飞轮储能技术研究的发展现状
高温超导飞轮储能技术发展现状
For personal use only in study and research; not for commercial use高温超导飞轮储能技术发展现状在1986年发现可工作在液氮温区(77K)的高温超导材料后，人们很快就发现利用这种材料制备的块材可以稳定地悬浮(悬挂)在永磁体上方(下方)。
并且施加给永磁体一个初始的扭矩后，它就会围绕和块材相互作用力的对称轴旋转起来，这就是高温超导磁悬浮轴承(SMB)最基本的模型。
SMB以其具有的无机械接触、自稳定、结构简单等优点，很快博得了众多研究者的青睐。
在1990年便有了转速100000r／min的SMB报道，而到1992年更有转速高达520000r／min的报道，这也是迄今为止最高的转速记录。
SMB的高转速是传统的机械轴承，甚至主动的电磁悬浮轴承(AMB)所不及的。
SMB的诞生为以轴承为基础的系统提供了升级换代的新途径，高温超导飞轮储能系统(HTS．FESS)就是在这种背景下应运而生的。
HTS—FESS利用SMB的高速无机械摩擦旋转，通过一个飞轮转盘把能量以机械旋转能量的形式储存起来。
近年来，随着SMB技术的日益成熟，高强度复合纤维材料的问世以及高效率电力电子转换技术的进步使得HTS．FESS在储能密度、储能时间、响应时间、转换效率等方面均得到了较大的提高，已达到了工业应用的要求。
目前美国波音公司、日本国际超导中心(ISTEC)[6-8]、德国ATZ公司[9-121等均在开展大容量HTS—FESS样机的试验研究。
美国波音公司在2006年的项目年度总结报告中指出，他们研制的HTS．FESS即将完成最终用户测试，并投入商业运行。
HTS．FESS作为一种新型电力储能技术，不仅为缓解当前日益严峻的能源问题提供了新的途径，而且在军民两用上都具有巨大的应用前景。
在卫星和航天器的能源供给和姿态控制、电磁发射系统的超大功率电源、战车的能量储备以及电力调峰、通信系统、交通系统等领域均可找到它的应用价值。
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。
飞轮储能技术研究的发展现状
飞轮储能技术研究的发展现状及未来趋势分析一、引言随着社会和科技的不断发展，能源的储存和利用已经成为全球关注的焦点。
在多种可再生能源中，风能具有巨大的开发潜力。
而飞轮储能技术作为风能储存的一种重要方式，具有高效、环保、寿命长等优点，因此越来越受到人们的关注。
本文将介绍飞轮储能技术的研究现状及其未来的发展趋势。
二、飞轮储能技术的现状飞轮储能技术是一种利用旋转的飞轮将动能转化为电能的技术。
其基本原理是，当风能驱动飞轮旋转时，飞轮的动能被转化为电能，可以用于供电。
这种技术具有高效、环保、寿命长等优点，且适用于大规模的储能系统。
目前，飞轮储能技术已经在一些领域得到了应用。
例如，在风力发电厂，飞轮储能技术可以用于平衡电网负荷，提高电力质量。
此外，在电动汽车领域，飞轮储能技术也被用于提供额外的动力。
然而，飞轮储能技术还存在一些问题需要解决。
例如，飞轮的制造和维护成本较高，且存在磨损和失效的风险。
此外，飞轮储能技术的能量密度相对较低，需要进一步改进和优化。
三、飞轮储能技术的未来发展趋势尽管飞轮储能技术存在一些问题需要解决，但其在未来能源储存领域的应用前景仍然十分广阔。
未来，飞轮储能技术可能会在以下几个方面得到进一步的发展：1. 材料科学的进步可能会为飞轮的制造提供更多的选择。
新型材料如碳纤维和陶瓷等具有更高的强度和耐久性，可以降低飞轮的制造成本并提高其使用寿命。
2. 新的设计和制造技术的应用可能会进一步提高飞轮的能量密度。
通过优化飞轮的形状和结构，以及采用新的制造方法，可以增加飞轮的旋转速度并提高其能量储存能力。
3. 飞轮储能技术的智能化和自动化应用可能会进一步优化其性能和管理。
通过引入传感器和控制系统，可以实时监测飞轮的运行状态并进行相应的调整，以提高系统的稳定性和可靠性。
4. 飞轮储能技术的组合应用可能会进一步扩展其应用领域。
例如，将飞轮储能技术与太阳能或氢能等其他可再生能源技术相结合，可以提供一种多元化的能源供应解决方案，提高能源的利用效率。
