飞轮储能系统关键技术及其研究现状

张新宾，储江伟，李洪亮，孙中鑫，阮文就

（东北林业大学交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

在中国经济快速发展的同时，能源和环境问题已成为了阻碍中国经济快速发展的障碍。然而，在能源如此短缺的情况下，使用目前的耗能设备和耗能方式却使世界上50%～70%的能量白白浪费了[1]。因此在开发新能源的同时，研究如何回收存储被白白浪费的能量也是非常重要的。目前的储能方式主要有化学储能、物理储能和其它储能，在这几种储能方式中，化学储能技术比较成熟，并已得到广泛应用，但是它使用寿命短、受外界条件影响显著、对环境不够友好；超导储能成本高、对环境要求苛刻，暂时还不适合大规模应用；物理储能是利用物理方法将能量存储起来，所以不存在环境污染问题，比较适合当今的发展要求。物理储能方式主要有抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能。在这几种物理储能方式中，飞轮储能以其在使用寿命、充电时间、充放电效率方面的突出特点得到了广泛关注。

1 飞轮储能系统的结构及工作原理

1.1 飞轮储能系统基本的结构

飞轮储能系统又称飞轮电池，其基本结构是由飞轮、轴承、电动机/发电机、电力电子控制装置、真空室等5个部分组成[2]。其中飞轮是飞轮储能系统的关键部件，一般选用强度高、密度相对较小的复合材料制作；轴承是支撑飞轮的装置，由于磁悬浮支承可以降低摩擦损耗提高系统效率而成为了支撑技术的研究热点；飞轮储能系统的电机是一个集成部件，可以在电动和发电两种模式下自由切换，以实现机械能和电能的相互转换；电力电子控制装置主要是对输出和回馈的电能进行控制，通过对电力电子控制装置的操作可以实现对飞轮电机各种工作要求的控制；真空室的功用有两个，即为飞轮提供真空环境降低风阻损耗又在飞轮高速旋转破裂时起到保护周围人员和设备的作用。图1给出了一种飞轮储能系统结构简图。

1.2 飞轮储能系统的工作原理

飞轮储能系统是利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式存储起来的装置。它有3种工作模式，即充电模式、保持模式、放电模式。充电模式即飞轮转子从外界吸收能量使飞轮转速升高，将能量以动能的形式存储起来；放电模式即飞轮转子将动能传递给发电机，发电机将动能转化为电能，再经过电力控制装置输出适合于用电设备的电流和电压，实现了机械能到电能的转化；保持模式即当飞轮转速达到预定值时既不再吸收能量也不向外输出能量，如果忽略自身的能量损耗其能量保持不变，如图 2所示。高速旋转的飞轮以动能的形式存储的能量可以表示为[3]

式中，v为飞轮边缘线速度；m为飞轮的质量；J为飞轮的转动惯量；ω为飞轮的角速度。

由式(1)可知飞轮具有的能量与飞轮的转动惯量、飞轮角速度的平方成正比，由此可知提高飞轮储能量的方法有增大飞轮的转动惯量和提高飞轮转速。由于可将飞轮看似圆盘，因此计算飞轮转动惯量的公式为

式中，r为飞轮的转动半径。

2 飞轮储能系统关键技术分析

早在20世纪50年代，飞轮储能技术就受到人们的关注，并将其应用于电动汽车中，但是受当时技术水平的限制，未能取得突破性进展。直到 20世纪90年代，由于与飞轮电池储能相关的技术取得了突破性进展，才使飞轮电池储能进入了快速发展阶段。

2.1 飞轮转子技术分析

飞轮储能系统依靠飞轮转子的高速旋转来存储能量，从飞轮储能原理可知飞轮转速越高其存储的能量就越多。然而随着飞轮转速的升高，飞轮在离心力作用下使其内部所受应力不断增大，受材料许用应力的限制使飞轮转速不可能无限制的增加。为了保证飞轮能够安全可靠地运行，在选择飞轮材料时必须进行应力计算，根据计算结果仔细选择飞轮材料，对于一个薄壁圆筒飞轮有[4]

式中，δ为材料的最大抗拉强度，Pa；ρ为材料的密度，kg/m3；J为飞轮的转动惯量，kg·m2；ωm为飞轮转子的极限角速度，r/s；r为飞轮的旋转半径，m；e为飞轮在高速旋转时引起的应力达到材料抗拉强度极限值时单位质量转子所存储的能量，即飞轮的极限储能密度。

图2 飞轮储能系统工作原理简图Fig.2 Flywheel energy storage system working principle diagram

由式(3)可知飞轮的储能密度与材料的抗拉强度成正比，与飞轮材料密度成反比。因此为了增加飞轮的储能密度应该选用高比强度（δ/ρ）的材料制作飞轮。表1给出了不同飞轮材料的物理参数，其中储能密度值是计算的等厚圆盘飞轮的理论值。从表中可以看出，高强度钢和铝合金在抗拉强度和储能密度两个方面均不及复合材料，这也是早期飞轮储能技术难以取得突破进展的原因之一，复合材料在抗拉强度和储能密度方面表现出的优良特性使得复合材料成为制造飞轮转子的理想材料。

