星空·综合体育官网入口 【运维之道】飞轮储能技术探讨

电气设备管理杂志的推文

飞轮UPS在节能和维护方面具有许多优势，但是动力飞轮放电时间非常短。在数据中心的高功耗下，其放电时间仅在几秒钟内。该行业对飞轮15秒的电源时间有很多疑问。如果发电机可以在15秒内输出稳定的电源，则电源飞轮可以确保数据中心的备份功率。能源型飞轮储能在国内外使用较少，价格较高，商业应用较少。该系列讨论了在国内数据中心使用较少使用的飞轮储能技术。通过分析，它为数据中心中飞轮存储技术的未来使用提供了应用参考思想。

飞轮储能的概述

飞轮存储是指飞轮通过使用电动机以高速旋转的能量存储方法，然后使用飞轮驱动发电机在需要时发电。

1。飞轮储能技术的前景

飞轮储能技术是一种新兴的电力储能技术。它是一种先进的储能技术，例如超导能源存储技术和燃料电池存储技术。这是一种能源储能技术，近年来已经出现了巨大的开发前景。尽管化学电池的能源存储技术（铅酸电池，锂离子电池等）已经非常成熟地开发，但铅酸电池具有污染环境的风险，磷酸锂电池的电荷和排放量仅限于一定限制。许多行业，例如新能源，电动汽车，UPS电源和其他行业，迫切需要新的储能技术来满足某些特殊的技术要求。其中，飞轮储能技术是一种具有无限充电和放电时间以及绿色和环保友好的能源存储技术，并且已经在国内外的许多行业中越来越广泛地使用。 “国家能源技术的第十二五年计划”和“ 2020能源技术开发目标”列出了获得智能电网，间歇性电源和大规模储能作为主要技术研究，主要技术设备和演示工程项目的访问权限。现在，大规模储能的发展已成为国家战略，中国已成为可再生能源和城市运输电气化（城市铁路和电动汽车）的最大市场，该市场为飞轮储能技术提供了广泛的市场。借助新的“新基础设施”的新一轮储能技术转换，飞轮存储应用将进入快速发展的时期。

2。国内外技术概述

从1967年到2019年，飞轮储能技术的开发已经持续了53年。美国，德国和日本等发达国家已经在领先地位开发和应用飞轮储能技术，其技术处于领先地位。欧洲国家研究中心，德国物理学院高科技研究所和意大利的Sise都在对飞轮储能系统进行高温超导磁性悬浮轴承的研究。目前，主流外国技术采用了第三代飞轮储能技术，该技术使用NASA提出的碳纤维和磁性悬浮技术。近年来，国内飞轮储能技术普遍得到改善。 2014年9月16日，第一个国内飞轮200-kilowatt工业磁性飞轮已成功委托，所有实验测试指标都很好。这种具有完整知识产权的储能技术和产品填补了国内技术和市场的空白。 Shieldstone磁能GTR飞轮存储设备已达到铁路运输应用程序领域的国际高级水平。但是总的来说，国内飞轮储能技术的当前发展状况落后于国外十年，许多成就仍在研究阶段，并且仍然有一种促进和应用的方法。 2020年4月，中冈储能行业技术联盟正式发布了第一个国内飞轮储能系统组标准T/CNESA1202-2020“飞轮储能系统的一般技术条件”，该系统促进了国内飞轮存储行业的标准化开发。

3。关键问题

能量密度不够高，并且能量释放只能持续一小段时间，通常只有几十秒。自我解雇率很高。如果停止充电，则能量将在几十至数十个小时内耗尽。 ActivePower的飞轮储能系统每单位模块输出250千瓦，备用损失为2.5千瓦，一些数据显示其效率为99％。但是前提是只有在功率迅速损失时才能达到的效率。自我解雇的效率大大降低了。例如，损失了数以万计的旋转的高速飞轮系统约为100瓦，而1千瓦时的系统系统只能保持自我隔离10小时。因此，飞轮储能最适合于高功率，短期放电或频繁充电和排放的能源存储需求。对于数据中心，可以考虑飞轮储能第二级的放电时间可靠。

飞轮储能的概念和原理

1。概念

飞轮储能技术是一种使用反向双向电动机（电动机/发电机）来实现电能与高速旋转飞轮的机械能之间相互转换的能源储能技术。

图1。飞轮储能系统的示意图

2。技术原则

飞轮储能电源系统主要由以下三个部分组成：飞轮，电动机和轴承，整个系统都放在真空容器中。飞轮存储电源系统中的电动机既是电动机，也是发电机。

当“充电”时，飞轮会加速作为电动机，将电能转换为机械能。当“排放”时，飞轮将转换为电能作为发电机，以向外部供电。当向外部电动时，飞轮的速度继续降低。当飞轮怠速运行时，飞轮存储电源系统的操作损失非常小。