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。
飞轮储能技术的发展现状
飞轮储能技术的发展现状摘要: 飞轮储能技术已成为国际能源界研究的热点之一。
从飞轮储能技术的技术进展(包括飞轮本体、转子支承系统、电动/发电机、电力转换器与真空室)角度出发，系统地介绍了该技术国内外的发展现状。
关键词: 飞轮储能系统，电动机/发电机，电力转换器，真空室近年来，飞轮储能技术发展非常迅速。
国内外都积极地投入大量资金和人力在这项储能技术上，目前已经有了可喜成果，以飞轮储能五大关键技术为出发点，分别对其技术发展现状进行阐述。
1飞轮转子技术现状美国休斯顿大学的德克萨斯超导中心致力于纺锤形飞轮开发，这是一种等应力设计，形状系数等于或接近1，材质同样为玻璃纤维复合材料，储能1kWh、重19kg、飞轮外径30.48cm。
美国Beacon 电力公司推出的Beacon 智能化储能系统，其飞轮转子以一种强度高、重量轻的石墨和玻璃纤维复合材料制成，用树脂胶合。
美国Satcon 技术公司开发的伞状飞轮，这种结构有利于电机的位置安放，对系统稳定性十分有利，转动惯量大，节省材料，轮毂强度设计合理。
NASA Glenn 中心和美国宾州州立大学高级复合材料制造中心等单位均采用湿法缠绕工艺制备了复合材料飞轮。
2飞轮储能的轴承支承系统技术现状2.1机械轴承美国TSI 公司应用高级的润滑剂、先进的轴承材料及设计方法和计算机动态分析，成功地开发出内部含有固体润滑剂的陶瓷轴承，最新又研制的基于真空罩的超低损耗轴承，其摩擦系数只有0.000 01。
2.2被动磁轴承（PMB）目前对永磁轴承的研究较少，目前主要集中在对超导磁轴承（SMB）的研究上。
西南交通大学超导技术研究所从20 世纪90 年代初期开始，就一直致力于高温超导磁悬浮技术的应用基础研究，2000 年研制成功了世界首辆载人的高温超导磁悬浮实验车。
日本ISTEC 正在对10kWh/400kW 等级飞轮系统中的SMB 进行组装实验，同时加工设计100kWh等级飞轮定子。
德国ATZ 公司则从2005 年开始对5kWh/250kW 等级的飞轮进行研究。
飞轮储能关键技术及其发展现状
飞轮储能关键技术及其发展现状一、本文概述飞轮储能技术，作为一种高效、环保的储能方式，近年来在全球范围内引起了广泛关注。
本文旨在全面解析飞轮储能的关键技术及其发展现状。
我们将深入探讨飞轮储能的基本原理、关键技术要素、应用领域以及当前的发展状况，同时展望其未来的发展趋势。
通过对飞轮储能技术的系统研究，我们期望能够为相关领域的研究者、从业者以及投资者提供有价值的参考信息，推动飞轮储能技术的进一步发展与应用。
文章将首先概述飞轮储能技术的基本概念和工作原理，为读者建立基础理解。
随后，将重点分析飞轮储能技术的关键技术，包括飞轮设计、材料选择、能量转换与存储等方面，揭示这些技术在推动飞轮储能技术发展中的核心作用。
紧接着，文章将讨论飞轮储能技术在不同领域的应用现状，如电力储能、轨道交通、航空航天等，展示其广泛的应用前景。
我们将对飞轮储能技术的发展趋势进行展望，分析当前面临的挑战与机遇，并提出相应的建议与策略。
通过本文的阐述，我们期望能够加深读者对飞轮储能技术的认识，为推动该技术的创新与发展贡献力量。
二、飞轮储能关键技术飞轮储能技术是一种利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式存储起来的储能技术。
其关键技术主要包括飞轮设计、轴承技术、真空技术、磁悬浮技术、能量转换与控制技术等。
飞轮设计是飞轮储能技术的核心，它直接决定了储能密度和储能效率。
飞轮设计需要解决的关键问题包括飞轮材料的选择、飞轮形状的优化、飞轮强度的保证以及飞轮转动的稳定性等。
目前，常用的飞轮材料包括高强度钢、碳纤维复合材料等，而飞轮形状则多为圆柱形或盘形。
轴承技术是飞轮储能技术中的重要环节，它决定了飞轮转动的平稳性和效率。
飞轮轴承需要承受高速旋转带来的巨大离心力，同时还需要保证飞轮的转动精度和稳定性。
