新型飞轮储能技术及其应用展望

葛举生，王培红

（东南大学 能源与环境学院，南京 210096）

飞轮储能系统（FESS）又称飞轮电池［1]，早在20世纪50年代就有人提出了利用高速旋转的飞轮来储存能量、并将其用于电动汽车的设想，但由于当时技术条件的限制，一直未取得突破性的进展。20世纪90年代以来，随着新材料和电力电子技术的飞速进步，飞轮储能及其应用也取得了重要进展，特别是高性能永磁材料、高温超导磁悬浮技术以及真空技术的进展，极大降低了飞轮转子的摩擦损耗和风损耗；高强度碳纤维复合材料的运用，飞轮允许的线速度可达到1 000m／s，极大提升了飞轮储能系统的储能密度；电力电子技术的新发展，使飞轮电机与电网之间灵活的能量转换成为可能。作为储能技术之一的飞轮储能，由于其寿命长、储能密度大、能量转换率高、不受充放电次数限制、安装维护方便以及对环境危害小等优点，已经开始越来越广泛地应用于国内外的许多行业中。

1 结构和原理

飞轮储能系统作为一种机电能量转换和储存装置，主要包括飞轮、电动机／发电机和电力转换器3个核心部分，见图1。飞轮储能系统充电时，从外界输入的电能驱动电动机转动，电动机带动飞轮旋转，将电能转化为飞轮的动能储存起来；放电时，用飞轮带动发电机旋转，通过发电机将飞轮的动能转化为电能，再通过电力转换器转化成外部负载所需要的各种频率、电压等级的电能。典型的飞轮储能系统包括飞轮、轴承、电机、电力电子变换器和真空容器等，见图2。

图1 飞轮储能系统原理图

图2 飞轮储能系统结构示意图

飞轮是该系统的核心部件，一般由特殊合成材料制成；采用磁悬浮轴承可以减少飞轮空转时的损耗、提高飞轮的转速。发电机和电动机采用一台电机，通过轴承直接和飞轮连接，为了减少风损，电机与飞轮都被密封在一个真空容器。为了减小整个系统的重量和外形，提高储能密度，电力转换器通常采用IGBT（绝缘栅极场效应晶体管）和 MOSFET（场效应晶体管）组成的双向逆变器。

2 关键技术

飞轮储能系统的关键技术，包括飞轮采用的复合材料的选择、轴承支承系统、电能转换系统和真空室的设计等。

2.1 飞轮采用的复合材料

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σ∶ρ，即材料的许用应力（σ）与密度（ρ）的比值高的材料来制作飞轮转子。表1给出了几种可以用于飞轮材料的许用应力、密度和等厚度圆盘飞轮理论储能密度e的基本数据。

表1 飞轮材料的基本数据［2]

由表1可知，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，并用用聚合物母基（如环氧树脂）作为填充物成型，美国Maryland大学所研制的20kWh多层圆柱飞轮储能装置，外径0.564m，内径0.254m，厚0.553m，重172.8kg，最大转速为46 345r／min［3]，飞轮就是采用这种碳纤维—环氧树脂复合材料。

2.2 轴承支承装置

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，因此减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［4]，轴承付不直接接触，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（－253～450℃）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。

磁悬浮技术常用的有永磁悬浮、电磁悬浮、超导磁悬浮等支承方式，美国Maryland大学、阿贡国家实验室、日本三菱重工、德国KFK核物理研究所等机构，对磁悬浮储能飞轮［5]、超导磁悬浮储能飞轮［6]等都进行了大量研究。

2.3 机电转换装置

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采用永磁无刷电机、感应电机、开关磁阻电机、同步磁阻电机等，其中永磁无刷电机在结构和功耗上有优势，目前采用得也比较多，例如美国Indigo能源公司的飞轮储能系统采用的三相永磁无刷电机，能量转换效率大于95%。

电子电力转换装置具有调频、整流和恒压等功能。轮储能系统运行在放电模式时，电子电力转换装置作为交流转换器把发电机输出的电能转换成常用的电源和频率；轮储能系统运行于充电模式时，电子电力转换装置变成电动机的控制器［3]。

2.4 真空室

真空室的主要作用是为轮储能系统的飞轮和电机提供真空环境，降低储能系统运行的风损，当飞轮发生事故时还可以起到屏蔽事故防止事故扩大的作用。真空度是决定系统效率的主要因素之一，目前国际上较先进的飞轮仓真空度一般可达到10－5数量级。不过提高真空度虽能降低风损，但因为稀薄气体散热功能减弱，导致转子温升较高［7]，因此必须综合考虑。

2 飞轮储能与其他储能方式的比较

作为电能储存的手段之一，将飞轮储能与其他储能方式相比较，如表2所示。

表2 飞轮储能与其他主要储能方式的比较

与其他储能方式相比，飞轮储能系统主要有以下几方面突出的优点：①储能密度高，瞬时功率大；②无过充电、过放电问题，飞轮不会因过放或过冲，而受到损害；③容易测量放电深度和剩余“电量”，充电时间较短，一般在几分钟内就可将电池充满；④使用寿命主要取决于飞轮储能系统中电子元器件的寿命，一般可达20年左右；⑤能量转换效率高，一般可达85%～95%；⑥对温度不敏感；⑦对环境无污染。当然，飞轮储能系统也有其局限性，如抗震性能差和稳定性不好等。但是随着制造工艺的提高和新型材料的不断涌现，这些问题有望逐渐得到解决。

