|
飛輪UPS在節(jié)能與維護等方面的諸多優(yōu)勢，但是功率型飛輪放電時間極短，在數(shù)據(jù)中心大功率用電下，其放電時間僅僅為秒級放電。業(yè)界圍繞飛輪15秒供電時間有諸多質(zhì)疑，如果發(fā)電機能夠15秒內(nèi)并機輸出穩(wěn)定的電力供應(yīng)，則功率型飛輪可保障數(shù)據(jù)中心的后備用電。能量型飛輪儲能在國內(nèi)外應(yīng)用較少，價格較高且商業(yè)化應(yīng)用較少。本系列討論在國內(nèi)數(shù)據(jù)中心應(yīng)用較少的飛輪儲能技術(shù)，通過分析，對未來在數(shù)據(jù)中心使用飛輪儲能技術(shù)提供應(yīng)用參考思路。
飛輪儲能是指利用電動機帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，在需要的時候再用飛輪帶動發(fā)電機發(fā)電的儲能方式。1.飛輪儲能技術(shù)的前景飛輪儲能技術(shù)是一種新興的電能存儲技術(shù)，它與超導(dǎo)儲能技術(shù)、燃料電池儲能技術(shù)等各種先進的儲能技術(shù)，是近年來出現(xiàn)的、具有很大發(fā)展前景的儲能技術(shù)。雖然目前化學(xué)電池(鉛酸蓄電池、鋰離子蓄電池等)儲能技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，但是，鉛酸蓄電池有污染環(huán)境的風(fēng)險，磷酸鐵鋰蓄電池的充放電次數(shù)受到一定的限制。新能源、電動汽車、UPS供電等許多行業(yè)迫切需要新型的儲能技術(shù)來滿足某些特殊技術(shù)要求。其中飛輪儲能技術(shù)就是一種具有無限的充放電次數(shù)和綠色環(huán)保型的儲能技術(shù)，已經(jīng)開始越來越廣泛地應(yīng)用于國內(nèi)外的許多行業(yè)中?！秶夷茉纯萍肌笆濉币?guī)劃》及《2020年能源科技發(fā)展目標(biāo)》已將智能電網(wǎng)、間歇式電源的接入和大規(guī)模儲能等列為重大技術(shù)研究、重大技術(shù)裝備及示范工程項目?，F(xiàn)在，發(fā)展大規(guī)模儲能已成為國家戰(zhàn)略，而中國也已成為可再生能源及城市交通電動化（城軌及電動汽車）的最大市場，這為飛輪儲能技術(shù)提供了廣闊市場。隨著 “新基建”的新一輪能源儲能技術(shù)變革，飛輪儲能應(yīng)用將進入快速發(fā)展期。2.國內(nèi)外的技術(shù)概況 飛輪儲能技術(shù)發(fā)展1967-2019年經(jīng)歷53年的歷程。美國、德國、日本等發(fā)達國家對飛輪儲能技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用比較多，技術(shù)處于領(lǐng)先地位。歐洲的法國國家科研中心、德國的物理高技術(shù)研究所、意大利的SISE均正開展高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承的飛輪儲能系統(tǒng)研究。目前國外主流技術(shù)采用第三代飛輪儲能技術(shù)，其采用NASA提出的碳纖維和磁懸浮技術(shù)。近年來，國內(nèi)飛輪儲能技術(shù)整體提高。2014年9月16日國內(nèi)第一臺飛輪200千瓦工業(yè)化磁飛輪調(diào)試成功，各項實驗測試指標(biāo)均達良好，這項具有完全知識產(chǎn)權(quán)的儲能技術(shù)和產(chǎn)品填補了國內(nèi)科技和市場的空白。盾石磁能的 GTR 飛輪儲能裝置在城市軌道交通應(yīng)用項目在軌道交通領(lǐng)域達到國際先進水平。但從總體上來看，國內(nèi)飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀落后國外十年，許多成果尚處于研究階段，在推廣應(yīng)用上還會有一段路要走。2020年4月，中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟正式發(fā)布國內(nèi)首個飛輪儲能系統(tǒng)團體標(biāo)準(zhǔn)T/CNESA1202-2020《飛輪儲能系統(tǒng)通用技術(shù)條件》，助推國內(nèi)飛輪儲能行業(yè)規(guī)范化發(fā)展。