表1 不同材料飞轮的最大储能能力[5-6]Table 1 Maximum energy storage capacity of different material flywheel[5-6]

有研究表明，提高飞轮电池储能密度的先决条件是制作飞轮的材料要有很高的强度，在材料满足条件的前提下还要考虑飞轮的制作工艺，由于复合材料的各向异性，导致其沿纤维方向强度很高，而垂直纤维方向表现强度很低，为了最大限度地发挥复合材料沿纤维方向强度高的优点，一般采用环向缠绕的多层圆环结构[7]。

2.2 支承轴承技术分析

飞轮转速的大小，可以决定飞轮电池存储能量的多少，然而飞轮电池储能系统中飞轮所能达到的极限转速除与飞轮本身的属性有关外，还与支承轴承的选择有很大关系。因为飞轮电池在能量保持模式时飞轮需要保持高速运转，这就需要轴承的摩擦损耗尽量小甚至为零，以减少能量白白地损耗，从而提高系统的储能效率。轴承在承受飞轮本体重量的同时，还要承受飞轮转子在高速旋转时引起的离心力，这就要求支承轴承既要损耗少又要强度高。目前的支撑轴承可分为机械轴承、磁悬浮轴承和组合式轴承等。

机械轴承由于摩擦损耗大、承载的极限转速低，不适合单独作为高转速飞轮储能系统的支撑方式，由于其支撑强度高、结构紧凑的优点，使得机械轴承适合于作为保护轴承或作为短时间快速充放电飞轮系统的支撑方式使用。

磁悬浮轴承可以在无机械接触的情况下承载，无机械摩擦损耗提高了系统储能效率，延长了轴承的使用寿命，使其成为了飞轮储能系统的理想支撑方式。磁悬浮轴承分为永磁轴承、超导磁轴承和电磁轴承。

永磁轴承一般是由一对或多个磁环按一定的排列方式组合而成，随着永磁材料的发展，永磁轴承的承载能力也在不断提高。然而要想单独使用永磁轴承实现稳定悬浮是不可能的，通常将永磁轴承和其他轴承混合使用，这样既可以达到稳定悬浮又可以提高储能系统的效率。

超导磁轴承是由超导体和永磁体组成。它是利用超导体的磁通钉扎效应和迈斯纳效应使飞轮处于稳定悬浮状态，由于无需控制装置、能耗损失小、使用寿命长使它得到了广泛关注。然而超导磁轴承需要复杂的制冷装置使其运行在低温条件下，不利于储能装置的小型化且整体费用偏高。

电磁轴承又称主动磁轴承，它使用反馈控制技术对飞轮进行主动控制，提高了系统的安全性和稳定性，这是电磁轴承的突出优点。电磁轴承的主要缺点是系统比较复杂、成本比较高，且需要辅助轴承支承。

目前，无论是机械轴承还是磁悬浮轴承都具有各自的优缺点，所以在实际使用中经常将几种轴承组合起来使用以达到更好的效果。

2.3 电动/发电机技术分析

在飞轮储能系统中，机械能与电能之间相互转换是依靠集成的电动/发电机来实现的，所以电动/发电机性能的好坏直接影响着飞轮储能系统的效率。飞轮储能系统在充电时，飞轮转速增加到设计的极限转速，在这个过程中电动/发电机的转速也在不断升高；而在放电过程中随着飞轮转速的不断降低，电动/发电机的转速也随之下降。因此在飞轮储能系统的充放电过程中，电动/发电机的转速是在不断变化的，这就要求飞轮储能系统选用的电动/发电机应该满足高转速、高效率、自损耗低，适应宽转速范围等条件。目前条件下可选择应用于飞轮储能系统的电机有开关磁阻电机、感应电机、永磁电机等。表2给出了3种电机的相关性能参数对比。

表2 几种电机的相关性能参数对比[8]Table 2 Several motor-related performance parameters comparison[8]

永磁电机以其效率高、能量密度大、维护方便、可在宽转速范围内高效率运行等特点在飞轮储能系统中得到了广泛的应用。

2.4 电力电子装置技术分析

电机选定之后，电力电子装置的性能直接影响着飞轮储能系统的效率。飞轮储能系统中的动能和电能之间的转换是电动/发电机在电力电子装置的控制下实现的，输入电能时将交流转化为直流驱动电机，使飞轮转速升高，存储能量；输出电能时将直流转化为交流并经过整流、调频、稳压后供给负载。而且电力电子装置的使用寿命也决定了飞轮储能系统的寿命。

