에너지 수요가 늘어남에 따라 에너지 제어 기술, 특히 전력 저장 기술에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 현재 흔히 볼 수 있는 전력 저장 기술로는 화학전지 에너지 저장, 수에너지 저장, 초전도 에너지 저장, 초용량 저장, 플라이휠 에너지 저장 등이 있다.
화학 배터리 기술은 이미 매우 성숙하고 널리 사용되고 있지만 비효율적이며 일반적으로 (70~85)% 에 불과하며 전력 밀도가 낮고 충전이 매우 느리며 일반적으로 몇 시간이 걸립니다. 더 중요한 것은 화학 배터리의 순환 수명이 상대적으로 짧아 배터리 사용 비용이 증가한다는 것이다. 저저장 에너지 효율도 낮으며, 보통 75% 에 불과합니다. 왜냐하면 저장 에너지 저장에는 거대한 저장 장치가 필요하고, 에너지 저장 밀도가 낮고, 0.27 Wh kg- 1 정도밖에 되지 않으며, 환경에 큰 영향을 받아 휴대할 수 없기 때문입니다. 초전도 에너지 저장은 신형 고효율 에너지 저장 기술이다. 그러나 모듈식 특징이 없어 일반적으로 저온 환경을 조성해야 하며 적응성이 강하지 않다. 수퍼 콘덴서 에너지 저장도 효율적인 신형 에너지 저장 기술이다. 현재 에너지 저장 밀도는 (2 ~10) WH KG-1으로 비교적 낮습니다. 이 기술은 아직 실험 단계에 있다.
플라이휠 에너지 저장 시스템은 에너지 저장 밀도가 높고, 전력 밀도가 높으며, 환경 요구 사항이 낮고, 모듈식이며, 충전 방전 시간 분, 방전 깊이가 쉽게 탐지되고, 응용 분야가 넓다는 장점이 있다. 동시에 플라이휠 에너지 저장은 수명이 길고 유지 보수가 간편하며 전력 저장 비용이 크게 절감됩니다 [1]. 전력 전자 기술, 자기 부상 기술 및 신소재 개발 연구가 지속적으로 발전함에 따라 플라이휠 에너지 저장 기술이 점점 더 중요해지고 있습니다.
플라이휠 에너지 저장 시스템의 원리와 구조
2. 1 플라이휠 에너지 저장 시스템 원리
플라이휠 에너지 저장 시스템은 일명 플라이휠 배터리라고도 하며 기계 에너지와 전기 에너지 사이의 변환 장치이다. 플라이휠 에너지 저장 시스템 다이어그램 (그림 1 참조). 에너지의 전환 과정은 그림 1 에서 볼 수 있다. 플라이휠 에너지 저장 시스템에는 충전, 방전 및 에너지 절약이라는 세 가지 작동 모드가 있습니다. 일반적으로 플라이휠을 충전하는 에너지는 전기와 기계 에너지, 예를 들면 1 입니다. 현재 전기 충전은 널리 사용되고 있으며, 기계 에너지 충전은 자동차 제동 에너지 회수, 외도 풍력 저장 등에 적용될 수 있다. 방전할 때 플라이휠은 발전기를 구동하여 전기를 생산하고, 출력된 전기는 전력 전자 설비를 통해 사용 가능한 전기로 전환된다. 에너지 절약 단계에서 플라이휠 에너지 저장 시스템은 충전하거나 방전하지 않고 정격 회전 속도를 유지합니다.
2.2 플라이휠 에너지 저장 구조 및 에너지 저장
플라이휠 에너지 저장 시스템의 가장 일반적인 구조도는 그림 2 에 나와 있습니다. 주로 플라이휠, 모터, 베어링, 진공실 및 전력 전자 장비로 구성됩니다.
공식 (1) 과 공식 (2) 에서 볼 수 있듯이 플라이휠 에너지 저장 시스템에 저장된 에너지는 플라이휠의 질량, 반지름 및 회전 각속도와 양의 상관 관계가 있습니다. 따라서, 플라이휠의 에너지 저장량을 늘리려면, 주로 바퀴의 품질과 플라이휠 회전 속도를 높여야 한다.
3 플라이휠 에너지 저장 핵심 기술 분석
플라이휠은 에너지 저장 장치이므로 플라이휠 에너지 저장의 핵심 기술 중 가장 중요한 두 가지 요소는 에너지 저장과 손실 감소입니다. 플라이휠의 회전 속도를 높이기 위해서는 플라이휠 재료와 고속 모터의 선택이 특히 중요하다. 진공실을 사용하면 플라이휠과 공기 사이의 마찰 손실을 크게 줄일 수 있고, 자기 베어링을 사용하면 브래킷의 마찰 손실을 크게 줄이고 서비스 수명을 높일 수 있습니다.
