的充放电次数就是100万次。高度频繁的充放电情况目前只有飞轮能够承受。但飞轮电池在高温下寿命缩短，具有较低的比能量和比功率，且存在一定的环境污染，镍镉电池与铅酸电池相似存在重金属污染。新兴化学储能如液流电池与钠硫电池是目前适合大规模发展的电力化学储能技术。全钒液流电池循环寿命长、能量转换效率较高，选址和设计灵活，安全环保但比能量和比功率较低适用于可再生能源储能和调峰电源以及应急电源。 近年来，风力发电在中国发展得十分迅猛。截至2012年底，风电累计装机容量达到7532.4万千瓦；但是，由于风能等可再生能源具有不连续、不稳定的非稳态特性，大规模并网后对电网调峰、调频及电能质量均会带来不利影响。因此，随着风电装机容量占电网电力比例的提高，弃风限电现象也频频出现。
储能技术应用和发展前景
储能是智能电网、可再生能源接入、分布式发电、微电网以及电动汽车发展必不可少的支撑技术，可以有效地实现需求侧管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，可以提高电力设备运行效率、降低供电成本，还可以作为促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段。智能电网的构建促进储能技术升级、推动储能需求尤其是大规模储能需求的快速增长，从而带来相应的投资机会。 随着储能技术的大量应用必将在传统的电力系统设计、规划、调度、控制方面带来变革。储能技术关系到国计民生，具有越来越重要的经济价值和社会价值，目前储能在中国的发展刚刚起步。国家应该尽快研究储能技术的相关产业标准，加强储能技术基础研究的投入，切实鼓励技术创新，掌握自主知识产权；从规模储能技术发展起始阶段就重视环境因素，防治环境污染；充分发挥储能在节能减排方面的作用，把对新能源的鼓励政策延伸到储能环节。 近年来，我国电网峰谷差逐年增大，多数电网的高峰负荷增长幅度在10%左右，甚至更高。而低谷负荷的增长幅度则维持在5%甚至更低。峰谷差的增加幅度大于负荷的增长幅度，在电网中引入储能系统成为了实现电网调峰的迫切需求。 储能技术拥有广泛的应用前景，但实现规模化储能当前仍是一个世界性难题。目前，我国约有40个储能示范项目，而规模在1000千瓦级的项目为数不多。这些储能项目多起到示范、探索性作用，并不具备产业化意义。 储能产业的发展机遇
由于我国的能源中心和电力负荷中心距离跨度大，电力系统一直遵循着大电网、大电机的发展方向，按照集中输配电模式运行，随着可再生能源发电的飞速发展和社会对电能质量要求的不断提高，储能技术应用前景广阔。储能技术主要的应用方向有：风力发电与光伏发电互补系统组成的局域网，用于偏远地区供电、工厂及办公楼供电；通信系统中作为不间断电源和应急电能系统；风力发电和光伏发电系统的并网电能质量调整；作为大规模电力存储和负荷调峰手段；电动汽车储能装置；作为国家重要部门的大型后备电源等。随着储能技术的不断进步，安全性好、效率高、清洁环保、寿命长、成本低、能量密度大的储能技术将不断涌现，必将带动整个电力行业产业链的快速发展，创造巨大的经济效益和社会效益。 国家电网公司近期确定的智能电网重点投资领域中包括了大量储能应用领域，如发电领域的风力发电和光伏发电中应用储能技术项目，配电领域储能技术，电动汽车充放电技术等。无论是风电还是太阳能发电，其自身都具有随机性和间歇性特征，其装机容量的快速增长必对电网调峰和系统安全带来不利影响，所以，必须要有可靠的储能技术作为支撑和缓冲。先进储能技术能够在很大程度上解决新能源发电的波动性问题，使风电及太阳能发电大规模的安全并入电网。 并网逆变器作为光伏电池与电网的接口装置，将光伏电池的直流电能转换成交流电能并传输到电网上，在光伏并网发电系统中起着至关重要的作用。并网逆变器性能对于系统的效率、可靠性，系统的寿命及降低光伏发电成本至关重要。 储能技术发展有利于推进风电就地消纳，在当前产业梯度转移的大背景下，可考虑在大型风电基地附近布局供热、高耗能产业，同时加快建立风电场与这些大电力用户和电力系统的协调运行机制。国家电网近期确定的智能电网重点投资
飞轮储能关键技术
