飞轮储能系统研究进展、应用现状与前景

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服径 向脱层 的另一 个技 术措 施 是采 用 高弹 性材 料作
指 定 的主 动或从 动元件 。 Ｖ ｃｎ 司 开 发 出 １ ０ｋ 的 储 能 飞 轮 ， 速 ｙｏ 公 Ｗ ４ 转 ２ ０ ６０ ０ ｒｍ ｎ 能 提供 １ 工 业 Ｕ Ｓ应 用 的 ４０ ０～ ０ ／ ｉ ， ５Ｓ Ｐ ： ｊ
体 最 大 的移 动 式 复 合 材 料 飞 轮 重 达 ２２ ３ ｋ ， 高 ７ ｇ 最 转 速 １ ０ ／ ｉ ， 能 １ ０ ｋ ５０ ０ ｒｍ ｎ 储 ３ Ｗｈ的 复 合 材 料 飞轮 转 子 ¨ 目前 正在进 行 的“ 。。 阿尔 卑斯 ” 计划 系统 中 ，
（ ｅｔ ｌ ｏ ｔ ｎ ｅｓｙ Ｃ ａｇｈ １０ ３ Ｃ ｉ ） Ｃ ｎｒ ｕｈＵ ｉ ｒ ｔ， ｈｎ ｓａ ０ ８ ， ｈｎ ａＳ ｖ ｉ ４ ａ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｆ ｙ ｈ ｅ ｅ ｅ ｇ ｔｒ ｇ ｙ ｔｍ ｓａ Ｈ ｗ ｔｃ ｎ ｌｇ ｉ ｅｙ ｂ ｏ ｄ ａ ｐ ｉ ａｉｎ ｐ ｏ ｐ ｃ ｓ Ｔ ｉ ｐ ｐ ｒ ｄ — ｓｒ ｃ ： ｌｗ ｅ ｌ ｎ ｒ ｙ ｓｏ ａ ｅ ｓ ｓｅ ｉ ｅ ｅ ｈ ｏｏ ｗ ｔ ａ ｖ ｒ ｒ ａ ｐ ｌ ｔ ｒ ｓ ｅ ｔ ． ｈ ｓ ａ ｅ ｅ ｙ ｈ ｃ ｏ ｔｉ ｄ ｔ ｅ ｒ ｃ ｎ ｅ ｅ ｒ ｈ ｐ ｏ ｒ ｓ ｎ ｐ ｌ ａ ｉｎ ｓａｕ ｆｃ ｌ ｇ ｓ ｒ ｓ ａ ｃ ｎ ｔ ｕｅ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｏ ａ ｉｓ ａ ｏ ａｌ ｈ ｅ ｅ ｔ ｓ ａ ｃ ｒ ｇｅ ｓａ ｄ ａ ｐ ｉ ｔ ｔ ｔ ｓｏ ｏｌ ｅ ，ｅ ｅ ｒ ｈ ｉ ｓｉ ｔ ｓａ ｄ ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｃ ｍｐ ｎｅ ｔｈ ｍｅ ｅ ｒ ｃ ｏ ｅ ｔ ｙ
量 ：８ｋ ， ６ ｇ 飞轮 模 块 分 量 ：８ ｇ 电子 模 块 分 量 ９ ： ３３ｋ ， ０
Ｃ Ｍ） 力于适 用 于公 共 汽 车 的低 质量 、 性 能 的 Ｅ 致 高
复合材 料 飞轮 储能 系统 的研 制 ， 试 制 的 飞 轮储 能 在
系 统 飞 轮 转 子 高 速 旋 转 测 试 中 ， 高 转 速 可 达 最
ｐ ｏ ｐ ｃ ｓｏ ｙ ｈ ｅ ｎ ｒ ｔｒ ｇ ｙ ｔｍ． ｒ ｓ ｅ ｔ ｆ ｗ ｅ ｌ ｅｇ ｓｏ ａ ｅ ｓ ｓｅ ｌ ｆ ｅ ｙ Ｋｅ ｒ ｓ ｆ ｗ ｅ ｌｅ ｅ ｇ ｔｒ ｇ ； ｙ ｅ ｌｂ ｔ ｒ ｙ ｗｏ ｄ ： ｙ ｈ ｅ ｎ ｒｙ ｓ ａ ｅ ｆ ｗｈ ｅ ａｔ ｙ；ｅｅ ｔ ｃ ｐ ｗ ｒｃ ｎ ｉ ｏ ｉ ｇ ｕ ｉ ｔｒｕ ｔｄ ｐ ｗｅ ｙ ｔ ｍ ｌ ｏ ｌ ｅ ｌｃｒ ｏ ｅ ｏ ｄ ｔ ｎ ｎ ； ｎ ｎｅ ｒ ｐ ｅ ｏ ｒｓ ｓｅ ｉ ｉ