当飞轮旋转时，其旋转动能为：

其中：j是飞轮的惯性时刻； ω是飞轮旋转的角速度。

从公式（1）可以看出，当飞轮旋转时动能E与飞轮的惯性瞬间成正比。飞轮的惯性时刻与飞轮的直径和飞轮的质量成正比。为了获得更大的惯性矩，必须使用大直径和大质量飞轮。当巨大而重型飞轮以高速旋转时，它将产生巨大的离心力，如果它超过飞轮材料的最终强度，这将是极其不安全的。因此，通过增加惯性的飞轮力矩来增加飞轮的动能是不现实的。

飞轮动能的增加无法通过增加惯性的飞轮力矩来获得，因此，可以通过增加飞轮的角速度ω来增加飞轮的惯性矩。当飞轮在大气中时，飞轮以高速旋转以克服空气的阻力（摩擦）和轴承的摩擦损失。飞轮系统放置在真空容器中，超导磁性悬浮技术可以在高速旋转时最大程度地减少飞轮的能量消耗。另一个关键问题是轴承的设计和选择。可以高速运行的轴承不仅需要极小的摩擦损失，而且还需要足够的承载能力来确保飞轮操作的可靠性和稳定性。

飞轮储能的关键技术分析

1。飞轮材料的选择

飞轮的储能密度以及飞轮可以承受的强度将直接影响飞轮材料的选择。

飞轮的储能密度是：

地点：ks - 蝇轮形状系数； ρ-飞轮材料的密度，kg/cm3; σ-飞轮材料的允许应力，mpa。

表1。飞轮转子材料参数

从公式（2）中可以看出，飞轮材料的密度与飞轮材料的允许应力成反比。表1显示了飞轮中使用的几种常见材料。从数据中可以看出，碳纤维的密度低和高强度，这是最佳选择。同时，一旦由碳纤维瓦解的飞轮瓦解，飞轮本身就会变成泡沫并飞出，从而减少了事故造成的伤害。

2。真空室

当前真空室的真空度达到10-5 PA的水平，用于在飞轮旋转期间用空气减少摩擦，同时还可以防止外力影响飞轮的正常运行。真空室可以使用透明的高强度玻璃纤维，这方便观察飞轮的工作条件。氦气的导热率是相同气压下空气的七倍，而飞轮的摩擦损失仅为空气的七分之一，并且填充氦气的过程更为简单。因此，选择氦气作为真空室中的介电气体。

3。轴承技术

在飞轮储能系统的许多损失中，承受损失占很大比例。随着各种先进的轴承技术的出现，可以大大减少这一部分损失。这是飞轮存储系统中使用的几个轴承。

机械轴承

更常见的机械轴承包括滚动轴承，滑动轴承，挤压油膜阻尼轴承和陶瓷轴承。由于滚动轴承和滑动轴承之间的摩擦损失相对较大，因此通常仅用作高速飞轮存储系统中的辅助轴承。挤压油膜阻尼轴承和陶瓷轴承用于飞轮储能。

被动磁轴承

（1）永久磁铁轴承是一种被动磁性轴承，它使用永久磁铁使两个或多个磁环悬挂在轴向或径向方向上。近年来，随着永久磁铁的持续发展，它们的轴承能力也得到了极大的提高，并且它们的应用越来越广泛。但是，根据Earnshaw的定理，仅依靠永久磁铁不能使物体在太空的所有六个自由度中稳定悬架，并且稳定的悬架需要至少其中一个自由地积极控制。

（2）超导磁轴承也是一种被动磁轴承。超导体在超导环境中具有meisner效应。当超导体在磁场中时，内部的磁场始终等于零，也就是说，超导体在磁场中显示出完整的抗磁特性。在磁场的作用下，超导体在其表面产生无损诱导电流。该电流不会在超导体中丢失，同时形成的镜面磁场具有相同的大小和相反方向，如图2所示。该磁场可以使对象稳定膨胀。

图2。Meisner效应

主动磁轴承

主动磁性轴承，也称为电磁轴承，通过更改控制电路中电流和电流的幅度来控制磁场的变化。同时，通过位置信号和输出电流信号的实时反馈对控制电流进行调整，以便轴承定子和转子可以稳定悬浮。主动磁性轴承控制策略的框图如图3所示。