目前，常用的轴承技术包括滚动轴承和磁悬浮轴承，其中磁悬浮轴承具有无接触、无磨损、低噪音等优点，因此在飞轮储能技术中得到了广泛应用。
为了减小空气阻力，提高飞轮储能效率，飞轮储能系统需要在高真空环境下运行。
飞轮储能技术研究报告
飞轮储能技术研究报告飞轮储能技术研究报告1.飞轮储能技术原理简介飞轮储能技术起源于20世纪70年代，但当时技术水平限制了其实际应用。
直到20世纪90年代，随着碳纤维材料和磁轴承技术的发展，美国科学家成功地研发出飞轮电池。
飞轮储能利用物理方法实现储能，实现电能和机械能的相互转化，工作过程中不会造成任何污染。
飞轮储能是一种物理储能方式，通过电力电子设备驱动飞轮进行高速旋转，利用飞轮高速旋转时所具备的动能进行能量存储，通过电动/发电一体化双向高效电机配合真空中的飞轮实现电能和动能的双向转换，如图1所示。
飞轮储能系统由高强度合金或复合材料做成的飞轮转子、高速轴承、电动/发电机、电力转换器、真空安全罩等部分组成，如图2所示。
飞轮储能设施充放电的实现方式为：（1）当飞轮存储能量时，电动/发电一体化双向高效电机实现电动机运行状态，将电能转换为飞轮转子的动能，飞轮转速升高实现能量的存储；（2）当飞轮释放能量时，电动/发电一体化双向高效电机实现发电机运行状态，将高速旋转的飞轮转子动能转换为电能，飞轮转速下降实现能量的释放。
飞轮所存储的能量计算公式为：E=Jω2，其中J为飞轮的转动惯量，ω为飞轮旋转的角速度。
从公式中可以看到，飞轮存储的能量值与飞轮转速的平方以及飞轮的转动惯量成正比。
提高飞轮的转速可以更显著地提高飞轮存储的能量值。
飞轮储能系统的控制策略原理如图3所示。
飞轮储能系统共有三种工作状态，分别为充电、维持和放电，可根据系统电压的高低自动响应充放电动作。
当系统电压抬高，电压值U>U2+a时，飞轮储能系统处于充电状态，吸收外部电能进行存储，充电的功率随系统电压的升高而增大；当系统电压降低，电压值U<U2-a时，飞轮储能系统处于放电状态，向外部释放电能，放电的功率随系统电压的降低而增大；当系统电压值在空载电压附近波动时，为飞轮的旋转维持区域[U2-a。
U2+a]，飞轮执行维持转速指令，处于不充电、不放电的空转状态。
新型高效飞轮储能技术及其研究现状
文章编号:1004-132 (2002)17-1521-04新型高效飞轮储能技术及其研究现状赵 韩 教授赵 韩 杨志轶 王忠臣 摘要:飞轮储能系统具有高比能量、高比功率、高效率、长寿命等优点,被认为是未来理想的储能装置。
在对飞轮储能系统的工作原理进行一般性分析的基础上,对飞轮储能的关键技术作了较为详细的分析论述,最后介绍了飞轮储能的研究现状与应用前景。
关键词:飞轮储能系统;关键技术;研究现状;应用前景中图分类号:TH 133.7 文献标识码:A收稿日期:2001—01—07基金项目:国家自然科学基金资助项目(59975027);安徽省科委国际合作项目(01088015) 21世纪人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战,环境和能源问题已成为全球最重要的课题。
在不断开发新能源的同时,如何更有效地利用现有能源,已引起了人们的日益关注。
能量储存是实现能源高效利用的重要途径。
飞轮储能是一种具有广泛应用前景的新型机械储能技术。
现代电动 发电机技术、电力电子技术、新材料技术、磁悬浮技术和控制技术的最新进展,使这一新型储能技术的开发应用成为可能。
与其它储能技术相比,飞轮储能具有高比能量、高比功率、高效率、无污染、适用范围广、无噪声、长寿命、维护简单、可实现连续工作、可进行模块化设计制造等优点[1～3]。
在21世纪,这种储能技术势必会给能量储存带来一场革命,展示出绿色储能技术的发展前景。
1 飞轮储能系统工作原理飞轮储能系统,又称为电动机械电池、飞轮电池,是一种机-电能量转换和储存装置。
飞轮储能系统主要由高速飞轮、电动 发电机、轴承支承系统、功率电子变换器、电子控制设备以及附加设备(如真空泵、紧急备用轴承)等组成,是一种积木式的集成系统。
图1是飞轮储能系统工作原理图。
飞轮储能就是利用现代功率电子技术,由工频电网提供的电能,经功率电子变换器驱动电机带动飞轮高速旋转,飞轮以动能的形式把能量储存起来,从而完成电能—机械能转换的储能过程。
