工業化儲能技術及其飛輪儲能的應用

摘 要：文章主要介紹了工業化貯能的三種主要技術，即：電磁貯能、化學貯能和物理貯能。從六個方面比較了工業化儲能的技術特征，對典型的儲能方式進行了比較。分析了飛輪儲能的技術優勢，給出了飛輪儲能的應用領域。

關鍵詞：工業貯能；飛輪儲能；電磁能；電化學能

1 貯能技術分類及特性

⑴電磁貯能。電磁貯能按照介質不同可以分為兩類：超導材料和電容器貯能，即分別應用這兩種材質存儲磁場能，輸送功率的時候不需要任何形式能量的轉換，具有功率大、變換效率高、響應時間短等優勢，能夠很好地提升電力網絡的輸出電能質量、削弱輸出功率波動。

⑵電化學貯能。主要包括：1）鈉硫電池；2）鋰離子電池；3）鉛酸電池；4）液流釩電池；電化學的存儲介質是常溫中性的，流動性好有利于散熱，便于實時監控充放電狀態。但作為大型貯能技術的第一選擇來講還是十分現實的。

⑶物理貯能。物理貯能是在材料組成不變的基礎上，應用物理設備將一種能量轉換為另一種不同種類的能量，并在能量緊缺時將存儲的能量釋放的一種貯能技術。目前，主要的物理貯能方式有以下幾類：1）壓縮空氣貯能；2）抽水貯能；3）飛輪貯能。

2 工業貯能的技術特性

各類貯能技術的貯能容量、模塊化程度、使用壽命、充電時間、地點要求、建設時間以及開發程度都不一樣，導致儲存原理也不一樣，所以對其特性的分析顯得極其必要。貯能技術的特征主要歸為下面六點：

⑴能量轉換率。只有較高能量轉換率才能保證系統處于高效運行狀態。

⑵儲存容量。一般來講，儲存容量通常比實際輸出能量要大一些。

⑶自放電效率。自放電效率，其與周圍環境、材質、空間設計等因素有關。例如，陽極的高溫易分解性影響自放電效率，一次性電池比充電電池自放電效率高一些。

⑷功率密度與能量密度。我們通常將貯能系統分成兩種類型：功率型和能量型，而這兩種類型能夠相互補充，各有優勢。

⑸使用壽命。自動控制水平和維護服務水平將直接決定其循環工作周期的長短。前者如果不能達到最佳的工作狀態，將會進一步減少其循環工作周期。

⑹放電時間。放電時間即系統最大功率運行時能量的持續釋放時間，與系統功率是否恒定、工作情況和系統容量等條件有關。

不同貯能技術的比較見表1中。

3 飛輪貯能的優勢

（1）相比于化學電池，飛輪貯能機構能夠通過控制轉子轉速的方法來避免過充電的情況發生，并且沒有自放電的情況，從而其循環工作周期較長。（2）飛輪貯能機構充放電過程所耗費的時間都不長，通常以秒計算，儲電容量很容易地通過讀取轉子轉速的數值而計算得到。（3）飛輪貯能機構的維護量極少，使用壽命完全決定于電子元件的壽命。通常來講，壽命為幾萬次的深度充放電過程或20年左右。（4）飛輪貯能技術的輸出跟隨和自動化控制性能良好。（5）飛輪貯能機構基本不受溫度的影響，低溫或高溫均能正常工作。（6）飛輪貯能機構對建設地點無任何要求。

4 飛輪貯能機構的應用領域

飛輪貯能技術的上述優點決定了其在不同領域都有廣闊的發展前景，例如交通、供電和信息領域等等。飛輪貯能技術主要應用在以下各個領域中：

⑴交通領域中的應用。飛輪貯能技術可以應用在汽車、火車等交通工具中，通過電力電子裝置將剎車時產生的能量轉換為高速旋轉飛輪轉子的機械能并貯存，當加速或上坡時，機械能反向轉換為動力供交通工具使用。

⑵航天領域中的應用。目前，大多數航天工具的供電系統都是由化學電池與太陽能組成的綜合供電系統，這種系統存在充電時間長和放電深度難以測量等約束問題，而飛輪貯能技術能夠完美的解決上述問題，還可以通過姿態控制的方法來減輕航天工具的負重，大大降低了航天工具的運行和維護成本。

⑶電力系統中的應用。1）電力調峰。當前經濟的快速發展使得發電量的增速遠遠低于電力需求的增速，從而引起負荷峰谷差距增大，導致電力調峰問題日益嚴重。飛輪貯能技術對地理環境無任何要求，充放電時間短且不會對環境造成任何污染，雖然貯能容量相對較小，但作為一種輔助調峰手段是非常合適的。2）風力發電。風速并不是持續不變的，也不是有規律可循的，因此棄風現象十分嚴重。為了達到分時段發電、穩定機組輸出功率、增大機組功率因數和降低機組損耗的目的，必須以貯能系統為依托。飛輪貯能機構剛好可以滿足這種要求，其能夠大幅度提升機組的功率因數。當機組捕獲風能而產生的電能超過用戶需求量時，需求以外的電能則反饋回與飛輪相連的機組，促使其極速轉動并帶動飛輪轉動，變換成機械能貯存；而當機組捕獲風能而產生的電能少于用戶需求量時，飛輪轉子減速，同時變換機械能為電能供給負荷。