飞轮储能系统关键技术分析及应用现状 摘要：本文从飞轮储能系统的结构原理入手，首先介绍了飞轮储能系统的结构组成、工作原理及其工作模式，然后对飞轮转子、支承轴承、真空室、电动/发电机及电力电子装置等关键技术进行了全面的分析，并介绍了关键技术的国内外研究现状，在此基础上对飞轮储能的应用现状进行了阐述。 关键词：飞轮储能；关键技术；应用现状 中图分类号：TK02 文献标识码：A 文章编号： 0、前言 随着中国经济的快速发展，能源和环境问题成为了中国快速发展主要阻碍。然而，在能源如此短缺的情况下，使用目前的耗能设备和耗能方式却使得世界上总能量的50%～70%白白的浪费了[1]。因此在开发新能源的同时，研究如何回收存储被白白浪费的能量也是非常重要的。目前的储能方式主要有：化学储能、物理储能和超导储能，在这几种储能方式中化学储能技术比较成熟，并已得到广泛的应用，但是它使用寿命短、受外界条件影响显著、对环境污染严重。超导储能对技术要求高、对环境要求苛刻暂时还不适合大规模应用。由于物理储能是利用物理方法将能量春初起来，所以不存在对环境污染问题比较适合当今的发展要求。物理储能方式主要有抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能。在这几种物理储能方式中飞轮储能以其在使用寿命、充电时间、效率方面的突出特点得到了广泛的关注。 1、飞轮储能系统的结构及工作原理 1.1飞轮储能系统基本的结构 飞轮储能系统又称飞轮电池其基本结构是由飞轮、轴承、电动机/发电机、电力电子控制装置、真空室等五个部分组成[2]。其中飞轮是飞轮电池的关键部件，一般选用强度高密度相对较小的复合材料制作；轴承是支撑飞轮的装置，由于磁悬浮支承可以降低摩擦损耗提高系统效率而成为了支撑技术的研究热点；飞轮电池的电机是一个集成部件，可以在电动和发电两种模式下自由切换，以实现机械能和电能的相互转换；电力电子控制装置主要是对输出和回馈的电能进行控制，通过对电力电子控制装置的操作可以实现对飞轮电机的各种工作要求的控制；真空室的功用有两个即为飞轮提供真空环境降低风阻损耗和在飞轮高速旋转破裂时起到保护周围人员和设备的作用。图1给出了一种飞轮储能系统结构简图。 图1 飞轮储能系统结构简图 1.2飞轮储能系统的工作原理 飞轮储能系统是利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式存储起来的装置。它有三种工作模式即充电模式、保持模式、放电模式。充电模式即飞轮转子从外界吸收能量使飞轮转速升高将能量以动能的形式存储起来；放电模式即飞轮转子将动能传递给发电机，发电机将动能转化为电能在经过电力控制装置输出适合于用电设备的电流和电压，实现了机械能到电能的转化；
飞轮储能技术
飞轮储能技术研究 汽车08-2班张吉泉0707130226 摘要：介绍了飞轮储能技术的基本原理和应用.飞轮储能技术作为一种新型能源储备方式，具有大储能、高功率、无污染、适用广、维护简单、可实现连续工作等优点越来越为世界各国所重视，成为研究热点。 关键词:飞轮储能;电力;复合材料;飞轮电池 引言：近年来.世界各地屡屡发生大面积停电等重人电力事故.美国、加拿人、英国、瑞典、意人利等都遭遇了地铁瘫痪、民航、铁路运输中断等事故.经济损失达上千亿美元.大面积停电和严重缺电能够迅速波及整个网络.其损失和造成的影响都是难以估量的.采取一些有效的措施把用电低谷时多余的电能储存起来.在用电高峰时释放出来缓解用电压力是各国都在积极考虑的问题.现在己采取的储能技术有机械储能（飞轮、抽水、弹簧、压缩空气等)、热能蓄能(显热、潜热、蒸发、融解、升华等)、电磁蓄能(电容器、超导等)和化学蓄能(蓄电池、合成燃料、浓度差发电、物理化学能量等).其中发展最快、规模最大的是抽水蓄能.其次是压缩空气蓄能.排在第二位的就是飞轮蓄能.飞轮蓄能装置可配置在城市和用电中心附近的变电所.用来调峰调频.它的规模己达几十和几百MW级.特别是由于高温超导磁力轴承的开发和应用.将加速飞轮储能技术的发展.与其他形式的储能方式相比较.飞轮储能具有大容量、高效率、无限循环寿命、零排放、无污染和装置对环境无要求等优点. 1飞轮储能原理 飞轮储能系统主要包括3个部分:(1)转子系统;(2)支撑转子的轴承系统;(3)转换能量和功率的电动/发电机系统.另外还有一些支持系统，如真空、深冷、外壳和控制系统.基木结构如图1所示. 1 .1飞轮转子 飞轮转子是飞轮储能系统的一个重要的组成部分.储存在飞轮内的动能E用下式表示为 式中J和w分别表示飞轮的转动惯量和转动角速度.考虑到制造飞
飞轮储能技术的发展现状