外 的研 究 机构 、 司在 飞 轮储 能 系 统方 面研 究进 展 公 与应用 现 状 。
能源 ， 中包 括风 能 、 阳能 、 热 能和 风 能 等 可再 其 太 地 生 能源 。在这 之前 ， 内酒 泉 一 次 的大 规模 风机 脱 国
网事故 ， 导致 电压 大 幅 波动 ， 至 波 及 甘肃 电 网 ， 甚 对 整 个西北 电 网造 成威 胁 。这一 切重大 事情 的背后 实 际上是能 源 的巨大需 求 与供 应关 系 的紧张 。为解 决 能 源生产 商和用 户 之 间 的供 需 矛 盾 ， 开发 新 能 源 的 同时并更 有效地 利 用 现有 的能 源 ， 需要 发 展 先进 就 节 能技术 和储能 技 术 ， 轮储 能 技 术 已经 成 为 储 能 飞
包 括一 个 ３Ｍｗ 涡轮 机／ 电机 与原 动机 的 ４ ０ＭＪ 发 ８ ， ２ＭＷ 飞轮储 能系 统耦 合 。 宾 夕法 尼 亚州 立大 学 的飞 轮储 能研 究 小组 致力
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于先进 复合 材 料 飞轮 的制 作 与 缠 绕 工 艺 ， 防 止径 为 向离 心应力 引 起 的脱 层 ， 层 的 三 个碳 纤 维 飞 轮 圆 外 环之 间有 弹性 聚亚 胺 脂 弹 性 过 渡 层 ， 问 的玻 璃 纤 中
０ 引 言
２１ ０ １年 ３月 １ ３发 生在 １本 本州 岛以东 的大 １１ ３ 地 震 引发 的核泄漏 事故 使各 国 的 目光转 向更安 全 的
室 。关 键技 术为 飞 轮结 构 设 计 和制 造 工 艺 、 磁悬 浮 轴承设 计和 实验 研究 、 高速 转 子 动力 学 研 究 与 高效 能量转 换技术 等 。其 中飞 轮 储 能具 有 储 能密 度 高 、
摘
要： 飞轮储能系统是应用前景广阔的新 技术 ， 详细地介绍 了国内 、 外高 等院校 、 科研 院所与科技企业 的最近
研究进 展与应用 现状 ， 论述 了该技术的应用方向与前 景 ， 并对飞轮储 能系统研 究进 展 、 应用现状与前景进行 了总结 。
关 键 词 ： 轮 储 能 ； 轮 电 池 ； 力 凋 峰 ； 间 断 电 源 飞 飞 电 不 中 图分 类 号 ：Ｍ３ Ｔ ８ 文献标识码 ： Ａ 文章 编 号 ：０ ４ ７ １ （０ １ ０ － ０ ８ ０ １ ０ － ０８ ２ １ ）８ ０ ６ － ４
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９ ％ ， 入可用 储 量 ２０ ０Ｗｈ 输 入 电 压 为 直 流 ３ ； ６ 输 ０ ， ６
