高储能密度飞轮的结构设计探讨

孟宪雄 李斌 庄光法

摘 要：如今世界现存的储能技术中，飞轮由于储能具有成熟的转换技术，还可以和低损耗支撑技术和高强高模等复合材料相结合，已经在各种竞争中占据了重要的位置。相较于其他的储能方式，它具有无污染、对环境的要求低、使用寿命长等优点。简单来说，飞轮储能系统属于机械蓄电池，目前飞轮研究受到的制约主要是转子的径向强度无法提升。

关键词：储能飞轮；现状；创新

飞轮电池的运行阶段主要有3个——能量输入、能量储存、能量输出。能量输入过程中，通过电子转换器将电能转换成动能，并将能量以动能的形式储存起来。在能量储存的过程中，飞轮转子一直保持着恒定的转速，来等待着能量释放这个控制信号的发出。能量输出的过程中，飞轮转子就相当于一个发电机，将动能再次转化为电能向负载供电。相比较于其他的储能方式，飞轮储能系统具有储能密度高、充电速度快、电量易测量以及对温度变化不敏感、使用寿命长、绿色环保等优点。飞轮储能应用广泛，是由于它具有相当成熟的恁俩转换技术，而且它还可以与低损耗支承技术以及高强高模复合材料相结合，目前被广泛应用于各种领域，如电磁炮、汽车功能、空间能源等领域，因此对高储能密度飞轮结构设计的探讨非常有必要。

1 飞轮研究的现在和存在的问题

1.1 国内现状

我国对于飞轮的研究已经有17年，最开始是由中科院电工所和清华大学开始着手研究，到2012年，清华大学已经在真空度为8Pa的真空室中成功实验了应用主动次选股轴承的飞轮转子，在实验中，设计的最大储能量为340Wh，在充电100min之后，飞轮的出能量达到了160Wh，这已经是不小的实验。但是由于飞轮电池的工程比较庞大复杂，我国现在的研究还处在初级的实验研究阶段，只是理论的模型还没有实际的产品，因此还没有投入商业使用。而低速飞轮的储能已经得到了充分成熟的研究，在10年前已经投入了商用。

1.2 国外现状

国外的研究技术已经取得了实质性的进展，如日本的NEDO所设计的飞轮，已经投入了使用。目前美国SATCON技术公司开发的伞状飞轮转子具有节省材料和转动惯性大、易于电机的安放等有点；机械轴承方面美国TSI公司利用新技术制造出的陶瓷轴承只有0.00001的摩擦系数，大大减低了轴承的损耗；主动磁轴承方面，马德里大学已经研制出能储能20KWh的飞轮，而且具有81%的系统效率；组合式轴承有3种研究方向，机械轴承和永磁轴承相混合方面，美国的华盛顿大学正在研制的是1KWh的宝石轴承和永磁轴承相混合的支承飞轮；在能量转换这个环节，“敏捷微处理器电力转换系统”已经由马德里大学研发出；发电机技术国外的研究水平一般，和国内一样，都是采用的互逆式双向电机；真空室方面BEACON动力公司用混凝土为材料设计出形状为圆柱体的真空室，不仅安全而且占地少，这是由于此装置没有被放在地面上而是被置于地下，并且采用多种保险方式来加强其安全程度。

2 高速飞轮的设计

飞轮中所储存的能量主要来源于飞轮的转速和惯性矩，而且最大储存量受到两方面原因的限制——材料的结构以及应力的大小。我们的设计目标就是在质量确定不变的条件下，使飞轮的体积和储存的能量成反比，主要指体积越小而储能越高。

通常情况下，高速储能飞轮的设计是由一个较小质量的轮毂搭载一个较大质量的轮缘这种结构模型，轮毂能进行两个方向扭矩的传递。因此，轮毂的外径要大于轮缘的内径，以便在飞轮停止转动的同时，轮毂和輪缘能够存在过盈配合。通过轮毂的中心孔、飞轮和轮轴相连接。并且，为了保证安全以及便于飞轮在轮轴上的固定，要使得轮毂中心孔周围的设计要足够的宽。下图给出了设计概念图：

之后再应用拉格朗日乘子法求得最优解，来实现高速飞轮的最优化。

飞轮储能运用的技术比较复杂，有磁悬浮技术、电子电路技术、控制技术以及复合材料力学方面的技术，多种技术的融合使得研究更加复杂，但是对于这些技术的应用又是必须的。现如今对于高速飞轮已经有了不少的研究，但存在的最主要问题有材料的强度不够，在不同转速下转子平稳运行的问题、磁悬浮轴承和温度的关系，以及控制一体化问题，因此 除了上述的策略之外，还可以从飞轮材料、飞轮稳定性、平衡性、传动系统的陀罗效应等方面进行策略的研究，来克服现如今高速飞轮储能系统中存在的问题，克服瓶颈。

3 结束语

高速飞轮储能的研究具有很大的应用价值，而且是世界性的，关乎全人类的生存。地球的能源是有限的，虽然人们已经意识到了这一点，但是在某些国家和某些地区还是存在着能源浪费的问题。针对这一情况，虽然人们已经开始寻找代替能源，但是这个方法在短时期是很难实现的，而且成果还未知。因此，能源的储存至关重要。低速飞轮储能系统已经得到成熟的研究并投入了使用中。在理论上，高速飞轮的储能系统要比低速飞轮储能系统不管是在消耗资源还是在储存能量上都要优化得多，但是对其研究没有达到成熟的地步，还不能投入使用，不过，通过科学工作者的不懈努力，相信在未来的不久，高速飞轮储能系统会给人们的生活带来便利。

参考文献

[1]王江波，赵国亮，蒋晓春，等.高速飞轮储能系统的研究与实现[J].电气传动，2014，1（5）：26-30.

[2]里卡多研发全新高速飞轮储能技术[J].汽车与配件，2015，2（3）：19.

（作者单位：核工业理化工程研究院）