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高温超导飞轮储能技术发展现状.doc

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上传者: 医生 2013-07-04 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《高温超导飞轮储能技术发展现状doc》,可适用于人文社科领域,主题内容包含高温超导飞轮储能技术发展现状在年发现可工作在液氮温区(K)的高温超导材料后人们很快就发现利用这种材料制备的块材可以稳定地悬浮(悬挂)在永磁体上方(下符等。

高温超导飞轮储能技术发展现状在年发现可工作在液氮温区(K)的高温超导材料后人们很快就发现利用这种材料制备的块材可以稳定地悬浮(悬挂)在永磁体上方(下方)。并且施加给永磁体一个初始的扭矩后它就会围绕和块材相互作用力的对称轴旋转起来这就是高温超导磁悬浮轴承(SMB)最基本的模型。SMB以其具有的无机械接触、自稳定、结构简单等优点很快博得了众多研究者的青睐。在年便有了转速r/min的SMB报道而到年更有转速高达r/min的报道这也是迄今为止最高的转速记录。SMB的高转速是传统的机械轴承甚至主动的电磁悬浮轴承(AMB)所不及的。SMB的诞生为以轴承为基础的系统提供了升级换代的新途径高温超导飞轮储能系统(HTS.FESS)就是在这种背景下应运而生的。HTSFESS利用SMB的高速无机械摩擦旋转通过一个飞轮转盘把能量以机械旋转能量的形式储存起来。近年来随着SMB技术的日益成熟高强度复合纤维材料的问世以及高效率电力电子转换技术的进步使得HTS.FESS在储能密度、储能时间、响应时间、转换效率等方面均得到了较大的提高已达到了工业应用的要求。目前美国波音公司、日本国际超导中心(ISTEC)、德国ATZ公司等均在开展大容量HTSFESS样机的试验研究。美国波音公司在年的项目年度总结报告中指出他们研制的HTS.FESS即将完成最终用户测试并投入商业运行。HTS.FESS作为一种新型电力储能技术不仅为缓解当前日益严峻的能源问题提供了新的途径而且在军民两用上都具有巨大的应用前景。在卫星和航天器的能源供给和姿态控制、电磁发射系统的超大功率电源、战车的能量储备以及电力调峰、通信系统、交通系统等领域均可找到它的应用价值。HTS.FESS的基本原理及其特点.基本原理HTS.FESS的基本原理是利用电动机将悬浮的飞轮转子驱动到高速旋转状态电能转变为机械能储存。需要时飞轮减速电动机作发电机运行实现机械能到电能的转换这样就通过飞轮的加速和减速完成了电能的存入和释放。图给出了能量的存储与释放过程。                       图高温超导飞轮储能系统原理示意飞轮是一个作定轴转动的物体其储存的能量E可以表示为E=Jω    ()式中J飞轮转子的转动惯量ω角速度。储能密度(单位质量存储的能量)是表征储能装置性能的一个重要指标对于结构、几何尺寸一定的飞轮储能系统而言其储能密度e为e=Em=ksσρ    ()式中ks飞轮形状系数σ飞轮产生的最大周向应力ρ飞轮材料的密度m飞轮质量。从储存能量的角度来看E越大越好而从减轻轴承负荷来看m越小越好。综合式()、式()考虑飞轮转子需要σρ高的材料。HTS.FESS主要由SMB、飞轮转子、电动发电机、电力电子转换装置和真空/安全保护装置构成。..SMBSMB是HTS.FESS的核心部件作用是支撑飞轮转子并保证其无机械摩擦稳定的高速旋转。基本原理是高温超导体和永磁体电磁相互作用的轴对称模型一般是用高温超导块材(下文简称块材)作定子常规的永磁体作转子。