Ｖ、８Ｖ或 ９ 额 外输 出功率 １ｋ ； 出电压 １０ ｊ ４ ６Ｖ， Ｗ 输 ２／
２ ０Ｖ Ｄ ５ ／ ０ Ｈ ， 大 输 出 功 率 ４ ｋ ； 子 分 ４ Ｃ，０ ６ ｚ 最 Ｗ 转
维 圆环 内外 均 与碳 纤 维 环 过 盈 预 压 力 装 配 ， 们 克 他
能 力 。飞 轮 在 真 空 中旋 转 ， 支 承 为 主 动 磁 轴 承 其
（ 磁悬 浮 ） 以尽 量减 少 损 失 轴 承 ， 具 有 高 功 率 电 ： ， 并 动 机／ 电机 耦 合 到 一 个 高 效 的 电 源转 换 模 块 。 发
适 应性 强 、 用范 围广 、 率 高 、 寿命 、 污染 和维 应 效 长 无 修 花费 低等优 点 。现 在 清 洁 能源 研究 越 来 越 热 ， 飞
轮储 能技 术发 展更 是 非 常迅 速 ， 内外 众 多研 究 机 国 构、 大学 与科技 公 司均投 入到此 项 目中 。如 美 国 、 欧 洲、 日本 等工业 强 国争 相 投 人大 量 的 研究 资 金 和人 力 ， 取得 了许 多 的研究 成 果 。本 文 主 要介 绍 国内 并
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飞 轮 储 能 系 统 研 究 进 展 、 用 现 状 与 前 景 应
朱桂 华 ， 金 波 ， 玉 柱 刘 张
（ 中南 大 学 ， 南 长 沙 ４ ０ ８ ） 湖 １０ ３
Ｐｒ ｇ ｅ ｓ， ｐ ｉ ａ ｉ ｎ ａ ｏｓ ｃ ｆＦｌ ｏ ｒ ｓ Ａ ｐｌｃ ｔｏ ｎｄ Ｐｒ ｐｅ ｔｏ ｙｗｈｅ ｌＥｎｅ ｇ ｔ ｒ ｇ ｙ ｔ ｍ ｅ ｒ ｙ Ｓ ｏ ａ ｅ Ｓ ｓｅ
Ｚ ｕ— ｕ Ｌ Ｕ Ｊｎ ｂ Ｚ ＮＧ Ｙ — ｈ ＨＵ Ｇ ｉ ｈ ａ， Ｉ ｉ — ｏ， ＨＡ ｕ ｚ ｕ
ａ ｄａ ｒａ ｎ ｂ ｏ ｄ，ａ ｄ ｉ ｒ ｄ ｅ ｈ ｉｅｃｉｎ ａ ｄ ｐｒｓ ｅ ｔ ｆｔ ｉ ｅ ｈ ｌ ｇ ｎ ｄ ｕ ｎ ｎｔｏ ｕｃ ｄ ｔｅ ｄ ｒ ｔｏ ｎ ｏ ｐ ｃｓｏ ｈ ｓｔｃ ｎｏｏ ｙ ａ ｄ ｍａ ｅ ａｓ ｍｍ ａ ｏ ｒ ｇ ｅ ｓ， ｐ ｌｅ ｔｏ ｓａ ￣ ｆｐ ｏ ｒ ｓ ａ ｐ ｉａ ｉｎ ｎｄ
电动机 以很 小 的功 率 带 动 电机 转 子 与 飞 轮 高 速 转 动 。飞轮 储 能装 置 主 要 结 构 为 飞 轮 转 子 、 承 （ 轴 支 承 ） 电动／ 电机 、 、 发 电力转 换 器 、 真 空装 置 及 真 空 抽
收稿 日期 ：０ １ ０ — ０ ２ １ — ５ ２ 改稿 日期 ：Ｏ １ ０ — ７ ２ ｌ — ６ ２
环 氧树 脂复合 材 料 ， 体参 数 为 ： 径 ５ ４ｍｍ、 具 外 ６ 内
径 ２４ ｍ 厚 ５ ３ｍ 重 １２ ８ ｋ ， 大 转 速 达 到 ５ ｍ、 ５ ｍ、 ７ ． ｇ 最
