世界最大的超導體飛輪儲能系統(tǒng)樣機試運行

0 概述

日本鐵路綜合技術(shù)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(yè)局合作開發(fā)了一種超導體飛輪儲能系統(tǒng)，作為下一代儲能系統(tǒng)。這個項目得到了日本新能源和產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）的贊助，作為“安全、低成本、大容量蓄能系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)”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(tǒng)已經(jīng)完成并開始試運行。

飛輪儲能系統(tǒng)可以通過旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)能量再次轉(zhuǎn)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(wěn)定的發(fā)電系統(tǒng)（如光伏發(fā)電或風力發(fā)電）相結(jié)合，可以幫助穩(wěn)定電力供應。也可以將這個系統(tǒng)應用到軌道交通上，應對再生電能的消失。為此，RTRI開發(fā)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(tǒng)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(tǒng)，能夠在很長一段時間內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定的發(fā)電。

完成的系統(tǒng)是世界上最大的飛輪動力儲存系統(tǒng)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(fā)電廠的電網(wǎng)并網(wǎng)試驗。

1 裝置的特征

飛輪越大越重，旋轉(zhuǎn)越快，儲能系統(tǒng)能夠儲存的能量就越多。在這種“超導飛輪儲能系統(tǒng)”中，下列技術(shù)的開發(fā)可以使得大直徑、沉重的飛輪高速旋轉(zhuǎn)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(jīng)開發(fā)出碳纖維增強復合材料（CFRP）飛輪，1?m?直徑一般已經(jīng)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(tǒng)，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(fā)出?2?m直徑的飛輪（圖1）。這種飛輪有?9?疊層制成的CFRP?轉(zhuǎn)子，其外徑為?2?m，內(nèi)徑?1.4?m，層厚?10?cm。采用這種方法，通過改變層數(shù)，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(tǒng)架構(gòu)

圖4 完整系統(tǒng)框架

1.2 超導磁軸承

這種系統(tǒng)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(zhuǎn)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(shù)能夠使飛輪高速旋轉(zhuǎn)，能耗也較少。而且，這種系統(tǒng)運轉(zhuǎn)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(wǎng)試驗

超導飛輪儲能系統(tǒng)架構(gòu)見圖?3，完整的系統(tǒng)框架見圖?4。

在驗證試驗中，測試和調(diào)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(fā)電廠。在那里，該裝置與太陽能發(fā)電系統(tǒng)相連，并網(wǎng)發(fā)電供給東京電力公司，試驗驗證該系統(tǒng)有助于穩(wěn)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.