图3。主动磁性轴承控制策略的框图

混合轴承

在实际应用中，通常将上述轴承合并以实现互补的优势。 （1）机械轴承与永久磁铁轴承结合。机械轴承的主要缺点是它们具有巨大的摩擦损失。永久磁铁轴承可以帮助克服重力到达时的定子和转子之间的压力，从而减少摩擦损失。 （2）超导体和永久磁铁的混合轴承。超导体用作定子，并将永久磁铁用作转子，并且可以将转子悬挂在一定位置。同时，由于存在固定力，在超导体中捕获的磁通量不会随意移动，从而确保轴向稳定性并使转子稳定悬浮。 （3）电磁和永久磁铁混合轴承。为了减少功耗，使用永久磁铁来产生偏置磁场，并且电流会产生控制磁场。三极杂交磁轴承如图4所示。

图4。Tripole混合磁性轴承

飞轮储能技术的功能

1。参数性能

飞轮储能技术，尤其是高速飞轮储能系统，具有高功率密度，长寿，对系统充电状态的实时监控以及对环境温度不敏感的优势，但不可避免地会有严重的自我放弃现象。在基于能量的应用中，飞轮储能很昂贵，在一定程度上，它限制了其在基于能量的应用领域的发展。表中显示了高速飞轮存储技术的性能参数。

项目

高速飞轮储能

技术成熟

商业的

能量密度（WH/kg）

32

功率密度（w/kg）

4500

能源转化效率，％

＞85

功率水平/MW

0 ～20

连续放电时间

1ms ～1min

自我解雇率（％/月％）

2〜20

服务年

20年

周期数

超过一百万次

开始时间/MS

＜2

相应的速度/MS

＜2

电源成本（元/千克）

1700〜2000

能源成本（Yuan/KW.H）

100000〜400000

操作和维护成本/（Yuan/KW）

50〜100

表2。高速飞轮储能技术的性能参数表

2。技术优势

目前，大规模的电力存储主要是泵送的储能。正在开发的各种新的储能技术具有良好的应用前景，例如飞轮储能，超级电容器能量存储，超导磁能存储，压缩空气储能，锂离子电池，流量电池和钠硫磺电池能量存储等。

电源存储可以根据能力分为两种类型：长期大能量和短期大功率。长期大容量的抽水储能电站可以在网格尺度上提供小时的电力供应；尽管短期高功率飞轮存储可以为高端用户提供高质量的不间断电源。高质量电源，过渡电源和能源管理的能源存储的时间尺度分别是第二分钟，时间段和几个小时。

表3显示了各种储能方法的技术比较。从此可以看出，飞轮能量存储具有许多优势，例如高效率（高达90％），较大的瞬时功率（单兆瓦级），快速响应速度（快速响应速度）（几毫秒），长期使用寿命（100,000个周期和100,000个周期，超过15年），以及较小的环境影响。它是最有希望的短期大功率存储技术之一。

表3。储能方法和技术的比较表

飞轮存储在UPS电源系统中的应用

磁性飞轮储能UPS吸引了越来越多的关注。这项技术使用铅酸电池放弃了传统的UPS来存储能源。在现代数据中心，在云计算时代，迅速增长的业务需求，增加的运营成本，有限的计算机房间和更高的能源密度已成为数据中心及其电力管理系统构建面临的最大挑战。

IDC统计数据表明，电力和能源成本已成为困扰数据中心运营商的头号问题。其中，外围设备（例如UPS和空调）的功耗远高于主机的功耗。此外，铅酸电池不是绿色和环保产品。

因此，装备一组智能的绿色UPS电源系统已成为数据中心节能和环境保护的重中之重。传统电源系统中的电池需要空调和制冷，并且连续运行24小时，这会消耗巨大的能量。磁悬挂的飞轮储能UPS系统不需要空调，这大大节省了运营成本；它所占据的空间大大减少了；维护成本很低，无需更换电池。寿命长达20年。图6显示了机柜磁性飞轮储能UPS的外观图。

图6。机柜磁悬浮飞轮储能UPS的外观图

在传统的UPS电源系统中，当电源中断时，电池将支持该系统正常运行。同时，柴油发动机开始开始确保数据中心主机的正常操作以及空调的连续操作。在此过程中，电池类型的UPS提供了“微小级别”的电源。

飞轮储能UPS受到机械能量存储的限制，只能提供30到1分钟的电源，这也是批评飞轮UPS的主要原因。但是，专家指出，今天，市政电力供应的可能性达到99.9％，一些重要的负载由双通道市政电力供应供电，可以说市政电力的可靠性已达到99.99％。如果电源中断，备用电源的可靠性也可以达到99.9％。从技术上讲，从电源电源到备用电源的切换在技术上仅为10秒，这是公共标准。目前，欧洲已经设定了8秒。可以得出结论，飞轮储能UPS可以提供​​30秒的功率，并且可以完全满足可靠的从电源转换为备用电源的要求。图7显示了机柜磁悬浮飞轮储能UPS的操作的示意图。

