1.3.2　能量储存技术的研究现状

能量的转换、储存与再利用,是指由于系统功率不匹配而产生的过剩能量,或者是由于系统工作状态改变损失的能量(如汽车制动动能和挖掘机下降过程的重力势能)的回收与重新利用,如图1⁃2所示。

目前,常用的储能元件与系统种类很多,主要有液压蓄能器、蓄电池、超级电容器和飞轮四种。

(1)液压蓄能器

在二次调节静液传动系统中,系统的能量以液压能的形式储存在液压蓄能器中,具有逆向功能的二次元件,可实现机械能等其他形式能量和液压能之间的相互转化。在能量储存时,它工作在“液压泵”工况,将产生的高压油以液压能的形式储存在液压蓄能器中,实现能量的回收和转换储存;在能量释放时,它工作在“液压马达”工况,液压蓄能器释放储存的高压油,带动液压马达工作,实现液压能的重新利用。

液压蓄能器主要有气囊式、重锤式和弹簧式等结构形式,其中应用最为广泛的是气囊式液压蓄能器。气囊式液压蓄能器是在钢制的压力容器内装有氮气和液压油,中间以皮囊隔开,其工作原理是利用密封气体的可压缩性来储能。气囊式液压蓄能器各个零部件的设计、制造技术相对比较成熟,性能可靠,易于生产与工程应用。德国的MAN 公司、日本的Mitsubishi 公司先后开发研制了采用气囊式液压蓄能器的液压储能系统,应用于公交客车传动系统上,经对研制的样车测试,其燃油经济性可提高25%~30%[38]。目前,该储能系统已应用在西方国家的一些城市公共汽车上,取得非常好的节油效果,并显著降低了车辆的尾气排放。

常规液压蓄能器一般使用钢质材料,其能量密度较低。而近几年在美国出现了一种新型的液压蓄能器,它是利用碳纤维和玻璃纤维绕制而成的,其耐压能力基本上与钢质液压蓄能器相当,而其质量却只有钢质液压蓄能器的几十分之一,因此大大提高了液压蓄能器的能量密度[39]。

(2)蓄电池

蓄电池是以电化学能的方式储存能量[40]。自法国人普特1895年发明铅酸蓄电池以来已有一百多年的发展历史了。近年来,由于该技术日趋成熟、性能稳定可靠、经济实用,在能源再生系统中作为储能装置应用非常广泛,特别是在电动汽车上铅酸电池得到了非常广泛的应用。在车辆制动时,能源再生系统的发电机/电动机处在“发电机”工况,在车辆惯性作用下发电机工作,将车辆制动动能转化为电能,储存在蓄电池中;在车辆起步加速时,处在“电动机”工况,在蓄电池储存电能的作用下驱动车辆运行[41]。

蓄电池的种类很多,有锂电池、镍氢电池、镍镉电池和铅酸蓄电池等。从技术、性价比来看,目前使用最为广泛的还是铅酸电池。但铅酸蓄电池是一个复杂的电化学工作系统,存在功率密度低、充放电次数少、受温度影响大、循环使用寿命短等缺点;另外,铅酸蓄电池充、放电速度慢,维护复杂,而且会造成环境二次污染等[42,43]。目前国内外研究人员正在设法改进铅酸蓄电池的储能性能,或寻找替代它的产品。

(3)超级电容器

超级电容器是一种新型电能储存元件,其电容量能够达到数千法拉,非常大,同时它还具有常规静电电容器的高放电功率和电荷的较大储存能力;另外,它还具有容量配置灵活、工作温度范围大、易实现模块化设计、循环使用寿命长、免维护等优点,这些特性使其更适于要求非常苛刻的工作环境。近年来,由于碳纳米技术的迅速发展,超级电容器的功率和能量密度逐渐提高,而生产制造成本不断降低,进一步促进了其在许多工业领域电力储能方面的广泛应用[44,45]。目前,超级电容器的应用非常广泛,不仅有利于改善分布式发电系统的可靠性和稳定性,提高配电网的电能质量,还能减小电动机车运行时对电网的冲击、加速UPS 的启动等[46]。

