简论飞轮储能系统关键技术及其研究现状

简论飞轮储能系统关键技术及其研究现状
作者：魏民
来源：《科学与信息化》2020年第02期
摘要飞轮储能技术的研究价值非常高并且其应用的前景非常好，这篇文章简单介绍了飞轮储能的工作原理以及飞轮转子，轴承支撑系统，电动机/发电机等三项较为重要的技术，并在这三项比较重要的技术上面重点对飞轮的储能系统进行了详细的阐述。

关键词飞轮;储能系统;关键;现状
引言
目前的储能的设备有化学储能，物理储能以及其他的储能是设置。

在物理储能的方法中，飞轮储能特点较为突出，充电时间较为短暂，充放电效率等方面而受到非常广大的关注。

1 飞轮储能系统工作原理
飞轮储能装置，又被叫作机电电池系统，也叫作飞轮电池，是一种机械和电能的转换和存储系统。

飞轮储能的系统一般由速度较高的飞轮，电动机/发电机，轴承支撑装置，电力电子
转换装置，电子控制装置和附加装置（比如说真空泵，应急备用轴承）等组成。

它是一个集成性能较为强大的系统，飞轮储能是现代电力电子技术的应用。

电子电力转换器作为主要的驱动装置，以带动飞轮以较高的速度旋转[1]。

电机则一直处在较为稳定的速度，一直等到释放能量的控制信号为止。

如图1所示：
2 飞轮储能系统关键技术分析
飞轮储能系统的结构由飞轮转子，支撑轴承，电动发电机等其他组成。

接下来，对飞轮储能的三项较为重要的技术进行一定的分析。

2.1 飞轮转子
飞轮储能系统中最核心的部分就是飞轮的转子。

整个系统的能量转换和飞轮的旋转有着非常大的关系。

飞轮旋转时的动能E表示为
其中，J为ω的旋转惯性和角速度-飞轮。

从公式可以看出，为了增加飞轮的能量存储，可以增加飞轮转子的惯性并且可以提高飞轮的速度。

2.2 支承轴承技术分析
由于高摩擦损耗和低极限转速，机械轴承不适合单独支持高速飞轮储能系统。

由于其高的支撑强度和紧凑的结构，机械轴承能够对轴承进行短时间的保护，这种轴承会由快速充放电飞轮系统对其进行一定的支持[2]。

2.3 电动/发电机技术分析
在飞轮的储能系统中，机械能和电能之间的相互的能量转换是通过集成的电动机/发电机共同来完成的，因此电动机/发电机的性能将会对飞轮储能系统的效率造成直接的影响。

在飞轮储能系统的充电的时候，飞轮的速度将会增加到设计的最高的速度。

在这个过程中，电动机/发电机的速度也在按照一定的比例增加。

在放电的时候，伴随着飞轮速度的一定程度的降低，电动机/发电机的速度也会下降。

因此，在飞轮储能系统的充电和放电过程中，电动机/发电机的速度不断变化。

在现有条件下，飞轮储能系统可以选择开关磁阻电动机，感应电动机，永磁电动机等。

3 国内外飞轮储能关键技术的发展现状
最近这些年来，飞轮储能的技术发展是非常的快的。

国内外都在这种储能技术上投入了非常多的金钱和人力资源。

截止到现在为止，已取得可喜的成绩。

基于飞轮储能的三项的核心技术，介绍了飞轮储能技术的发展现状。

3.1 飛轮转子技术现状
休斯敦大学的德克萨斯州超导体中心主要的研究的方向是主轴形飞轮的开发。

这是等应力的设计，形状系数等于或接近于。

这种材料也是玻璃纤维复合材料，储存的能量比较多，大约为1kWh，重量相对较轻，大约重为19kg，飞轮直径30.48cm。

Satcon Technology Corporation开发的雨伞飞轮。

这种结构有利于电动机的布局，非常有利于系统的稳定性，具有较大的惯性矩，节省了材料，并具有合理的轮毂强度设计。

NASA的Glenn中心和Penn州立大学的先进复合材料制造中心等部门已经采用湿式缠绕工艺生产了复合飞轮[3]。

3.2 机械轴承
TSI公司应用的润滑油技术比较先进，使用的轴承的材料比较精密和设计方法及计算机动态分析技术，成功开发了包含固体润滑油的陶瓷轴承。

基于真空盖的新型超低损耗轴承的摩擦系数已经达到了非常的低，仅仅是0.00001。

4 结束语
飞轮储能技术的特点是储存的能量大，效率非常的高，没有其他的污染，使用的范围比较广，没有噪音，使用时间短，维护简单，连续工作等优点。

它已成为现在世界上讨论范围比较广的话题。

这篇文章主要对飞轮储能的工作原理进行了简单的介绍，并重点阐述了飞轮转子，轴承支撑系统，电动发电机等比较重要的技术，并把国内外的关键技术的发展现状进行了简单的介绍。

希望今后的飞轮发展更加的快捷。

参考文献
[1] 胡长伟.飞轮储能电池充放能控制系统的研究与优化[D].南京：南京航空航天大学，2019.
[2] 丁泉.飞轮储能用三自由度磁轴承结构参数设计及控制研究[D].镇江：江苏大学，2017.
[3] 张新宾，储江伟，李洪亮，等.飞轮储能系统关键技术及其研究现状[J].储能科学与技术，2015，4（1）：55-60.
作者简介：
魏民（1985-），男，北京人;学历：硕士，现就职单位：沈阳远大电力电子科技有限公司。