磁悬浮储能飞轮技术研究及应用示范

磁悬浮储能飞轮技术

研究及应用示范

刘付成李结冻李延宝吕奇超

上海航天控制技术研究所

上海市空间智能控制技术重点实验室

摘要：飞轮储能系统是利用飞轮加、减速旋转实现电能与机械能

相互转换的装置。介绍了飞轮储能的基本原理以及磁悬浮储能飞轮研

究的关键技术，并对飞轮储能的目标市场进行分析。

关键词：飞轮储能；基本原理；目标市场

DOI: 10.13770/ki.issn2095-705x.2017.02.005

Research and Application

Demonstration of Maglev Energy

Storage Flywheel Technology

Liu Fucheng, Li Jiedong, Li Yanbao, Lv Qichao

Shanghai Aerospace Control Technology Institute

Shanghai Space In te llig e n t C ontrol Technology Key

Laboratory

Abstract: Flywheel energy storage system is a device to realize

mutual conversion of electric energy and mechanical energy by

acceleration and deceleration rotation.The article introduces basic

working principle of flywheel energy storage and key technology

of maglev flywheel energy storage research.The author analyzes

target market of flywheel energy storage.

Key words: Flywheel Energy Storage,Basic Working Principle,

Target Market

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。飞轮储能是可将电能、风能、太阳能等能源转化成飞

轮的旋转动能加以储存的一种新型的高效的机械储能技术。飞轮储能

的主要特点：①储能密度高、功率密度大，在短时间内可输出更大的

能量，这非常有利于电磁炮的发射和电动汽车的快速启动；②能量转

换效率高，一般可达85%〜95%;③对温度不敏感，对环境友好；

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刘付成等磁悬浮储能飞轮技术研究及应用示范上海节能

④使用寿命和储能密度不会因过充电或过放电而

受到影响，只取决于飞轮电池中电子元器件的寿

命，一般可达20年左右；⑤容易测量放电深度和

剩余“电量”；⑥充电时间短，是属于分钟级别；

⑦与某些其他装置组合使用时，如与其他动力装

置一起混合用于电动汽车上，与卫星姿态控制装

置结合用于卫星上，与传统的发电机组混合用于

分布式发电系统中，其优势更加明显。

1飞轮储能工作原理

储能飞轮是一种机械储能装置，当飞轮以一

定的角速度旋转时，它便具有了动能。飞轮的转

速增加，其所存储的能量也跟着增大；飞轮的转

速降低，其所存储的能量便減少。假设飞轮的转

动惯量为•/，飞轮转动的角速度为《，质量为w，

飞轮半径为r，则飞轮存储的能量可以表示为：

E = 2 JC°(1)

飞轮电池正常工作时，飞轮转速在最大转速

«m a x和最小转速《 _之间，那么飞轮储能可以吸

收或放出的能量大小为：

X =1-AE = ^J^max-

&为放电深度。

Jot(2)

飞轮存储或释放能量的功率为：

P-dW d^Jo1)

-字，-"。)尝(3)

dt dt

其中M为飞轮的电磁转矩，存储能量时转矩 与转速同向，释放能量时转矩与转速反向。

2磁悬浮储能飞轮技术研究

2.1超高速转子设计技术研究

飞轮的储能量与其角速度的平方成正比，因此提高飞轮转子的转速可以显著提高飞轮的储能 量。但是飞轮高速旋转产生的巨大向心力，要求 采用比强度〇:P，即材料的许用应力（〇)与密 度（P)的比值高的材料来制作飞轮转子。高强度合金钢的比强度和制成的飞轮储能密度都远不及

高强度纤维材料，所以目前储能飞轮一般都采用

高强度碳纤维复合材料。高强度碳纤维复合材料

以碳纤维为主，并用聚合物母基（如环氧树脂）

作为填充物成型。从某种意义上说，飞轮储能系

统所能存储的最大能量受飞轮结构材料及所建立

并分布在其中的应力大小限制，所以有必要对储

能系统飞轮转子材料进行研究。

美国Maryland大学已经研究成功储能20 kWh

多层圆柱飞轮，飞轮材料为碳纤维一环氧树脂复合

材料，具体参数为：外径564 mm、内径254 mm、

厚 553 mm、重 172.8 kg，最大转速 46345 r/min[1]。

美国Houston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，材质为玻璃纤维复合材料，储能

1kWh、重 19 kg、飞轮外径 304.8 mm[2]。

2.2高稳定、高可靠磁悬浮支承技术研究

飞轮储能系统无论处于充放电状态还是待机

状态，飞轮都必须不停地高速旋转，因此減少轴

承的摩擦损耗对于飞轮储能系统的效率很重要。

传统的机械轴承支承摩擦损耗比较大，采用机械

轴承的飞轮储能系统，储能过程的能量损失会很

大。采用磁悬浮轴承支承飞轮，轴承副不直接接触，

因此轴承的运行稳定，运行过程基本上无磨损，

轴承的工作寿命长。由于磁悬浮轴承没有直接接

触面，因此也无需润滑和润滑介质，避免了润滑

剂泄露环境污染，省略了传统润滑系统所需要的

泵、管道、过滤器和密封件等，并能在高温或极

低温等特殊环境下工作。飞轮储能系统采用磁悬

浮轴承后，只要飞轮的材料有足够的机械强度，

飞轮的转速就可以大大提高，储能密度也因此得

到提高。

2.3高效率电动机/发电机_体化技术研究

飞轮储能系统的电能转换装置，包括电动机/

发电机和电子电力转换元件。由于飞轮储能系统

的电机转速很高，而且必须在真空环境中工作，

因此电机运行过程中的散热条件很差，所以对电

机的要求非常高。飞轮储能系统的机电转换装置

可以米用永磁无刷电机、感应电机、开关磁阻电机、

2017年第02期

SHANGHAI ENERGY CONSERVATION81

节

能

论

坛

ENERGY

CONSERVATION

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