飞轮储能技术的发展现状 摘要: 飞轮储能技术已成为国际能源界研究的热点之一。从飞轮储能技术的技术进展(包括飞轮本体、转子支承系统、电动/发电机、电力转换器与真空室)角度出发，系统地介绍了该技术国内外的发展现状。 关键词: 飞轮储能系统，电动机/发电机，电力转换器，真空室 近年来，飞轮储能技术发展非常迅速。国内外都积极地投入大量资金和人力在这项储能技术上，目前已经有了可喜成果，以飞轮储能五大关键技术为出发点，分别对其技术发展现状进行阐述。 1飞轮转子技术现状 美国休斯顿大学的德克萨斯超导中心致力于纺锤形飞轮开发，这是一种等应力设计，形状系数等于或接近1，材质同样为玻璃纤维复合材料，储能1kWh、重19kg、飞轮外径30.48cm。美国Beacon 电力公司推出的Beacon 智能化储能系统，其飞轮转子以一种强度高、重量轻的石墨和玻璃纤维复合材料制成，用树脂胶合。美国Satcon 技术公司开发的伞状飞轮，这种结构有利于电机的位置安放，对系统稳定性十分有利，转动惯量大，节省材料，轮毂强度设计合理。 NASA Glenn 中心和美国宾州州立大学高级复合材料制造中心等单位均采用湿法缠绕工艺制备了复合材料飞轮。 2飞轮储能的轴承支承系统技术现状 2.1机械轴承 美国TSI 公司应用高级的润滑剂、先进的轴承材料及设计方法和计算机动态分析，成功地开发出内部含有固体润滑剂的陶瓷轴承，最新又研制的基于真空罩的超低损耗轴承，其摩擦系数只有0.000 01。 2.2被动磁轴承（PMB） 目前对永磁轴承的研究较少，目前主要集中在对超导磁轴承（SMB）的研究上。 西南交通大学超导技术研究所从20 世纪90 年代初期开始，就一直致力于高温超导磁悬浮技术的应用基础研究，2000 年研制成功了世界首辆载人的高温超导磁悬浮实验车。 日本ISTEC 正在对10kWh/400kW 等级飞轮系统中的SMB 进行组装实验，同时加工设计100kWh等级飞轮定子。 德国ATZ 公司则从2005 年开始对5kWh/250kW 等级的飞轮进行研究。ATZ 公司与 L-3MM 合作生产高温超导储能，并即将进行工程应用电性能测试。并且两家机构还达成共
一种飞轮储能装置
一种飞轮储能装置 针对供电电网中业已存在的电压跌落、浪涌、瞬变和高次谐波干扰等问题，使现代的高、精、尖设备对电网的供电质量提出了更高的要求，因此就要配备性能良好的交流稳压电源。 下面介绍一种飞轮储能型高性能交流稳压电源的工作原理及使用（以下简称为：飞轮型交流稳压电源）。飞轮型交流稳压电源的构成主要由原动力部分（三相交流异步电动机M）、发电机部、分（三相交流同步发电机G）和飞轮FW所构成，具有稳压、稳频和消除供电电网高次谐波等诸多功能。 一、工作原理简述 飞轮型交流稳压电源的工作原理是建立在电力拖动理论的电动机一发电机（M－G）系统和飞轮储能原理上的。飞轮储能的主要原理是通过能量转换系统，把电能或其他能量以机械能的方式储存在高速旋转的飞轮中。当需要释放能量时，飞轮的转速降低，可以将机械能转换为电能或其他能量。飞轮具有高比能量、长寿命、高效率、无污染等特性。 当某种原因（如：外电网电压跌落、浪涌、瞬变或者用电负载突然加大、减小等）导致电动机一发电机（M－G）系统转速变化时，同步旋转的飞轮FW就释放或者吸收相应的机械能量，以维持同步发电机G转速的恒定，输出稳定的高质量电能。 2.原动力部分原理 在飞轮型交流稳压电源中，主要选用经过特别设计的三相交流异步电动机作为原动力电机，以拖动三相同步交流发电机工作。 3.发电机部分原理 飞轮型交流稳压电源中，采用的发电机部分是经过优化设计的三相同步交流发电机。通过自动控制电路使输出电压稳定在高精度范围内。 二、安装及使用 1.现场安装：由于飞轮型交流稳压电源是集机械、电机、电力电子、微电子控制等为一体的高精密设备，因此为了工作在良好的状态，发挥其最大的使用效能和寿命，对于现场的安装条件和使用操作规程应按照说明书的技术要求来进行。 2.使用操作方法：飞轮型交流稳压电源的整个操作界面，均集中在控制柜上的控制面板上。其主菜单共包含了9个子菜单： 操作控制：此菜单的功能主要是进行设备的运行操作用的，分为：启动──开启、停止──停止运行、复位──恢复到最初的状态。
储能技术及其在现代电力系统中的应用
