SSB蓄電池SBLFG65-12i儲能電池系統包括三個核心部分:一個SSB蓄電池SBLFG65-12i,電動機—發電機和電力電子變換裝置。
電力電子變換裝置從外部輸入電能驅動電動機旋轉,電動機帶動飛輪旋轉,飛輪儲存動能(機械能),當外部負載需要能量時,用飛輪帶動發電機旋轉,將動能轉化為電能,再通過電力電子變換裝置變成負載所需要的各種頻率、電壓等級的電能,以滿足不同的需求。由于輸入、輸出是彼此獨立的,設計時常將電動機和發電機用一臺電機來實現,輸入輸出變換器也合并成一個,這樣就可以大大減少系統的大小和重量。同時由于在實際工作中,飛輪的轉速可達40000~50000r/min,一般金屬制成的飛輪無法承受這樣的轉速,所以飛輪一般都采用碳纖維制成,既輕又強,進一步減少了整個系統的重量,同時,為了減少充放電過程中的能量損耗(主要是摩擦力損耗),電機和飛輪都使用磁軸承,使其懸浮,以減少機械摩擦;同時將飛輪和電機放置在真空容器中,以減少空氣摩擦。這樣飛輪電池的凈效率(輸入輸出)達95%左右。
實際使用的飛輪裝置中,主要包括以下部件:飛輪、軸、軸承、電機、真空容器和電力電子變換器。飛輪是整個電池裝置的核心部件,它直接決定了整個裝置的儲能多少,它儲存的能量由公式 決定。式中 為飛輪的轉動慣量,與飛輪的形狀和重量有關; 為飛輪的旋轉角速度。
電力電子變換器通常是由MOSFET 和IGBT組成的雙向逆變器,它們的原理不再敘述,它們決定了飛輪裝置能量輸入輸出量的大小。
二、飛輪電池與其它電池的比較
現在,使用多廣的儲能電池無疑是化學電池,它將電能轉變為化學能儲存,再轉化為電能輸出,它價格低廉,技術成熟,但污染嚴重,效率低下,充電時間長,用電時間短,使用過程中電能不易控制。
另一儲能電池是超導電池,它把電能轉化為磁能儲存在超導線圈的磁場中,由于超導狀態下線圈沒有電阻,所以能量損耗非常小,效率也,對環境污染也小。但由于超導狀態是線圈處于極低溫度下才能實現,維持線圈處于超導狀態所需要的低溫需耗費大量能源,而且維持裝置過大,不易小型化,所以家用市場前景不強。
飛輪電池則兼顧了兩者的優點,雖然近階段的價格較,但伴隨著技術的進步,必將有一個非常廣闊的前景。下面通過表—1來具體比較三者的優缺點。
表—1 三種電池性能比較
化學電池 飛輪電池 超導電池
儲能方式 化學能 機械能 電磁能
使用壽命 3~5 >20 ~20
技術 成熟 驗證 驗證
溫度范圍 限制 不限 不限
相對尺寸(同功率) 大 小 中間
儲能密度 小 大 大
放能深度 淺 深 深
價格 低 較
環境影響 污染 無污染 無污染
三、飛輪電池的應用場合及現狀
由于技術和材料價格的限制,飛輪電池的價格相對較,在小型場合還無法體現其優勢。但在下列一些需大型儲能裝置的場合,使用化學電池的價格也非常昂貴,飛輪電池已得到逐步應用。
1、太空 包括人造衛星、飛船、空間站,飛輪電池一次充電可以提供同重量化學電池兩倍的功率,同負載的使用時間為化學電池的3~10倍。同時,因為它的轉速是可測可控的,故可以隨時查看電能的多少。美國太空總署已在空間站安裝了48個飛輪電池,聯合在一起可提供超過150KW的電能。據估計相比化學電池,可節約200萬美元左右。
2、交通運輸 包括火車和汽車,這種車輛采用內燃機和電機混合推動,飛輪電池充電快,放電完全,非常適合應用于混合能量推動的車輛中。車輛在正常行使時和剎車制動時,給飛輪電池充電,飛輪電池則在加速或爬坡時,給車輛提供動力,保證車輛運行在一種平穩、優的狀態下的轉速,可減少燃料消耗,空氣和噪聲污染,發動機的維護,延長發動機的壽命。美國TEXAS大學已研制出一汽車用飛輪電池,電池在車輛需要時,可提供150KW的能量,能加速滿載車輛到100Km/h。在火車方面,德國西門子公司已研制出長1.5m,寬0.75m的飛輪電池,可提供3MW的功率,同時,可儲存30%的剎車能。
3、不間斷電源 飛輪電池可提供可靠的穩定電源,可提供幾秒到幾分鐘的電能,這段時間足已保證工廠進行電源切換。德國GmbH 公司制造了一種使用飛輪電池的UPS,在5s內可提供或吸收5MW的電能。
4、軍用戰斗車輛 美國國防部預測未來的戰斗車輛在通信、武器和防護系統等方面都廣泛需要電能,飛輪電池由于其快速的充放電,獨立而穩定的能量輸出,重量輕,能使車輛工作處于優狀態,減少車輛的噪聲(戰斗中非常重要),提車輛的加速性能等優點,已成為美國軍方首要考慮的儲能裝置。
作為一種新興的儲能方式,飛輪電池所擁有傳統化學電池無法比擬的優點已被人們廣泛認同,它非常符合未來儲能技術的發展方向。目前,飛輪電池除了上面介紹的應用領域以外,也正在向小型化、低廉化的方向發展。現在,可能出現的是手機電池。可以預見,伴隨著技術和材料學的進步,飛輪電池將在未來的各行各業中發揮重要的作用。