飞轮储能关键技术

飞轮储能系统关键技术分析及应用现状摘要：本文从飞轮储能系统的结构原理入手，首先介绍了飞轮储能系统的结构组成、工作原理及其工作模式，然后对飞轮转子、支承轴承、真空室、电动/发电机及电力电子装置等关键技术进行了全面的分析，并介绍了关键技术的国内外研究现状，在此基础上对飞轮储能的应用现状进行了阐述。

关键词：飞轮储能；关键技术；应用现状中图分类号：TK02 文献标识码：A 文章编号：0、前言随着中国经济的快速发展，能源和环境问题成为了中国快速发展主要阻碍。

然而，在能源如此短缺的情况下，使用目前的耗能设备和耗能方式却使得世界上总能量的50%～70%白白的浪费了[1]。

因此在开发新能源的同时，研究如何回收存储被白白浪费的能量也是非常重要的。

目前的储能方式主要有：化学储能、物理储能和超导储能，在这几种储能方式中化学储能技术比较成熟，并已得到广泛的应用，但是它使用寿命短、受外界条件影响显著、对环境污染严重。

超导储能对技术要求高、对环境要求苛刻暂时还不适合大规模应用。

由于物理储能是利用物理方法将能量春初起来，所以不存在对环境污染问题比较适合当今的发展要求。

物理储能方式主要有抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能。

在这几种物理储能方式中飞轮储能以其在使用寿命、充电时间、效率方面的突出特点得到了广泛的关注。

1、飞轮储能系统的结构及工作原理1.1飞轮储能系统基本的结构飞轮储能系统又称飞轮电池其基本结构是由飞轮、轴承、电动机/发电机、电力电子控制装置、真空室等五个部分组成[2]。

其中飞轮是飞轮电池的关键部件，一般选用强度高密度相对较小的复合材料制作；轴承是支撑飞轮的装置，由于磁悬浮支承可以降低摩擦损耗提高系统效率而成为了支撑技术的研究热点；飞轮电池的电机是一个集成部件，可以在电动和发电两种模式下自由切换，以实现机械能和电能的相互转换；电力电子控制装置主要是对输出和回馈的电能进行控制，通过对电力电子控制装置的操作可以实现对飞轮电机的各种工作要求的控制；真空室的功用有两个即为飞轮提供真空环境降低风阻损耗和在飞轮高速旋转破裂时起到保护周围人员和设备的作用。

图1给出了一种飞轮储能系统结构简图。

图1 飞轮储能系统结构简图1.2飞轮储能系统的工作原理飞轮储能系统是利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式存储起来的装置。

它有三种工作模式即充电模式、保持模式、放电模式。

充电模式即飞轮转子从外界吸收能量使飞轮转速升高将能量以动能的形式存储起来；放电模式即飞轮转子将动能传递给发电机，发电机将动能转化为电能在经过电力控制装置输出适合于用电设备的电流和电压，实现了机械能到电能的转化；保持模式即当飞轮转速达到预定值时既不在吸收能量也不向外输出能量如果忽略自身的能量损耗其能量保持不变。

高速旋转的飞轮以动能的形式存储的能量可以表示为[3]：（1.1）式中v—飞轮边缘线速度，m—飞轮的质量，J—飞轮的转动惯量，ω—飞轮的角速度。

由式（1.1）可知飞轮具有的能量与飞轮的转动惯量、飞轮角速度的平方成正比，由此可知提高飞轮储能量的方法有增大飞轮的转动惯量和提高飞轮转速。

由于可将飞轮看似薄圆盘因此求飞轮转动惯量的公式为：2mr)2/1(J=（1.2）式中r—飞轮的转动半径。

有公式（1.2）可知增加飞轮转动惯量的方法有增加飞轮转动半径和增加飞轮质量，然而在一般设计情况下在保证能量容量一定的情况下应尽量缩减飞轮的质量和体积，所以增加飞轮存储能量的方法一般为提高飞轮转速和减少飞轮质量。