3. 1 플라이휠 재료 선택
플라이휠의 에너지 저장 밀도와 플라이휠이 견딜 수 있는 강도는 플라이휠 재질의 선택에 직접적인 영향을 미칩니다. 플라이휠의 에너지 저장 밀도 e 는 다음과 같습니다.
E = ks/σ ρ (3)
형식 중: ks--플라이휠의 형상 계수; ρ--플라이휠 재료의 밀도, kg/cm3；; σ-플라이휠 재료의 허용 응력, MPa.
공식 (3) 에서 볼 수 있듯이 플라이휠 재질의 밀도는 플라이휠 재질의 허용 응력에 반비례합니다. 플라이휠 [2] 의 몇 가지 일반적인 재료는 표 1 에 나와 있습니다. 데이터에서 볼 수 있듯이 탄소섬유는 밀도가 낮고 강도가 높아 최선의 선택이다. 한편, 탄소섬유로 만든 플라이휠이 해체되면 플라이휠 자체가 플록 형태로 날아가 사고로 인한 피해를 줄일 수 있다.
3.2 진공 챔버
현재 진공실의 진공도는 이미 10-5Pa 에 도달했으며, 플라이휠이 회전할 때 공기와의 마찰을 줄여 외부 힘이 플라이휠의 정상적인 작동에 영향을 주지 않도록 합니다. 진공실은 투명한 고강도 유리강을 채택하여 플라이휠의 운행을 쉽게 관찰할 수 있다. 같은 기압에서 헬륨의 열전도도는 공기의 7 배이고, 플라이휠과의 마찰 손실은 공기의 7 분의 1 정도밖에 되지 않으며, 헬륨 충전 과정은 더 간단하기 때문에 헬륨을 진공실의 매체 가스로 선택하는 것은 어느 정도 장점이 있다.
3.3 지원 기술
플라이휠 에너지 저장 시스템의 손실 중 베어링 손실이 큰 비중을 차지하며 다양한 고급 베어링 기술이 등장함에 따라 베어링 손실이 크게 감소할 수 있습니다. 다음은 플라이휠 에너지 저장 시스템에 사용되는 몇 가지 베어링입니다.
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3.3. 1 기계 베어링
일반적인 기계 베어링은 롤링 베어링, 평면 베어링, 스퀴즈 필름 댐핑 베어링 및 세라믹 베어링 등입니다. 롤링 베어링과 평면 베어링의 마찰 손실이 크기 때문에 고속 플라이휠 에너지 저장 시스템에서는 일반적으로 보조 베어링으로만 사용되며, 유막 댐핑 베어링과 세라믹 베어링은 플라이휠 에너지 저장 [3] 에 적용됩니다.
수동 자기 베어링
(1) 영구 자석 베어링은 수동 자기 베어링의 일종으로, 영구 자석을 이용하여 두 개 이상의 자기 링을 축 방향이나 반지름 방향으로 띄운다. 최근 몇 년 동안 영자체가 끊임없이 발전함에 따라, 그 적재능력이 크게 향상되었고 응용도 점점 더 광범위해지고 있다. 하지만 은쇼 정리에 따르면 영자석에만 의존하는 것은 한 물체가 공간의 6 자유도 모두에서 안정적으로 떠 있게 하는 것이 불가능하며, 안정된 공중부양은 최소한 하나 [4] 를 능동적으로 제어해야 한다.
(2) 초전도 자기 베어링도 수동 자기 베어링이다. 초전도체는 초전도 환경에서 마이스너 효과를 가지고 있다. 초전도체가 자기장에 있을 때 내부 자기장은 항상 0 입니다. 즉, 초전도체는 자기장에서 완전한 반자성을 나타냅니다. 자기장의 작용으로 초전도체 표면은 무손실 감지 전류를 생성하며, 초전도체에서는 손실이 없고, 그림 3 과 같이 원래의 자기장 크기와 같은 방향의 대칭 자기장을 형성한다. 이런 자기장은 물체를 안정적으로 공중부양시킬 수 있다.
3.3.3 액티브 자기 베어링
능동형 자기 베어링은 전자기 베어링이라고도 하며, 제어 회로에서 전류의 통과 및 크기를 변경하여 자기장의 변화를 제어하고, 실시간 피드백 위치 신호 및 출력 전류 신호를 통해 제어 전류를 적시에 조정하여 베어링 고정자와 회전자가 안정적으로 떠 있게 합니다. 활성 자기 베어링의 제어 전략 블록 다이어그램은 그림 4 에 나와 있습니다.
하이브리드 베어링
실제 응용 프로그램에서는 일반적으로 이러한 베어링을 결합하여 장점을 보완할 수 있습니다.