飞轮储能关键技术及其发展现状
飞轮储能关键技术及其发展现状张维煜;朱烷秋【摘要】飞轮储能是一种研究价值高、应用前景广阔的新型储能技术,具有大储能容量、高效率、无污染、适用广、无噪声、长寿命、维护简单及可实现连续工作等优点,它为解决目前广泛关注的能源问题提供了新途径。
本文阐述了飞轮储能的原理和五大关键技术（包括飞轮转子、轴承支承系统、能量转换环节、电动/发电机与真空室）,并分别以五大关键技术为出发点,详细论述了飞轮储能系统的国内外发展现状,指出了飞轮储能关键技术的未来发展方向。
%The flywheel energy storage system（FESS） is a new type of technology of energy storage,which has high value of the research and vast potential for future development.The FESS has distinct advantages such as high energy storage,high efficiency,pollution-free,wide in application, absence of noise,long lifetime,easy maintenance and continuous working and so on,which provides a new way to solve the terrible energy problem.Its operation principle,and five key technologies including the flywheel rotor,bearing system,energy conversion aspect,motor/generator and vacuum chamber are expounded.Then based on the five key technologies,the current development status of FESS at home and abroad is presented in detail,and moreover,the outlook of the key technologies of the FESS is pointed out.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2011(026)007【总页数】6页(P141-146)【关键词】飞轮储能;工作原理;关键技术;应用;发展现状【作者】张维煜;朱烷秋【作者单位】江苏大学电气信息工程学院,镇江212013;江苏大学电气信息工程学院,镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TH1331 引言能源问题是 21世纪人类所面临的重大课题之一，在不断开发新能源的同时，为了更有效地利用现有的能源需要发展先进的节能技术和储能技术。
飞轮储能产业发展现状
飞轮储能产业发展现状以飞轮储能产业发展现状为题，本文将从以下几个方面对飞轮储能产业的发展现状进行分析和阐述。
一、飞轮储能技术概述飞轮储能是一种将机械能转化为电能存储的技术，通过将电能转化为旋转动能，再将旋转动能转化为电能的方式，实现能量的储存和释放。
与传统的电池储能技术相比，飞轮储能具有快速响应、高效率、长寿命等优点，因此在能源储存领域具有广阔的应用前景。
二、飞轮储能产业的市场规模全球飞轮储能产业正逐步崛起。
据市场研究机构的数据显示，2019年全球飞轮储能市场规模达到了xx亿美元，预计到2025年将达到xx亿美元。
主要推动飞轮储能市场增长的因素包括能源需求的增加、可再生能源的普及以及对储能技术的需求等。
三、飞轮储能产业的应用领域飞轮储能技术在多个领域具有广泛的应用前景。
首先，在电力系统中，飞轮储能可以用于平衡电网的频率和电压波动，提高电网的稳定性和可靠性。
其次，飞轮储能还可以应用于电动汽车领域，提供高效率、高功率的能量储存解决方案。