图2给出了飞轮储能系统工作原理简图。

图2 飞轮储能系统工作原理简图2、飞轮储能系统关键技术分析及研究状况早在20世纪50年代飞轮储能技术就得到了人们的关注，并将其应用于电动汽车中。

但是受到当时技术水平的限制，未能取得突破性进展。

直到20世纪90年代，由于与飞轮电池储能相关的技术取得了突破性进展，才使得飞轮电池储能进入了快速发展阶段。

2.1飞轮转子技术分析与研究现状2.1.1飞轮转子技术分析飞轮电池是依靠飞轮转子的高速旋转来存储能量，从飞轮储能原理可知飞轮转速越高其存储的能量就越多，然而随着飞轮转速的升高，飞轮在离心力作用下使其内部所受应力不断增大，受材料许用应力的限制使得飞轮转速不可能无限制的增加。

为了保证飞轮能够安全可靠地运行在选择飞轮材料时必须进行应力计算，根据计算结果仔细选择飞轮材料，对于一个薄壁圆筒飞轮有[4]：22222222J=mr1122δρδ122ρm mmmE JEermω======ωm rωrω2.1式中：δ—材料的最大抗拉强度，pa; ρ—材料的密度，3/kg m；J—飞轮的转动惯量，2kg m⋅；mω—飞轮转子的极限角速度，rad/s；r—飞轮的旋转半径，m。

e为飞轮在高速旋转时引起的应力达到材料抗拉强度极限值时单位质量转子所存储的能量，即飞轮的极限储能密度。

由公式2.1可知飞轮的储能密度与材料的抗拉强度成正比，与飞轮材料密度成反比。

因此为了增加飞轮的储能密度应该选用高比强度（）的材料制作飞轮。

表1给出了不同飞轮材料的物理参数，其中储能密度值是计算的等厚圆盘飞轮的理论值。

从表中可以看出高强度钢和铝合金在抗拉强度和储能密度两个方面均不及复合材料，这也是早期飞轮储能技术难以取得突破进展的原因之一，复合材料在抗拉强度和储能密度方面表现出的优良特性使得复合材料成为制造飞轮转子的理想材料。

有研究表明，提高飞轮电池储能密度的先决条件是制作飞轮的材料要有很高的强度，在材料满足条件的前提下还要考虑飞轮的制作工艺，由于复合材料的各向异性，导致其沿纤维方向强度很高，而垂直纤维方向表现强度很低，为了最大限度的发挥复合材料沿纤维方向强度高的优点，一般采用环向缠绕的多层圆环结构[5]。

2.1.2飞轮转子技术现状美国Active Power公司研发的基于飞轮储能的电源系统其转子使用的材料是4340锻铁，飞轮转速最高可达到7700r/min,并且该系统已经规模化生产[8]。

波音公司在2010年设计的复合材料飞轮转子，采用了环向缠绕的三层圆环结构，根据每一层的受力特点使用了不同规格的碳纤维，使得飞轮的整体强度和材料利用率都得到了提高[9]。

北京航空航天大学将使用碳纤维材料制造飞轮储能系统用于航天器的姿态控制和能量存储，该飞轮转速可达500000r/min,储能密度为36.1w·h/kg[10]。

2012年7月，清华大学设计的质量为1200kg的低速重型合金钢飞轮转速达到了3600r/min。

该储能系统实现了100 kW 充电/500 kW发电运行，并且在储能量和发电功率方面已经具备了工业应用的条件[11]。

2.2支承轴承技术分析与研究现状2.2.1支承轴承技术分析飞轮转速的大小，可以决定飞轮电池存储能量的多少，然而飞轮电池储能系统中飞轮所能达到的极限转速除与飞轮本身的属性有关外，还与支承轴承的选择有很大的关系。

因为飞轮电池在能量保持模式时飞轮需要保持高速运转，这就需要轴承的摩擦损耗尽量小甚至为零，以减少能量白白地损耗，从而提高系统的储能效率。

轴承在承受飞轮本体重量的同时，还要承受着飞轮转子在高速旋转时引起的离心力，这就要求支承轴承既要损耗少又要强度高。

目前的支撑轴承可分为机械轴承、磁悬浮轴承和组合式轴承等。

机械轴承由于摩擦损耗大、承载的极限转速低不合适单独作为高转速飞轮储能系统的支撑方式，由于其支撑强度高、结构紧凑的优点，使得机械轴承适合于作为保护轴承或作为短时间快速充放电飞轮系统的支撑方式使用。

