Накопичувач енергії маховика це технологія зберігання енергії з високою щільністю потужності, високою надійністю, тривалим терміном служби та екологічною чистотою. Характеризується повною магнітною левітацією, низьким енергоспоживанням, швидким відгуком, тривалим терміном служби, великою кількістю циклів заряду і розряду.
</img
1. Що таке накопичувач енергії маховика?
Відповідно до різних методів зберігання енергії, технології зберігання енергії в основному поділяються на три категорії: механічне зберігання енергії (наприклад, зберігання енергії перекачуваної води, зберігання енергії стисненого повітря, зберігання енергії маховика тощо), електромагнітне зберігання енергії (наприклад, зберігання електромагнітної енергії за допомогою надпровідних електромагнітів, зберігання енергії за допомогою суперконденсаторів тощо), електрохімічне зберігання енергії (наприклад, свинцево-кислотні акумулятори, окислювально-відновлювальні акумулятори, натрій-сірчані акумулятори), літій-іонні акумулятори для зберігання енергіїтощо).
Технологія зберігання енергії маховика є різновидом технології зберігання енергії яка використовує взаємні двонаправлені двигуни (двигун/генератор) для взаємного перетворення електричної енергії в механічну енергію високошвидкісних обертових маховиків. Він використовує високошвидкісний обертовий маховик для зберігання енергії у вигляді кінетичної енергії. Коли енергії терміново бракує або вона необхідна, маховик сповільнюється і вивільняє накопичену енергію.
2. Технічний принцип накопичувача енергії маховика
Маховик - це механічний накопичувач, який здійснює взаємне перетворення і зберігання електричної енергії та механічної кінетичної енергії високошвидкісного обертового маховика за допомогою електричного/генераторного зворотно-поступального двонаправленого двигуна. Енергія, що зберігається в маховику, заснована на принципі обертової маси. Вхідна енергія для системи зберігання енергії маховика зазвичай надходить з мережі або будь-якого іншого джерела електричної енергії. Маховик з'єднаний коаксіально з двигуном, що показує, що керуючи двигуном, можна керувати маховиком.
Маховик, що обертається, приводиться в рух електродвигуном, обмінюючи електричну енергію на механічну і навпаки. Коли маховик накопичує енергію, двигун приводить маховик до прискорення, і електрична енергія перетворюється на кінетичну; коли енергія вивільняється, маховик приводить двигун до вироблення електроенергії, маховик сповільнюється, і кінетична енергія перетворюється на електричну енергію.
3. Характеристики накопичувача енергії маховика
Як нова технологія в глобальне зберігання енергії У багатьох галузях промисловості накопичувачі енергії з маховиком мають свої унікальні переваги. Наразі це одна з найперспективніших технологій короткочасного зберігання енергії великої потужності, як показано в:
- Маховик має високу щільність накопичення енергії та високу миттєву потужність. Він може виробляти більше енергії за короткий час, що сприяє запуску електромагнітної гармати та швидкому запуску транспортного засобу.
- Тривалий життєвий цикл. Протягом усього життєвого циклу на щільність накопичення енергії та термін служби не впливатиме перезаряд або перерозряд, а маховик не буде пошкоджений. Його термін служби залежить головним чином від терміну служби електронних компонентів в акумуляторі маховика, як правило, приблизно до 20 років.
- Легко виміряти глибину розряду і залишок "потужності".
- Час заряджання короткий. Як правило, акумулятор можна повністю зарядити за кілька хвилин.
- Висока ефективність перетворення енергії. Як правило, вона може досягати близько 90%, що означає більше доступної енергії і менше тепловіддачі, що вище, ніж ефективність перетворення хімічних батарей.
- Екологічність та захист навколишнього середовища, відсутність забруднення.
4. Склад маховика накопичувача енергії
Система накопичення енергії маховика складається з ротора маховика, двигуна, підшипника, силового електронного інтерфейсу та корпусу.