４ ４ ｍｉ。设 计 出的磁 芯叠 片 ， ６３ ５ｒ ｎ ／ 磁铁 材料 和磁 芯
缠绕 方式 ， 电机 总效率 可 达 ９ ％ 。电枢 绕 线采 用 三 ４
在 使用 和没有 飞 轮储 能 的胶 轮龙 门起 重机 的一 小时 燃 油及 废 气 排 放 测 试 中 ， 近 ２ ％ 的 燃 料 消 耗 减 有 １ 少 ， 比理论 上最 大 的预期 要 小 ¨ 它 。
德 国 Ｆ ｒｃ ｕ ｇｚｎｒｍ Ｋ ｒ ｒｈ ｍ ｈ公 司 ｏｓｈ ｎ ｓ ｔ ａｌ ｕ ｅ Ｇ ｂ ｅ ｕ ｓ １９ ９ ７年 动手设 想 ５ ＭＷｈ １０ ＭＷ 超 导 飞轮 储 能 电 ／０
１ １高等 院校研 究进 展 ． 马 里兰 大学从 １７ ９ ７年开 始 进 行 飞 轮储 能 系 统 的研 究 ， 其多层 圆柱储 能飞 轮 的转 子 材 料 为碳 纤 维
一
， 且 已有 对 而
飞 轮 储 能 产 品 应 用 于 风 电 系 统 的 产 品 应 用 介 飞轮 储 能的基本 原理 是 由电能驱 动 飞轮做 高速 旋转 ， 电能转 变为 机械能储 存 。 当外 界需要 电力 时 ， 再 把 电力 输 出为负 载所用 ； 当外 界不需 要 电力 时 ， 则
相 △连 接 ， 相具 有 １３极 距 的交 叠 ； 开发 出 的 每 ／ 已
“ 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
４ ０ ｍｉ。Ｕ — Ｅ 于 ２ ０ ５０ ０ｒ ｎ Ｔ Ｃ Ｍ ／ ０ ４年研 制 出 同时 期单
ｋ ； 计 寿命 ：０年 ， 均故 障距 离 时 间 ：０万 小 时 。 ｇ设 ２ 平 １ 在 ２０ ０ １年 ５月 ， 出全 新 １０ ｋ 高 功率 飞 轮 储 能 ｉ 推 ０ Ｗ 系统 ， 采用 脉 冲宽 度调 制转 换器 ， 现从 直 流母线 到 实 三 相变 频 交 流 的双 向 能 量 转 换 ， 有 稳 速 、 压 功 具 恒 能 ， 功能 是运 用 一个 专利 算法 自动实 现 ， 此 而不需 要
需求 中的一 种 。 目前关 于 飞轮储 能用 于风力 发 电系 统 中的应用 方 法 与 前 景 介 绍 的较 多 ¨ ， 采用 飞轮
储能单 元作 为并 网风 电场 的能量缓 冲装 置 以稳 定并 网风 电场 的功 率 输 出的 研 究 较 多
绍 ］ 。
１国 外 飞轮 储 能 系统 研 究进 展 与 应 用 现 状
２ Ｗｈ飞轮研 制 。 ０ｋ
一
宾 州州 立 大 学 复 合 材 料 制 造 技 术 中 心 （ Ｓ Ｐ Ｕ—
Ｃ Ｔ 在复 合 材 料 飞轮 的纤 维 束 缠 绕 、 百度文库成 型 、 Ｍ Ｃ） 固
儆 持电棚 ２１ 第 期 ０ 年 ８ １
系统 测试及 后 期 系统集 成 方面 做 了许 多有 效工 作 。 德克 萨斯 大学 奥斯 汀 分校 的机 电研 究 中心 （ Ｔ Ｕ