Накопители энергии на маховиках это технология хранения энергии с высокой плотностью мощности, высокой надежностью, длительным сроком службы и экологической чистотой. Она характеризуется полной магнитной левитацией, низким энергопотреблением, быстрым откликом, длительным сроком службы, большим количеством циклов заряда и разряда.
1. Что такое маховичный накопитель энергии?
В соответствии с различными методами хранения энергии, технологии хранения энергии в основном делятся на три категории: механические накопители энергии (такие как насосные накопители энергии воды, накопители энергии сжатого воздуха, маховичные накопители энергии и т.д.), электромагнитные накопители энергии (такие как сверхпроводящие электромагнитные накопители энергии, суперконденсаторные накопители энергии и т.д.), электрохимические накопители энергии (такие как свинцово-кислотные батареи, редокс-аккумуляторы, натрий-серные накопители энергии, Накопители энергии на основе литий-ионных аккумуляторов, и т.д.).
Технология хранения энергии на маховиках - это своего рода технологии хранения энергии в котором используются взаимно двунаправленные двигатели (мотор/генераторы) для взаимного преобразования электрической энергии и механической энергии высокоскоростных вращающихся маховиков. В нем используется высокоскоростной вращающийся маховик для накопления энергии в виде кинетической энергии. Когда энергии срочно не хватает или она необходима, маховик замедляется и высвобождает накопленную энергию.
2. Технический принцип маховичного накопителя энергии
Накопитель энергии на маховике - это механический накопитель, осуществляющий взаимное преобразование и хранение электрической энергии и механической кинетической энергии высокоскоростного вращающегося маховика с помощью электрического/генераторного двунаправленного двигателя. Накопление энергии в маховике основано на принципе вращающейся массы. Входная энергия для маховичного накопителя энергии обычно поступает из сети или любого другого источника электрической энергии. Маховик соединен коаксиально с двигателем, что показывает, что управление двигателем может управлять маховиком.
Вращающийся маховик приводится в движение электродвигателем, обменивая электрическую энергию на механическую и наоборот. Когда маховик накапливает энергию, двигатель приводит его в движение, и электрическая энергия преобразуется в кинетическую; когда энергия высвобождается, маховик приводит в движение двигатель для выработки электроэнергии, маховик замедляется, и кинетическая энергия преобразуется в электрическую.
3. Характеристики маховичного накопителя энергии
Как новая технология в глобальное хранение энергии В промышленности маховичные накопители энергии имеют свои уникальные преимущества во многих местах. В настоящее время это одна из наиболее перспективных технологий краткосрочного хранения энергии большой мощности, как показано в:
- Маховик обладает высокой плотностью хранения энергии и высокой мгновенной мощностью. Он может выдавать больше энергии за короткое время, что способствует запуску электромагнитной пушки и быстрому старту автомобиля.
- Длительный жизненный цикл. В течение всего срока службы на плотность хранения энергии и срок службы не влияют ни перезарядка, ни переразрядка, а маховик не повреждается. Срок службы зависит в основном от срока службы электронных компонентов маховичного аккумулятора, обычно он составляет около 20 лет.
- Легко измерить глубину разряда и оставшуюся "мощность".
- Время зарядки небольшое. Как правило, батарея полностью заряжается в течение нескольких минут.
- Высокая эффективность преобразования энергии. Как правило, она может достигать примерно 90%, что означает больше доступной энергии и меньше тепловыделения, что выше, чем эффективность преобразования химических батарей.
- Экологичность и защита окружающей среды, отсутствие загрязнения.
4. Состав маховичного накопителя энергии
Маховичная система накопления энергии состоит из ротора маховика, двигателя, подшипника, силового электронного интерфейса и корпуса.
- ротор маховика
Энергия, запасенная в маховике, определяется формой и материалом ротора. Энергия линейно пропорциональна моменту инерции и квадрату угловой скорости, поэтому запасенная энергия маховика может быть оптимизирована либо увеличением скорости вращения, либо увеличением момента инерции. Это дает два варианта маховичных накопителей: низкоскоростные маховичные накопители (обычно до 10 000 об/мин) и высокоскоростные маховичные накопители (до 100 000 об/мин).
Низкоскоростные маховики обычно изготавливаются из более тяжелых металлических материалов и опираются на механические или магнитные подшипники. Высокоскоростные маховики обычно изготавливаются из более легких, но прочных композитных материалов и, как правило, требуют использования магнитных подшипников. Стоимость высокоскоростных маховиков может в 5 раз превышать стоимость низкоскоростных маховиков.
- двигатель
Электрический/генераторный двунаправленный двигатель соединен с маховиком для преобразования энергии и зарядка аккумулятора Процесс вращения маховика. Эта машина работает как двигатель, накапливая кинетическую энергию для маховика, разгоняя его и получая электричество от источника питания.