3.存在的關(guān)鍵問題能量密度不夠高，能量釋放只能維持較短時間，一般只有幾十秒鐘。自放電率高，如停止充電，能量在幾到幾十個小時內(nèi)就會自行耗盡。ActivePower公司的飛輪儲能系統(tǒng)單位模塊輸出250千瓦，待機損耗為2.5千瓦，有些數(shù)據(jù)稱其效率為99%。但其前提是迅速用掉電量的情況下才可具備的效率。自放電的情況效率大大降低。例如，幾萬轉(zhuǎn)高速飛輪系統(tǒng)損耗在100瓦左右，1千瓦時的系統(tǒng)只能維持10小時的自放電。因此，飛輪儲能最適合高功率、短時間放電或頻繁充放電的儲能需求。對于數(shù)據(jù)中心，飛輪儲能秒級的放電時間是否可靠存在考量。
1.概念飛輪儲能技術(shù)是利用互逆式雙向電機（電動/發(fā)電機）實現(xiàn)電能與高速旋轉(zhuǎn)飛輪的機械能之間相互轉(zhuǎn)換的一種儲能技術(shù)。
2.技術(shù)原理飛輪儲能電源系統(tǒng)主要由以下三部分組成：飛輪、電機和軸承，整個系統(tǒng)置于真空容器內(nèi)。飛輪儲能電源系統(tǒng)中的電機，既是電動機也是發(fā)電機。“充電”時，作為電動機給飛輪加速，將電能轉(zhuǎn)換成機械能;“放電”時，作為發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換成電能，給外部供電;在為外部供電時，飛輪的轉(zhuǎn)速不斷下降。而當(dāng)飛輪空閑運轉(zhuǎn)時，飛輪儲能電源系統(tǒng)的運行損耗非常小?！?br>飛輪旋轉(zhuǎn)時，其轉(zhuǎn)動動能為：式中：J為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量;ω為飛輪旋轉(zhuǎn)的角速度。從式(1)中可以看出，飛輪轉(zhuǎn)動時的動能E與飛輪的轉(zhuǎn)動慣量J成正比。而飛輪的轉(zhuǎn)動慣量J又正比于飛輪的直徑和飛輪的質(zhì)量，為得到較大的轉(zhuǎn)動慣量J ，要采用大直徑和大質(zhì)量的飛輪。龐大、沉重的飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時，將會產(chǎn)生極大的離心力，若超過飛輪材料的極限強度，將是極不安全的。因此，用增大飛輪轉(zhuǎn)動慣量的方法來增加飛輪的動能是不現(xiàn)實的。不能用增大飛輪轉(zhuǎn)動慣量來獲得飛輪動能的增加，那么，只有通過提高飛輪的角速度ω 來增大飛輪的轉(zhuǎn)動慣量。當(dāng)飛輪處于大氣中時，飛輪高速轉(zhuǎn)動要克服空氣的阻力(摩擦力)和軸承的摩擦損耗。將飛輪系統(tǒng)置于真空容器中，并采用超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)，可以使飛輪在高速轉(zhuǎn)動時耗能達到最小。另一個關(guān)鍵問題是軸承的設(shè)計和選擇。能在高速轉(zhuǎn)動下工作的軸承除要求軸承的摩擦損耗極小外，還應(yīng)具有足夠的承載能力，保證飛輪工作的可靠性和穩(wěn)定性。1.飛輪材料的選擇飛輪的儲能密度和飛輪能承受的強度會直接影響飛輪材料的選擇。式中：ks—飛輪形狀系數(shù)；ρ—飛輪材料的密度，kg/cm3；σ—飛輪材料的許用應(yīng)力，MPa。由式（2）可以看出，飛輪材料密度成反比，與飛輪材料的許用應(yīng)力成正比。幾種常見的用于飛輪的材料，如表 1 所示。從數(shù)據(jù)中可以看出碳素纖維密度小，強度高，是其中最好的選擇。同時，使用碳素纖維制成的飛輪一旦發(fā)生解體，飛輪本身會變成絮狀物飛出，降低了事故帶來的危害。2.真空室當(dāng)前真空室的真空度達到了 10-5 Pa 級，用于減少飛輪旋轉(zhuǎn)過程中與空氣的摩擦，同時也防止外力影響飛輪正常運行。真空室可以使用透明的高強度玻璃鋼，這樣方便觀測飛輪的運行狀況。同等氣壓下氦氣的導(dǎo)熱性是空氣的七倍，與飛輪的摩擦損耗大約只有空氣的七分之一，并且充入氦氣的工藝更簡單，因此選擇氦氣作為真空室的介質(zhì)氣體具有一定優(yōu)勢。
