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电化学储能安全隐忧难消 飞轮物理储能异军突起
  • VYCON飞轮物理储能,掌握了先进的磁悬浮轴承、高速永磁电动机/发电机及电力电子技术,可广泛应用于数据中心、电信机房、银行、医院、机场、学校等场合。

    一、电化学储能高歌猛进,安全事故警钟长鸣
      
      2018年7月2日,韩国灵岩风电场4MW/12MWh锂离子电池储能电站起火爆炸,708㎡建筑、3500多个电池及配套设施均被烧毁,据初步推算这次事故造成经济损失达到46亿韩元。这一安全事故绝非偶然,据报道,进入今年以来,韩国仅灵岩、庆山就发生过两起电池爆炸事故,只是尚未酿成大祸,存在侥幸心理。“他山之石,可以攻玉”,韩国的电池起火爆炸事故为电化学电池的安全性敲响了警钟,值得引起我国储能行业从业者和相关监管部门足够的重视和深思。
      
      近几年,我国储能产业呈现出高速发展的态势,各种储能技术路线百花齐放。其中,电化学储能技术更是受到各路资金的追捧,商业化进程快速推进,各种电化学电池储能项目如雨后春笋一般涌现,遍布在用户侧、电网侧、发电侧、新能源并网及微电网等各个领域。进入迎峰度夏的7月以来,我国大规模电化学电池储能电站的建设和运行,又掀起了一个新的高潮。
      
      在电化学电池储能一片高歌猛进的繁荣背后,人们关注最多的往往是其商业模式,是其投资回报率,而将安全性问题抛诸脑后,或避而不谈,或视而不见,甚至开始在工业厂房、商业楼宇、数据中心等室内应用场景部署大规模锂离子电池储能系统。殊不知,很多电化学电池是存在一定安全隐患的,如果技术和管理没有跟上,会成为随时可能爆炸的“定时炸弹”,一旦“引爆”,不仅储能系统投资“灰飞烟灭”,而且可能造成人身伤害事故或更大范围的财产损失,悔之晚矣。
      
      二、安全性是第一要素,电化学电池隐患难消
      
      随着电化学电池的大规模应用,我国的电池安全事故也不断出现,值得引起警惕。在已出现的安全事故中,既有铅酸蓄电池,也有磷酸铁锂电池和三元电池。虽然资本的狂热掩盖了对安全的忧虑,但并非所有人都对电池的安全隐患熟视无睹,中国工程院杨裕生院士就曾多次在公开演讲场合大声疾呼:“要把安全性放在储能电池的第一位!”杨院士指出,安全性是储能电池技术评价的第一要素,经济效益要排在第二位。电池组就像汽油箱一样,是一种含高能物质的部件,没有绝对安全的电池。电池本质上是具有危险性的,且随着电池比能量和比功率的提高,发生事故的危险性将增大,是一个概率的问题,是无法完全消除的,只能采取措施来降低电池发生事故的概率。因此,要将使用电池作为使用易燃易爆物品一样对待。
      
      铅酸蓄电池具有悠久的使用历史,其比能量较低,技术比较成熟,已有大量的应用。铅酸蓄电池的安全性在电化学电池中相对来说较高,但即便如此,仍然存在很大的安全隐患,特别是像在数据中心这样一些重要的应用场合,因铅酸蓄电池引发的火灾事故屡见不鲜。例如某银行铅酸蓄电池火灾导致损失2亿人民币,某高校网络数据中心机房发生火灾导致多所高校网络崩溃。
      
      锂离子电池具有比能量高、比功率高的特点,在国内也已经开始大规模应用。锂离子电池中的电解液是用易燃的溶剂配置而成,正、负电极间的氧化剂和还原剂只隔一层约20微米厚的隔膜;电池组运行(甚至停放)中,某一节电池达到一定的温度时,氧化剂和还原剂均易与电解液发生大量生热的化学反应而引起热失控;某一节电池的热失控,又极易引起相邻电池的热失控,从而引发连锁反应,造成整个储能系统的热失控。业内专家认为,现有结构设计的锂离子电池应用于大规模储能,尚存在较大的安全风险,需要技术上的创新突破。
      