- маховик ротор
Енергія, що зберігається в маховику, визначається формою і матеріалом ротора. Енергія лінійно пропорційна моменту інерції та квадрату кутової швидкості, тому накопичену енергію маховика можна оптимізувати або збільшенням швидкості обертання, або збільшенням моменту інерції. Це дає два варіанти маховиків: низькошвидкісні маховики (зазвичай до 10 000 об/хв) і високошвидкісні маховики (до 100 000 об/хв).
Низькошвидкісні маховики зазвичай виготовляються з важчих металевих матеріалів і підтримуються механічними або магнітними підшипниками. У високошвидкісних маховиках зазвичай використовуються легші, але міцніші композитні матеріали і, як правило, потрібні магнітні підшипники. Високошвидкісні маховики часто можуть коштувати в 5 разів дорожче, ніж низькошвидкісні.
- двигун
Електричний/генераторний зворотно-поступальний двонаправлений двигун з'єднаний з маховиком для реалізації перетворення енергії та зарядка акумулятора процес обертання маховика. Ця машина працює як двигун, накопичуючи кінетичну енергію для маховика, прискорюючи його та отримуючи електроенергію від джерела живлення.
Енергія, накопичена на маховику, видобувається тим самим електродвигуном, який діє як генератор, тому маховик сповільнюється в процесі перетворення кінетичної енергії в електричну. У системах накопичення енергії маховика зазвичай використовуються асинхронні двигуни (АД), двигуни з постійними магнітами (ДПМ) і двигуни зі змінним опором (ДЗМ). Асинхронні двигуни використовуються в системах великої потужності завдяки своїй надійності, високому крутному моменту і низькій вартості. Обмеження швидкості, складне керування та підвищені вимоги до технічного обслуговування є основними проблемами асинхронних двигунів.
- Асинхронні двигуни з подвійним живленням (DFIM) в даний час використовуються в системах накопичення енергії з маховиком завдяки їх гнучкому управлінню і більш низькому коефіцієнту перетворення потужності, що дозволяє зменшити розмір силової електроніки.
- Двигун зі змінним опором має характеристики стабільної роботи, низькі втрати на холостому ходу та широкий діапазон швидкостей. Для високошвидкісної роботи двигуни зі змінним опором мають простіший механізм керування, ніж асинхронні двигуни. Його недоліками є низький коефіцієнт потужності, низька питома потужність і великі коливання крутного моменту. Для високошвидкісних систем накопичення енергії з маховиком підходять як синхронні, так і синхронні двигуни з перемиканням опору.
- Двигун на постійних магнітах має високий ККД, високу щільність потужності і низькі втрати в роторі, і є найбільш часто використовуваним двигуном для систем накопичення енергії з маховиком. Він широко використовується у високошвидкісних додатках. Основними проблемами двигунів з постійними магнітами є втрати на холостому ходу через втрати вихрових струмів статора, висока ціна та низька міцність на розрив.
- Безщіткові двигуни постійного струму (BLDCM), синхронні двигуни з постійними магнітами (PMSM) і машини з решіткою Гальбаха (HAM) є основними типами двигунів з постійними магнітами, що використовуються в системах накопичення енергії маховика.
- підшипник
Для накопичення енергії маховика потрібні підшипники, які утримують ротор на місці з дуже низьким тертям, забезпечуючи при цьому опорний механізм для маховика. Підшипникові системи можуть бути механічними або магнітними, залежно від ваги, терміну служби та менших втрат.
Традиційно використовуються механічні шарикопідшипники, але в порівнянні з магнітними підшипниками, механічні шарикопідшипники мають більш високе тертя і вимагають більших витрат на обслуговування через деградацію мастила. Ці недоліки можна усунути, використовуючи гібридну систему магнітних і механічних підшипників. Магнітні підшипники не мають втрат на тертя і не потребують мастила.
Постійні (пасивні) магнітні підшипники (PMB), активні магнітні підшипники (AMB) і надпровідні магнітні підшипники (SMB) є основними типами магнітних підшипникових систем.