3.軸承技術(shù)在飛輪儲能系統(tǒng)的眾多損耗中，軸承的損耗占據(jù)了很大的比例，隨著各種先進軸承技術(shù)的問世，這部分損耗可以被大大的減少。下面將介紹幾種用于飛輪儲能系統(tǒng)的軸承。較為普遍的機械軸承有滾動軸承、滑動軸承、擠壓油膜阻尼軸承和陶瓷軸承等，由于滾動軸承和滑動軸承的摩擦損耗相對較大，所以在高速飛輪儲能系統(tǒng)中一般只用做輔助軸承，擠壓油膜阻尼軸承和陶瓷軸承在飛輪儲能中有所應(yīng)用。被動磁軸承（1）永磁軸承是被動磁軸承的一種，是利用永磁體使兩個或多個磁環(huán)在軸向或是徑向懸浮。隨著這幾年永磁體的不斷發(fā)展，其承載力也大大提高，應(yīng)用的越來越廣泛。然而根據(jù)Earnshaw 定理，僅依靠永磁體無法使物體在空間六個自由度都達到穩(wěn)定懸浮，穩(wěn)定懸浮至少需要其中一個自由的上的主動控制。（2）超導(dǎo)磁軸承也是被動磁軸承的一種。超導(dǎo)體在超導(dǎo)環(huán)境下具有邁斯納效應(yīng)，當(dāng)超導(dǎo)體處于磁場中時，其內(nèi)部的磁場恒等于零，即超導(dǎo)體在磁場中表現(xiàn)出完全抗磁性。超導(dǎo)體在磁場作用下其表面產(chǎn)生無損的感應(yīng)電流，該電流在超導(dǎo)體中沒有損耗，同時形成了一個和原磁場大小相等、方向相反的鏡像磁場，如圖 2所示。這種磁場可以使物體穩(wěn)定懸浮。主動磁軸承主動磁軸承又稱電磁軸承，是通過改變控制電路中電流的通斷和大小來控制磁場的變化，同時通過實時反饋位置信號與輸出電流信號及時調(diào)整控制電流，從而使軸承定子、轉(zhuǎn)子之間能夠穩(wěn)定懸浮，主動磁軸承控制策略框圖，如圖 3所示。在實際應(yīng)用中，通常將上述幾種軸承結(jié)合起來使用達到優(yōu)勢互補。（1）機械軸承與永磁軸承結(jié)合。機械軸承主要的缺點是摩擦損耗較大，永磁軸承可以幫助克服重力到來的定子、轉(zhuǎn)子之間的壓力，從而減少摩擦損耗。（2）超導(dǎo)體與永磁體混合軸承。超導(dǎo)體作為定子，永磁體做轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子能夠懸浮在某一位置。同時超導(dǎo)體中俘獲的磁通由于釘扎力的存在不會隨便運動，保證了軸向穩(wěn)定性，使得轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮。（3）電磁與永磁體混合軸承。為了減少功耗，利用永磁體產(chǎn)生偏置磁場，電流產(chǎn)生控制磁場，圖三極混合磁軸承如圖4 所示。1.參數(shù)性能飛輪儲能技術(shù)，特別是高速飛輪儲能系統(tǒng)，具有功率密度高、壽命長、可實時監(jiān)測系統(tǒng)荷電狀態(tài)，對環(huán)境溫度不敏感等優(yōu)點，但也不可避免地存在嚴(yán)重的自放電現(xiàn)象。在能量型應(yīng)用時，飛輪儲能價格昂貴，在一定程度上限制了其在能量型應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。高速飛輪儲能技術(shù)的性能參數(shù)見表。表2. 高速飛輪儲能技術(shù)的性能參數(shù)表2.技術(shù)優(yōu)勢目前大規(guī)模電儲能以抽水儲能為主，各種正在研發(fā)的新型儲能技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景，如飛輪儲能、超級電容器儲能、超導(dǎo)磁儲能、壓縮空氣儲能、鋰離子電池、液流電池和鈉硫電池儲能等。電能存儲按容量可分為長時大能量、短時高功率兩種，長時大容量的抽水儲能電站可以在電網(wǎng)規(guī)模上提供數(shù)小時的電能供給；而短時高功率的飛輪儲能可為高端用戶端提供高品質(zhì)不間斷電能供給。高品質(zhì)電能供給、過渡電源、能源管理對儲能時間尺度分別為秒分、分時和數(shù)小時。各種儲能方式的技術(shù)對比如表3所示。從中可以看出，飛輪儲能具有效率高（達 90%）、瞬時功率大（單臺兆瓦級）、響應(yīng)速度快（數(shù)毫秒）、使用壽命長（10 萬次循環(huán)和 15 年以上）、環(huán)境影響小等諸多優(yōu)點，是目前最有發(fā)展前途的短時大功率儲能技術(shù)之一。