飞轮储能

蒋书运

研究领域：

1、高速加工机床（高速精密电主轴；机床结构动、热态特性分析等）

2、电能存储新技术（飞轮储能系统）

项目

1、飞轮储能系统机电耦合与解耦设计的理论与方法；

国家自然科学基金；

2002-2004；

应用基础研究。

2、新型高效飞轮储能关键技术研究；

国家863计划项目；

2007-2009年；

高技术研究。

3、带电涡流阻尼器与大承载永磁悬浮轴承的储能飞轮转子动力学研究；

国家自然科学基金；

2012-2015；

应用基础研究。

4、中国博士后科学研究基金：飞轮储能系统机电耦合非线性振动与飞轮本体结构优化设计

文章

1、鞠立华, 蒋书运. 飞轮储能系统机电耦合非线性动力学分析[J]. 中国科学:技术科学, 2006, 36(1):68-83.

2、Jiang S, Lihua J U. Study on electromechanical coupling nonlinear vibration of flywheel energy storage system[J]. 中国科学:技术科学, 2006, 49(1):61-77.飞轮储能系统机电耦合非线性振动研究

3、Wang H, Jiang S, Shen Z. The Dynamic Analysis of an Energy Storage Flywheel System With Hybrid Bearing Support[J]. Journal of Vibration & Acoustics, 2009, 131(5):051006.具有混合轴承支撑的储能飞轮系统的动态分析

4、Jiang S, Wang H, Wen S. Flywheel energy storage system with a permanent magnet bearing and a pair of hybrid ceramic ball bearings[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2014, 28(12):5043-5053.具有永磁轴承和一对混合陶瓷球轴承的飞轮储能系统

一、什么是飞轮储能

飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。

飞轮储能系统主要包括转子系统、轴承系统和转换能量系统三个部分构成。另外还有一些支持系统，如真空、深冷、外壳和控制系统。基本结构如图所示。

转子系统

飞轮转动时动能与飞轮的转动惯量成正比。而飞轮的转动惯量又正比于飞轮直径的2次方和飞轮的质量（J=(0.5~1)*M*R^2,飞轮质量分布均匀时取0.5，质量完全集中在边缘时取1）。

当过于庞大、沉重的飞轮在高速旋转时，会受到极大的离心力作用，往往超过飞轮材料的极限强度，很不安全。因此，用增大飞轮转动惯量的方法来增加飞轮的动能是有限的。

轴承系统

支撑转子的轴承，支撑转子运动，降低摩擦阻力，使整个装置则以最小损耗运行。

转换能量系统

飞轮储能装置中有一个内置电机，它既是电动机也是发电机。在充电时，它作为电动机给飞轮加速；当放电时，它又作为发电机给外设供电，此时飞轮的转速不断下降；而当飞轮空闲运转时，整个装置则以最小损耗运行。

飞轮储能器中没有任何化学活性物质，也没有任何化学反应发生。旋转时的飞轮是纯粹的机械运动，飞轮在转动时的动能为：

E =1/2Jω^2

式中：J为飞轮的转动惯量

ω为飞轮旋转的角速度.

飞轮储能的技术优势是技术成熟度高、充放电次数无限以及无污染等特性。飞轮储能的能量密度不够高、自放电率高，如停止充电，能量在几到几十个小时内就会自行耗尽。适用于电网调频和电能质量保障。

二、飞轮储能的应用

飞轮储能技术在新能源中的应用

储能技术在很大程度上解决了新能源发电的随机性、波动性问题,可以实现新能源发电的平滑输出,能有效调节新能源发电引起的电网电压、频率及相位的变化,使大规模风电及太阳能发电方便可靠地并入传统电网。高速飞轮储能系统可以在瞬间释放出巨大电力以稳定电网波动。可实现对电网的调峰功能,从而替代水力、燃气发电厂,为电网运营商创造更可靠的供电系统。由此可见,飞轮储能技术能够提高电网对可再生能源的接纳能力。

飞轮储能技术在电动汽车中的应用

飞轮储能电源系统非常适合应用于混合电动汽车中。车辆在正常行使或刹车制动时,给飞轮储能电源系统充电;在车辆加速或爬坡时,飞轮储能电源系统放电,给车辆提供动力,保证车辆运行在一种平稳、最优状态下的转速,可减少燃料消耗,并可以减少发动机的维护,延长发动机的寿命。众所周知,在城区运行的各种车辆需要频繁的刹车制动、再启动。而刹车制动的能量,却以机械磨擦的形式转化为热能消耗掉。研究证明,此能量约占车辆使用能量的30%。如果能再利用这部分能量,则会产生巨大的经济效益。

飞轮储能技术在UPS供电系统中的应用

电力能源成本已经成为困扰数据中心运营者的头号难题。其中,UPS、空调等周边设备的耗电量大大高于主机电量。另外,酸铅蓄电池并非绿色环保的产品。因此,配备一套智能绿色UPS供电系统成为数据中心节能环保的重中之重。传统电源系统中的蓄电池需要空调制冷,而且24小时连续运转,耗能巨大。磁悬浮式飞轮储能UPS系统则无需空调,大大节省了运营成本;而且,其占用的空间也大幅减小;维护成本低,无需更换电池;寿命长达20年。

国内外飞轮技术的发展

三、国外飞轮储能技术发展现状

美国、德国、日本等发达国家对飞轮储能技术的开发和应用比较多。日本已经制造出在世界上容量最大的变频调速飞轮蓄能发电系统(容量26.5MVA ,电压1100V ,转速

510690r/min ,转动惯量710t·m2) 。美国马里兰大学也已研究出用于电力调峰的24kwh的电磁悬浮飞轮系统。飞轮重172.8kg, 工作转速范围11, 610—46, 345rpm, 破坏转速为48, 784rpm, 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。飞轮储能技术在美国发展得很成熟,他们制造出一种装置,在空转时的能量损耗达到0. 1 %每小时。欧洲的法国国家科研中心、德国的物理高技术研究所、意大利的SISE 均正开展高温超导磁悬浮轴承的飞轮储能系统研究。

1、美国宇航局（NASA）Glenn 研究中心及其合作单位

NASA飞轮主要应用于航空航天，以及军用装甲车辆上，用途主要是：能量储存；动力和姿态控制；峰值功率调节等。设计储能量：300-700W3S；储能密度44wh/kg；转速：60000rpm；线速度：不小于880m/s。目标建立和测试大型飞轮储能系统，目标：储能密度大于100wh/kg；线速度不小于1260m/s。工作高低转速比：3：1；放电深度：90%；运行转速内无临界模态，后期研究控制模态可能性。

2、Bescon Power 公司