储能技术及其在现代电力系统中的应用 内容摘要 从电力系统安全高效运行的角度论述了电能存储技术的重要性，介绍了目前常用的几种储能技术的发展现状，指出了该领域当前的热点研究问题。 现代电力系统中的新问题 安全、优质、经济是对电力系统的基本要求。近年来，随着全球经济发展对电力需求的增长和电力企业市场化改革的推行，电力系统的运行和需求正在发生巨大的变化，一些新的矛盾日显突出，主要的问题有：①系统装机容量难以满足峰值负荷的需求。②现有电网在输电能力方面落后于用户的需求。③复杂大电网受到扰动后的安全稳定性问题日益突出。④用户对电能质量和供电可靠性的要求越来越高。⑤电力企业市场化促使用户则需要能量管理技术的支持。⑥必须考虑环境保护和政府政策因素对电力系统发展的影响。 2000年到2001年初，美国加州供电系统由于用电需求的增长超过电网的供电能力，出现了电力价格大范围波动以及多次停电事故；我国自2002年以来，已连续四年出现多个省市拉闸限电的状况；在世界上的其他国家和地区，也不同程度地出现了电力供应短缺的现象。系统供电能力，尤其是在输电能力和调峰发电方面的发展已经落后于用电需求的增长，估计这种状况还会在一段时间内长期存在，对电力系统的安全运行将带来潜在的威胁。 加强电网建设（新建输电线路和常规发电厂），努力提高电网输送功率的能力，可以保证在满足系统安全稳定运行的前提下向用户可靠地输送电能。但是，由于经济、环境、技术以及政策等方面因素的制约，电网发展难以快速跟上用户负荷需求增长的步伐，同时电网在其规模化发展过程中不可避免地会在一段时间甚至长期存在结构上的不合理问题；另一方面，随着电力企业的重组，为了获取最大利益，企业通常首先选择的是尽可能提高设备利用率，而不是投资建设新的输电线路和发电厂。因此，单靠上述常规手段难以在短时间内有效地扭转电力供需不平衡的状况。 长期以来，世界各国电力系统一直遵循着一种大电网、大机组的发展方向，按照集中输配电模式运行。在这种运行模式下，输电网相当于一个电能集中容器，系统中所有发电厂向该容器注入电能，用户通过配电网络从该容器中取用电能。对于这种集中式输配电模式，由于互联大系统中的电力负荷与区域交换功率的连续增长，远距离大容量输送电能不可避免，这在很大程度上增加了电力系统运行的复杂程度，降低了系统运行的安全性。 目前，电力系统还缺乏高效的有功功率调节方法和设备，当前采用的主要方法是发电机容量备用（包括旋转备用和冷备用），这使得有功功率调控点很难完全按系统稳定和经济运行的要求布置。某些情况下，即使系统有充足的备用容量，如果电网发生故障导致输电能力下降，而备用机组又远离负荷中心，备用容量的电力就难以及时输送到负荷中心，无法保证系统的稳定性。因此，在传统电力系统中，当系统中出现故障或者大扰动时，同步发电机并不总是能够足够快地响应该扰动以保持系统功率平衡和稳定，这时只能依靠切负荷或者切除发电机来维持系统的稳定。但是，在大电网互联的模式下，局部的扰动可能会造成对整个电网稳定运行的极大冲击，严重时会发生系统连锁性故障甚至系统崩溃。美国和加拿大2003年8月14日发生的大停电事故就是一个惨痛的教训。如果具有有效的有功和无功控制手段，快速地平衡掉系统中由于事故产生的不平衡功率，就有可能减小甚至消除系统受到扰动时对电网的冲击。 在现代电力系统中，用户对于电能质量和供电可靠性的要求越来越高。冲击过电压、电压凹陷、电压闪变与波动以及谐波电压畸变都不同程度地威胁着用户设备特别是敏感性负荷的正常运行。电力市场化的推行也促使电力供应商和用户一起共同寻求新的能量管理技术支
各种储能系统优缺点对比学习资料
史上最全储能系统优缺点梳理 谈到储能，人们很容易想到电池，但现有的电池技术很难满足电网级储能的要求。实际上，储能的市场潜力非常巨大，根据市场调研公司Pike Research的预测，从2011年到2021年的10年间，将有1220亿美元投入到全球储能项目中来。而在大规模储能系统中，最为广泛应用的抽水蓄能和压缩空气储能等传统的储能方式也在经历不断改进和创新。今天，无所不能(caixinenergy)为大家推荐一篇文章，该文章分析了目前全球的储能技术以及其对电网的影响和作用。 现有的储能系统主要分为五类：机械储能、电气储能、电化学储能、热储能和化学储能。目前世界占比最高的是抽水蓄能，其总装机容量规模达到了127GW，占总储能容量的99%，其次是压缩空气储能，总装机容量为440MW，排名第三的是钠硫电池，总容量规模为316MW。 全球现有的储能系统 1、机械储能 机械储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等。 (1)抽水蓄能：将电网低谷时利用过剩电力作为液态能量媒体的水从地势低的水库抽到地势高的水库，电网峰荷时高地势水库中的水回流到下水库推动水轮机发电机发电，效率一般为75%左右，俗称进4出3，具有日调节能力，用于调峰和备用。
