飞轮储能系统及其工程应用

飞轮储能系统及其工程应用

（辽宁工程技术大学，机械工程学院）诉讼

摘要：飞轮储能系统是一种具有广阔应用前景的机械储能装置。本文介绍了飞轮储能系统的原理和基本结构，并阐述了飞轮储能系统在相应工程领域的应用情况。

关键字：飞轮；储能系统；应用

Application of Flywheel Energy Storage Technology

Liang-Shengzhao

(Liaoning Technical University,College of mechanical engineering,fluid power transmission and control engineering)

ABSTRACT：Flywheel is a mechanical based on energy storage method with a wide range of potential applications.In this paper,we introduce the principle and components of a flywheel energy storage system,and look at applications of the technology in relevant engineering fields. Key words:flywheel;storage energy system;application

能源问题是当今人类面临的重要问题之一，尤其是对于像阜新这样的资源枯竭型城市。随着石油、煤炭等不可再生能源的日益稀少，人们将目光转向了新能源以及能源存储系统的研究和开发应用。飞轮储能系统是一种绿色的能量存储装置，它具有高能量转换效率、储存密度大、绿色环保等特点。到目前为止，飞轮储能系统已经被广泛应用于航空航天、UPS电源、交通运输、核工业等领域。

1 飞轮储能系统的工作原理

图1为飞轮储能系统的工作原理。系统充电时，外接电源驱动飞轮转子加速旋转，当飞轮达到一定工作转速时，停止驱动电动机，系统完成充电。党外不需要能量时，高速旋转的飞轮转子降低转速，通过动/发一体机的发电功能将动能转化成电能释放。衡量飞轮储能系统性能的重要指标是系统的储能密度，即：

式中，K s为飞轮转子的形状系数；K m为飞轮转子材料的利用系数；αB为飞轮转子材料的许用应力；ρ为飞轮转子材料的密度；R为飞轮转子的外径。

2 飞轮储能系统的结构组成

按飞轮储能系统中的关键部件分类，可以将整个储能系统分为飞轮转子、支撑系统、动/发一体机、电力转换器、真空壳体等5部分。

（1）飞轮转子为了提高其性能，目前多以高性能连续纤维作为增强体，以树脂材料作为基体，采用预应力缠绕技术与多环过盈配合相结合的工艺制造出重量轻、储能密度大的复合材料飞轮转子。

（2）支撑系统飞轮储能系统的轴承支撑方式主要包括：机械轴承、被动磁轴承和主动磁轴承。为了提高整个储能系统的效率，多采用磁轴承作为低能耗的支撑方式，但为了避免磁轴承失效对转子系统造成的损伤，目前多选用机械辅助轴承配合磁轴承的支撑方案。

（3）动/发一体机动/发一体机是整个飞轮储能系统的核心动力源。机械能与电能之间的转换就是通过动/发一体机的相互转换实现的。使用动/发一体机可以大大提高整个系统的空间使用率，降低储能系统的总体重量。

（4）电力转换器电力转换器是储能飞轮系统中能量转换控制的关键部件，它具有调频、恒压、整流等功能。

（5）真空壳体真空壳体是飞轮储能装置的辅助系统，主要是为了减少飞轮转子系统的风阻损耗。不过相比较于高真空度的状态，氦气环境下更有利于减小风损。

3 飞轮储能系统的工程应用

（1）智能电网的应用飞轮储能系统可以从电网中快速吸收和释放电力，因此，飞轮储能系统与电力系统相结合可以解决电网稳定性和电能质量问题。这对于煤电之城阜新来说有重要应用。它可以在用电低峰期把电能转换成机械能储存起来，到用电高峰期时再释放出来用来弥补高峰期的电力不足。

（2）交通运输的应用汽车在正常行驶的时候，功率仅为最大功率的1/4左右，而且当汽车制动减速时，很大一部分能量转化成热量被浪费了。因此，如果在汽车中加上飞轮储能装置进行调节，当汽车减速时，用高速旋转的飞轮吸收多余的能量，到汽车加速或上坡时再释放出来，用来驱动汽车。

（3）航空航天领域的应用国际空间站的主要能量来源是太阳能，平时多余的太阳能可以用高速旋转的飞轮储存起来，等月食出现时再释放出来供空间站正常运行。并且它与化学电池相比，在质量和体积上减少了35%-55%。下图为NASA 研制的飞轮储能系统

（4）风力发电系统的应用阜新拥有天然的风力发电厂。但风能的特点是间歇性、不稳定性，如果把风电直接并网到国家城市电网，将造成整个电网的不稳定，给电网运行调度、系统安全运行带来巨大压力。这直接制约了风电的大规模发展。若在风电系统中引入飞轮储能系统，当风电的输出功率高于负载功率时，用飞轮储存起来，当低于负载功率时，将飞轮储存的机械能转化成电能以补偿输出功率的不足。

（5）UPS电源的应用当市电输入出现断点时，高速旋转的飞轮立刻转入发电机工作输出状态，向负载供电，因此输出并不会出现断点

4 结语

飞轮储能是一项新兴的技术，随着科学技术的发展，现代飞轮储能系统已经成为一种绿色的能量存储装置。它在UPS、航空航天、风能、汽车等领域有广阔的应用前景。目前，我国和美国等工业强国相比，在飞轮储能系统的研发，应用和资金配套等方面还存在一定差距。希望更多的研究人员和机构加入到飞轮储能系统的研发与应用工作中，为我国制造出具有自主知识产权的飞轮储能系统提供强有力的支撑。

参考文献

[1] Ma Bingqian(马炳倩), Li Jianqiang（李建强）, Peng Zhijian（彭志坚）, Ding Yulong（丁玉龙）. Paraffin based composite phase change materials for thermal energy storage: Thermal conductivity enhancement[J]. Energy Storage Science and Technology（储能科学与技术）,2012,1 (2): 131-138.

[2] Leslie M. A commentary on “The Energy Review[J]”. Power Engineering Journal, 2002, 16 (4): 175-181.

[3] Boukettaya G, Krichen L, Ouali A. A comparative study of three different sensorless vector control strategies for a flywheel energy storage system [J]. Energy, 2010, 35(1): 132-139.