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清华大学戴兴建:飞轮储能容量、效率、寿命及其应用辨析

北极星储能网  来源:北极星储能网    2018/4/2 12:44:21  我要投稿  

北极星储能网讯: 为助力中国储能企业与国际接轨,同时致力于推动中国储能产业机制的建立,实现储能技术商业化,中关村储能产业技术联盟举办的“储能国际峰会暨展览会2018(ESIE 2018)”于2018年4月2-4日在北京国家会议中心举行。清华大学副研究员戴兴建发表题为《飞轮储能容量、效率、寿命及其应用辨析》的演讲,速记内容如下:

感谢储能联盟的邀请介绍飞轮储能的一些基本的说法,因为储能各种各样,飞轮储能是一个比较特殊的技术。包括有三点,首先介绍国内外的研究现状和发展趋势,把这几个参数和应用做一个介绍,最后,大家很关心成本,我们也有一个估计,因为做的时间也比较长了,在储能里头有一种需求,叫高频次,短式高频次。前面介绍的充放电次数可能在一万次,飞轮储能的充放电次数可以超过10万次,甚至更长。飞轮储能也要追求高性能,包括大容量,飞轮的单机容量可以做的很大,我们讲的功率,几百个飞轮并联以后可以做到数十兆瓦,上百兆瓦。

飞轮储能这个技术是从国外五六十年代开始做,做了五六十年了,在技术指标上确实有一些突破,我们讲单机功率国外已经做三兆瓦,清华前年做出一兆瓦的系统。能量,他拿镀电衡量不是他的长项,短时大功率。现在国外对低速飞轮可以做到十即度电,中低速。三兆瓦的系统存了六十兆焦,在比较重要的供电场合是比较合适的。另外一组飞轮是高速飞轮,高速飞轮转速超过一万转。这时候功率就上不去了,我们可以看到国外最高的是330千瓦,国内可以做到三百千瓦,能量90兆焦大概25度电,我们跟电池一样。国外的高速可以到2200转,国内1600转,并且国内也是样机的水平。国内从九即年开始做飞轮储能,最近几年有更多的单位做这些事儿,这是因为储能这个行业在快速的发展,有它的需求,飞轮储能针对短时高频次,对功率要求很高,但是对能量要求不高的场合,它是有它的用武之地的。

国内这些年有一些突破,单机研制方面在缩小差距。要做到电网用途,我们单个可以做到几百千瓦到几个兆瓦,在美国有两个20兆瓦的储能电站,单个电站是200个飞轮,这和国外还是有一些差距。

我们近期想在国家重点研发计划里头做一个飞轮阵列,并且在电网短时高频次的用途上做一个示范应用。单机容量,对低速飞轮来讲可以到600千瓦到三兆瓦,高速电极功率做不到,由于收到电机损耗 ,我们通过200到1000个单机就可以做到高功率的储能系统。所以我们觉得飞轮储能还是一种短时,他的充放电在分秒级的,高功率。

这么一个大的储能系统,我们也可以不按他的额定功率把时间延长,比如原来坚持30秒,就可以做到5分钟。刚才说的是容量,第二个问题效率。有的做飞轮的单位去讲效率,说99%,98%,我不知道他提的这个效率是什么?对于我们搞储能来讲,你进去多少度电,拿出来多少度电,这才是真正的能量效率。充电包括两个过程,我们假设是98%,放电还有两个98%,再加上其他的损耗,所以我们觉得效率能做到86%到94%这个区间就是我们所说的循环的能量效率,这个数字才是合理的一个区间。如果说99%,98%,我不知道他说的是什么效率。

第三个问题寿命,因为飞轮是用金属材料或者复合材料,它的强度疲劳寿命、设计可以做到10万次以上。电机材料也是比较成熟的,电力电子材料和其他的做功率变换的是一样的。它的两个轴承和辅助系统可以通过维护来达到长寿命。问题是,这么长的寿命用在什么地方?我们在很多参考文献可以看到飞轮的寿命十万次以上,这个是靠谱的,有科学依据的,但是用在哪个地方,根据我们做这么多年的飞轮的经验,在车辆动能再生领域是有高频次的。我们在中原油田项目里头,在短短4个月充放电达到1万2千次,对高频次的,我们觉得它的是有它的用武之地的,第二个用途,如果每天10次或者20次,每年是几千次,也有它的用武之地。还有一种想法,用到调峰,调峰可能这个次数就不够了,每天一次,一年也就300多次,是万次要用多少年呢?30年,对很多投资人难以接受,或者不愿意投那么远。

最后一个问题关于成本,这张表是2015年的一个文献,这是我们的一个参考,从这每千瓦的欧元数看,和其他相比还是比较低的一个成本。注意,它的单位是千瓦,不是千瓦时,论度电它就没有竞争力了。要发挥它的长处,短时高频次,用功率来衡量它,它还是有优势的。这个是讲它的维护。

在这里头,最后是讲的考虑到各种因素以后,它的成本还是比较低的水平。我们强调它在高频次充放电的条件下,以千瓦来衡量它的价格。这个讲的是在调频用途里头,它和锂电池,铅酸电池比,每年的循环价格还是比较低的一个价格。所以如果调频市场,每年在几千次的充放电市场里头,应用里头,我们觉得飞轮储能还是有竞争力的,它的竞争力还表现在它的材料是成熟的,技术是相对成熟的,不会从基本的材料体系开始研究。

这是美国能源部的一个数据,也是讲的飞轮储能对于调频这个市场。单次调频的成本还是比较低的。

第三,关于飞轮储能的应用。几个应用,八九十年代针对航天应用,车辆在欧洲发展的比较多,主要是对公交系统的频繁有刹车动能再生的场景,包括起重机械也是能量回收,加起来的市场和动态UPS,以及新能源发电,电网调频都是一个小的市场。我们刚才说几千次充放电从美国储能电站提供的运行的数据,它占到这个电网系统的调频的容量只有10%,但是它承担了30%的调频操作。在三千到五千次电压调频场合里它是有优势的。我们讲十万次以上要注意在我这个设备投资期或者是运行期间到底十万次能不能用上?这个要考虑。所以我们觉得五千次每年功率性的用途最适合飞轮储能的。

另外一种用途,关于能量用途,这是2012年出的,想跟电池竞争,做电池型的飞轮,他能做到0.4每千瓦时。我们的结论是,单机的容量可以做的很高,效率86%到94%,这是比较合理的区间,寿命在10万次以上,它的成本我们估计在1200到2500块钱千瓦。比较适合高频次的调频应用。谢谢!

以上发言未经嘉宾审核发布。

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