美国Beacon Power公司使用脉宽调制转换器，实现了能量从直流母线到三相变频交流的双向转换，并且可自动实现飞轮系统稳速、恒压的功能。

2.5 真空室技术分析

要提高飞轮储能系统的效率除了要减少摩擦损耗外尽量减低风阻损耗也是非常必要的，对于高速飞轮减少风阻的有效方法是将飞轮置于真空室内，这样既可以有效降低风阻损耗又可以对事故进行屏蔽。以目前的技术制造这样的真空条件并不难，但是如何长时间保持这种状态才是问题的难点，要想解决这个问题就必须解决密封和真空室内材料逸出气体的问题。真空度对系统效率起着主要的决定作用，目前国际上的真空度可以达到10-5量级。随着真空度的增加风阻损耗明显下降，但是在此环境下散热性能减弱，飞轮本体温度升高较快。英国研究人员已经验证了在低速运转条件下，氦气环境可以减少风阻损耗。

3 飞轮储能系统技术研究现状

3.1 飞轮转子技术现状

为了提高飞轮的储能能力，选择合适的飞轮转子材料和合理的外形结构是非常必要的。目前的飞轮的材料可分为金属材料和复合材料，与金属材料相比，复合材料具有强度高、密度小、使用寿命长等优点而得到了广泛应用。但金属材料设计技术比较成熟，所以也仍有人在研究。

美国Active Power公司研发的基于飞轮储能的电源系统转子使用的材料是 4340锻铁，飞轮转速最高可达到 7700 r/min，并且该系统已经规模化生产[9]。

波音公司在2010年设计的复合材料飞轮转子，采用了环向缠绕的3层圆环结构，根据每层的受力特点使用了不同规格的碳纤维，使得飞轮的整体强度和材料利用率都得到了提高[10]。

北京航空航天大学使用碳纤维材料制造飞轮储能系统用于航天器的姿态控制和能量存储，该飞轮转速可达 500000 r/min，储能密度为 36.1 W·h/kg[11]。

2012年7月，清华大学设计的质量为1200 kg的低速重型合金钢飞轮转速达到了3600 r/min。该储能系统实现了100 kW充电/500 kW发电运行，并且在储能量和发电功率方面已经具备了工业应用的条件[12]。

3.2 支承轴承技术研究现状

为了保持飞轮储能系统的能量，飞轮需要长时间保持高速的旋转，这时消除轴承的摩擦损耗是非常必要的，这也是延长系统寿命所必须的。传统的机械轴承摩擦损耗大，只适用于短时间的储能，然而由于其结构简单紧凑可用于紧急状态的保护轴承，由于磁悬浮轴承可以实现无接触的支撑，消除了摩擦损耗而受到了广泛关注。

韩国电力公司研究所研发的组合式轴承飞轮储能系统，飞轮转速可达到12000 r/min，该系统的组合式轴承是由一个高温超导次轴承、一个角接触球轴承和一个主动电磁阻尼器组成的[13]。

波音公司研制的使用高温超导磁轴承的小型飞轮储能系统，在全速时飞轮可以储存 5 kW·h的动能，它能够提供3 kW的三相208 V电源到电力负载[14]。

中国电力科学研究院研制出了一种可作为电动汽车辅助动力源的五自由度的主动磁悬浮轴承飞轮电池储能系统，并进行了飞轮电池样机的 30000 r/min旋转试验[15]。

西南交通大学超导技术研究所研制了一台高温超导磁悬浮飞轮储能样机，并实现了电能、机械能的相互转换，该系统的飞轮转速可以达到13000 r/min[16]。

3.3 电动/发电机技术发展现状

飞轮储能系统机械能和电能之间的转换是依靠集成的电动/发电机来实现的，为适应飞轮储能系统高转速的需要，可供选择的电机有开关磁阻电机、同步磁阻电机、永磁电机和感应电机等，其中永磁电机以其效率高、能量密度大、维护方便、可在宽转速范围内高效率运行等特点得到了广泛应用。

韩国忠南大学的 Jang等[17]对飞轮储能系统使用的高速永磁同步电机进行了研究，并于2009年设计了一台高速双转子永磁电机，该电机的功率为30 kW/（20000 r/min），在 6000～13084 r/min 转速范围内其效率均在99%以上。

美国宇航局在 2012年设计的由两台锥型永磁同步电机组成的磁悬浮永磁电机可以实现电机转子五自由度主动控制，省去了磁轴承，进而减小了系统的功率损耗，提高了系统效率，转子的极限转速也有所增加[18]。

北京航空航天大学研制了用于航天器姿态控制和储能两用的飞轮储能系统用高速永磁无刷直流电机，该电机采用一种非常适合于空心杯型定子电机的新型Halbach磁体结构，使得飞轮储能系统的整体体积和质量大大减小，并且降低了定子功耗[19]。

4 结 语

飞轮储能作为一种新型能源储备方式以其储能密度高、使用寿命长、能量转换效率高、充电时间短、对环境友好等优点受到了人们的广泛重视，并已成功在电动汽车、不间断电源（UPS）、风力发电、航空航天、轨道交通等领域得到了应用。随着新型特殊材料技术、磁悬浮轴承技术、现代电力电子技术等技术的不断发展，飞轮储能技术的优越性得以充分展现，这使得飞轮储能技术的应用范围越来越广泛，从而吸引了更多的企业加入到了飞轮储能的研发队伍之中。

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