应用报告——普发真空解决方案助力能源技术的创新

当今，全世界的能源需求不断增长，排放废气的车辆越来越多，这与气候变化的问题和社会中不断提高的环境意识针锋相对。自然而然，对能量储存、可再生能源以及高效驱动技术的要求也越来越高。这一变化是该领域研发新技术和新生产工艺的主要激励因素。各类应用的多样性也使新技术面对各种挑战。由于能量所需储藏时间和相应的充放电次数不同，需采用不同技术 — 但它们的共通之处在于，它们从根本上都依赖真空技术。

锂电池是最广为人知的储能设备之一。在这一通用名称背后，涉及正、负极和隔膜的多种材料组合，以及不同的电池形状，比如形状可变的软包电池和形状固定的圆柱形和棱柱形。锂电池用于各种需要长时间能量储备的终端产品。由于其重量轻而能量密度大，在智能手机、平板和笔记本电脑等移动设备和电动汽车中应用尤其普遍。无论是哪种类型，电池生产过程的多个个环节都需要用到真空技术。

一般的锂离子电池单元由一个正极、一个负极和一个隔膜以及电解质构成。这些单元在包装内排列。其内容的密封至关重要，因为电解质可与潮湿产生剧烈反应。因此，在电池组装和密封（圆柱形及棱柱形单元通过焊接）好后，要测试电池是否泄漏。为了确保泄漏检测过程准确而高质量，应用了氦气检漏系统，该系统具有灵敏度高、结果可再现的优点（见图 1）。

►图 1：普发真空为锂离子电池的生产过程提供最佳的真空方案。

普发真空有 50 年处理泄漏检测的经验，其丰富的产品系列可以为锂离子电池的密封测试提供最佳的检漏仪。专业方案既可用于实验室研究和原型制造，也可用于电池的工业生产。后者通常要求模块化检漏设备以便轻易地整合到自动化系统中，而研究机构则可能偏爱通用型多功能设备。

在电池生产过程的其他环节中也需要真空（见图 1）：由于电池内须杜绝潮湿，在组装前要确保部件绝对干燥。电极也一样，在生产时，电极被制成薄膜材料并卷成线圈。线圈在真空中干燥。为减少残留潮湿，在对线圈不间断加热的同时，将压强降低到 1E-1 hPa以下。

往电池中填充电解质时，真空同样十分关键。它可以防止潮气进入电池单元，还避免电解质中含有不必要的气体。

普发真空为所有这些生产环节提供合适的真空泵：干式真空泵使用多级罗茨泵（A4H 系列）或螺杆泵（HeptaDry）技术。后者可轻易与OktaLine 罗茨泵组合以获得较高的抽速。

没有这些周密的真空方案，就不可能获得高质量、长时间储能的锂电池，移动电气设备的功能也无从谈起。

用于短时间储能的另外一项创新技术也正在崛起：机械式飞轮储能。固定飞轮和移动飞轮具有不同用途。

固定飞轮系统可用于诸如数据存储中心和医院的不间断电源(UPS)。由于太阳能和风能的使用增长，电网均衡变得越来越重要，而飞轮系统也可为此提供支持。即使面对多次负载周期仍能保持长时间使用寿命，同时在需要时可几乎即时提供储存的能量，这使飞轮储能系统成为了电网均衡应用理想的选择。

►图 2：固定飞轮系统用于短期存储太阳能和风能。

移动飞轮系统成为轿车、客车等车辆的高效驱动技术所使用的一种富有前景的方法：它们收集刹车时产生的能量，进行转换后传输到飞轮质量储能系统中。一旦车辆加速，储能系统即可用作发电机为电驱动传动系统供电，这种传动也支持传统驱动系统。快速旋转的飞轮位于真空环境中，从而减少与空气摩擦而造成的损失并降低发热。该技术可显著节省燃油。赛车使用这项技术已经有很多年的时间了。由于带来的节省非常高，越来越多的公共交通服务运营商也在引进该技术。由于城市交通中刹车和加速频繁反复，移动飞轮储能系统尤其有益。

