飞轮储能系统及其工程应用

李 翀，王诗阳，赵金龙

（哈尔滨工程大学储能技术与应用研究所，黑龙江 哈尔滨 150001）

LI Chong，WANG Shiyang，ZHAO Jinlong

（Research Institute for Energy Storage Technology and Application，Harbin Engineering University，Harbin 150001， Heilongjiang，China）

能1源问题是当今人类面临的重要问题之一，石化能源的生产与使用已经严重威胁全球环境和气候的可持续性发展[1-2]。随着石油、煤炭、木材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、高使用寿命、充放电速度快、储能密度大、绿色环保等特点。到目前为止，飞轮储能系统已被广泛应用于航空航天、UPS电源、交通运输、风力发电、核工业等领域。随着复合材料技术、磁支撑技术、动发一体机技术和多学科优化设计技术的不断进步，越来越多的科研人员开始关注飞轮储能系统的研究。飞轮储能系统已经成为能量存储领域的研究热点之一，越来越多的研究成果已经呈现[3-5]。

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图[6]。系统充电时，外部DC 总线通过电力电子装置给动/发一体机供电，此时，动/发一体机作为电动机工作，驱动飞轮转子加速旋转；当飞轮转子达到一定工作转速时，电力电子装置停止驱动电动机，系统完成充电。当外部需要能量的时候，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，Ks为飞轮转子的形状系数；Km为飞轮转子材料的利用系数；Bσ 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。

图1 飞轮储能系统原理图Fig.1 A schematic diagram of a flywheel energy storage system

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。图2 为Beacon Power 公司生产的25 kW·h 储能飞轮结构。

（1）飞轮转子 早期的飞轮转子多使用钢或铝合金材料，这类转子具有重量大、转速慢、储能密度低等缺点。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。法国Socomec 公司和美国Beacon Power 公司生产的储能系统均采用了复合材料飞轮转子。图3 为Beacon Power 公司应用的大尺寸复合材料飞轮转子。

图2 Beacon Power 公司生产的25 kW·h 的储能飞轮Fig.2 The 25 kW·h flywheel energy storage unit produced by Beacon Power Company

图3 Beacon Power 公司的复合材料飞轮Fig.3 A composite flywheel used by Beacon Power Company

（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。当飞轮转子在高速旋转的时候，传统的机械轴承会消耗较多的能量，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[7-8]，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[9]。

（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。电力转换器的应用提高了飞轮系统的灵活性和可控性。在充电过程中，电力转换器采用恒转矩控制和恒功率控制两种变频控制方式，将交流电转换成直流电，驱动电机使飞轮加速旋转。当飞轮达到最高转速时，电力转换装置提供低压以便维持飞轮转速，降低转子系统的自身能量损耗。

（5）真空壳体 真空壳体是飞轮储能装置中的辅助系统。将高速旋转的飞轮转子至于真空状态下，主要是为了减少飞轮转子系统的风阻损耗。Acamley 等[10]的研究结果表明：真空度过高会降低储能系统内部的散热能力，导致飞轮转子的温度升高。相比于高真空度的状态，氦气环境下更有利于减小风损。

此外，飞轮储能系统内部还必须拥有健康监测系统，用以监测转子速度、转子振动和电机温度等相关参数。

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，提供可靠的电力运行系统。美国Beacon Power 公司已经在马萨诸塞州建成了1 MW 的调频电厂，且美国能源部又支持Beacon Power 公司建设两个20 MW 的飞轮储能电站。图4 为Beacon Power 公司建设的储能电厂。到目前为止，采用飞轮储能系统在电网上进行大规模的储能应用也仅有几年的时间，随着飞轮储能技术的进一步完善，它还可以被用于负荷中心的削峰填谷，提高电网的运行经济性[11]。

图4 Beacon Power 建设的飞轮储能电厂Fig.4 A flywheel energy storage plant established by Beacon Power Company

（2）交通运输的应用 文少波等[12]指出，汽车在正常行驶的时候，功率仅为最大功率的1/4 左右，而且汽车在制动减速时，很大一部分能量转化成热量被浪费了，因此，可以在车辆动力系统中加入飞轮储能装置进行功率和能量的调节。当汽车制动减速时，高速旋转的飞轮转子能够存储多余的能量；当汽车需要较大动力的时侯，如上坡、启动或者加速，飞轮释放能量配合发动机对车辆进行驱动。采用飞轮储能系统的汽车可以采用较小动力的发动机，故此实现节能减排的目的。20世纪80年代初，瑞士的一家工程公司研制了第一辆完全由飞轮供能的公共汽车，该车可以载客70名，行程约为0.8 km，在每一停靠站时，飞轮需要充电2 min[13]。在这之后，美国的飞轮系统公司、罗森公司、德克萨斯奥斯丁机电中心，英国的Flybird 公司都投入研发力量进行车载飞轮储能系统的研究。德克萨斯大学将飞轮储能系统安装在混合电动汽车中，该系统可加速至100 km/h，储存7.2 MJ 能量，峰值功率150 kW。图5为Flybird 公司研发的用于赛车的飞轮储能装置。文献[14]提出了一种新型飞轮引擎混合系统来代替如行星齿轮组这类复杂的传动系统。美国联邦铁道部门也提出了将飞轮储能系统应用于高铁的计划。