液氮温度下块材进入超导混合态后由于钉扎中心的存在磁通线被其阻滞运动即被超导体俘获当超导体俘获了足够的磁通时便使转子自由悬浮在某一位置上同时块材特有的磁通钉扎能力阻止俘获磁通运动保证侧向稳定性从而实现了转子稳定的悬浮(如图所示)。研究结果表明SMB的摩擦系数只有是电磁悬浮轴承的/最好的机械轴承的/。图具有钉扎效应的高温超导磁悬浮示意图SMB按照块材与永磁体的排放结构分为轴向和径向两种类型其结构示意图如图所示。在轴向型中块材与永磁体之间的悬浮力指向旋转轴的方向。其优点是结构简单制作相对容易。缺点是轴承的承载能力依赖于定子的截面尺寸。在径向型中块材与永磁体之间的悬浮力指向转子径向。其优点是结构很紧凑并且可以在不改变主轴大小的情况下通过沿轴向增加定子中块材的数量来提高承载能力。缺点是对块材和永磁体材料性能的均匀性要求高。目前两种类型的轴承均已用于HTS.FESS样机的研制中。图SMB结构示意图..飞轮转子飞轮转子作为HTS.FESS的储能载体其旋转速度一般都是上万转因此转子工作时要承受很大的离心力这样就对转子材料的机械强度提出了很高的要求。从式()可知高强度、低密度的材料将是飞轮转子的理想材料。表给出了几种常用的飞轮转子材料参数显然碳素纤维复合材料因其极高的强度密度比是飞轮转子材料的理想选择。理论和实验都证明目前的碳素纤维复合材料做成的飞轮转子承受的最大线速度可超过m/s。表飞轮转子材料参数..电动/发电机电动发电机是HTSFESS能量转换的必备环节。飞轮储存能量时系统处于电动机运行状态飞轮加速释放能量时飞轮处于发电机运行状态飞轮减速。与其他电机相比永磁电机具有结构简单、效率高、转速高(已有Or/min的报道。在HTS.FESS中得到了广泛的应用'】..电力电子转换装置HTSFESS在储存与释放能量的过程中转速在不断变化电动机/发电机的转速也随之改变。因此为实现电能稳定的储存与释放必须在飞轮储能系统(FESS)与电网之间配备一个电力电子转换装置。储能时通过转换装置将电网电能变成电动机需要的电源形式输出电能时经转换装置调频、整流、恒压之后供给负载以满足不同工况下的需要。目前较多采用IGBT功率模块和微处理器技术来控制电动机发电机以实现能量的快速高效储存与释放采用变压变频器件完成输入与输出信号的转变。..真空/安全保护装置真空罩的作用是为飞轮转子提供一个低压的环境降低高速旋转下的风阻损耗。另外飞轮在高离心力作用下存在发生爆裂的可能性因此真空罩兼起安全保护的作用。为方便观察飞轮的实际运行情况一般采用透明的高强度玻璃钢真空罩。.HTS.FESS特点()控制简单。高温超导磁悬浮是一种自稳定的悬浮与电磁悬浮相比不需要额外的悬浮、导向控制环节。()储能密度大。高储能密度是FESS最突出的优势。从图对各种储能方式的储能密度比较中可以看出就目前的技术水平来说复合材料飞轮储能系统的储能密度已达到Wh/kg明显高于超导磁体储能、超级电容器、燃料电池、铅酸电池和高级电池等方式并且随着转子材料性能的提高还具有巨大的开发潜力。预计年内可用的熔融石英材料将使飞轮储能密度达到Wh/kg而五年后可使用的碳纳米管材料将使飞轮的储能密度提高到Wh/kg成为储能密度最高的储能方式。图储能系统能量密度比较。()效率高。与其他储能方式(蓄电池、燃料电池和发电机等)相比FESS效率最高可达到O%以上(见表)。表飞轮储能系统与其他几种储能形式性能比较()寿命长。从表可以看出FESS的充放电次数上万次运行寿命长达O年以上与燃料电池相当远高于蓄电池与发电机。FESS的长寿命以及低维护成本将补偿其购置成本较高的不足长期运行具有较好的经济性。()应用范围广。图给出了多种储能方式的功率一响应时间图。从图中可以看出与其他储能方式相比FESS具有最大的功率和响应时间区间。