不足之处：选址困难，及其依赖地势;投资周期较大，损耗较高，包括抽蓄损耗+线路损耗;现阶段也受中国电价政策的制约，去年中国80%以上的抽蓄都晒太阳，去年八月发改委出了个关于抽蓄电价的政策，以后可能会好些，但肯定不是储能的发展趋势。 (2)压缩空气储能(CAES)：压缩空气蓄能是利用电力系统负荷低谷时的剩余电量，由电动机带动空气压缩机，将空气压入作为储气室的密闭大容量地下洞穴，当系统发电量不足时，将压缩空气经换热器与油或天然气混合燃烧，导入燃气轮机作功发电。国外研究较多，技术成熟，我国开始稍晚，好像卢强院士对这方面研究比较多，什么冷电联产之类的。 压缩空气储也有调峰功能，适合用于大规模风场，因为风能产生的机械功可以直接驱动压缩机旋转，减少了中间转换成电的环节，从而提高效率。 不足之处：一大缺陷在于效率较低。原因在于空气受到压缩时温度会升高，空气释放膨胀的过程中温度会降低。在压缩空气过程中一部分能量以热能的形式散失，在膨胀之前就必须要重新加热。通常以天然气作为加热空气的热源，这就导致蓄能效率降低。还有可以想到的不足就是需要大型储气装置、一定的地质条件和依赖燃烧化石燃料。
储能技术应用和发展前景
储能技术应用和发展前景 深圳市中美通用电池有限公司网址:WWW+中美通用电池首字母+COM General Electronics Battery Co., Ltd. 网址:WWW+中美通用电池首字母+COM 储能是智能电网、可再生能源接入、分布式发电、微电网以及电动汽车发展必不可少的支撑技术，可以有效地实现需求侧管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，可以提高电力设备运行效率、降低供电成本，还可以作为促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段。智能电网的构建促进储能技术升级、推动储能需求尤其是大规模储能需求的快速增长，从而带来相应的投资机会。 随着储能技术的大量应用必将在传统的电力系统设计、规划、调度、控制方面带来变革。储能技术关系到国计民生，具有越来越重要的经济价值和社会价值，目前储能在中国的发展刚刚起步。国家应该尽快研究储能技术的相关产业标准，加强储能技术基础研究的投入，切实鼓励技术创新，掌握自主知识产权;从规模储能技术发展起始阶段就重视环境因素，防治环境污染;充分发挥储能在节能减排方面的作用，把对新能源的鼓励政策延伸到储能环节。 近年来，我国电网峰谷差逐年增大，多数电网的高峰负荷增长幅度在10%左右，甚至更高。而低谷负荷的增长幅度则维持在5%甚至更低。峰谷差的增加幅度大于负荷的增长幅度，在电网中引入储能系统成为了实现电网调峰的迫切需求。 储能技术拥有广泛的应用前景，但实现规模化储能当前仍是一个世界性难题。目前，我国约有40个储能示范项目，而规模在1000千瓦级的项目为数不多。这些储能项目多起到示范、探索性作用，并不具备产业化意义。 储能产业的发展机遇
国内外飞轮储能技术发展现状研究
国内外飞轮储能技术发展现状研究 时间：2011-11-1 来源：北极星电力网 一、大规模发展新能源和推动节能环保亟须发展大容量储能产业 传统能源的日益匮乏和环境日趋恶化，极大地促进了新能源的发展，新能源发电的规模也快速攀升。但风电、太阳能发电自身所固有的随机性、间歇性特征，决定了其规模化发展必然会对电网调峰和系统安全运行带来显著影响，必须要有先进的储能技术作支撑。国外有关研究表明，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常规电网。 中国新能源大发展在即，对储能产业有更急迫的现实需求。预计到2020年风电和太阳能发电装机会突破1.7亿千瓦，占全国发电装机总量的比例会超过15%。但由于目前我国电力系统煤电比例较高，在部分地区又主要是调峰能力差的供热机组，核电发展很快但却不能参与调峰，水电、燃气发电等调峰性能优越的电源所占比例过低，导致现有电力系统接纳新能源的能力很弱。再加上我国能源资源所在地多远离负荷地，不得不实施风电、光电的“大规模集中开发、远距离输送”，这更进一步加大了电网运行和控制风险。随着国内新能源发电规模的快速扩大，电网与新能源的矛盾越来越突出，对储能的需求更为迫切。 