聶冬，朱運(yùn)裕

（海軍駐武漢七一二所軍事代表室，武漢 430064）

0 引言

開(kāi)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(chǔ)能技術(shù)通過(guò)儲(chǔ)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(guó)家的常規(guī)潛艇很早就在原先單一的蓄電池儲(chǔ)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(duì)高要求的能源管理系統(tǒng)和新概念武器應(yīng)用的需要，儲(chǔ)能技術(shù)更是成為其中的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文通過(guò)對(duì)最新儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)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(chǔ)能技術(shù)概況

1.1 儲(chǔ)能技術(shù)的分類和特性

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

1.1.1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)（FESS）

飛輪儲(chǔ)能是一種機(jī)械儲(chǔ)能方式，其基本原理是將電能轉(zhuǎn)換成飛輪的動(dòng)能并長(zhǎng)期蓄存起來(lái)，需要時(shí)再將飛輪運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能。主要由復(fù)合材料飛輪、集成發(fā)電機(jī)（電動(dòng)機(jī)）、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(qiáng)度材料及電力電子和技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了儲(chǔ)能飛輪的發(fā)展。飛輪儲(chǔ)能的功率密度大于5 kW/kg，能量密度超過(guò)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(wú)噪聲，無(wú)污染，維護(hù)方便，性能優(yōu)越。缺點(diǎn)是體積大，充放電時(shí)間較長(zhǎng)。

1.1.2 超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)（SMES）

超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)利用由超導(dǎo)線制成的線圈，將電網(wǎng)供電勵(lì)磁產(chǎn)生的磁場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，需要時(shí)再將儲(chǔ)存的能量送回電網(wǎng)。主要由超導(dǎo)線圈、失超保護(hù)、冷卻系統(tǒng)、變流器和控制器等組成。

超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)可長(zhǎng)期無(wú)損耗儲(chǔ)存能量，能量釋放和響應(yīng)速度快（ms級(jí)），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(xiàng)指標(biāo)優(yōu)勢(shì)明顯，但其成本很高，系統(tǒng)也較復(fù)雜，需定期維護(hù)。

1.1.3 蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（BESS）

蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要是利用電池正負(fù)極的氧化還原反應(yīng)進(jìn)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(chǔ)能充電后儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)，能量密度最大，效率也較高。缺點(diǎn)是充電時(shí)間長(zhǎng)，功率小。

1.1.4 超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)（SCES）

超級(jí)電容器是根據(jù)電化學(xué)雙電層理論研制而成，可提供強(qiáng)大的脈沖功率，充電時(shí)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(jí)電容器儲(chǔ)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(chǔ)能量可達(dá)30 MJ，且體積小，安裝簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是耐壓低，容量小，成本高。

1.2 儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用前景

將上述四種典型的儲(chǔ)能技術(shù)及裝置性能比較如表1所示[4]可知，四種儲(chǔ)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(diǎn)，因此都有其適用的應(yīng)用領(lǐng)域。

表1 四種主要典型儲(chǔ)能裝置性能比較

（1）飛輪儲(chǔ)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(chǔ)能裝置可用于電力系統(tǒng)儲(chǔ)能以實(shí)現(xiàn)削峰填谷的作用，即在谷值負(fù)荷時(shí)，將多余電力輸入電機(jī)，使其驅(qū)動(dòng)飛輪加速，保持飛輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)；到出現(xiàn)峰值負(fù)荷時(shí)，讓飛輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，使飛輪的動(dòng)能變成電能供給電網(wǎng)。在這一過(guò)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(chǔ)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(chǔ)能：根據(jù)其特性，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用包括：動(dòng)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(chǔ)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(chǔ)能：近年來(lái)，各種新型蓄電池被開(kāi)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(chǔ)能效率，還具有輸出脈沖功率的能力，同時(shí)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(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力或太陽(yáng)能電站中，蓄電池儲(chǔ)能已成為基本的裝備。

（4）超級(jí)電容儲(chǔ)能：在電力系統(tǒng)中多用于短時(shí)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(chǎng)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(jí)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電源和直流電氣化鐵路供電；電動(dòng)車的起步、加速、爬坡電源；高壓開(kāi)關(guān)的分合閘操作電源及大型充磁設(shè)備中[7]。

2 儲(chǔ)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(dòng)化、電氣化水平的不斷提高而日益提高。現(xiàn)代儲(chǔ)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(dú)特優(yōu)勢(shì)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(guò)采用飛輪儲(chǔ)能或超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)與原動(dòng)機(jī)的靈活配合，很好實(shí)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(lái)完成，即由消磁船、消磁站等配備的設(shè)備和裝置，在進(jìn)行綜合消磁時(shí)，通過(guò)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(chǎng)及外部磁場(chǎng)對(duì)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(chǔ)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(kāi)始消磁時(shí)，消磁系統(tǒng)輸出脈沖電流并逐漸衰減，其中尤以前五個(gè)脈沖需要的消磁電流比較大，此時(shí)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(jī)容量，電站容量必定很大，但在工作過(guò)程中使用頻率很少，容易造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。如果按照消磁周期的平均功率來(lái)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(duì)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(jí)電容等儲(chǔ)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(dòng)機(jī)電源配合，進(jìn)行準(zhǔn)確的能量?jī)?chǔ)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(chǔ)能的消磁系統(tǒng)

帶飛輪儲(chǔ)能的獨(dú)立消磁電站的組成框圖如圖3所示。其工作原理是在原動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間設(shè)置飛輪裝置，在原動(dòng)機(jī)（如柴油機(jī)）空載時(shí)帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)存機(jī)械動(dòng)能，在消磁時(shí)利用原動(dòng)機(jī)的輸出功率和飛輪儲(chǔ)存的能量?jī)烧忒B加作為發(fā)電機(jī)的原動(dòng)力，從而滿足此階段消磁功率的需要。因飛輪機(jī)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(chǔ)能的獨(dú)立消磁電站的組成框圖

（2）帶超級(jí)電容儲(chǔ)能的消磁系統(tǒng)

帶超級(jí)電容儲(chǔ)能的消磁電源的組成框圖如圖4所示。其工作原理是超級(jí)電容模塊在脈沖間歇期間通過(guò)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(shí)、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(jí)電容體積小，多用于小型消磁電站和消磁船中。據(jù)報(bào)道，采用超級(jí)電容儲(chǔ)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(yùn)載車在碼頭進(jìn)行消磁作業(yè)，也可由艦船承載在海上進(jìn)行消磁，機(jī)動(dòng)性和適應(yīng)性很強(qiáng)[9]。

圖4 帶超級(jí)電容儲(chǔ)能的消磁電源的組成框圖

3 結(jié)束語(yǔ)

電力系統(tǒng)的飛躍發(fā)展推動(dòng)了對(duì)現(xiàn)代儲(chǔ)能技術(shù)的持續(xù)投入和研究，而現(xiàn)代儲(chǔ)能技術(shù)的不斷進(jìn)步又促進(jìn)了電力系統(tǒng)的加速優(yōu)化和革新。本文通過(guò)闡述儲(chǔ)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(lái)的變化和進(jìn)步，以及今后可能的發(fā)展方向。

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