功率可以从mW~MW等级响应时间从数小时到数毫秒。因此具有良好的环境适应性。图储能系统功率一响应时间比较另外HTSFESS还具有充放电快捷、绿色环保、占地面积小、可以模块化(几个小型飞轮子模块构成一个大的储能系统)、不受地理环境影响等优点。目前包括美国、日本、德国、韩国等在内的多国正在大力开展HTS.FESS样机的研制工作。代表性研究工作如下:美国波音公司和阿贡实验室合作研制的kWh/kW等级的飞轮正在进行整机安装调试实验同时加工设计了kWh的飞轮转子预计年底完成全部试验日本ISTEC也正在对OkWhokw等级飞轮系统中的SMB进行组装实验同时加工设计kWh等级的飞轮定子德国ATZ公司则从年开始对kwh/kw等级的飞轮进行研究。.美国波音公司研究进展波音公司从年开始与阿贡实验室合作研制kWh/kW等级的HTSFESS另外还包括AshmanTechnologies、PraxairCorporation、BallardPowerSystems、TorayComposites和SouthernCaliforniaEdison等五家直接参与的公司刚。整个项目分成四期完成原定于年完成最终测试但由于资金和技术难题整个项目推迟到了年底。目前已经完成了kWh/kW等级的HTS.FESS整机实验测试速度达到了r/min将在年完成整个飞轮储能系统的最终用户测试。目前完成了kWh等级飞轮系统的转子设计和制作其测试速度将达到r/min。在此期间该小组年也提出了面向UPS应用的储能等级为kWh/kW的飞轮方案预算经费万美元其中%来源于美国能源部%私人投资。目前看来最先将HTSFESS商业应用的国家应该是美国且其面向的最初对象是UPS用户。图为波音公司飞轮系统的结构图。该系统利用永磁轴承(PMB)承载利用轴向SMB提供稳图美国波音公司kWh/kW等级UPS飞轮系统定。G.M制冷机提供低温环境。SMB定子由正六边形的YBCO块材拼接而成的空心圆盘其直径约mm转子由个半径不同的同心永磁环组成为聚集磁场环与环之间为铁环刚。在轴向间距为.mm时SMB轴向刚度为N/mm径向刚度为N/mm近似满足:的关系。实验证实永磁轴承和电机产生的负刚度均小于上述值在临界转速之外SMB完全可以稳定飞轮转子【。波音公司飞轮主要设计参数如表所示。.日本ISTEC研究进展日本非常重视HTS.FESS的研发主要有三家研究单位Chubu电力公司引、中央铁路公司】和ISTEC都在开展kWh等级及以上的飞轮储能系统的样机研制。其中ISTEC最具有代表性已在进行kWh/kW等级飞轮样机组装试验并且开始设计储能kWh等级的飞轮样机。ISTEC对HTS.FESS的研究可追溯到年当时主要受日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)的资助至今已经有长达年的研究历史经历了两个阶段的发展后目前已处于第三阶段。  日本ISTEC的HTS.FESS采用SMB承载AMB提供稳定整个结构如图所示。块材采用液氮循环冷却电动/发电机采用内嵌式永磁电机。径向SMB的定子由一系列瓦片形的YBCO块材拼接而成定子单元外径.mm内径.mm高度mm。转子与波音公司的结构相同不同之处在于永磁体环沿轴向充磁转子单元外径mm内径mm高度mm。SMB最终由组单元重叠构成高度为mm定子和转子间只有.mm的悬浮间隙如此小的间隙是用AMB进行控制和保证的。为降低旋转损失这种径向SMB对块材和磁体的均匀性、加工精度具有很高的要求。最初的方案中为保障系统具有足够的稳定性引入了AMB导致系统的控制单元比较复杂。ISTEC下一步的方案全部采用SMB真正体现HTS.FESS自稳定无需控制的优点。ISTEC飞轮主要设计参数见表所示。