現(xiàn)代儲能技術(shù)在艦船消磁系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

聶冬，朱運裕

（海軍駐武漢七一二所軍事代表室，武漢 430064）

0 引言

開發(fā)新能源和采取節(jié)能技術(shù)是當(dāng)前重要的研究課題?，F(xiàn)代儲能技術(shù)通過儲存吸納不必要的能量損耗并高效釋放，能夠有效節(jié)能。在軍用領(lǐng)域中，部分發(fā)達(dá)國家的常規(guī)潛艇很早就在原先單一的蓄電池儲能基礎(chǔ)上加裝AIP系統(tǒng)，提高了水下續(xù)航力，降低暴露率，很好提升了潛艇的作戰(zhàn)性能[1]。而在現(xiàn)代綜合電力艦船中，出于對高要求的能源管理系統(tǒng)和新概念武器應(yīng)用的需要，儲能技術(shù)更是成為其中的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文通過對最新儲能技術(shù)進行分析研究，探討該技術(shù)在艦船消磁系統(tǒng)中可行的應(yīng)用方式。

1 現(xiàn)代儲能技術(shù)概況

1.1 儲能技術(shù)的分類和特性

儲能技術(shù)有物理儲能、電磁儲能、電化學(xué)儲能和相變儲能4類。物理儲能主要有飛輪儲能；電磁儲能主要有超導(dǎo)儲能；電化學(xué)儲能主要有蓄電池儲能、超級電容器儲能；相變儲能主要有冰蓄冷儲能等[2]。下面著重介紹下飛輪儲能、超導(dǎo)儲能、蓄電池儲能和超級電容器儲能。

1.1.1 飛輪儲能系統(tǒng)（FESS）

飛輪儲能是一種機械儲能方式，其基本原理是將電能轉(zhuǎn)換成飛輪的動能并長期蓄存起來，需要時再將飛輪運動的動能轉(zhuǎn)換成電能。主要由復(fù)合材料飛輪、集成發(fā)電機（電動機）、支撐軸承、電力電子及其控制系統(tǒng)、真空艙等組成[3]。

高溫超導(dǎo)技術(shù)、高強度材料及電力電子和技術(shù)的進步促進了儲能飛輪的發(fā)展。飛輪儲能的功率密度大于5 kW/kg，能量密度超過20 kWh/kg，效率大于 90%，使用壽命可達(dá) 20年，且不受充放電次數(shù)限制，無噪聲，無污染，維護方便，性能優(yōu)越。缺點是體積大，充放電時間較長。

1.1.2 超導(dǎo)儲能系統(tǒng)（SMES）

超導(dǎo)儲能系統(tǒng)利用由超導(dǎo)線制成的線圈，將電網(wǎng)供電勵磁產(chǎn)生的磁場能量儲存起來，需要時再將儲存的能量送回電網(wǎng)。主要由超導(dǎo)線圈、失超保護、冷卻系統(tǒng)、變流器和控制器等組成。

超導(dǎo)儲能技術(shù)可長期無損耗儲存能量，能量釋放和響應(yīng)速度快（ms級），能量密度 1—10 kWh/kg，功率密度達(dá)104kW/kg，效率達(dá)96%以上，各項指標(biāo)優(yōu)勢明顯，但其成本很高，系統(tǒng)也較復(fù)雜，需定期維護。

1.1.3 蓄電池儲能系統(tǒng)（BESS）

蓄電池儲能系統(tǒng)主要是利用電池正負(fù)極的氧化還原反應(yīng)進行充放電，一般由電池、直—交逆變器、控制裝置和輔助設(shè)備等組成。

蓄電池儲能充電后儲存時間長，能量密度最大，效率也較高。缺點是充電時間長，功率小。

1.1.4 超級電容器儲能系統(tǒng)（SCES）

超級電容器是根據(jù)電化學(xué)雙電層理論研制而成，可提供強大的脈沖功率，充電時處于理想極化狀態(tài)的電極表面，電荷將吸收周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使其附于電極表面，構(gòu)成雙電層電容。主要由多孔碳構(gòu)成的電極以及電極間充填電解質(zhì)溶液組成。