此外，在可再生能源领域，飞轮储能可以解决能源的间歇性和不稳定性问题，提高可再生能源的利用率。
四、飞轮储能技术的发展趋势随着科技的进步和市场需求的增加，飞轮储能技术正朝着更高效、更可靠的方向发展。
首先，飞轮储能系统的转速和功率密度将不断提高，提高能量存储的容量和效率。
其次，飞轮储能系统的控制和管理技术将得到进一步的改进，提高系统的稳定性和可靠性。
另外，飞轮储能技术与其他能源技术的融合也将成为未来的发展趋势，例如与太阳能、风能等可再生能源技术的联网。
五、飞轮储能产业的挑战与机遇飞轮储能产业虽然具有广阔的应用前景，但仍面临着一些挑战。
首先，飞轮储能系统的成本较高，需要进一步降低成本，以提高市场竞争力。
其次，飞轮储能系统的体积较大，需要进一步缩小体积，以适应不同场景的需求。
同时，飞轮储能系统的安全性和可靠性也是需要解决的问题。
然而，飞轮储能产业仍然面临着巨大的机遇。
随着可再生能源的快速发展和能源转型的推进，飞轮储能将成为一种重要的能量储存解决方案。
飞轮储能市场分析报告
飞轮储能市场分析报告1.引言1.1 概述飞轮储能作为一种新型的能量存储技术，近年来受到越来越多的关注和应用。
随着可再生能源的发展和智能电网的建设，能量存储技术成为了解决能源消纳和平衡供需之间的矛盾的重要手段。
飞轮储能以其快速响应、高效率、长寿命等优势，逐渐成为能源存储领域的热门选择。
本报告旨在对飞轮储能市场进行深入分析，并探讨其发展趋势和前景。
首先，我们将介绍飞轮储能技术的基本原理和特点，然后对当前飞轮储能市场的现状进行分析，最后预测其未来的发展趋势。
通过本报告的研究，我们希望能够为行业相关人士提供有益的参考，促进飞轮储能技术的更广泛应用和发展。
1.2 文章结构文章结构部分：本报告将分为引言、正文和结论三个部分。
在引言部分，我们将对飞轮储能市场进行概述，并介绍本报告的文章结构，同时明确研究的目的和重点，最后对整篇文章进行总结。
在正文部分，我们将详细介绍飞轮储能技术，并对当前飞轮储能市场现状进行深入分析，同时对未来的发展趋势进行预测分析。
在结论部分，我们将重点总结本报告的主要观点和结论，展望飞轮储能市场的未来发展，并提出建议。
1.3 目的：本报告旨在对飞轮储能市场进行全面的分析和研究，以了解该市场的现状和未来发展趋势。
通过深入挖掘飞轮储能技术的特点、优势和应用领域，以及对市场的竞争格局、产业链和政策环境进行综合分析，希望能够为相关行业企业、政府部门和投资人提供有益的参考和决策依据。
同时，通过预测飞轮储能市场的发展趋势，掌握行业动态，为企业未来的战略规划和业务布局提供参考。
最终目的是为促进飞轮储能技术的发展和推广，推动清洁能源领域的可持续发展做出贡献。
文章1.4 总结部分的内容：在本报告中，我们对飞轮储能市场进行了深入分析。
通过对飞轮储能技术的介绍和市场现状的分析，我们发现飞轮储能技术具有巨大的发展潜力。
在未来，随着可再生能源的快速发展和能源储存需求的增加，飞轮储能市场将面临更多的机遇和挑战。
我们对飞轮储能市场未来发展趋势进行了预测，认为飞轮储能技术将在能源储存领域发挥越来越重要的作用。
飞轮储能技术研究的发展现状
C 2 磁炮% 电化学炮/ 要求在几个毫秒时间产出 ! 以满足负载的需要1 3 3 ’ 英国纽卡斯尔大 4 R 的放电/ ) 3 2 1 8 2 学研制了混合汽车的飞轮电池1 美国 E / + F D G B技术公司开发的先进飞行器姿态控制系统等 ’
超导磁悬浮与永磁支承相混合 7 休斯顿大学采用这种 支承方 式已浮起 ) C 4 ?的 飞轮转 子 / 永磁轴承提供悬浮力 / 而超导轴承用于消除系统固有磁 S 磁不稳定相互影响 ’ 试验表明 / 在真
! 2 织带缠绕 1 ’
从飞轮形状看/ 有单层圆柱状% 多层圆柱状% 纺缍状% 伞状% 实心圆盘% 带式变惯量与轮幅状等’ 美国的马里兰大学已经研究成功储能 ! 飞轮材料为碳纤维 00 环氧 3 4 56多层圆柱飞轮 / 树 脂 复 合 材 料/ 具 体 参 数 为7 外径 3 内径 3 厚 3 重 ) 最大转速 # 8 9 : # ! 8 : # 8 8 < = ! # > / ;% ;% ;% 4 ?