图7。机柜磁悬浮飞轮储能UPS的操作图

国内外飞轮储能技术开发的现状

1。在国外飞轮储能技术的发展处于领先地位

美国，德国和日本等发达国家的飞轮存储技术的发展处于领先地位。日本已经生产了可变的频率调节的飞轮储能发电系统，其容量为26.5MVA，系统输出电压为1100V，速度为510690R/min。美国马里兰州的大学还开发了24KWH电磁悬浮飞轮系统，用于剃须。它的飞轮重172.8公斤，其工作速度范围为11,610-46,345rpm，破坏速度为48,784rpm，系统输出的恒定电压为110-240V，总效率为81％。经济分析表明，三年后可以收回所有成本。

飞轮储能技术在美国发展良好，它们制造了一种在闲置时失去能量为每小时0.1％的设备。欧洲国家研究中心，德国物理学院高科技研究所和意大利的Sise都在对飞轮储能系统进行高温超导磁性悬浮轴承的研究。

2011年10月30日，大规模飞轮存储应用程序的先驱Beacon Power申请了破产保护。 Beaconpower为飞轮存储系统与电力公司之间的合作树立了先例，从而导致电力市场开始接受飞轮储能技术。从这个角度来看星空·体育中国官方网，在飞轮储能技术的发展历史上，甚至在储能开发的历史上，信标力量的成就再也无法取代。尽管该公司面临破产，但仍为20MW飞轮储能项目举行完成和调试仪式。这种飞轮储能电源系统用于电厂的能量存储和频率调节，并且可以达到15分钟的能量储能量表。通常，UPS中使用的飞轮存储时间不超过100。截至当时星空体育平台官网入口，可以说这是美国最先进的飞轮储能系统。表4显示了几个著名的外国飞轮存储电源制造商。

公司名称

产品名称

国家

VyCon

再生

美国

皮勒

Powerbridge

德国

主动力量

清洁库

美国

AFS三位一体力量

未指定

美国

飞轮能源系统

未指定

加拿大

动力

动力

美国

表4。飞轮储能电力系统的几个著名外国制造商

2。当前我国家飞轮存储技术落后于国外十年

目前，从事飞轮研究的国内单元是：北卡北部电力大学北部电力大学工程物理学系的飞轮储能实验室航空和宇航学，科学技术大学，中国科学院力学研究所，东南大学，Hefei技术大学等，主要集中在小容量系列中。

其中，由Beihang为航空航天领域开发的“态度控制/能源储存双用途磁轮飞轮”赢得了2007年国家技术发明的一等奖。总的来说，总体而言，国内飞轮存储技术落后于外国国家的当前发展状态已有十年了星空体育官方网站，而且许多成就仍处于研究阶段，并且仍处于促进和应用方面的途径。

自2010年左右以来，技术开发公司已在中国出现，用于商业促销和飞轮储能系统的应用应用，例如北京Qifeng Juneng Technology Co. Ltd.，Tangshan Dunshi Magnetic Energy Technology Co.，Ltd。等，与15年前美国的情况相似。

飞轮储能工程分析和应用前景

某个数据中心需要86套500kVA UPS，总计43MW UPS。大约有86套450kW UPS飞轮存储单元，并且通过比较方法分析了项目成本，地板面积和电池。

下表是对数据中心项目的43MW UPS飞轮存储存储的经济分析。

表5。UPS系统飞轮和电池的投资成本和运营成本的比较

可以看出，使用飞轮存储技术与传统电池技术相比，TCO在20年内可以节省24％，这是非常经济的。

申请问题和前景在此阶段

1。现有问题

高速飞轮存储系统的技术阈值相对较高。复合材料的结构性技术，磁性轴承技术以及真空中的高速和高效运动技术仍然需要紧急解决：例如，复合材料的服务寿命评估，工程磁性轴承的应用问题，电磁轴承的问题以及高温超导磁性轴承，高电动机高速运动转移材料和结构型旋转器和较高的机能coref and Electer coef of Electical coref and Electer coef of throm coef and Electer cout of throm coef of for Electerm coef。

能量密度不够高，并且能量释放只能持续一小段时间，通常只有几十秒。对于数据中心，可以考虑飞轮储能第二级的放电时间可靠。

2。申请前景

对于大型数据中心，飞轮上升的优势非常明显。但是，在中国市场上，飞轮上升仍然是一件新事物，每个人通常都在等待。运营和采购的分离，对绿色和环境保护的不足以及创新风险已成为限制飞轮进入中国市场的主要原因。改变这种情况不会有一天或一个晚上的问题。一些专家指出，两者之间的平行将持续一段时间。当然，我的国家积极倡导并促进了可再生能源的使用，并基于低能消耗，低污染和低排放而发展低碳经济。环保储能技术将成为我国社会经济继续发展的必然选择。