(1) 기계 베어링과 영구 자석 베어링을 결합합니다. 기계 베어링의 주요 단점은 마찰 손실이 크다는 것이다. 영구 자석 베어링은 중력을 극복하고 일시적으로 정자와 회전자 사이의 압력을 극복하여 마찰 손실을 줄일 수 있습니다.
(2) 초전도 영구 자석 하이브리드 베어링. 초전도체는 정자로, 영자석은 회전자로, 회전자는 일정한 위치에 떠 있을 수 있다. 동시에, 초전도체에서 포획된 자기속은 견제력 때문에 마음대로 움직이지 않고, 축의 안정성을 보장하며, 회전자 공중부양을 안정시킨다 [5].
(3) 전자기 및 영구 자석 하이브리드 베어링. 전력 소비를 줄이기 위해 영구 자석을 사용하여 바이어스 자기장을 생성하고 전류는 그림 5 와 같이 제어 자기장을 생성합니다.
4 플라이휠 에너지 저장 시스템의 응용
플라이휠 에너지 저장 시스템은 높은 에너지 밀도, 고효율, 무공해 등의 장점을 가지고 있으며 기술 수준이 개선되고 있기 때문에 점점 더 많은 분야에서 응용되고 있습니다.
4. 1 전력 시스템에서의 응용
4.1..1최고 전력 조절
플라이휠 에너지 저장 시스템은 에너지 저장과 방출이 빠르고 효율이 높으며 지리적 환경에 영향을 받지 않는다는 장점을 가지고 있다. 전력 소비량이 낮을 때 생성된 잔여 전력은 플라이휠 에너지를 구동하는 데 사용됩니다. 전기가 최고조에 달할 때, 플라이휠은 발전기를 움직이게 하고, 기계 에너지는 전력 설비를 통해 전기망과 일치하는 전기에너지로 전환된다. 2008 년, 미국 등대전력회사 (Beacon Power Company) 가 매사추세츠주 Tyngsboro 에 건설한 5MW 플라이휠 에너지 저장 피크 조절 발전소가 상업적으로 사용되었습니다. 발전소의 총 효율은 85%, 시스템 응답 시간은 4s 로 기존 발전기 조정에 5 분 응답 시간이 걸리는 것에 비해 뚜렷한 우세 [7].
4. 1.2 무정전 전원 공급 장치
무정전 전원 공급 장치 시스템 (UPS) 은 정부 부서, 군사지휘센터, 병원 수술건물, 계산센터 등 중요한 전기장 정전이나 전력 품질 불안정을 방지하는 데 사용됩니다. 과거에는 화학 배터리를 자주 사용했습니다. 이들의 기술은 이미 성숙했지만 수명이 짧으며 잦은 전환 작업을 지원하지 않습니다. 업계 통계에 따르면, 70% 의 UPS 시스템 고장은 화학 배터리로 인한 것이다. 2007 년 미국 Active Power 는 중국 넷콤 산서통신회사 태원 제 2 허브 빌딩 UPS[8] 에 플라이휠 에너지 저장 기술을 적용했습니다. 시전이 정상인 경우 플라이휠은 저소비 공전 모터에 해당하며 회전 속도는 7700r/min 으로 유지됩니다. 전원이 비정상적이거나 전원이 꺼질 때 플라이휠 시스템은 즉시 전원을 공급할 수 있습니다.
4.2 운송 응용 프로그램
4.2. 1 차량 플라이휠 배터리
에너지 부족과 환경 보호에 대한 중시가 커지면서 세계 각국은 자동차의 새로운 동력을 연구하고 있으며, 플라이휠 에너지 저장 시스템은 내연 기관을 대체할 수 있는 좋은 전망을 가지고 있으며, 이를 차량 플라이휠 배터리라고 한다. 차량용 플라이휠 배터리는 청결하고 오염이 없고 충전이 빠르다는 등의 장점을 가지고 있다. 2min 은 1980 년대 스위스에서 첫 플라이휠 배터리 차량을 개발해 충전 시간을 2 분 이내로 조절했다. 1990 년대 말 텍사스 대학은 플라이휠 에너지 저장 시스템을 군용 차량에 적용했다. 이 시스템은 간헐적으로 5MW 출력 펄스, 연속 출력 전력 350k W, 최소 무부하 손실이 1000 W 미만이며 14 톤 군용 정찰차의 펄스 전력 요구 사항을 충족합니다 [9].