飞轮储能
飞轮储能1飞轮储能的工作原理和基本结构1.1飞轮储能的工作原理飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置。
该系统采用物理方法进行储能，并通过电动/发电互逆式双向电机实现电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换和储存。
在储能时，外界电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电机带动飞轮转子加速旋转，直至达到设定的某一转速。
在飞轮加速旋转的过程中，飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械动能转换的储存能量过程，能量储存在高速旋转的飞轮体中。
之后，飞轮以设定的那一转速旋转，直到接受到一个能量释放的控制信号。
释能时，电机作为发电机使用，高速旋转的飞轮拖动电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流和电压，完成机械动能到电能转换的释放能量过程。
在释能的过程中，飞轮的转速不断的下降。
整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出。
作为电能存储的手段之一，它与其它形式的储能方式相比，优缺点列于下表。
储能技术的比较环境控制无显著一些一些无无一些可用性正在开发，少量已用现在现在，地理限制现在，地理限制正在开发正在开发现在1.2飞轮储能的基本结构典型的飞轮储能系统由飞轮本体、轴承、电机/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所示是一种飞轮与电机合为一个整体的飞轮储能系统结构示意图。
飞轮本体是飞轮储能系统的核心部件，作用是力求提高转子的极限角速度，减轻转子重量，最大限度地增加飞轮储能系统的储能量。
目前多采用碳素纤维材料制作。
轴承的性能直接影响飞轮储能系统的可靠性、效率和寿命。
目前应用的飞轮储能系统多采用磁悬浮系统，减少电机转子旋转时的摩擦，降低机械损耗，提高储能效率。
飞轮储能系统的机械动能与电能之间的转换是以电动/发电机及其控制为核心实现的。
电动/发电机集成一个部件，在储能时，作为电动机运行，由外界电能驱动电动机，带动飞轮转子加速旋转至设定的某一转速；在释能时，电机又作为发电机运行，向外输出电能，此时飞轮转速不断下降。
飞轮储能系统研究进展、应用现状与前景
“ 敏捷 微处 理器 电力转 换 系 统 ” 当电压 式 电流 过零 ， 时能 大 幅地 提 高共 振频 率 ｊ并 长 期从 事 电磁悬 浮 ， 储 能 飞轮开 发 ， 采用 差 动平 衡 磁轴 承 ，已完 成储 能
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表 1 储能技术的比较
项目
效率 (% ) 储能容量
模块性 循环寿命 充电时间 地点可用性 储能测定 建设时间 环境影响 事故后果 环境控制
可用性
飞轮储能
～ 90 高 是 无限 分 极高 极好
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4 期 蒋书运等: 飞轮储能技术研究的发展现状
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空 0193Pa 下, 混合支承每小时功耗小于 5% 。 [4] 永磁悬浮与机械支承相混合: 美国西雅图的华盛顿大学, 正在研制 1kW h 永磁悬浮和宝石
太 阳 能 学 报 第
21 卷 第 4 2000 年 10 月
期
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V o l 1 21, N o 13
O ct. , 2000
飞轮储能技术研究的发展现状①
蒋书运 卫海岗 沈祖培
(清华大学工程物理系, 北京 100084)
基于飞轮储能能量输入、输出快捷, 可就近分散放置, 不污染、不损坏环境等特点, 因此, 国 际上大多数研究机机构均将飞轮开发最终目标定为实现电力调峰。
德国的 Fo rschung szen t rum ka rlsruhe Gm bH 1996 年着手研究储能 5MW h 100MW h 的 超导磁悬浮储能飞轮电站。电站由 10 只飞轮模块组成, 每只模块重 30t、直径 315m、高 615m , 转子 运行转速为 2250—4500r m in, 最大外缘线速度 600m s, 最大拉应力 810M Pa; 能量输入、输出采 用电动 发电机来实现, 系统效率 96%。 经过成本分析, 全部预算约耗资 14000DM kW h 。 [8]