大容量储能还可提高能源利用效率，为国家节约巨额投资。为应对城市尖峰负荷，电力系统每年都要新增大量投资用于电网和电源后备容量建设，但利用率却非常低。以上海为例，2004—2006年间，为解决全市每年只有183.25小时的尖峰负荷，仅对电网侧的投资每年就超过200亿元，而为此形成的输配电能力的年平均利用率不到2%。同样是为了应对尖峰负荷，转而采用大容量储能技术，不仅投资会成倍减少，而且由于储能设施占地少、无排放，其节地、节能、减排的效果是其他调峰措施无法比拟的。 二、全球大容量储能技术呈多元化发展格局，中国企业已掌握关键技术，拥有自主知识产权。 全球储能技术主要有化学储能(如钠硫电池、液流电池、铅酸电池、镍镉电池、超级电容器等)、物理储能(如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等)和电磁储能(如超导电磁储能等)三大类。目前技术进步最快的是化学储能，其中钠硫、液流及锂离子电池技术在安全性、能量转换效率和经济性等方面取得重大突破，产业化应用的条件日趋成熟。钠硫电池的充电效率已可达到80%，能量密度是铅酸蓄电池的3倍，循环寿命更长。日本在此项技术上处于国际领先地位，2004年日本在本国Hitachi自动化工厂安装了当时世界上最大的钠硫电池系统，容量是9.6MW/57.6MWh。液流钒电池的基础材料是钒，该电池具有能量效率高、蓄电容量大、能够100%深度放电、寿命长等优点，已进入商业化阶段。锂离子电池的基础材料是锂，已开始在电动自行车、电动汽车等领域应用，近年来由于磷酸亚铁锂、纳米磷酸铁锂等新材料的开发与应用，大大改善了锂离子电池的安全性能和循环寿命，大容量锂电池储能电站正逐渐兴起。 物理储能中最成熟也是世界应用最普遍的是抽水蓄能，主要用于电力系统的调峰、填谷、调频、调相、紧急事故备用等。其能量转换效率在70%—75%左右。目前世界范围内抽水蓄能电站总装机容量9000万千瓦，约占全球发电装机容量的3%。压缩空气技术早在1978年就实现了应用，但由于受地形、地质条件制约，没有大规模推广。飞轮蓄能的特点是寿命长、无污染，动态特性好，但超大容量的飞轮，目前技术尚不成熟。电磁储能技术现在仍很昂贵，还没有商业化。
飞轮储能图文说明
飞轮储能图文说明 飞轮蓄能是机械蓄能的一种形式，以惯性能(动能)的方式，将能量储存在高速旋转的飞轮中。当车辆制动时，飞轮蓄能系统托动飞轮加速，将车身的惯性动能转化为飞轮的旋转动能。当车辆需起动或加速时，飞轮减速，释放其旋转动能给车身。 飞轮储能作为一种纯机电的储能系统，具有比能量大、比功率高、无二次污染、寿命长等优点，在短时间内得到了很快发展。 目前，飞轮储能技术己经在UPS、电力系统、混合动力机车等领域获得了成功应用。飞轮储能技术涉及多种学科与技术，主要包括机械科学、电气科学、磁学、控制科学和材料科学等多学科，以及复合材料的成型与制造技术、高矫顽力稀土永磁材料技术、磁悬浮技术、传感技术、用于变压变频的电力电子技术、高速双向电动机/ 发电机技术等关键技术。 飞轮储能装置的结构如图3-7 所示，主要包括5 个基本组成部分：(1)采用高强度玻璃纤维(或碳纤维)复合材料的飞轮转子；(2)悬浮飞轮的电磁轴承及机械保护轴承；(3)电动/ 发电互逆式电机；（4）电机控制与电力转换器；(5) 高真空及安全保护罩。 轴承 真空容器 电机 飞轮 轴承 图3-7 飞轮储能原理 现代飞轮储能系统的飞轮转子在运动时由磁力轴承实现转子无接触支承，而机械保护轴承主要负责转子静止或存在较大的外部扰动时的辅助支承，以避免飞轮转子与定子直接相撞而导致灾难性破坏。高真空及安全保护罩用来保持壳体内始终处于真空状态，减少转子运转的风耗，同时避免一旦转子产生爆烈或定子与转子相碰时发生意外。此外还有一些辅助系统，例如用来负责电机和磁悬浮轴承的冷却系统，显示仪表则用来显示剩余电量和工作状态。 飞轮储能系统是一种机电能量转换与储存装置，它存在两个工作模式：一种为“充电”
飞轮储能系统研究方案
电机与电器专题课报告——飞轮储能系统研究 哈尔滨工业大学 2014年6月