Энергия, накопленная на маховике, извлекается тем же электродвигателем, который работает как генератор, поэтому маховик замедляется в процессе преобразования кинетической энергии в электрическую. В маховичных системах накопления энергии обычно используются асинхронные двигатели (IM), двигатели с постоянными магнитами (PM) и двигатели с переменным магнитным сопротивлением (VRM). Асинхронные двигатели используются в высокомощных приложениях благодаря своей надежности, высокому крутящему моменту и низкой стоимости. Основными проблемами асинхронных двигателей являются ограничение скорости, сложные системы управления и повышенные требования к техническому обслуживанию.
- Асинхронные двигатели с двойным питанием (DFIM) в настоящее время используются в системах хранения энергии на маховиках благодаря гибкости управления и более низким показателям преобразования мощности, что позволяет уменьшить размер силовой электроники.
- Двигатель с переменным магнитным сопротивлением обладает такими характеристиками, как стабильная работа, низкие потери холостого хода и широкий диапазон скоростей. Для работы на высоких скоростях двигатели с переменным коэффициентом трансформации имеют более простой механизм управления, чем асинхронные двигатели. Его недостатками являются низкий коэффициент мощности, низкая удельная мощность и большие колебания крутящего момента. Переключаемые и синхронные редукторные двигатели подходят для высокоскоростных маховиковых систем накопления энергии.
- Двигатель с постоянными магнитами обладает высокой эффективностью, высокой удельной мощностью и низкими потерями в роторе, и является наиболее часто используемым двигателем для маховиковых систем накопления энергии. Он широко используется в высокоскоростных приложениях. Основными проблемами двигателей с постоянными магнитами являются потери холостого хода из-за потерь на вихревые токи статора, высокая цена и низкая прочность на разрыв.
- Бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDCM), синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM) и машины с массивом Хальбаха (HAM) - основные типы двигателей с постоянными магнитами, используемые в маховиковых системах накопления энергии.
- подшипник
Для хранения энергии на маховике требуются подшипники, которые удерживают ротор на месте с очень низким коэффициентом трения, обеспечивая при этом опорный механизм для маховика. Подшипниковые системы могут быть механическими или магнитными, в зависимости от веса, срока службы и меньших потерь.
Традиционно используются механические шарикоподшипники, но по сравнению с магнитными подшипниками механические шарикоподшипники имеют более высокое трение и требуют больших затрат на обслуживание из-за деградации смазки. Эти недостатки можно устранить, используя гибридную систему магнитных и механических подшипников. Магнитные подшипники не имеют потерь на трение и не требуют смазки.
Постоянные (пассивные) магнитные подшипники (PMB), активные магнитные подшипники (AMB) и сверхпроводящие магнитные подшипники (SMB) являются основными типами магнитных подшипниковых систем.
- ПМБ обладают высокой жесткостью, низкой стоимостью и малыми потерями. Однако ПМБ имеют ограничения в обеспечении стабильности и обычно рассматриваются как вспомогательные подшипниковые системы.
- АМБ приводится в движение магнитным полем, создаваемым катушкой с током, которая управляет положением ротора. Стоимость АМБ высока, система управления сложна, а во время работы расходуется энергия, что увеличивает потери в системе. Чтобы обеспечить высокую эффективность всей системы, необходимо найти компромисс между скоростью и потерями.
- SMB обеспечивает высокую скорость, отсутствие трения, длительный срок службы, компактность и стабильность работы. Это лучший магнитный подшипник для высокоскоростной работы, поскольку он стабилизирует маховик без использования электрической энергии или систем позиционирования. Однако SMB требует криогенной системы охлаждения, так как работает при очень низких температурах; но в последние годы он был усовершенствован за счет использования высокотемпературных сверхпроводников (HTS). Основным недостатком системы SMB является ее высокая стоимость.
5. Параметры технологии хранения энергии на маховике
| Проект | Высокоскоростной маховичный накопитель энергии |
|---|---|
| Технологическая зрелость | Коммерческая |
| Плотность энергии (Вт.ч/кг) | 32 |
| Плотность мощности (Вт/кг) | 4500 |
| Эффективность преобразования энергии, % | ＞85 |
| Уровень мощности/МВт | 0～20 |
| Время непрерывной разрядки | 1ms～1min |
| Скорость саморазряда (%/месяц) | 2~20 |
| Годы службы | 20 |
| Количество циклов | Более миллиона раз |
| Время запуска/ мс | ＜2 |
| Соответствующая скорость/ мс | ＜2 |
| Стоимость электроэнергии (юань/кВт) | 1700～2000 |
| Стоимость энергии (юань/кВт.ч) | 100000～400000 |
| Стоимость эксплуатации и обслуживания/(юань/кВт) | 50～100 |
6. Технические преимущества маховичного накопителя энергии
Из технического сравнения различных методов хранения энергии видно, что маховичные накопители энергии обладают высоким КПД (до 90%), большой мгновенной мощностью (уровень в один мегаватт), быстрой скоростью реакции (несколько миллисекунд) и длительным сроком службы (10. В настоящее время это одна из наиболее перспективных технологий краткосрочного хранения энергии большой мощности.
7. Сценарии применения маховичного накопителя энергии
- Железнодорожный транзит
Преимущества высокой плотности мощности и высокой эффективности маховичного накопителя энергии идеально подходят для железнодорожной транзитной системы, а его энергосберегающий эффект значительно превосходит эффект других энергосберегающих устройств.