飛輪儲能在UPS供電系統(tǒng)中的應(yīng)用磁懸浮式飛輪儲能UPS引發(fā)了人們越來越多的關(guān)注。這種技術(shù)拋棄了傳統(tǒng)UPS利用鉛酸蓄電池進行儲能的方式。在現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心中，迅速增長的業(yè)務(wù)需求，日益增加的運營成本，有限的機房空間和更高的能量密度，已經(jīng)成為云計算時代下，數(shù)據(jù)中心及其電源管理系統(tǒng)建設(shè)面臨的最大挑戰(zhàn)。IDC的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，電力能源成本已經(jīng)成為困擾數(shù)據(jù)中心運營者的頭號難題。其中，UPS、空調(diào)等周邊設(shè)備的耗電量大大高于主機電量。另外，酸鉛蓄電池并非綠色環(huán)保的產(chǎn)品。因此，配備一套智能綠色UPS供電系統(tǒng)成為數(shù)據(jù)中心節(jié)能環(huán)保的重中之重。傳統(tǒng)電源系統(tǒng)中的蓄電池需要空調(diào)制冷，而且24小時連續(xù)運轉(zhuǎn)，耗能巨大。磁懸浮式飛輪儲能UPS系統(tǒng)則無需空調(diào)，大大節(jié)省了運營成本；而且，其占用的空間也大幅減小；維護成本低，無需更換電池；壽命長達20年。圖6給出了柜式磁懸浮飛輪儲能型UPS的外形圖。在傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)中，當(dāng)電力發(fā)生中斷時，蓄電池會支撐系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，與此同時，柴油發(fā)動機開始啟動，以此保證數(shù)據(jù)中心主機正常工作、空調(diào)連續(xù)運轉(zhuǎn)。蓄電池型UPS在此過程中，提供了“分鐘級”的電力供電。而飛輪儲能型UPS受制于機械儲能，僅僅能夠提供30s到1min電力供電，這也是飛輪UPS被詬病的主要原因。然而，專家指出，如今，市電電源的可性達到99.9%，有些重要的負載都采用雙路市電供電，市電的可靠性可以說已經(jīng)達到了99.99%。萬一市電中斷，后備電源的可靠性也可以達到99.9%，從市電到后備電源的切換，在技術(shù)上只需要10s的時間，這是一個公開的標(biāo)準(zhǔn)。目前，歐洲已經(jīng)將這個時間定了8s?？梢詳喽?，飛輪儲能型UPS能提供30s的電力完全能夠滿足從市電到后備電源的可靠切換的要求。圖7給出了柜式磁懸浮飛輪儲能型UPS的運行示意圖。國內(nèi)外飛輪儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀1.國外飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展處于領(lǐng)先地位美國、德國、日本等發(fā)達國家的飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展處于領(lǐng)先地位。日本已經(jīng)制造出容量26.5MVA，系統(tǒng)輸出電壓1100V，轉(zhuǎn)速510690r/min的變頻調(diào)速飛輪蓄能發(fā)電系統(tǒng)。美國馬里蘭大學(xué)也已研究出用于電力調(diào)峰的24kWh的電磁懸浮飛輪系統(tǒng)，其飛輪重172.8kg，工作轉(zhuǎn)速范圍11，610～46，345rpm，破壞轉(zhuǎn)速為48，784rpm，系統(tǒng)輸出恒壓110～240V，全程效率為81%。經(jīng)濟分析表明，運行3年時間可收回全部成本。飛輪儲能技術(shù)在美國發(fā)展得很成熟，他們制造出一種裝置，在空轉(zhuǎn)時的能量損耗達到每小時0.1%。歐洲的法國國家科研中心、德國的物理高技術(shù)研究所、意大利的SISE均正開展高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承的飛輪儲能系統(tǒng)研究。2011年10月30日，全球大規(guī)模飛輪儲能應(yīng)用先驅(qū)Beacon Power申請破產(chǎn)保護。