플라이휠 하이브리드 배터리
플라이휠 에너지 저장 시스템은 내연 기관이나 화학 배터리와 함께 자동차에 사용할 수 있으며, 자동차가 내리막길이나 브레이크를 밟을 때 자동차의 운동 에너지가 플라이휠의 기계 에너지로 변환되어 저장됩니다. 자동차가 단시간 내에 고전력 출력이 필요할 때, 예를 들면 가속, 오르막길과 같이, 플라이휠은 다시 에너지를 방출한다. 이렇게 하면 약 30% 의 에너지를 절약하고 가속도를 더 크게 할 수 있다 [10]. 철도 교통의 제동이 도로 차량보다 더 규칙적이기 때문에, 플라이휠은 그 안에서 엄청난 에너지를 회수할 수 있다.
4.3 항공 우주 응용
플라이휠 에너지 저장 시스템은 수명이 길어 위성에 전원을 공급하기에 매우 적합하다. 동시에, 플라이휠의 운동량을 이용하여 위성의 자세를 효과적으로 제어할 수 있으며, 기존의 화학 배터리를 교체하면 위성의 무게를 줄일 수 있다. 1986 년 2 월 프랑스는' SPOT' 위성을 발사해 처음으로 플라이휠 기술을 우주선에 적용했다. 그 위에 있는 세 개의 반작용 플라이휠은 위성의 지구 방향 제어 정확도를 0. 15 로, 자세 안정성은 0.000 1/s 에 달한다.
5 플라이휠 에너지 저장 핵심 기술 개발 동향
기술이 지속적으로 발전함에 따라 플라이휠 에너지 저장은 대용량, 고효율, 무공해, 안전성이 높고 적응성이 강한 방향으로 발전하고 있다. 플라이휠 에너지 저장 기술의 향후 연구 중점은 다음과 같은 측면을 포함해야 한다.
(1) 신소재 적용. 새로운 복합 재료의 사용은 플라이휠의 강도와 에너지 저장 밀도를 효과적으로 증가시킬 수 있으며, 고온 초전도 재료의 돌파구는 초전도 플라이휠에 더 큰 이점을 가져다 줄 것입니다.
(2) 자기 베어링 연구. 자기 베어링을 사용하면 플라이휠 에너지 저장 시스템의 손실을 크게 줄일 수 있으며, 수명을 늘리고 플라이휠의 회전 속도를 높이는 데도 도움이 됩니다.
(3) 고속 모터 연구. 고속 모터의 연구는 플라이휠에 더 많은 에너지를 운반하고 플라이휠 배터리의 수명을 늘리기에 충분한 동력을 제공할 것이다.
(4) 선진적인 통제 방법을 채택하다. 고급 제어 방법은 시스템을 효율적이고 반응적으로 만들 수 있으며 플라이휠의 고속 및 손실 문제도 효과적으로 해결할 수 있습니다. 현대 제어 방법은 퍼지 제어, 신경망 제어 및 적응 제어와 같은 지능형 제어 방향으로 발전하고 있습니다.
(5) 모듈식 구조. 여러 개의 플라이휠이 배열로 작동하여 플라이휠 단위의 모듈화를 실현하다. 이렇게 하면 에너지 저장 규모를 크게 확대하고 부하 용량을 늘릴 수 있다.
6 결론
현재 플라이휠 에너지 저장은 주류 에너지 저장 방식이 아니지만, 그 잠재력은 높은 에너지 저장 밀도, 고효율, 충전 방전 속도, 청결 무공해 등의 특징을 인정받고 있다. 플라이휠 에너지 저장 시스템의 구조 원리, 핵심 기술, 응용 및 발전 추세를 소개하고 분석하고, 플라이휠 에너지 저장의 한계를 지적하고, 이러한 단점을 통해 핵심 기술이 해결해야 할 문제를 분석했습니다. 플라이휠 에너지 저장은 에너지 분야에서 많은 장점을 가지고 있기 때문에, 그것을 연구하는 것은 중요한 의의가 있다.
마이크로 제어 신 에너지 원 정보
선전 마이크로제어 신에너지기술유한공사 (마이크로제어 또는 마이크로제어 신에너지원) 는 물리적 에너지 저장 기술의 글로벌 리더입니다. 회사 본부는 선전에 위치하여 북미 유럽 아시아 라틴 아메리카 등의 지역을 포괄한다. 안전하고 안정적이며 효율적인 세계 최고의 자기부상에너지 기술로 화웨이, GE, ABB, Siemens, 에머슨 등 세계 500 대 기업들의 제품과 서비스를 광범위하게 신뢰하고 있습니다.
향후 에너지' 청결, 고밀도, 디지털화' 의 세 가지 주요 추세에 직면하여 회사는 전략적 신흥 산업에 에너지 운송, 저장, 재활용 및 데이터 관리를 위한 체계적인 솔루션을 지속적으로 제공하고 있습니다.