飞轮储能(整理)

飞轮储能

一.飞轮储能原理

飞轮储能是通过电动/发电互逆式双向电机，电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换与储存，并通过调频、整流、恒

压与不同类型的负载接口。典型的飞轮储能系统由

飞轮本体、轴承、电动/发电机、电力转换器和真

空室5个主要组件构成。在实际应用中，飞轮储能

系统的结构有很多种。图1是一种飞轮与电机合为

一个整体的飞轮储能系统。充电时，电动/发电机

通过转换器接外电源作电动机运行,把飞轮转子快

速加速到非常高的转速,于是电能转化为动能储存

起来。放电时,电动/发电机作发电机运行,通过电

子转换器向负载输出电能,转子转速下降,动能转

化为电能。

二.飞轮储能的关键技术

飞轮电池的原理简单，主要结构和运行方法已经基本明确，但要实现起来却并不容易,要突破的关键技术有：(1)飞轮转子的设计：转子动力学，强度和密度的优化；(2)磁轴承和真空设计：低功耗，动力设计，高转速，长寿命；(3)功率电子电路：高效率，高可靠性，低功耗电动\发电机；(4)安全及保护特性：不可预期动量传递，防止转子爆炸可能性，安全轻型保护壳设计；(5)机械备份轴承：磁轴承失效时支撑转子。

飞轮储能方法一直未能得到广泛的应用，其原因主要有三个：

1.飞轮本身的能耗主要来自轴承摩擦和空气阻力。人们曾通过改变轴承结构，如变滑动轴承为滚动轴承、液体动压轴承、气体动压轴承等来减小轴承摩擦力，通过抽真空的办法来减小空气阻力，轴承摩擦系数已小到0.001。即使如此飞轮所储的能量在一天之内仍有25％被损失，仍不能满足高效储能的要求。

2. 常规的飞轮是由钢（或铸铁）制成的，储能有限。例如，欲使一个发电力为100万千瓦的电厂均衡发电，储能轮需用钢材150万吨！

3. 要完成电能机械能的转换，还需要一套复杂的电力电子装置。

三.飞轮储能技术的进展

近年来，飞轮储能技术取得突破性进展是基于下述三项技术的飞速发展：一是高能永磁及高温超导技术的出现；二是高强纤维复合材料的问世；三是电力电子技术的飞速发展。

为进一步减少轴承损耗，人们曾梦想去掉轴承，用磁铁将转子悬浮起来，但试验结果是一次次失败。后来被一位英国学者从理论上阐明物体不可能被永磁全悬浮（Earnshaw定理），颇使试验者心灰意冷。出乎意料的是物体全悬浮之梦却在超导技术中得以实现，真像是大自然对探索者的慰藉。

超导磁悬浮原理是这样的：当我们将一块永磁体的一个极对准超导体，并接近超导体时，超导体上便产生了感应电流。该电流产生的磁场刚好与永磁的磁场相反，于是二者便产生了斥力。由于超导体的电阻为零，感生电流强度将维持不变。若永磁体沿垂直方向接近超导体，永磁体将悬空停在自身重量等于斥力的位置上，而且对上下左右的干扰都产生抗力，干扰力消除后仍能回到原来位置，从而形成稳定的磁悬浮。若将下面的超导体换成永磁体，则两永磁体之间在水平方向也产生斥力，故永磁悬浮是不稳定的。利用超导这一特性，我们可以把具有一定质量的飞轮放在永磁体上边，飞轮兼作电机转子。当给电机充电时，飞轮增速储能，变电能为机械能；飞轮降速时放能，变机械能为电能。

飞轮储能大小除与飞轮的质量（重量）有关外，还与飞轮上各点的速度有关，而且是平方的关系。因此提高飞轮的速度（转速）比增加质量更有效。但飞轮的转速受飞轮本身材料限制。转速过高，飞轮可能被强大的离心力撕裂。故采用高强度、低密度的高强复合纤维飞轮，能储存更多的能量。目前选用的碳纤维复合

