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飞轮储能技术在现代UPS和汽车节能中的应用探讨

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2019-11-12 12:35:31 * 浏览: 0
飞轮储能技术的节能无污染技术在UPS,电动汽车,可再生能源等许多领域具有推广应用价值。介绍了飞轮储能技术的原理,组成,应用现状和发展前景。现代飞轮储能技术一般是指一种利用电机驱动飞轮高速旋转,将电能转换为动能并将其存储在飞轮中并利用飞轮的动能进行储能的方法。驱动发电机发电并输出能量。飞轮储能技术的原理和组成人们利用飞轮的惯性穿过机械设备的死点,使设备能够保持均匀的旋转,例如古老的纺车,现代蒸汽机,现代的汽油和柴油发动机。飞轮的旋转周期非常短,并且诸如风阻和轴承摩擦之类的能量消耗相对较小并且可以忽略。但是,如果您想使用飞轮保留更长的时间以供以后使用,则能耗问题将变得更加突出。为了减少能耗,人们改变了轴承结构,例如将滑动轴承改变为滚动轴承,流体动力轴承,气体动压轴承等,并通过抽真空降低了空气阻力,降低了摩擦系数。滚动轴承可以达到10 -3。在这种情况下,飞轮的能量每天损失约一半。为了维持100,000千瓦发电厂的稳定运行,需要一个100,000吨的钢飞轮来存储能量。机械能和电能之间的转换需要复杂的开关设备,因此很难实现这种能量存储方法。 。飞轮在旋转过程中的动能为:其中:J是飞轮的惯性矩,而ω是飞轮的角速度。飞轮的动能与飞轮的惯性矩成比例。飞轮的惯性矩与飞轮的直径和飞轮的质量成正比。高速旋转时,超大且沉重的飞轮将受到很大的离心力。普通飞轮由于其抗张强度而由钢制成。有限的是,如果能量存储大小主要由其质量大小决定,则高速旋转飞轮的离心力通常会超过飞轮材料的极限强度,这是非常不安全的。因此,有必要提高飞轮的转速成为解决飞轮储能的主要手段。飞轮储能系统主要由三部分组成:(1)转子系统,主要是指储能飞轮;(2)用于支撑转子的轴承系统,如超导磁悬浮技术;(3)电/发电机系统。能量转换。它还包括真空容器,制冷和控制系统。其结构如图1所示。主要材料是高碳纤维材料,以确保飞轮的强度:常规飞轮储能装置具有内置电动机。如果可以,它将作为电动机使飞轮加速。当它释放能量时,它将作为发电机向外部供电。飞轮的速度不断降低,动能转化为电能和其他形式的能量。飞轮空转时,整个设备将以低功率运行。 。目前的飞轮储能技术具有效率高,工期短,使用寿命长,储能高,充放电快,充放电无限,无污染的特点。适用于电网调频,电能质量保证,UPS。 2当前飞轮储能系统的主要应用主要用于以下三个方面:1优质不间断电源; 2磁悬浮飞轮储能车; 3在新能源应用中(1)优质不间断电源。数据显示,发达国家超过95%的电力中断是由电网水平波动引起的。电网的波动迫使数据室采用配备大量传统铅酸电池的UPS。随着业务的增长,运营成本也越来越高。为了给机房降温,大量的空调设备,数据中心和电源管理系统的建设面临越来越多的挑战。另外,传统UPS中使用的铅酸电池使用寿命短,更换成本高,管理不善会在生产和使用过程中造成环境污染。因此,人们趋向于绿色节能。 UPS系统。磁悬浮飞轮储能UPS系统不需要空调冷却,节省了运行用电成本,而且所占空间也大大减少,维护成本低,不需要更换电池,并且使用寿命长达20年。图2是机柜式磁悬浮飞轮储能UPS的外观:在传统的UPS电源系统中,当电源中断时,电池将支持系统的正常运行,同时,柴油发动机开始确保数据中心。主机正常工作,空调连续运行。电池式UPS在此过程中提供“分钟级”电源。飞轮储能UPS受机械能存储,只能提供30s至1min的电源,这是飞轮UPS被批评的主要原因。但是,专家指出,今天,市电电源的可靠性达到99.9%,一些重要的负载由双向市电供电。主电源的可靠性可以说达到99.99%。在断电的情况下,备用电源的可靠性可以达到99.9%。从市电切换到备用电源只需要10秒钟的技术时间。这是一个开放标准。目前,欧洲可以做到8s。可以得出结论,飞轮储能UPS可以提供​​30s的功率,完全满足可靠地从市电切换到备用电源的要求。图3显示了柜式磁悬浮飞轮储能UPS的操作。 (2)磁悬浮飞轮储能车辆目前,我国已开发出磁悬浮飞轮储能移动电源设备,容量可达到200〜500kVA。多项专利填补了国内空白,使中国的电动汽车制造能力达到了国际领先水平。使用这种类型的车辆可以大大提高公司的应急能力和电能质量,增强机动性并提高效率。它是城市应急机制中的核心硬件设备之一。