1 飞轮储能的基本原理
早在 50 年代就有人提出飞轮储能的设想, 但 一直没有突破性的进展。近年来, 由于以下三方面 的突破, 给飞轮储能带来了新的活力: 一是高强度 碳素纤维和玻璃纤维的出现, 飞轮允许线速度可 达 500—1000m s, 大大增加了单位质量的动能储 量; 二是电力电子技术的新进展, 给飞轮电机与系 统的能量交换提供了灵活的桥梁; 三是电磁悬浮、 超导磁悬浮技术的发展, 配合真空技术, 极大地降 低了机械摩擦与风力损耗。
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2 飞轮储能的技术进展
211 国际飞轮储能技术现状 飞轮储能系统主要由转子、电动 发电机、电力转换器和真空室四部分组成。 (1) 转子系统 转子系统包括飞轮本体与轴承两部分。 (a) 飞轮本体 基于飞轮材料要求比强度 Ρb Θ(Ρb 材料强度极限, Θ材料密度) 最大的设计原则, 一般选用
以周计 良好 低 无
正在开发 少量已用
电池
～ 70 中 是 几百 时 中 差 月 大 中 显著
现在
抽水蓄能
～ 60 高 否 几千 时 低 极好 年 极大 高 一些
现在, 地 理限制
压缩空气 气体
< 50 高 否
几千 时 低
极好 年
极大 中
一些
现在, 地 理限制
小型超导 储能
～ 90 极低
是 无限
分 高 极好 周 良好 低 无
90 年代以来, 马里兰大学一直致力于储能飞轮的应用开发。 1991 年它们已经成功开发用 于电力调峰的 24kW h 电磁悬浮飞轮系统。 飞轮重 17218kg, 工作转速范围 11, 610—46, 345 r m in, 破坏转速为 48, 784r m in, 系统输出恒压 110 240V , 全程效率为 81%。经济分析表明, 运 行 3 年时间可收回全部成本[3]。 312 电动汽车的飞轮电池
文 摘: 飞轮储能技术已成为国际能源界研究的热点之一。从飞轮储能技术的技术进展 (包括飞轮 本体、转子支承系统、电动 发电机、电力转换器与真空室) 以及应用研究 (电力调峰、飞轮电池、不 间断供电、强力放电等) 角度出发, 系统地介绍了该技术国内外的发展现状及今后发展方向。 关键词: 飞轮储能系统, 电动机 发电机, 电力调峰, 飞轮电池, 不间断供电
超强玻璃纤维 (或碳纤维等) ——环氧树脂复合材料作为飞轮材料。 也有少量文献介绍用铝合 金或优质钢材制作飞轮。
复合材料飞轮本体制作工艺主要有预压缠绕和多环热装两种。 预压缠绕又分为线缠绕与 织带缠绕[2 ]。
从飞轮形状看, 有单层圆柱状、多层圆柱状、纺缍状、伞状、实心圆盘、带式变惯量与轮幅状等。 美国的马里兰大学已经研究成功储能 20kW h 多层圆柱飞轮, 飞轮材料为碳纤维——环氧 树脂复合材料, 具体参数为: 外径 01564m、内径 01254m、厚 01553m、重 17218kg, 最大转速 46345r m in [3 ]。 美国休斯顿大学的德克萨斯超导中心致力于纺缍形飞轮开发, 这是一种等应力设计, 形状 系 数 等 于 或 接 近 1, 材 质 同 样 为 玻 璃 纤 维 复 合 材 料, 储 能 1kW h、重 19kg、飞 轮 外 径 30148cm [4 ]。 美国 Sa tcon 技术公司开发伞状飞轮, 这种结构有利于电机的位置安放, 对系统稳定性十 分有利, 转动惯量大, 节省材料, 轮毂强度设计合理[5]。 伊朗 Sh iraz 大学机械工程系研制一种带式可变惯量飞轮, 用于电动车, 其目的为了节能 与系统平稳[6 ]。 多层复合材料飞轮采用过盈配合, 从而可提高转子的极限角速度, 增加储能有超导磁悬浮、电磁悬浮、永磁悬浮和机械支承四种, 也有四种中的 某二种组合。 超导磁悬浮: 采用这种方式的研究单位较多, 如日本三菱重工, 美国阿贡国家实验室等。但 最具规模的当数德国, 他们正在研制 5MW h 100MW 超导飞轮储能电站。 每只飞轮重达 12t, 整个电站需要 10 吨 YB azCu (bu lk YBCO ) 材料。 系统的效率高达 96%。[8]。 电磁悬浮: 马里兰大学长期从事电磁悬浮储能飞轮开发, 采用差动平衡磁轴承, 已完成储 能 20kW h 飞轮研制, 系统效率为 81%。另外大力开展电磁悬浮飞轮研究的还有劳伦斯国家实 验室等[3 ]。 机械支承: 这类支承方式的飞轮一般用于快速充放电系统。如美国 Kam an 电磁公司研制的电 磁炮、电化学炮, 要求在几个毫秒时间产出 200kA 的放电, 以满足负载的需要[9]。 英国纽卡斯尔大 学研制了混合汽车的飞轮电池[10], 美国 Sa tcon 技术公司开发的先进飞行器姿态控制系统等[5]。 超导磁悬浮与永磁支承相混合: 休斯顿大学采用这种支承方式已浮起 19kg 的飞轮转子, 永磁轴承提供悬浮力, 而超导轴承用于消除系统固有磁- 磁不稳定相互影响。 试验表明, 在真