飞轮储能系统研究 摘要：飞轮储能系统(FESS)又称飞轮电池或机电电池，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。本文针对该领域近年来的研究成果，对飞轮储能系统的几大关键部件全面的论述。 引言： 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60000r/min的飞轮电池，在75%放电深度下 产生大于20Whr/lb的比能量(此值还不是最高的)，而镍氢电池只有5～6Whr/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。 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。27GPa)、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。NASA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。
新型相变储能技术的应用与发展
０引言 能源是人类赖以生存的基础。目前，随着全球工 业的高速发展，全球能源也日益短缺。矿物能源的枯竭性危机和环境污染问题越来越受到世人关注，提高能源使用效率和开发可再生能源是人类面临的重要课题。 上世纪末相变储热（ＬＴＥＳ）的基础理论和应用技术研究在发达国家（如美国、加拿大、日本、德国等）迅速崛起并得到不断发展。材料科学、太阳能、航天技术、工程热物理、建筑物空调采暖通风及工业废热利用等领域的相互渗透与迅猛发展为ＬＴＥＳ研究和应用创造了条件。ＬＴＥＳ具有储热密度高，储热放热近似等温，过程易控制的特点。潜热储热是有效利用新能源利节能的重要途径。提高储热系统的相变速率，热效率，储热密度和长期稳定型是目前面临的重要课题。研究潜热储热的核心就是研究材料的相变传热过程［１］。 相变储能控温是提高能源利用效率和保护环境的重要技术，常用于缓解能量供求双方在时间、强度及地点上不匹配的有效方式，在太阳能的利用、电力的“移峰填谷”、废热和余热的回收利用，以及工业与民用建筑和空调的节能等领域具有广泛的应用前景，目前已成为世界范围内的研究热点。利用相变材料的相变潜热来实现能量的储存和利用，有助于提高能效和开发可再生能源，是近年来能源科学和材料科学领 域中一个十分活跃的前沿研究方向。 １相变储能控温材料的机理及发展现状 １．１相变储能控温材料的机理 相变储能控温材料是指在其物相变化过程中，可以与外界环境进行能量交换（从外界环境吸收热量或者向外界环境放出热量），从而达到控制环境温度和能量利用的目的的材料。与显热储能相比，相变储能控温具有储能密度高、体积小巧、温度控制恒定、节能效果显著、相变温度选择范围宽、易于控制等优点，在航空航天、太阳能利用、采暖和空调、供电系统优化、医学工程、军事工程、蓄热建筑和极端环境服装等众多领域具有重要的应用价值和广阔的前景。 相变材料从液态向固态转变时，要经历物理状态的变化。在这两种相变过程中，材料要从环境中吸热，反之，向环境放热。在物理状态发生变化时可储存或释放的能量称为相变热，发生相变的温度范围很窄。物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变。大量相变热转移到环境中时，产生了一个宽的温度平台。该温度平台的出现，体现了恒温时间的延长，并可与显热和绝缘材料区分开来（绝缘材料只提供热温度变化梯度）。相变材料在热循环时，储存或释放显热。 相变材料在熔化或凝固过程中虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大。目前已知的天然和合成 新型相变储能技术的应用与发展 尚燕１，张雄２ （１．江苏省建筑科学研究院，江苏 南京 ２１０００８；２．同济大学材料科学与工程学院，上海 ２０００９２） 摘要：概括和评述了相变储能复合材料的制备方法及其研究进展，介绍了相变材料在建筑方面的应用，最后，指出当前存在问题以及 目前值得深入研究的课题。 关键词：相变材料；储能；复合材料；应用中图分类号：ＴＵ５９９ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３－７２３７（２００６）０２－００２１－０６ ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｎｔｈｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＰｈａｓｅＣｈａｎｇｅＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒａｇｅ ＳＨＡＮＧＹａｎ１，ＺＨＡＮＧＸｉｏｎｇ２ （１．ＪｉａｎｇｓｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＢｕｉｌｄｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１０００８，Ｃｈｉｎａ； ２．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｈａｓｅｃｈａｎｇｅｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｔｈｅｉｒｒｅｓｅａｒｃｈｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｐｈａｓｅｃｈａｎｇｅｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｒｅａｌｓｏｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ａｔｌａｓｔ，ｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｓｕｂｊｅｃｔｓｄｅｓｅｒｖｉｎｇｔｏｆｕｒｔｈｅｒｓｔｕｄｙａｒｅｉｎｄｉｃａｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｈａｓｅｃｈａｎｇｅｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ■节能技术 ＥＮＥＲＧＹ－ＳＡＶＩＮＧＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 建筑节能 ２００６年第２期（总第３４卷第１９０期） Ｎｏ．２ｉｎ２００６（ＴｏｔａｌＮｏ．１９０，Ｖｏｌ．３４） ２１
中国飞轮储能
中国飞轮储能：行走在主流边缘 飞轮储能技术作为未来大规模储能的应用方式之一进入国人的视野还是最近两年的事。 在我国，化学电池较为常见，抽水储能也应用较多，唯独飞轮储能这个名词颇为陌生。 在媒体对飞轮储能的报道中，北京航空航天大学教授房建成的一句话引用颇多：“目前，我国的飞轮储能技术还停留在实验室研究阶段，与国外技术水平差距在10年以上。” 然而，今年7月，英利集团高调宣布进军飞轮储能领域，称其技术国产化率达到了80%，并计划在“十二五”期间至少生产45万台。 那么，我国是否具有大批量生产飞轮储能的技术能力？国外的飞轮储能发展现状如何？飞轮储能是否能满足市场对储能技术的迫切需求？ 带着这些疑问，《科学时报》记者来到我国少数几家研究飞轮储能的科研单位之一——清华大学工程物理系，采访了该系副研究员戴兴建。 市场潜力巨大 所谓飞轮储能，是利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式储存起来。需要能量时，飞轮减速运行，将存储的能量释放出来。我们小时候玩过的回力玩具汽车就是飞轮储能的简单应用。 不过，现在对飞轮储能的要求是将其应用于更大规模的储能。据戴兴建介绍，飞轮储能的技术优势是技术成熟度高、高功率密度、长寿命、环境特性友好。目前，国外产品经过不断地更新和提高性能，寿命已经达到15年、10万次以上。而化学电池一般只有几千次充放电的寿命，往往几年就需要更换。 戴兴建算了笔账：电池的运行需要空调作保证，因此需要额外的电费；两三年更换电池，又是一笔费用；同样容量的储能，飞轮储能的占地面积只有电池的1/3。综合起来，两者在寿命期内的竞争成本差不多。 不过，飞轮储能的劣势也很明显：能量密度不够高、自放电率高，如停止充电，能量在几到几十个小时内就会自行耗尽。 Active Power公司的飞轮储能系统单位模块输出250千瓦，待机损耗为2.5千瓦，因此有些数据称其效率为99%。“但这是有条件的。”戴兴建说，“只有在迅速用掉的情况下才有这么高的效率。如果自放电的话，效率大大降低。” 例如，几万转高速飞轮系统损耗在100瓦左右，1千瓦时的系统只能维持10小时的自放电。因此，戴兴建指出，飞轮储能最适合高功率、短时间放电或频繁充放电的储能需求。他认为，没有一种万能的储能技术能够满足所有的储能需求，飞轮储能根据其特点具体定位三块细分市场。 第一，高品质不间断电源。