超級電容器儲能系統(tǒng)歷經(jīng)數(shù)10年發(fā)展，電容量可達(dá)0.5—1000 F，工作電壓在400 V左右，放電電流400 A以上，儲能量可達(dá)30 MJ，且體積小，安裝簡單。缺點是耐壓低，容量小，成本高。

1.2 儲能技術(shù)的應(yīng)用前景

將上述四種典型的儲能技術(shù)及裝置性能比較如表1所示[4]可知，四種儲能技術(shù)結(jié)構(gòu)原理及技術(shù)參數(shù)差異較大，并各有特點，因此都有其適用的應(yīng)用領(lǐng)域。

表1 四種主要典型儲能裝置性能比較

（1）飛輪儲能：根據(jù)其特性，主要用于不間斷電源，電網(wǎng)調(diào)峰和頻率控制。如飛輪儲能裝置可用于電力系統(tǒng)儲能以實現(xiàn)削峰填谷的作用，即在谷值負(fù)荷時，將多余電力輸入電機，使其驅(qū)動飛輪加速，保持飛輪高速轉(zhuǎn)動；到出現(xiàn)峰值負(fù)荷時，讓飛輪驅(qū)動電機作為發(fā)電機運行，使飛輪的動能變成電能供給電網(wǎng)。在這一過程中，由于采用變速恒頻的電力電子技術(shù)，輸出電能頻率可保持不變[3]。該儲能方式還可在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[5]及交通工具等其他領(lǐng)域使用。

（2）超導(dǎo)儲能：根據(jù)其特性，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用包括：動態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、負(fù)荷均衡、頻率調(diào)整、暫態(tài)穩(wěn)定、輸電能力提高及電能質(zhì)量改善等方面[6]。雖然超導(dǎo)儲能系統(tǒng)性能優(yōu)越，但限于工程技術(shù)上的不成熟，成本也較高，目前還處于研制階段。

（3）蓄電池儲能：近年來，各種新型蓄電池被開發(fā)成功并在電力系統(tǒng)中得到應(yīng)用，較多用于小型分布式發(fā)電。如NaS電池具有較高的儲能效率，還具有輸出脈沖功率的能力，同時可以用于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)和負(fù)荷的削峰填谷調(diào)節(jié)。在獨立運行的風(fēng)力或太陽能電站中，蓄電池儲能已成為基本的裝備。

（4）超級電容儲能：在電力系統(tǒng)中多用于短時間、低容量、大功率的負(fù)載平滑和電能質(zhì)量高峰值功率場合[6]。因能在充滿電的浮充狀態(tài)下正常工作10年以上，超級電容可以在電壓跌落和瞬態(tài)干擾期間提高供電水平。已成功用于：內(nèi)燃機發(fā)動機的啟動電源和直流電氣化鐵路供電；電動車的起步、加速、爬坡電源；高壓開關(guān)的分合閘操作電源及大型充磁設(shè)備中[7]。

2 儲能技術(shù)在艦船消磁系統(tǒng)中的應(yīng)用

艦船電力系統(tǒng)是各種作戰(zhàn)裝備有效使用的保障系統(tǒng)，其在艦船系統(tǒng)中的地位隨著艦船自動化、電氣化水平的不斷提高而日益提高?，F(xiàn)代儲能技術(shù)以其改善電力系統(tǒng)特性、提供不間斷電源以及在脈沖功率等方面的獨特優(yōu)勢使之在艦船電力系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。如在艦船消磁系統(tǒng)中，通過采用飛輪儲能或超級電容儲能技術(shù)與原動機的靈活配合，很好實現(xiàn)了高效輸出脈沖電流的功能，提高了消磁質(zhì)量。