图日本ISTECkWh/kW等级飞轮系统德国ATZ研究进展德国对HTS.FESS的研究几乎与美国和日本同步“近几年研究进展显著。ATZ公司在前期对SMB研究的基础上年与MagnetMotor公司合作提出了kWh/kW等级的HTSFESS设计方案。另外不伦瑞克工业大学与Nexans超导公司提出了kWh/MW等级的HTS.FESS设计方案。"~年期间德国政府资助ATZ有限公司万美元用于SMB研究。他们制作的径向SMB总重量kg其中YBCO重kg轴承直径mm高度mm定子和转子之间间距.mm。SMB定子用方形的多籽晶熔融织构YBCO块材拼接成环再经打磨加工而成外径mm、内径mm、高度mm。转子结构与日本ISTEC相似外径mm、内径mm、高度mm。实验测试结果表明在轴向位移.mm温度.K时轴承的轴向最大承载重量高达kg径向承载重量高达kg。轴向刚度.kN/mm径向刚度.kN/mm。该SMB用kg的块材悬浮起了kg的重量意味着目前YBCO块材的悬浮性能达到:。上述数据打破了以往对SMB承载能力与刚度低的一贯看法进一步增加了研发SMB的信心对SMB的发展具有里程碑式的意义。年该公司又提出了kWh/kW等级的HTS.FESS的设计方案(如图所示)最终的目标是用两套kWh的子飞轮模块构成一套lOkWh的FESS。图德国ATZkWh/kW等级飞轮系统德国ATZ的HTS.FESS同时利用径向和轴向的SMB承受轴向载荷辅助以径向的PMB提供径向稳定。采用永磁同步电机驱动电机与轴承实现了集成。利用GM制冷机提供低温环境。整个结构非常紧凑系统体积小。基于提高系统动态稳定性的考虑设计了一个涡流阻尼器即在两个旋转的永磁环之间安装一块铝片阻止飞轮转子的偏心运动。ATZ应用瞄准的是UPS和电力品质调节领域。ATZ公司飞轮主要设计参数见表。表美、B、德HTS.FESS设计参数注:“~”表明具体情况未见报道。表综合比较了美国、日本和德国HTS.FESS样机设计参数可以看出目前国际上的技术发展水平特征是:()储能kWh等级。()旋转速度均高于fmin。()采用碳素纤维复合材料制作飞轮转子。()内嵌入式永磁电机。()采用以径向的SMB为主另外辅助PMB或者AMB的轴承结构。()真空度.Pa以下。()主要面向UPS和电力品质调节。.国内研究进展相比国外研究小组国内对HTS.FESS研究起步较晚尚处于理论研究和概念设计阶段。们与发达国家差距较大。其中中科院电工所制作了一台混合SMB样机转轴采用轴向型SMB、永磁轴承和电磁悬浮轴承共同支撑悬浮最高转速达到了r/min其中SMB定子由七块直径mm、高度mm的YBCO超导块材拼成而对应转子由一直径mm的永磁圆环和直径mm的永磁圆柱体组成。上述样机中选用的SMB结构简单、制作容易广泛用于其他小组的基础研究中。西南交通大学超导技术研究所从世纪O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年研制成功了世界首辆载人的高温超导磁悬浮实验车引“开拓了在磁悬浮技术上实现创新跨越发展的可能性为高温超导磁悬浮技术在交通及其他领域的应用奠定了基础”。同时研制出系列高温超导磁悬浮测试系统特别是新研制出的高温超导磁悬浮动态测试系统将实验研究运动速度在~km/h以内的高温超导磁悬浮特性这将为SMB的设计和研制提供必需的实验数据。在这些已有的高温超导磁悬浮理论和实验研究的基础上正在制作一台全高温超导磁悬浮轴承形式的飞轮储能系统原理演示样机。.HTS.FESS应用亟待解决的关键技术从现有的HTSFESS的研究现状可以看出目前SMB的性能还不能满足大容量FESS的需求主要是存在以下技术问题:()承载能力和刚度。