BeaconPower開創(chuàng)了飛輪儲能系統(tǒng)與電力公司合作的先例，使電力市場開始接受飛輪儲能技術(shù)。從這個角度講，在飛輪儲能技術(shù)發(fā)展的歷史上，甚至于儲能發(fā)展的歷史上，Beacon Power的成就無人可以替代。盡管公司面臨破產(chǎn)，但其仍為20MW的飛輪儲能項目舉行一個建成投運儀式。該飛輪儲能電源系統(tǒng)用于電廠儲能調(diào)頻，能做到15min的儲能規(guī)模。而一般應(yīng)用于UPS的飛輪儲能時間都不超過100s。就當(dāng)時而言，可以說這是美國目前最先進的飛輪儲能系統(tǒng)。表4給出了國外幾個著名的飛輪儲能電源系統(tǒng)的廠商。表4.國外幾個著名的飛輪儲能電源系統(tǒng)的廠商2.我國飛輪儲能技術(shù)的現(xiàn)狀落后國外十年目前國內(nèi)從事與飛輪研究相關(guān)的單位有：清華大學(xué)工程物理系飛輪儲能實驗室、華北電力大學(xué)、北京飛輪儲能柔性研究所(由中國科學(xué)院電工研究所、天津核工業(yè)理化工程研究院等組成)、北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、中國科大、中科院力學(xué)所、東南大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等，主要集中在小容量系列。其中，北航針對航天領(lǐng)域研制的“姿控/儲能兩用磁懸浮飛輪”已獲得2007年國家技術(shù)發(fā)明一等獎。從總體上來看，國內(nèi)飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀落后國外十年，許多成果尚處于研究階段，在推廣應(yīng)用上還會有一段路要走。國內(nèi)從 2010年前后，出現(xiàn)了飛輪儲能系統(tǒng)商業(yè)推廣示范應(yīng)用的技術(shù)開發(fā)公司，如北京奇峰聚能科技有限公司、蘇州菲萊特能源科技有限公司、深圳飛能能源有限公司、上海中以投資發(fā)展有限公司、北京泓慧國際能源技術(shù)發(fā)展有限公司、唐山盾石磁能科技有限責(zé)任公司等，這和 15 年前的美國情況相似。
某數(shù)據(jù)中心，需要500kVA UPS 86套，UPS共43MW。配套450kW ups飛輪儲能約86臺，工程造價、占地面積和蓄電池采用對比法分析。下表為某數(shù)據(jù)中心工程43MW UPS 飛輪儲能經(jīng)濟分析。表5. UPS系統(tǒng)飛輪與蓄電池投資造價及運營費用比較可以看出，采用飛輪儲能技術(shù)比較傳統(tǒng)蓄電池技術(shù)，20年的TCO可節(jié)省24%，具有較高的經(jīng)濟性。高速飛輪儲能系統(tǒng)技術(shù)門檻較高，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)、磁軸承技術(shù)、真空中的高速高效電機技術(shù)仍然有一些亟待解決的課題：如復(fù)合材料的使用壽命評估、電磁軸承和高溫超導(dǎo)磁軸承的工程化應(yīng)用問題、大功率高速電機轉(zhuǎn)子材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計問題以及高速軸系的機電耦合轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題。能量密度不夠高，能量釋放只能維持較短時間，一般只有幾十秒鐘。對于數(shù)據(jù)中心，飛輪儲能秒級的放電時間是否可靠存在考量。2.應(yīng)用的展望對大型數(shù)據(jù)中心來說，飛輪UPS的優(yōu)勢非常明顯。然而，在我國市場，飛輪UPS還是個新生事物，大家普遍在觀望等待。運營與采購分開，對綠色環(huán)保的重視程度不夠，以及創(chuàng)新風(fēng)險成為制約飛輪UPS進入中國市場的主要原因。要改變這種狀況，非一朝一夕之功。有專家指出，兩者并行將持續(xù)一段時間。當(dāng)然，我國積極倡導(dǎo)和推行運用可再生動力，開展以低能耗、低污染、低排放為根底的低碳經(jīng)濟，環(huán)保儲能技術(shù)將成為我國社會經(jīng)濟可繼續(xù)開展的必定選擇。
|