3 应用

飞轮储能系统可以应用在电力峰值，消除电网中分布式发电系统电力的波动，也可以作为各种重要设备（如计算机、通信系统等）的不间断电源（UPS）［8]，还可以作为卫星和空间站的电源。

3.1 电力系统中的应用

采用抽水储能电站进行电力调峰虽然技术成熟，而且储能大、储能时间长，但抽水储能电站的建设受地理条件限制较多，还可能对环境造成一定破坏，抽水储能电站往往建设在离用电中心较远的地方，需要远距离输电。飞轮储能系统的运行没有地理限制，不污染或破坏环境，可就近分散建设，而且充放电比抽水储能电快捷，因此更适合用于电力调峰［9－10]，有很好的发展潜力。目前国内外许多研究机构都把飞轮储能系统开发的目标定为电力调峰。德国的Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh于1996年着手研究储能5 MWh／100MW的超导磁悬浮飞轮储能电站。试验电站由10只飞轮模块组成，每只飞轮模块直径3.5m、高6.5m、重30t，转子运行转速为2200～4 450r／min，最大储能125kWh，系统效率可达96%［6]。

在风力发电中，风电系统并网运行的关键问题是使风力发电机输出的电能保持恒定的频率和电压，而风速不稳定造成风力发电设备电力输出的不稳定给风电并网带来了许多困难。

考虑到飞轮的储能密度高、充放电快捷、充放电次数不限等优点，国外许多研究机构已将储能飞轮引入风力发电系统。美国Beacon Power（BCON）公司的20MW飞轮储能系统已在纽约州史蒂芬镇开建，用来配合当地风场［11]。飞轮储能系统在太阳能、潮汐、地热的利用中都有着良好的应用前景。

3.2 电动汽车上的应用

20世纪80年代初，瑞士Oerlikon工程公司研制成功完全由飞轮供能的第一辆公共汽车。飞轮直径1.63m，重1.5t，转速为3 000r／min，在氢气环境里以运行以降低风损。该车可载客70名，行程大约0.8km，在每一站停车时，飞轮需充电2min［12]。

采用飞轮混合电池，在汽车制动过程中，可以将制动能耗转化为飞轮的动能储存起来；当汽车需要大功率工作（如上坡、加速等）时，飞轮再通过发电机将动能释放供给系统使用。普通汽车稳定时的功率需求仅为峰值功率的1／4，这样就迫切需要引入能提供短时大功率输出的储能系统，而飞轮储能系统可以满足这种要求［12]。美国TEXAS大学已研制出一种汽车用飞轮电池，电池在车辆需要时可提供150kW的能量，使满载车辆能加速到100km／h［13]。

美国的劳伦斯国家实验室、英国的纽卡斯尔大学、加拿大的McMaster大学和德国的磁电机公司等的研究表明，合理设计飞轮电池，车辆运行可节能30%，并能减少75%的废弃排放量［12]。

3.3 航空航天上的应用

飞轮储能系统在地面上的成功应用已经引起了航天部门的关注，目前航天器蓄电池具有储能密度低、使用寿命有限、工作性能不稳定以及电量不确定等缺点。

美国自20世纪80年代就开始了飞轮储能系统在航天领域应用的研究，研究表明飞轮储能系统不仅能取代蓄电池作为航天器的储能装置，还可以利用储能飞轮的动量矩对航天器的姿态进行有效控制，省去航天器用于姿态控制的反作用轮（或控制力矩陀螺），大大减轻航天器的重量，飞轮储能系统取代镍氢电池和陀螺时，航天器重量将减少50%～70%［14]。

3.4 其他应用

飞轮储能系统还可以用在军事，如Texas大学Austin电动力学研究中心（UT－CEM）就为军用车辆开发了脉冲负载和运行负载调节的飞轮储能系统，该系统能储存25MJ的能量，并提供5MW的瞬时功率，可满足14t级军用车辆的脉动动力要求［15]。电磁炮的能量需求特点是在1～5ms内应输出数百千安的强电流脉冲，美国Kaman电磁公司在研制电磁炮、电化学炮时采用储能飞轮实现强力放电。此外，飞轮储能系统还可以用于大功率机车、赛车、鱼雷、大电焊机等设备中。

4 结论

现代高速飞轮储能技术储能密度大、比功率高，充放电快捷，寿命长随着材料技术、磁悬浮技术、电力电子技术等的进一步发展，以及节能和环保的需要，飞轮储能技术在21世纪将会得到更加广泛的应用。为了让飞轮储能技术实用化，待解决的问题主要有超大储能密度、大功率飞轮的研制，飞轮储能系统的功耗和生产成本的进一步降低，强力充放电系统稳定性的提高，以及系统的安全性、可靠性的加强等。

另外值得注意的是，飞轮储能系统应用领域还在向小型化、低廉化的方向发展，例如把飞轮储能制成手机等小型移动用电设备的电池。可以预见，伴随着科学技术和材料学的进步，飞轮储能系统将会像蓄电池和燃料电池一样，作为独立的能源系统向系统供电，并有望成为具有最大储能密度和比功率的能源供给系统。

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