与机械轴承、PMB及AMB相比SMB承载能力和刚度相对较低。提高高温超导材料的性能、优化块材的充磁磁场和永磁转子的外磁场都是有效提高块材的承载能力和刚度的方法。()旋转损失。SMB的旋转损失主要包括三部分即永磁转子的不均匀性导致块材的磁滞损失、定子上的涡流损失(如不锈钢杜瓦)、块材捕获磁通不均匀导致的转子中聚磁铁环的涡流损失。造成不均匀性的原因有二:一是无论块材之间还是永磁体之间都存在材料性能的差异二是材料拼接处缝隙的存在。解决的办法主要有两种:一是使用整块永磁体和块材构成转子与定子(难度较大近期难以实现)二是利用特殊的焊接技术实现永磁体(或块材)之间的互连。()悬浮力降低/转子下降。高温超导磁悬浮的力磁滞(与运动过程有关且随运动过程逐渐减小)和力弛豫(与悬浮时间有关且随时问近似成对数衰减并最终趋于稳定)行为导致块材提供的悬浮力变化进而影响到转子的平衡位置出现转子下降的现象。前文指出的过冷和预载两种方法均有助于抑制转子的下降但仍需大量深入的研究。()动态稳定性。主要指SMB高速旋转时的自身稳定性(特别是共振频率处)和外界干扰下的稳定性(抗干扰能力)。动态稳定性与系统的动态刚度和阻尼系数有关。问题()和()中的改进方法均可以提高系统的刚度和阻尼系数另外还可以引入涡流阻尼器进一步增加系统的阻尼系数增加其抗干扰的能力。对于HTSFESS而言除了上述SMB的涉及高温超导磁悬浮的四个问题以外还需要考虑以下两个问题:()飞轮转子的机械强度。飞轮高速旋转起来之后转子受到的切向应力显著大于径向应力而飞轮转子常采用的高强度比碳素纤维复合材料具有典型的各向异性为了充分发挥其纤维方向强度高的特点同时避免其垂直纤维方向强度低的局限性还需对飞轮转子的最佳结构和缠绕技术进行研究。()飞轮系统的整体效率。HTSFESS的整体效率取决于SMB的效率电动发电机的效率电力电子器件的效率。例如要使HTS.FESS的总体效率达到%则上述三部分的平均效率应不低于.%。这对现有的电机技术、电力电子技术已经是个不低的要求了。HTS.FESS的应用基于HTS.FESS具有的突出优势在军民两个领域都有巨大的开发前景。.军事应用()军事卫星的供能和姿态控制。面向太阳时将太阳能电池的能量以飞轮动能形成储存起来背对太阳时将自身的机械能以电能的形式供给负载。同时可以利用飞轮的高速旋转来控制卫星的姿态。太空的低温环境大大简化了SMB的低温部分提高了HTS.FESS系统的可靠性因此特别适合于太空应用。()军用高品质电源。战车驱动、通信、武器、防御系统都需要响应快高可靠性的电源飞轮储能系统可以达到要求。()电磁发射武器的高功率脉冲电源。目前可以采用几个子飞轮模块作为一个完整的飞轮电源不仅占用空间小而且响应时间快、放电效率高。因此科学家断言哪个国家先掌握了高温超导磁悬浮技术就相当于掌握了未来战争的主动权。.民事应用()电网调峰。电网负荷位于低谷时储存电能高峰时释放电能。比如对于大城市可在晚上将电能储存起来白天释放缓解电网的供电压力。()不间断电源(UPS)。HTSFESS具有大储能量、高储能密度、充电快捷、充放电次数万次以上等优点在UPS领域有良好的应用前景。()电动汽车电池。飞轮电池具有储能容量大、清洁环保、高效、充放电快速和寿命长等特点成为未来电动汽车电池的一个重要的发展方向。()混合动力汽车。汽车加速时飞轮提供附加能量刹车时发动机给飞轮补充能量汽车始终以恒定的功率工作这样无疑将改善发动机的工作环境延长发动机的寿命。()铁路客车或者地铁电力系统。西门子公司在德国科隆的一条轻轨上的实验表明FESS可以吸收大约%的刹车能量。()航空航天。应用到飞行器、国际空间站、卫星等上不仅简化了卫星储能装置而且延长了卫星使用寿命引。表给出了上述不同应用领域飞轮设计指标。