国内外的许多专家学者在超级电容器的应用方面进行了一系列探索性研究。1994年,美国能源部给出某些商业化超级电容器的性能指标:能量密度小于 5W·h/kg,功率密度大于 1000W/kg。1996年,欧共体(现欧盟)制定了电动汽车用超级电容器储能发展计划,以满足其在电动汽车上的使用要求。2002年,本田汽车公司制造的电混合动力汽车使用了FCX 燃料电池⁃超级电容器,是目前世界上最早的燃料电池轿车。超级电容器在混合动力汽车方面的应用,美国的NASA Lewis研究中心、俄罗斯的Eltran公司也进行了大量研究,取得了一定进展。我国也非常重视超级电容器的研发,中科院电工研究所、上海交通大学等国内一些知名的科研院所与高等院校在电动汽车用超级电容器储能技术方面进行了大量研究,尽管取得了一定进展,但与国外相比,由于种种原因,电动汽车超级电容器的应用还存在较大的差距。

(4)飞轮

自20世纪50年代开始,人们以高速旋转的飞轮为载体来储存负载的动能,开展了飞轮储能技术的系列研究。飞轮储能的能量密度大,对环境无污染的优点吸引了国内外许多学者专家和研究机构的关注。飞轮储能在电动汽车、航天器电源、UPS 以及配电网中具有非常重要的应用价值[47⁃49]。近年来,随着高温超导磁悬浮轴承的成功研发和高强度纤维复合材料的问世和应用,解决了一些传统轴承存在摩擦力大、高速运行时磨损严重、寿命短等问题,大大促进了飞轮储能系统的发展和在工程中的广泛应用。

高速旋转的飞轮以动能形式储存能量,当机械设备或液压系统需要能量时再释放出来重新加以利用[50⁃52],具有结构简单、工作效率高、绿色环保等优点,在实际过程中有着非常好的应用前景。20世纪80年代以前,高速旋转飞轮在飞轮轴承摩擦、高效能量转换及风阻损耗等许多方面都存在难以克服的问题,都制约着飞轮储能技术的进一步发展。近年来,随着磁悬浮技术、先进电力电子技术和智能控制技术的迅速发展,飞轮储能及其相关技术也取得了突破性的进展。同时,由于新型高强度复合材料,如碳纤维、玻璃纤维等的出现,使得储能飞轮的制造技术也取得了突破性的发展。飞轮储能及其相关技术已逐步迈向实用化阶段[53]。

储能效率和储能密度是飞轮储能系统的两个重要技术指标。一般来说,只有当风阻损耗和轴承的摩擦力大幅度降低,储能系统的储能效率才能提高;另外,只有通过将飞轮的转速增大到最高允许转速才能提高储能密度。目前,实际工程领域中的一些在用的飞轮储能装置大都存在转速低、储能密度小等缺点。但随着飞轮储能及其相关技术的不断发展,高速飞轮储能必将取代低速飞轮储能。飞轮储能技术将向着高转速、高储能效率、高储能密度方向发展。为了提高飞轮储能系统的储能效率,延长其使用寿命,高速飞轮储能系统的飞轮和磁悬浮轴承需采用特殊材料制作,并且飞轮旋转室需要通过抽真空来减小其旋转的空气阻力。另外,可通过研发高温超导磁悬浮轴承来克服高速运行时在用轴承寿命短、摩擦力大等缺点。

(5)几种储能元件性能比较

液压蓄能器、铅酸电池、超级电容器和飞轮等常用储能元件的性能如表1⁃1所列。

由表1⁃1可以看出,这四种常用的储能元件在功率密度方面,液压蓄能器最大,超级电容器、飞轮储能次之,铅酸电池的功率密度最小,而且飞轮储能的功率密度区间大。在能量密度方面,液压蓄能器和超级电容器的较小,铅酸电池和高速飞轮的较大。实际工程应用中,应根据不同的应用场合选择适合的储能元件。在表1⁃1中,超级电容器有安全性好,放能度最高;飞轮储能和液压蓄能器次之;而铅酸电池的环保性、储存效率、放能度和寿命都是最低的。另外,飞轮储能具有环境友好、制造容易等优点。铅酸电池比较适合低功率密度和高能量密度的应用场合[54]。虽然超级电容在储存效率、放能度、维修性和安全性等方面性能优良,但能量密度较低和技术成熟度差等缺点限制了其应用。飞轮储能的优点是提供的能量密度和功率密度大,缺点是储能持续时间较短。综上所述,对于功率密度要求较高的装置,液压蓄能器是首选[49]。总之,四种储能元件各有其优缺点,实际工程应用中应根据具体工况来确定使用哪种储能元件。