- PMB має високу жорсткість, низьку вартість і низькі втрати. Однак, PMB мають обмеження в забезпеченні стабільності і, як правило, розглядаються як допоміжні несучі системи.
- АМБ приводиться в дію магнітним полем, яке генерується струмопровідною котушкою, що контролює положення ротора. Вартість АМБ висока, система керування складна, а під час роботи споживається енергія, що збільшує втрати в системі. Щоб забезпечити хорошу ефективність всієї системи, необхідно знайти компроміс між швидкістю і втратами.
- SMB забезпечує високу швидкість, відсутність тертя, тривалий термін служби, компактність і стабільну роботу. Це найкращий магнітний підшипник для високошвидкісної роботи, оскільки він стабілізує маховик без електричного живлення або систем позиціонування. Однак SMB вимагає кріогенної системи охолодження, оскільки працює при дуже низьких температурах; але в останні роки він був вдосконалений за рахунок використання високотемпературних надпровідників (ВТНП). Основним недоліком SMB-системи є те, що вона дуже дорога.
5. Параметричні характеристики технології зберігання енергії маховика
| Проект | Високошвидкісний накопичувач енергії маховика |
|---|---|
| Технологічна зрілість | Рекламний ролик |
| Щільність енергії (Вт.год/кг) | 32 |
| Щільність потужності (Вт/кг) | 4500 |
| Коефіцієнт перетворення енергії, % | ＞85 |
| Рівень потужності/МВт | 0～20 |
| Час безперервного розряду | 1 мс ～ 1 хв |
| Швидкість саморозряду (%/місяць) | 2~20 |
| Стаж роботи | 20 |
| Кількість циклів | Більше мільйона разів |
| Час запуску/мс | ＜2 |
| Відповідна швидкість/мс | ＜2 |
| Вартість електроенергії (юанів/кВт) | 1700～2000 |
| Вартість енергії (юанів/кВт.год) | 100000～400000 |
| Витрати на експлуатацію та обслуговування/(юанів/кВт) | 50～100 |
6. Технічні переваги маховика для зберігання енергії
Завдяки технічному порівнянню різних методів зберігання енергії можна побачити, що маховик має високу ефективність (до 90%), велику миттєву потужність (рівень одного мегавата), швидку швидкість відгуку (кілька мілісекунд) і тривалий термін служби (10 Це одна з найперспективніших технологій короткочасного зберігання енергії великої потужності на даний момент.
7. Сценарії застосування маховиків для зберігання енергії
- Залізничний транзит
Переваги високої щільності потужності та високої ефективності накопичувача енергії маховика ідеально вписуються в систему залізничних перевезень, а його енергозберігаючий ефект значно перевищує ефект іншого енергозберігаючого обладнання.
В операційних витратах міського залізничного транспорту, такого як метрополітен, витрати на електроенергію становлять близько 40%, а тягова потужність поїздів - 45%-60% від загальних витрат на електроенергію для роботи метрополітену, з яких 17% - це рекуперативна енергія гальмування, що може бути використана повторно. Рекуперативна енергія гальмування, як правило, витрачається на тепловіддачу опору, що має проблеми марнотратства ресурсів та впливу на електромережу. Використання накопичувача енергії маховика може заощадити 15% споживання тягової енергії.
- Електромережа
Маховикові накопичувачі енергії мають високу потужність, швидку реакцію і тривалий термін служби, а також підходять для регулювання пікових навантажень в електромережі та регулювання частоти.
Деякі європейські країни застосовують системи накопичення енергії з маховиками для регулювання пікових навантажень в електромережі та регулювання частоти. Наразі в багатьох місцях Китаю розпочато реалізацію проектів з накопичення енергії маховиками для регулювання пікових навантажень в енергосистемі та регулювання частоти. Очікується, що темпи застосування маховиків для регулювання пікових навантажень в електромережі та регулювання частоти будуть продовжувати прискорюватися.