В эксплуатационных расходах городского рельсового транспорта, такого как метро, затраты на электроэнергию составляют около 40%, а на тягу поездов приходится 45%-60% от общих затрат на электроэнергию в метро, из которых 17% - это рекуперируемая энергия рекуперативного торможения. Рекуперируемая энергия торможения обычно расходуется на теплоотдачу сопротивления, что связано с проблемой нерационального использования ресурсов и воздействия на электросеть. Использование маховичного накопителя энергии позволяет сэкономить 15% потребляемой тяговой энергии.
- Электрическая сеть
Маховичные накопители энергии обладают высокой мощностью, быстрым откликом и длительным сроком службы и подходят для регулирования пиковых нагрузок и частоты в электросетях.
Некоторые европейские страны применяют маховичные накопители энергии для регулирования пика и частоты энергосистемы. В настоящее время во многих местах в Китае запущены проекты по использованию маховичных накопителей энергии для регулирования пика энергосистемы и частоты. Ожидается, что темпы применения маховиковых накопителей энергии для регулирования пиковых нагрузок и частоты в электросетях будут расти.
- Источник бесперебойного питания
Накопители энергии для ИБП питания в энергосистеме, существует большое количество пользователей, предъявляющих высокие требования к качеству электроэнергии, таких как производство полупроводников, компьютерные системы в банках, системы связи, высокоточное медицинское оборудование в больницах и т.д. Когда внешняя электросеть прерывается или качество электропитания становится ненормальным, для обеспечения непрерывного и надежного электроснабжения этих пользователей можно оснастить маховиковый накопитель энергии ИБП бесперебойным питанием.
- Другие
Маховичные накопители энергии также подходят для применения в солнечной энергетике, ветроэнергетике и других системах, а также используются в аэрокосмической отрасли.
8. Состояние мирового рынка маховиковых накопителей энергии
Технология хранения энергии на маховиках разрабатывается с середины 20-го века и насчитывает более 50 лет истории исследований, разработок и применения. В настоящее время глобальные исследования и разработки технологии хранения энергии на маховиках в основном сосредоточены в США, Европе и Японии. Они значительно опережают другие страны в области фундаментальных прикладных исследований технологии маховика, ключевых технологий, производственных процессов, развития промышленного производства и рыночных операций. В настоящее время, когда другие страны придают большое значение технологии хранения энергии и вкладывают в нее значительные средства, тенденция к многополярности становится все более очевидной.
Соединенные Штаты: В настоящее время Соединенные Штаты занимают лидирующие позиции в исследованиях маховиковых технологий хранения энергии, что в основном обусловлено долгосрочными инвестициями таких институтов, как DOE и NASA, начиная с 1970-х годов, и постоянной поддержкой рынка капитала в течение более 10 лет.
Европа: Среди многих европейских стран Германия и Великобритания проводят наиболее глубокие исследования в области технологии хранения энергии на маховиках, а Франция, Италия и другие страны также вкладывают значительные средства.
Япония: Япония обладает мощным техническим потенциалом в области высокопрочных материалов из углеродного волокна и высокотемпературных сверхпроводящих материалов, что создает благоприятные условия для развития технологии маховичного накопления энергии.
Китай: Китай уделяет внимание технологии хранения энергии на маховиках с 1980-х годов. В настоящее время китайские маховичные накопители энергии достигли многих успешных результатов в практическом применении и демонстрации в таких областях, как производство электроэнергии, бурение нефтяных скважин и навигация.
9. Направление развития технологии маховичного хранения энергии
- Система двигателей и преобразователей будет развиваться в направлении снижения стоимости;
- Роторы с высокой плотностью энергии будут развиваться в направлении композитных материалов;
- Опорные подшипники будут развиваться в направлении магнитной подвески и композитных подшипников;
- Автономные накопители энергии на маховиках позволяют повысить эффективность использования энергии;
- Маховичные системы хранения энергии большой емкости будут развиваться в направлении модульных массивов
С точки зрения технических узких мест, для маховичных накопителей энергии большой мощности, когда момент инерции и максимальная скорость ротора маховика превышают определенное значение, возникают технические и конструктивные проблемы, такие как: высокопрочный материал ротора маховика и технология проектирования и производства, технология проектирования и производства композитных подшипников, технология проектирования и производства двунаправленного двигателя, технология охлаждения двигателя и подшипников в вакуумном состоянии и т.д.
Основываясь на фактическом развитии отрасли, в этой статье анализируются основные технологии хранения энергии, применение на рынке, проблемы и вызовы.
Являясь средним звеном отраслевой цепи накопителей энергии, 10 крупнейших китайских интеграторов систем хранения энергии отвечают за поставщиков оборудования и владельцев систем хранения энергии.
В этой статье мы расскажем о значении накопителей энергии для ИБП и о том, как они могут значительно расширить возможности резервного питания. Изучите особенности и преимущества ИБП для хранения энергии прямо сейчас.
+86 - 18925002618