图5 Flybird 公司研发的飞轮储能装置Fig.5 A flywheel energy storage device developed by Flybird Company

（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，当月食出现时，飞轮储能系统仍然能够保障国际空间站的正常运行[15]。与化学电池相比，飞轮储能系统在能量存储密度、存储效率、使用寿命以及航天器的小型化、轻量化等方面均具有明显的优势。以EOS-AMI 型航天器为例，采用飞轮储能比采用NiH2电池的质量和体积分别减少了35%和55%[16]。在20世纪90年代末，飞轮储能系统在地球轨道卫星储能与姿态控制等方面的应用也得到了飞速发展。图6 为美国NASA 研制的飞轮储能系统。

图6 NASA 研制的飞轮储能系统Fig.6 A flywheel energy storage system developed by NASA

（4）风力发电系统的应用 风能具有随机性、间歇性特点，风电场输送到电网的能量也是随机波动的，给电网运行调度、系统安全运行带来巨大压力，这也成为制约风力发电规模的主要因素之 一[17]，目前已经有公司和研究机构尝试将飞轮储能系统引入风力发电。当风力发电机输出高于负载功率时，多余的能量将输出给飞轮储能系统，以机械能的形势储存起来；当风力发电机的输出功率未达到负载功率时，飞轮储能系统运行，将储存的机械能转化成电能以补偿输出功率的不足。美国的Vista Engineering Technologies 将飞轮引入到风力发电系统，实现全程调峰，飞轮机组的发电功率为 300 kW[18]。澳大利亚电力公司将飞轮和低载荷柴油机（LLD）技术应用于风力发电系统，安装在澳大利亚Coral Bay 的风力发电机与一台飞轮储能设备和一些低载荷柴油机组结合，使城镇电网中风力发电部分超过60%[19]。美国Beacon Power 公司的20 MW 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，建成后可以满足纽约州10%的储能需要[20]。

（5）UPS 电源的应用 飞轮储能系统的快速充放电性能使其具有强大的瞬间断电保护能力。邓成博[21]在报道中指出，当市电输入出现断点时，由于飞轮储能UPS 电源系统内的飞轮是在线运行状态，此时高速旋转的飞轮立刻转入发电机工作输出状态，向负载进行供电，因此输出并没有出现断点，完全满足了不间断供电。当市电输入频繁出现市电断点时，反复对飞轮储能装置进行充放电，对飞轮储能装置不会产生任何影响。而对于传统蓄电池式UPS 电源系统来讲，当市电输入频繁出现断点时，蓄电池会频繁的处于充放电状态，这样大大降低了蓄电池的性能和使用寿命。所以飞轮储能UPS 电源系统对瞬间断电起到了良好的保护作用，大大提高了整个供电系统的可靠性和安全性。钟景华[22]在报道中指出，对于大型数据中心来说，飞轮UPS可以提供15～120 s 的保障时间，这个过程完全可以保证柴油发电机的正常启动，保持数据中心电源不间断。美国的Active Power 公司宣布，其公司生产的UPS 储能飞轮系统已经帮助客户节省了两亿多度电能，代替了190 多万节的铅酸蓄电池，减少了超过80 万吨CO2的排放[23]。图7 为Active Power生产的UPS 飞轮储能系统。

图7 Active Power 公司的UPS 飞轮Fig.7 A UPS flywheel system of Active Power Company

（6）大功率脉冲电源的应用 脉冲功率技术，是把较小功率的能量以较长时间输入到储能设备中，将能量进行压缩与转换，然后在较短的时间以极高的功率密度向负载释放的电物理技术，在国防科研和高技术领域有着重要的科学意义与应用价值[11]。飞轮储能系统快速释放大电流的功能特性，使其完全可以作为大功率供电系统应用在这一领域。例如，美国的电磁炮就是采用飞轮储能系统结合补偿脉冲发电机来提高装置的功率密度和能量密度。此外，飞轮储能系统还可以应用在舰载机的电磁弹射、防空导弹的电磁弹射等设备中。

飞轮储能系统作为一种新型的能源存储与转换系统，将会在更多的应用领域展现它的多种优异性能。

4 结 语

飞轮储能是一项古老的技术，随着多学科优化设计技术、复合材料技术、磁支撑技术和动/发一体机技术的不断进步，现代飞轮储能系统已经成为一种绿色的能量存储装置。它具有能量转换效率高、使用寿命长、充放电速度快、储能密度大和绿色环保等特点。飞轮储能系统在UPS、航空航天、风能、电磁弹射等领域具有广阔的应用前景。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的差距。希望更多的研究人员和机构能够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。

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[22] http://news.ccw.com.cn/corp/htm2011/20110413_923202.shtml.

[23] http://www.nbd.com.cn/articles/2010-08-04/341215.html.