材料，其轮缘线速度可达1000米／秒，比子弹速度还要高。正是由于高强复合材料的问世，飞轮储能才进入实用阶段。

四.有关轴承的研究

1.高温超导悬浮轴承（见文献‘飞轮储能器的新型高温超导悬浮轴承研究’）

基本原理是高温超导体和永磁体相互作用的轴对称模型，一般是用高温超导块材作定子，常规的永磁体作转子。块材在液氮温度下进入超导混合态后，由于钉扎中心的存在，磁通线被其阻滞了运动，即被超导体俘获，当超导体俘获了足够的磁通时，产生一种磁力，克服重力，便使转子自由悬浮在某一位置上而不与其他物体相接触，并按照设计的要求来运动；同时块材特有的磁通钉扎能力阻止俘获磁通运动，保证侧向稳定性，从而实现了转子稳定的悬浮。研究结果表明，超导磁悬浮轴承的摩擦系数只有-7

10是电磁悬浮轴承的1/1000，最好的机械轴承的1 /10000。

一种全新高温超导轴承，如图2所示。采用圆形永磁轨道作为转子与超导块材作为定子组合成超导轴承，同时采用倾斜的放置方式。

2. 电磁悬浮轴承

电磁悬浮轴承采用反馈控制技术，根据转子的位置调节电磁铁的励磁电流, 以调节对转子的电磁吸力, 从而将转子控制在合适的位置上。电磁轴承能在径向和轴向对主轴进行定位, 使飞轮运转的稳定性和安全性得到一定的提高, 电磁轴承的突出优点是可超高速运行, 30000- 60000r/min 是电磁轴承通常的运行范围。

3.永磁轴承和机械轴承

永磁轴承通常由一对或多个磁环作径向或轴向排列而成，其中也可以加入软磁材料。设计不同排列，利用磁环间吸力或斥力，可作径向轴承，也可用作抵消

转子重力的卸载轴承。随着永磁材料的快速发展，永磁轴承的承载力迅速增加。但是只用永磁轴承是不可能实现稳定悬浮，需要至少在一个方向上引入外力( 如电磁力、机械力等)。永磁体要实现高速旋转，需要减小径向尺寸或者以导磁钢环代替永磁环。

机械轴承主要有滚动轴承、滑动轴承、陶瓷轴承和挤压油膜阻尼轴承等，其中滚动轴承和滑动轴承常用作飞轮系统的保护轴承，陶瓷轴承和挤压油膜阻尼轴承在特定的飞轮系统中获得应用。

五.有关能量控制的研究

1.飞轮电机选取

有三类电机可供选择：感应电机、磁阻电机、永磁电机。磁阻电机是其结构复杂，花费高，且功率因数低，而感应电机转换效率偏低，要做到超高转速困难，且控制复杂，因此永磁电机是目前飞轮储能应用最多的电机类型。永磁电机按类型可分为两类，反电动势为正弦波的永磁同步电机(PMSM)和反电动势为方波的直流无刷电机(BLDCM)，国内外研究机构或单位一般采用无刷直流电机。主要是因为与正弦波电动机相比，其出力大、并且驱动简单。

六.有关储能飞轮的应用

1.电力调峰

飞轮储能发电系统具有能量的存储和释放非常方便的优点，可在任意时间间隔、以任意的规模进行，它可以就近分散放置，且零排放、低噪声，适应环境保护的要求。因此，飞轮储能技术被认为是近期最有希望和最有竞争力的新型调峰技术，国际上大多数研究机构均将电力调峰定为飞轮开发的最终目标。

2.不间断电源

UPS不间断电源是一种利用市电或蓄电池能源向负载提供高质量交流电源的设备。飞轮储能装置正在逐步取代UPS中的化学蓄电池，特别是用在通信行业的UPS，由于很多工作在户外，工作环境差，一般的化学蓄电池不能适应，而飞轮储能装置对环境无要求，工作适应能力较强。

3.飞轮电池

飞轮安装在化学电池或内燃机供能的机车上起缓冲器作用与系统协同工作，称之为飞轮混合电池。汽车制动过程中，将制动能耗通过电动机转化为飞轮的机械动能储存起来，成为再生能源。当汽车需大功率工作时，飞轮再通过发动机将动能释放以供系统使用。研究表明，合理设计混合飞轮电池，可节约能耗30% ，