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使摩擦最低, 同时轴向卸载, 减小下支承负载和摩擦功耗, 同时便于下端机械动压轴承形成全 油膜, 飞轮下端采用低功耗动压螺槽轴承; 上下支承处设有专门设计的油膜阻尼器来控制转子 振动; 永磁同步电动 发电机转子与飞轮做成一体, 结构简单、效率高、充放电同步、快捷; 飞轮 转子采用多层复合材料缠绕而成; 系统放置在真空腔里, 以降低风损。
正在开发
超导储能
～ 90 高 否
无限 时
很低 极好
年 很好
高 无
正在开发
燃气轮机
～ 50 无
> 30MW 几千 无 中 无 月 大 中 一些
现在
① 本文 1999207214 收到 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
轴承混合支承飞轮。 永磁悬浮用于立式转子上支承, 并卸载以降低下支承的摩擦功耗; 宝石轴 承作为下支承, 同时引入径向电磁支承, 作为振动的主动控制, 以确保系统的稳定性[11]。
(2) 电动 发电机 从系统结构及降低功耗出发, 国外研究单位一般均采用永磁无刷同步电动 发电互逆式双 向电机。电机功耗还取决于电枢电阻、涡流电流和磁滞损耗, 因此无铁静子获得广泛应用, 转子 选用钕铁硼永磁磁铁。 马里兰大学特别设计了磁芯叠片, 磁铁材料和磁芯缠绕方式, 电机总效率可达 94%。电枢 绕线采用三相 ∃ 连接, 同时, 每相具有 1 3 极距的交叠; 电枢的叠层材料选用 Ca rp en ter H ym u80, 每片用激光切割并用硅石涂层绝缘, 静子钕铁硼表面磁感应强度达 312kT , 大电机 气隙中强磁铁产生 014T 的磁通密度[12]。 美国劳伦斯国家实验室应用永磁钕铁硼棒料特别排列成静子, 产生一旋转偶极区, 转子多 相缠绕电感低, 静子铜损通过冷却加以控制[13]。 (3) 电力转换器 电力转换器是储能飞轮系统的控制元件。它控制电机, 实现电能与机械能的相互转换。输 入电能时, 一般将交流电转换成直流, 驱动电动机; 输出电能则将直流变成交流, 并具有调频、 整流、恒压等功能。 马里兰大学已开发出“敏捷微处理器电力转换系统”。 在电动模块时,“敏捷微处理器电力 转换系统”功能为电动机控制器; 而发电模块时, 其功能为交流转换器。该“电力转换系统”全部 为固定部件, 由固态开关、过滤器、控制电路及二极管组成, 属共振转换器。 当电压式电流过零 时, 使用自然整流以控制动力在“共振箱”内的输入、输出。因为电压电流为零开关操作, 加之自 然整流, 所以动力损耗极小, 这样共振频率能戏剧般地大幅提高[3]。 美国B eacon 动力公司采用脉冲宽度调制转换器, 实现从直流母线到三相变频交流的双向 能量转换。飞轮系统具有稳速、恒压功能, 此功能是运用一个专利算法自动实现, 而不需要指定 的主动或从动元件[14 ]。 (4) 真空室 真空室作用主要有二: 一是提供真空环境, 以降低风损; 二是屏蔽事故。真空度对系统效率 是一主要决定因素。 目前国际上真空度一般可达 10- 5p a 量级。 B eacon 动力公司设计一混凝土结构圆柱型真空室, 上端覆盖钢制安全盖, 并用螺母锁紧。 为了安全, 真空室置于地下[14 ]。 英国研究人员用低速运转试验证实: 氦气环境有利于减小风损; 提高真空度虽能降低风 损, 但因为稀薄气体环境散热功能减弱, 转子温升较高[15]。 212 国内飞轮储能技术现状 我国在飞轮储能方面研究刚刚起步, 1995 年始我校和中科院电工所等单位开始进行初步 研究。 我室自筹部分资金, 改建成用于飞轮研究的专用实验室。 鉴于国内在超导磁悬浮、电磁 悬浮方面技术差距, 且附件多, 成本高, 尤其磁悬浮电涡流功率损耗较大, 我们提出了永磁悬浮 与机械轴承混合支承储能飞轮结构方案。 飞轮上端采用自动对中永磁悬浮支承, 实现非接触,