由于磁悬浮轴承可以在无机械接触的情况下承载，无机械摩擦损耗提高了系统储能效率延长了轴承使用寿命，使其成为了飞轮储能系统的理想支撑方式。

磁悬浮轴承分为永磁轴承、超导磁轴承和电磁轴承。

2.2.2支承轴承技术研究现状韩国电力公司研究所研发的组合式轴承飞轮储能系统，飞轮转速可达到12000r/min，该系统的组合式轴承是由一个高温超导次轴承、一个角接触球轴承和一个主动电磁阻尼器组成[12]。

波音公司研制的使用高温超导磁轴承的小型飞轮储能系统，在全速时飞轮可以储存5KW·h的动能，它能够提供3KW的三相208V电源到电力负载[13]。

中国电力科学研究院的工程师研制出了一种可作为电动汽车辅助动力源的五自由度的主动磁悬浮轴承飞轮电池储能系统，并进行了飞轮电池样机的30000r/min 旋转试验[14]。

西南交通大学超导技术研究所研制了一台高温超导磁悬浮飞轮储能样机，并实现了电能、机械能的相互转换，该系统的飞轮转速可以达到13000r/min[15]。

2.3电动/发电机技术分析与发展现状2.3.1电动/发电机技术分析在飞轮储能系统中机械能到电能、电能到机械能之间相互转换是依靠集成的电动/发电机来实现的，所以电动/发电机的性能的好坏直接影响着飞轮储能系统的效率。

飞轮储能系统在充电时飞轮转速增加到设计的极限转速，在这个过程中电动/发电机的转速也在不断升高；而在放电过程中随着飞轮转速的不断降低，电动/发电机的转速也随之下降。

因此在飞轮储能系统的充放电过程中电动/发电机的转速是在不断变化的，这就要求飞轮储能系统选用的电动/发电机应该满足高转速、高效率、自损耗低，适应宽转速范围等条件。

目前条件下可选择应用于飞轮储能系统的电机有开关磁阻电机、感应电机、永磁电机等。

表2给出了三种电机的相关性能参数对比。

表2 几种电机的相关性能参数对比[16]电机类型永磁无刷直流电机感应电机开关磁阻电机峰值效率/% 95～97 91～94 90 10%负载效率/% 90～95 93～94 80～87 最高转速/(r/min) >30000 900～15000 >15000 控制其相对成本 1 1～1.5 1.5～4 电机牢固性良好优优永磁电机以其效率高、能量密度大、维护方便、可在宽转速范围内高效率运行等特点使得在飞轮储能系统中得到了广泛的应用。

2.3.2电动/发电机技术发展现状韩国忠南大学的学者对飞轮储能系统使用的高速永磁同步电机进行了研究，并于2009年设计了一台高速双转子永磁电机，该电机的功率为30KW/20000（r/min），在6000—13084r/min转速范围内其效率均在99%以上[17]。

美国宇航局在2012年设计的由两台锥型永磁同步电机组成的磁悬浮永磁电机可以实现电机转子五自由度主动控制，省去了磁轴承，进而减小了系统的功率损耗，提高了系统效率，转子的极限转速也有所增加[18]。

沈阳工业大学研制的由磁悬浮轴承支撑的75KW/60000（r/min）高速永磁电动/发电机，其采用的定子环形绕组结构既可以提高冷却效率又可以增加转子刚度[19]。

2.4电力电子装置技术分析电机选定之后，电力电子装置的性能直接影响着飞轮储能系统的效率。

飞轮储能系统的中动能和电能之间的转换是电动/发电机在电力电子装置的控制下实现的，输入电能时将交流转化为直流驱动电机，使飞轮转速升高，存储能量；输出电能时将直流转化为交流并经过有整流、调频、稳压后供给负载。