- Джерело безперебійного живлення UPS
Накопичення енергії ДБЖ В енергосистемі існує велика кількість користувачів, які мають високі вимоги до якості електроживлення, наприклад, напівпровідникове виробництво, комп'ютерні системи в банках, системи зв'язку, прецизійне медичне обладнання в лікарнях тощо. Коли зовнішня електромережа переривається або якість електропостачання ненормальна, щоб забезпечити безперервне і надійне електропостачання для цих користувачів, вона може бути оснащена маховиком накопичення енергії ДБЖ безперебійного живлення.
- Інші
Накопичувачі енергії маховиків також підходять для застосування в сонячній, вітровій та інших системах, а також використовуються в аерокосмічній галузі.
8. Стан світового ринку маховикових накопичувачів енергії
Технологія накопичення енергії маховиками розробляється з середини 20-го століття і має більш ніж 50-річну історію досліджень, розробок і застосування. В даний час глобальні дослідження і розробки технології накопичення енергії маховиків в основному зосереджені в США, Європі та Японії. Вони значно випереджають інші країни у фундаментальних прикладних дослідженнях технології маховиків, ключових технологіях, виробничих процесах, розвитку індустріалізації продукції та ринкових операціях. В даний час, коли інші країни надають великого значення технологіям зберігання енергії та інвестують в них значні кошти, тенденція до мультиполяризації стає все більш очевидною.
Сполучені Штати: В даний час Сполучені Штати займають лідируючі позиції в дослідженні технології зберігання енергії маховиків, що в основному пов'язано з довгостроковими інвестиціями таких установ, як DOE і NASA, починаючи з 1970-х років, і безперервною підтримкою ринку капіталу протягом більше 10 років.
Європа: Серед багатьох європейських країн Німеччина та Велика Британія проводять найглибші дослідження технології зберігання енергії на основі маховиків, а Франція, Італія та інші країни також інвестували значні кошти в цю галузь.
Японія: Японія має потужний технічний потенціал у високоміцних вуглецевих волокнистих матеріалах і високотемпературних надпровідних матеріалах, що забезпечує сприятливі умови для розвитку технології зберігання енергії маховика.
Китай: Китай приділяє увагу технології накопичення енергії на основі маховиків з 1980-х років. На сьогоднішній день китайські накопичувачі енергії на основі маховиків мають багато успішного досвіду практичного застосування та демонстрації у сферах виробництва електроенергії, буріння нафтових свердловин та судноплавства.
9. Напрямок розвитку технології зберігання енергії маховика
- Система двигунів і перетворювачів буде розвиватися в напрямку зниження вартості;
- Ротори з високою щільністю енергії розвиватимуться в напрямку композитних матеріалів;
- Опорні підшипники будуть розвиватися в напрямку магнітної підвіски та композитних підшипників;
- Покращення автономного зберігання енергії маховика;
- Маховикові системи зберігання енергії великої ємності будуть розвиватися в напрямку модульних масивів
Що стосується технічних вузьких місць, для накопичувачів енергії з маховиком великої потужності, коли момент інерції та максимальна швидкість ротора маховика перевищують певне значення, виникатимуть технічні та конструктивні проблеми, такі як: високоміцний матеріал ротора маховика, конструкція та технологія виготовлення, конструкція та технологія виготовлення композитних підшипників, конструкція та технологія виготовлення двонаправлених двигунів, технологія охолодження двигуна та підшипників у вакуумі, і т.д.
Ґрунтуючись на фактичному розвитку галузі, у цій статті проаналізовано основні технології зберігання енергії, їх застосування на ринку, проблеми та виклики.
Як середня ланка в ланцюжку індустрії зберігання енергії, 10 найбільших інтеграторів систем зберігання енергії в Китаї відповідають за постачальників обладнання та власників систем зберігання енергії.
У цій статті ми обговоримо важливість накопичувачів енергії ДБЖ і те, як вони можуть значно розширити можливості резервного живлення. Починаємо вивчати особливості та переваги накопичувачів енергії ДБЖ.
+86 - 18925002618