HTS.FESS作为一种新型的储能方式尚处于技术攻关阶段。尽管受当前的高温超导体材料性能限制SMB的性能还暂时不能满足大容量FESS的要求但是随着高温超导体材料性能的不断提升FESS的发展趋势必将是全SMB形式的FESS。其展现出来的控制简单、高储能密度、高效率、快响应、长寿命、低维护、绿色环保等优点是其他任何储能方式都无法比拟的尽管一次性购置成本相对较高但是后期运行维护成本非常低是未来储能方式的一个重要发展方向。开展HTSFESS研究不仅可以提高我国的国防实力还可以应用到能源、交通、通信和宇航等民用领域中提高现有设备的性能。转自《电工技术学报》文章收稿于年下面是一些最新资料。我国飞轮储能技术“十二五”有望实现量产由英利集团投资研究的飞轮储能技术目前已经取得了阶段性成果并且有望在十二五期间实现量产。年月英利自主研发出kWh储能飞轮样机。同年月国内首台kWh磁悬浮飞轮储能样机也在英利下线。此后由英利投资的北京奇峰聚能科技有限公司经过国家科技部审批在国家高技术研究发展计划()高性能物理储能项目中承担了磁悬浮储能飞轮技术研究课题研究工作。“飞轮磁悬浮储能装备是英利集团驾驭新能源产业发展培育新的经济增长点、提升整体竞争力的战略选择。”北京奇峰聚能科技有限公司总经理蒋涛表示英利集团在“十二五”期间将重点投入大容量储能飞轮研发争取实现大储能装置的规模化生产。飞轮磁悬浮储能是一种先进的物理储能方式。功率大、容量大、效率高动态特性好响应速度快可瞬间充、放电安全可靠、绿色环保寿命长不小于年等优点可使飞轮储能广泛服务于智能电网、通信、风、光、新能源汽车等行业有效解决风电、太阳能电站并网难问题延长新能源电站有效发电时间可使新能源电站具备一定的调峰能力提高电网的稳定性和可调度性并且在特定应用场合下可替代铅酸蓄电池。同时对于当前电动汽车的发展来说能找到储能密度大、充电时间短、价格适宜的新型电池是电动汽车获得进一步突破发展的关键而飞轮电池因具有清洁、高效、充放电迅捷、不污染环境等特点如今愈益受到汽车行业的广泛重视。“飞轮储能具有诸多优点是目前最有发展前途的储能技术之一将进一步推动新能源发电替代传统化石能源发电引发新能源革命。”蒋涛说英利所做的飞轮储能设备科技含量已经超过欧美而且国产化率达到了所有生产设备全是定制性的设备没有采用购买进口设备。“储能飞轮包括三大关键技术高速电机技术高强度复合材料转子设计技术高精度磁悬浮技术。在磁悬浮资料相对匮乏的情况下奇峰人员坚持日夜实验芯片选型老化实验温升实验纹波控制稳定性控制试验了成百上千个参数最后设计出合格的磁悬浮控制系统。”谈及团队攻坚克难蒋涛表示其团队先后攻克了磁悬浮支撑技术、飞轮系统控制技术、高速高效永磁机技术等五项关键技术目前已申报了项国家发明专利项实用新型专利其中发明专利已授权项其他都在进入一审和二审阶段实用新型专利已全部授权。所谓“大容量飞轮储能”首先指飞轮单体储能容量大。目前英利研发的“kWh储能飞轮”是国内单体储能量最大的飞轮其次是总储能容量大。采用规模化应用的方式可根据现场的实际需要将若干个储能飞轮单体整合后一同使用理论上总储能容量可无限大。飞轮储能及其产业化对于我国能源战略发展具有重要的意义。它将填补我国太阳能光伏发电系统并网控制、负荷调度技术领域的空白整体技术指标达到国际先进水平从而打破制约我国太阳能光伏发电产业发展的重大技术瓶颈为我国低碳经济的发展促进我国新能源产业技术革命实现节能降耗减少污染提供有力的保障。对减少温室气体排放、建立全球能源可持续发展体系具有重要的意义。部分蓄电池储能系统的性能超导储能应用飞轮储能的一些最新数据常用储能方式对比

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