动力车外形美观,动力,重量配置合理,使用方便灵活,实用性强,可提升企业形象。当常规的发电车辆不能保证电力故障时,发电车辆立即进入动力传输状态。至少需要3到10秒钟才能启动发电机组,然后进行切换。带有该问题的发电机车在实际使用时是不完善的发电机车。在断电的3到10秒钟时间内,这一点非常重要,尤其是在重要的会议,政治任务或电力设备需要高功率时。在这种情况下,磁悬浮飞轮储能车可以发挥关键作用。市电停电时,磁悬浮飞轮储能系统(UPS)供电并同时启动发电机组。机组成功运行后,机组通过磁悬浮飞轮储能系统(UPS)为负载供电。这实现了市电与发电机功率之间的零秒切换。图4是移动飞轮储能应急电源车辆的实物照片。 (4)飞轮储能技术在新能源中的应用太阳能和风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的关注。以风能为例,中国拥有大量的风能储备,分布广泛。仅土地上的风能储备就约为2.53亿千瓦。近年来,中国的风电并网发展迅速。截至2011年3月中旬,中国风电装机容量达到4450万千瓦,风电建设规模居世界第一。这也意味着中国已经进入了可再生能源大国的行列。中国的风电等新能源发电产业的发展前景非常广阔,有望长期保持高速发展。尽管中国的风电建设规模居世界之首,但风电并网问题一直制约着中国风电的发展。中国近30%的风电装机容量未与电网连接。这是由于风能的随机性和间歇性,导致风力涡轮机的输出频繁波动,并且风电场的输出可靠性也很差。过多的风能将增加电网的频率调节和峰值压力。因此,风力发电大规模并网接入给电力系统的运行带来了一些新的问题。绿色新能源(例如光伏发电和风力发电)固有的随机性,间歇性和不可控性,使得可再生能源发电厂无法像其他传统能源一样制定和实施准确的发电计划。调度带来了巨大的压力。同时,当地电网大规模获取可再生能源所引起的无功和频率问题,电能质量问题不容忽视,将对电网的调峰和系统的安全运行产生不利影响。研究表明,如果风电装机容量比例不到10%,依靠传统的电网技术和增加水电和燃气发电机组可以基本确保电网安全,但是如果比例达到20%甚至更高,电网已调整。高峰容量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和波动性问题,可以实现新能源发电的平稳输出,并可以有效地调节新能源发电引起的电网电压,频率和相位的变化。发电,大规模发电将风能和太阳能轻松可靠地集成到传统电网中。高速飞轮储能系统可立即释放巨大功率,以稳定电网波动。它可以实现电网的调峰功能,从而代替水力发电厂和天然气发电厂,为电网运营商创造更加可靠的供电系统。可以看出,飞轮储能技术可以提高电网接受可再生能源的能力。 3国内外飞轮储能技术发展现状分析(1)大容量储能技术多元化。全球储能技术主要包括化学储能(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(如超导磁储能等)三大类。当前,最快的技术进步是化学储能。其中,钠硫,液流和锂离子电池技术在安全性,能量转换效率和经济性方面取得了重大突破,工业应用条件日益成熟。钠硫电池的充电效率为80%,能量密度是铅酸电池的三倍,并且循环寿命更长。日本在这项技术上处于国际领先地位。 2004年,日本在其日立(Hitachi)自动化工厂安装了全球钠硫电池系统,容量为9.6MW / 57.6MWh。液态钒电池的基本材料是钒。该电池具有高能效,大容量,深放电100%,寿命长的优点,已进入商业化阶段。锂离子电池的基本材料是锂,已应用于电动自行车,电动汽车等。近年来,磷酸铁锂,磷酸铁锂等新材料的开发和应用大大提高了锂离子电池的安全性能。并且循环寿命,大容量锂电池储能电厂正在逐步兴起。最成熟的物理储能器也是世界上最常用的抽水蓄能器,主要用于电力系统的调峰,谷充,调频,调相,紧急备用等。能量转换效率为70%〜75%。目前,全世界抽水蓄能电站的总装机容量为9000万千瓦,约占全球发电装机容量的3%。压缩空气技术最早于1978年得到应用,但由于地形和地质条件的限制,并未得到大规模推广。飞轮储能的特点是寿命长,无污染,动态特性好,但超大容量飞轮尚未成熟。电磁能量存储技术仍然昂贵并且尚未商业化。 (2)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储能技术的发展处于领先地位。日本已生产出容量为26.5MVA,系统输出电压为1100V,转速为510690r / min的变频调速飞轮储能系统。马里兰大学还开发了一种24kWh的电磁悬挂飞轮系统,用于削峰发电,其飞轮