[发明专利]飞轮能量系统

说明书

技术领域

本发明涉及能量存储系统，更具体地说，本发明涉及能够将电能存储为转动着的飞轮的动能的能量存储系统，该能量存储系统用于当需要时将动能释放为电能。

背景技术

大规模能量存储具有解决与使电能分配现代化相关的多种挑战的潜力。这些挑战中的一些挑战包括管理断续可回收能量产生、电气负载转移、黑启动能力、管理电价波动、及后备能量供应。

当前，存在有若干大规模能量存储技术，这些大规模能量存储技术试图解决对于能量存储工业的挑战。这些技术包括高级蓄电池、电解电容器（EC）、抽水蓄能电站、压缩空气能量存储以及飞轮技术。

关于高级电池技术，一种这样的技术-铅酸蓄电池，由于与这样的蓄电池相关联的低成本，已经成为对于电力质量和UPS用途的流行选择。然而，对于大规模用途而言，铅酸蓄电池的有效性，受到这样的蓄电池的非常短寿命周期以及可变充电速率的限制。锂离子蓄电池因为它们的长得多的寿命周期，常常见到它们被用于铅酸蓄电池的备选或替代。锂离子蓄电池的发展至今主要由汽车工业驱动，但还具有用于车辆、住宅及商业使用的潜在用途。然而，锂离子蓄电池作为适当能量存储技术的有效性，受到与这样的蓄电池的制造相关联的高成本、和与锂离子蓄电池的大规模实施相关联的安全性问题的限制。金属-空气蓄电池是最紧凑的、和潜在的制造最便宜的蓄电池。然而，金属-空气蓄电池的有效性，受到这样的蓄电池的非常短寿命周期和低效率（例如，近似50%）的限制。一种具体蓄电池技术-它已经证明有希望作为用于大规模实施的解决方案，是钠-硫（NaS）蓄电池技术。NaS蓄电池具有高能量密度，但要求高操作温度，并且具有比较短的使用期限。上述蓄电池技术典型地具有近似64%的平均交流-交流住返效率。此外，电解蓄电池技术一般地具有按充电/放电循环的数量升高而降低的可用寿命。

电解电容器（EC）也用作能量存储解决方案。EC是能量存储装置，与铅酸蓄电池相比，这些能量存储装置具有更长的寿命周期，并且功率更大。然而，由于EC的高成本和低能量密度，对于大规模项目实施EC是不可行的。

对于能量存储技术的大规模实施的一种潜在解决方案是抽水蓄能电站。常规抽水蓄能电站使用两个蓄水池，这两个蓄水池沿竖向分开，并因而具有位能，该位能与借助于重力从较高位能的高度到较低位能的高度行进的水的能量相关联。在非高峰时间期间，电力用来将水从较低水池抽吸到较高水池。当对于电能的需要增大时，将水流动颠倒以产生电能。抽吸存储是在电网上使用的最普遍能量存储系统。用于抽水蓄能电站的主要用途是能量管理和频率控制。与抽水蓄能电站相关联的主要缺陷是独特的场所要求和巨大的前期资金成本。

另一种潜在的能量存储解决方案是压缩空气能量存储（CAES）。CAES使用压缩空气和天然气体的组合。在非高峰时间，电机将压缩空气推动到地下洞室中。在高峰时间期间，压缩空气与气体组合地用来向涡轮动力装置供给动力。CAES将多达大约40%的气体用作天然气体动力装置。CAES具有与抽水蓄能电站相似的大规模使用限制：场所定位和巨大的前期资金成本。

对于大规模能量存储实施的另一种提议是飞轮能量存储系统，这些飞轮能量存储系统已经显现为对于上述各种能量存储技术的备选方案。这样的系统当前用在两种主要商业用途中：不间断电源（UPS）和电源频率调节（FR）。UPS和FR二者都要求按秒和秒的几分之一测量的极快充电和放电时间。飞轮技术具有优于其它能量存储技术的多种优点，包括更高的可靠性、更长的使用寿命、极低维护成本、更高的功率能力、及环境友好性。飞轮能量存储系统将能量存储在转动着的飞轮中，该转动着的飞轮由低摩擦轴承系统支撑在壳体内部。相连接的马达/发电机使飞轮加速以便存储所输入的电能，并且使飞轮减速以便释放这种能量。动力电子装置保持系统的进出能量流动，以缓和供电中断、或可选择地管理波峰负载。传统的飞轮设计由于与电磁轴承系统相关联的高电气附加损失，将它们的使用限于上述短持续时间用途。

一种支撑用于按高速转动的飞轮的方法是用滚动元件机械轴承组件，如滚珠轴承组件。这样的机械轴承组件的寿命受到这样的机械轴承组件必须支承的负载的强烈影响。为了延长使用机械轴承组件的飞轮能量存储系统的寿命，磁性轴承可与机械轴承组合地使用，以便减小在机械轴承上的负载。在这样的例子中，飞轮的转子部分典型地绕竖向轴线转动，并且机械轴承组件提供径向支撑，而磁性轴承组件承载或支撑飞轮的轴向负载。传统上，飞轮设计为了这个目的已经利用电磁推力轴承。