      三、飞轮储能异军突起,细分领域崭露头角
      
      飞轮储能是一种先进的物理储能技术,已经发展了五六十年,除了用于航空航天领域之外,近年来,在一些民用工业领域也开始了商业化应用。飞轮储能因为有其独特的优势,发展势头很猛,是一种应用前景非常广阔的储能技术路线,吸引了国内外众多的科研院所和企业投入研究开发。要研制现代高性能的飞轮储能装置,需要掌握磁悬浮技术、高性能材料技术、高速电机技术、电力电子功率变换技术及监测控制技术等核心技术,目前国内的技术水平和国外先进技术尚有较大的差距。在飞轮储能领域,美国VYCON公司掌握全套核心技术,是飞轮储能技术的引领者和飞轮储能产品的集大成者。
      
      高安全性是飞轮储能的一大优势。飞轮储能的基本原理是:在充电状态下,电机工作在电动机模式,将电能转换为飞轮的动能;在放电状态下,电机工作在发电机模式,将飞轮的动能转换为电能输出。能量的存储是靠过高速旋转的飞轮本体来实现的,纯粹是一个物理过程,没有任何化学反应。理论上来讲,高速旋转的飞轮本体也是一个高能的载体,也存在一定的安全风险。但是VYCON公司的飞轮储能装置采用了一系列专利技术,采取多重化的安全保护措施,来确保其安全性。VYCON飞轮储能装置在安全性设计方面主要包括以下措施:
      
      (1)轴承采用五轴主动磁悬浮轴承技术:将飞轮置于密闭的真空容器中,在常温下实现飞轮的完全磁悬浮状态,转子和轴承之间无任何摩擦,并且处于真空环境下运行,减少了飞轮和轴承的发热,能够在37000rpm的转速下长期稳定运行。
      
      (2)飞轮本体采用高强度合金钢材料技术:这种材料不仅一致性好,而且抗疲劳特性强,能够实现数百万次的充放电,长达20年的使用寿命。
      
      (3)采用备用机械轴承进行保护:当磁悬浮轴承异常时,备用机械轴承可以自动对高速旋转的飞轮及转子进行保护,实现平稳停机。另外,飞轮本体置于高机械强度的密闭外壳之中,并安装于高机械强度的机柜内,具备多重的物理结构防护。
      
      (4)具备完善的检测功能和自检机制:在飞轮储能装置运行过程中,对其状态进行全方位的实时监测,包括转速监测、位置监测、温度监测、震动监测和电气量监测等,一旦检测到异常状态立即采取保护措施。另外,还具备急停机制,包括人工急停及电气联动急停。
      
      (5)经过充分的实验验证、认证检测和实践检验:VYCON的飞轮储能装置取得了UL认证,CE认证,美国OSHPD抗震认证,每一台出厂的飞轮储能装置均经过严格测试,现场运行1200多台套,均安全可靠。
      
      电化学电池在安全性方面最大的问题,在于其安全隐患的不可预见性,而热失控一旦发生,又没有有效的手段来控制。飞轮储能装置的优势在于,其运行状态易于实时监测,对于异常状态可以提前预判,可防可控。
      
      相比于电化学电池而言,目前飞轮储能在安全性、功率密度、循环寿命、日历寿命、环境的适应性等方面都有很大的优势,但是在能量密度方面稍显不足,因此,现阶段飞轮储能并不能全面取代电化学电池,只是在某些细分领域优势明显,并开始商业化应用,具有很好的市场前景。在飞轮储能商业化的进程上,VYCON公司也走在了行业的前列。VYCON公司在飞轮储能领域经过十五年专注的研究、开发和应用实践,已形成了系列化成熟的飞轮储能产品,目前包括VDC系列产品和REGEN系列产品。
      
      VDC系列飞轮产品主要和在线式双变换UPS相结合作为飞轮储能UPS,为关键负荷提供电力保障,大量应用于数据中心、电信机房、银行、医院、机场、学校等场合。
      


              数据中心飞轮储能UPS系统应用案例
      
      REGEN系列产品主要用于轨道交通节能领域,为轨道交通再生制动能量进行能量回馈。当列车制动时,飞轮采用充电模式,转子由低速旋转到高速旋转,将列车制动产生的电能转化为飞轮转动的动能存储起来;当列车启动或加速时,飞轮采用放电模式,将飞轮存储的动能转化为电能输出,从而实现了再生制动能量的回收再利用。
      


      洛杉矶地铁飞轮储能型制动能量回收系统应用案例
      
      编辑:Harris
      
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