►图 3：移动飞轮系统为实现轿车的高效驱动技术的一种富有前景的途径。它们已用于赛车和城市客车。

尽管通过旋转质量存储能量的基本原理很容易理解，但设计高效而安全的系统却充满挑战。

飞轮的主要部件之一是转子。它通常由回火钢或纤维增强合成材料制成。选择正确的材料是关键。要求高抗张强度以抵挡巨大的作用力，也需要低弹性系数以保证公差足够小并允许高能量密度，等等。转子的转速可高达每分钟数万转，某些型号甚至可达每分钟九万转。由此获得高能量密度。

转子轴承可以是机械式或磁悬浮式的，设计要求尽量减少摩擦。外壳用于在意外故障时起密闭作用。转子和壳体之间的距离应足够允许转子由于动态应力和热应力而变形拉伸（见图 4）。

►图 4：设计飞轮质量储能系统。

其电气设备实现能量的转换。在充电时，飞轮可看作通过电能驱动的电动机。放电时，飞轮则相当于产生电力的发电机。

为了确保飞轮用作储能设备的高效率，须将摩擦造成的恒定损失降到最低。为此，通过真空泵将飞轮壳体内抽成真空。典型的目标压强为，将 1E-1 hPa 降低至 1E-3 hPa 或更低。结果，热量的产生和能量损失都显著减少。由于存在因细微泄漏和转子脱气造成的恒定气体负载，每个飞轮系统都配备真空泵。由于能以低成本获得高度可实现的压强与可靠的技术，双级旋片泵是用于这一应用的最理想产品。在具有相对高气体负载或目标压强低于 E-3hPa 的系统中，需要附加的真空设备。为此，通常在系统中加装涡轮分子泵。它们性能优异，耗能低。

飞轮系统中的真空泵要满足很高的要求：最重要的是，既要体积小，又要能实现良好的最终压强和低能耗。

普发真空以其 DuoLine 系列双级旋片泵和大受欢迎的 HiPace 系列涡轮分子泵为飞轮质量储能系统提供符合要求的理想方案。其中 Duo 3 的特别版带有创新的直流电驱动器，在市场上脱颖而出。这种泵采用 24 V 直流电供电，可在 -20 °C 至 +60 °C 范围内工作，用于移动飞轮应用极为理想，因而可直接用于该领域。此外，普发真空的真空泵和真空计应用在全世界的飞轮系统中。

►图 5：普发真空的 Duo 3 DC 是用于 24 V 直流电应用的理想解决方案。

储能研发领域的法国先锋 Levisys 从一开始就信赖普发真空为其试验和研发提供的方案。这家创业公司研发生产了首台 10˘kW 固定飞轮储能系统，并将其应用在法国电气工程巨头 Engie Ineo 位于 Toulouse 的生产现场。公司建立了所谓的 SmartGrid 智能电网，并使用固定飞轮系统均衡供能偏差。通过这种方法，为生产现场的常规供能提供了新的电能储存途径。它填补了使用至今的锂离子电池储能设备的不足。通过最初的测试阶段后，在 2016年将再加装 9 台固定飞轮储能系统，容量达到 100 kWh 。

►图 6：Levisys 飞轮系统。

Levisys 的固定飞轮质量储能系统采用了 DuoLine 旋片泵、HiPace 涡轮分子泵以及真空计，以获取并测量所需的真空环境。对于真空设备的要求很高：其工作必须可靠，结构紧凑，以适合固定飞轮系统内部有限的空间，而且输入功率也必须低。

对于 Levisys 的特别需求，高度可靠、高质量的普发真空设备提供了完美的方案。产品优势一览：

►图 7：普发真空的涡轮分子泵、旋片泵和皮拉尼真空计用于 Levisys 系统。