世界最大的超導體飛輪儲能系統樣機試運行

0 概述

日本鐵路綜合技術研究院（RTRI）與久保科技公司、日本古河電工、米蘭普羅公司以及山梨縣企業局合作開發了一種超導體飛輪儲能系統，作為下一代儲能系統。這個項目得到了日本新能源和產業技術綜合開發機構（NEDO）的贊助，作為“安全、低成本、大容量蓄能系統技術開發”的項目之一。

目前世界上最大的裝有超導磁軸承的超導體飛輪儲能系統已經完成并開始試運行。

飛輪儲能系統可以通過旋轉飛輪以動能的形式存儲電能，如果有必要的話，還可以將旋轉能量再次轉換為電能。這種蓄電裝置不會隨著時間的推移而惡化，具有許多用途。例如，與不穩定的發電系統（如光伏發電或風力發電）相結合，可以幫助穩定電力供應。也可以將這個系統應用到軌道交通上，應對再生電能的消失。為此，RTRI開發了由高溫超導線圈和高溫超導體組成的超導磁軸承。在這個系統中，飛輪被超導磁軸承懸浮，沒有接觸。因此，雖然采用了一個大飛輪，但它的功率損耗很小，而且它是一個非常實用的系統，能夠在很長一段時間內實現穩定的發電。

完成的系統是世界上最大的飛輪動力儲存系統，它具有?300?kW?的輸出能力和?100?kW?·?h?的儲電容量，并有1?個碳纖維增強復合材料（CFRP，carbon?fiber?reinforced?plastic）飛輪。這個飛輪直徑為?2?m，重?4?t，最高旋轉速度可以達到?6?000?r/min，這是世界上第?1?個超導磁軸承，它的轉子和軸承都采用了超導材料，并且能夠承受大的荷重，而且系統結構緊湊。

2015?年夏天，在山梨縣米倉山開始與一個兆瓦級太陽能發電廠的電網并網試驗。

1 裝置的特征

飛輪越大越重，旋轉越快，儲能系統能夠儲存的能量就越多。在這種“超導飛輪儲能系統”中，下列技術的開發可以使得大直徑、沉重的飛輪高速旋轉并具有較低能耗。

1.1 大直徑碳纖維增強復合材料飛輪

到目前為止，已經開發出碳纖維增強復合材料（CFRP）飛輪，1?m?直徑一般已經是上限，這是由于在強度和成本上的制約。然而針對這種系統，可通過采用織入碳纖維的更好的方法來獲取更高的強度和可靠性，開發出?2?m直徑的飛輪（圖1）。這種飛輪有?9?疊層制成的CFRP?轉子，其外徑為?2?m，內徑?1.4?m，層厚?10?cm。采用這種方法，通過改變層數，能夠制成具有不同儲存能力的飛輪。

圖1 世界上最大等級的 CFRP 飛輪

圖2 支撐沉重飛輪的超導磁軸承

圖3 系統架構

圖4 完整系統框架

1.2 超導磁軸承

這種系統的超導磁軸承采用高強度、高溫超導磁鐵制成（圖?2），這是一種第?2?代高溫超導線圈材料，含有釔。轉子也采用大的高溫超導體。RTRI?成功地通過冷卻軸承到?50?K，即?-223?℃，并建立強大的磁場，可以成功地沒有任何接觸地托舉起?4?t?重的飛輪。采用這種技術能夠使飛輪高速旋轉，能耗也較少。而且，這種系統運轉溫度明顯高于原先超導線圈的?20?K?或?-253?℃?的溫度，從而降低了制冷成本。

2 并網試驗

超導飛輪儲能系統架構見圖?3，完整的系統框架見圖?4。

在驗證試驗中，測試和調整該裝置的基本性能，并把該裝置運送到日本山梨縣米倉山的一個兆瓦級太陽能發電廠。在那里，該裝置與太陽能發電系統相連，并網發電供給東京電力公司，試驗驗證該系統有助于穩定可再生能源供電的波動性。

[1] World’s Largest Superconducting Flywheel Power Storage System Test Machine Completed and Test Operation Started[EB/OL].（2015-04-15）[2017-09-20]. http://www.rtri.or.jp/eng/press/2015/nr20150415_01_detail.html.