2.1 艦船消磁系統(tǒng)工作原理

目前艦船的消磁普遍使用外消磁的方式來完成，即由消磁船、消磁站等配備的設(shè)備和裝置，在進行綜合消磁時，通過纏繞于艦船外圍的消磁電纜（或繞組）向消磁艦船輸出大功率正負(fù)交替、逐步衰減的間歇脈沖電流（消磁工作電流），且按一定規(guī)律衰減，打亂和抵消艦船固定磁性磁場及外部磁場對艦船的感應(yīng)作用，達(dá)到消磁目的[8]。艦船消磁系統(tǒng)基本由消磁電源、消磁控制設(shè)備和消磁繞組組成，如圖1所示，間歇脈沖電流波形如圖2所示。

圖1 艦船消磁系統(tǒng)的主要組成

2.2 幾種儲能技術(shù)在艦船消磁系統(tǒng)中的應(yīng)用

如上節(jié)所述，艦船在開始消磁時，消磁系統(tǒng)輸出脈沖電流并逐漸衰減，其中尤以前五個脈沖需要的消磁電流比較大，此時要求供電系統(tǒng)能提供較大的電功率；而在脈沖間隙期間又幾乎不需要電源系統(tǒng)提供電能。如果依據(jù)第一脈沖選擇裝機容量，電站容量必定很大，但在工作過程中使用頻率很少，容易造成資源的嚴(yán)重浪費。如果按照消磁周期的平均功率來選取電站容量，則電站又偏小，產(chǎn)生的起始消磁脈沖電流不能滿足對艦船消磁的需要。為了克服上述困難，人們借助飛輪裝置或超級電容等儲能技術(shù)，根據(jù)脈沖周期需要，在電力電子技術(shù)的調(diào)校和控制下，與原動機電源配合，進行準(zhǔn)確的能量儲存和釋放，以適當(dāng)?shù)碾娬救萘?，就可達(dá)到高品質(zhì)的消磁質(zhì)量。

圖2 艦船消磁工作電流波形圖

（1）帶飛輪儲能的消磁系統(tǒng)

帶飛輪儲能的獨立消磁電站的組成框圖如圖3所示。其工作原理是在原動機和發(fā)電機之間設(shè)置飛輪裝置，在原動機（如柴油機）空載時帶動飛輪旋轉(zhuǎn)儲存機械動能，在消磁時利用原動機的輸出功率和飛輪儲存的能量兩者疊加作為發(fā)電機的原動力，從而滿足此階段消磁功率的需要。因飛輪機構(gòu)體積較大，現(xiàn)多用于消磁船和岸基消磁電站中。

圖3 帶飛輪儲能的獨立消磁電站的組成框圖

（2）帶超級電容儲能的消磁系統(tǒng)

帶超級電容儲能的消磁電源的組成框圖如圖4所示。其工作原理是超級電容模塊在脈沖間歇期間通過充供模塊的充電器從交流電源吸取能量，在脈沖放電期間為充供模塊和直直交換模塊提供能量。充供模塊和直直交換模塊在控制模塊的控制下可分時、協(xié)調(diào)工作，在電站配置容量較小的情況下，滿足消磁輸出功率的需求。因超級電容體積小，多用于小型消磁電站和消磁船中。據(jù)報道，采用超級電容儲能及直通式消磁技術(shù)的車載消磁站已研制成功，它既可以依托運載車在碼頭進行消磁作業(yè)，也可由艦船承載在海上進行消磁，機動性和適應(yīng)性很強[9]。

圖4 帶超級電容儲能的消磁電源的組成框圖

3 結(jié)束語

電力系統(tǒng)的飛躍發(fā)展推動了對現(xiàn)代儲能技術(shù)的持續(xù)投入和研究，而現(xiàn)代儲能技術(shù)的不斷進步又促進了電力系統(tǒng)的加速優(yōu)化和革新。本文通過闡述儲能技術(shù)在艦船消磁系統(tǒng)中的應(yīng)用，突出介紹了該技術(shù)給艦船消磁方式帶來的變化和進步，以及今后可能的發(fā)展方向。

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