飞轮储能

飞轮储能

1引言

飞轮储能思想早在一百年前就有人提出，但是由于当时技术条件的制约，在很长时间内都没有突破。直到20世纪60~70年代，才由美国宇航局(NASA)Glenn研究中心开始把飞轮作为蓄能电池应用在卫星上。到了90年代后，由于在以下3个方面取得了突破，给飞轮储能技术带来了更大的发展空间。

(1) 高强度碳素纤维复合材料(抗拉强度高达8．27GPa)的出现，大大增加了单位质量中的动

能储量。

(2) 磁悬浮技术和高温超导技术的研究进展迅速，利用磁悬浮和真空技术，使飞轮转子的摩

擦损耗和风损耗都降到了最低限度。

(3) 电力电子技术的新进展，如电动／发电机及电力转换技术的突破，为飞轮储存的动能与

电能之间的交换提供了先进的手段。储能飞轮是种高科技机电一体化产品，它在航空航天(卫星储能电池，综合动力和姿态控制)、军事(大功率电磁炮)、电力(电力调峰)、通信(UPS)、汽车工业(电动汽车)等领域有广阔的应用前景。

2飞轮储能系统的工作原理和基本结构

2.1飞轮储能的工作原理

飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置，突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。通过电动／发电互逆式双向电机，电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换与储存，并通过调频、整流、恒压与不同类型的负载接口。

在储能时，电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电机带动飞轮加速转动，飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械能转换的储存能量过程，能量储存在高速旋转的飞轮体中；之后，电机维持一个恒定的转速，直到接收到一个能量释放的控制信号；释能时，高速旋转的飞轮拖动电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流与电压，完成机械能到电能转换的释放能量过程。整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出过程。

2．2飞轮储能系统的基本结构

典型的飞轮储能系统由飞轮本体、轴承、电动/发电机、电力转换器和真空室5个主要组件构成。在实际应用中，飞轮储能系统的结构有很多种。图1是一种飞轮与电机合为一个整体的飞轮储能系统。飞轮贮能系统是由高速飞轮转子磁轴承系统、电动／发电机、电力变换系统和真空罩等部分组成。图1为飞轮储能系统模块示意图。

飞轮本体是飞轮储能系统中的核心部件，作用是力求提高转子的极限角速度，减轻转子重量，最大限度地增加飞轮储能系统的储能量，目前多采用碳素纤维材料制作。

轴承系统的性能直接影响飞轮储能系统的可靠性、效率和寿命。目前应用的飞轮储能系统多采用磁悬浮系统，减少电机转子旋转时的摩擦，降低机械损耗，提高储能效率。

飞轮储能系统的机械能与电能之间的转换是以电动/发电机及其控制为核心实现的，电动/发电机集成一个部件，在储能时，作为电动机运行，由外界电能驱动电动机，带动飞轮转子加速旋转至设定的某一转速；在释能时，电机又作为发电机运行，向外输出电能，此时飞轮转速不断下降。显然，低损耗、高效率的电动/发电机是能量高效传递的关键。

电力转换装置是为了提高飞轮储能系统的灵活性和可控性，并将输出电能变换(调频、整流或恒压等)为满足负荷供电要求的电能。

真空室的主要作用是提供真空环境，降低电机运行时的风阻损耗。

3飞轮储能系统的应用

3.1免蓄电池磁悬浮飞轮储能UPS

(1)在市电输入正常，或者在市电输入偏低或偏高(一定范围内)的情况下，UPS通过其内部

的有源动态滤波器对市电进行稳压和滤波，保证向负载设备提供高品质的电力保障，同时对飞轮储能装置进行充电，UPS利用内置的飞轮储能装置储存能量。

(2)在市电输入质量无法满足UPS正常运行要求，或者在市电输入中断的情况下，UPS将

储存在飞轮储能装置里的机械能转化为电能，继续向负载设备提供高品质并且不间断的电力保障。

(3)在UPS内部出现问题影响工作的情况下，UPS通过其内部的静态开关切换到旁路模式，

由市电直接向负载设备提供不问断的电力保障。

(4)在市电输入恢复供电，或者在市电输入质量恢复到满足UPS正常运行要求的情况下，则

立即切换到市电通过UPS供电的模式，继续向负载设备提供高品质并且不间断的电力保障，并且继续对飞轮储能装置进行充电。

3.2电动汽车电池

目前随着环境保护意识的提高以及全球能源的供需矛盾，开发节能及采用替代能源的环保型汽车，以减少对环境的污染，是当今世界汽车产业发展的一个重要趋势。汽车制造行业纷纷把目光转向电动汽车的研制。能找到储能密度大、充电时间短、价格适宜的新型电池，是电动汽车能否拥有更大的机动性并与汽油车一争高下的关键，而飞轮电池具有清洁、高效、充放电迅捷、不污染环境等特点而受到汽车行业的广泛重视。预计21世纪飞轮电池将会是电动汽车行业的研究热点。

3.3不间断电源

不间断电源由于能确保不间断供电和保证供电质量而在通讯枢纽、国防指挥中心、工业生产控制中心等地方得到广泛使用目前不问断电源由整流器、逆变器、静态开关和蓄电池组等组成。但目前蓄电池通常都存在对工作温度、工作湿度、输入电压、以及放电深度等条件要求．同时蓄电池也不允许频繁的关闭和开启。而飞轮具有大储能量、高储能密度、充电快捷、充放电次数无限等优点，因此在不间断电源系统领域有良好的应用前景。

3.4风力发电系统不间断供电

风力发电由于风速不稳定，给风力发电用户在使用上带来了困难。传统的做法是安装柴油发电机，但由于柴油机本身的特殊要求，在启动后30分钟内才能停止。而风力常常间断数秒，数分钟。不仅柴油机组频繁启动，影响使用寿命；而且风机重启动后柴油机同时作用，会造成电能过剩。考虑到飞轮储能的能量大。充电快捷，因此，国外不少科研机构已将储能飞轮引入风力发电系统。美国将飞轮引入风力发电系统，实现全程调峰，飞轮机组的发电功率为300KW，大容量储能飞轮的储能为277KW每小时。

3.5大功率脉冲放电电源

为了避免运载火箭只能使用一次的巨大浪费和减少大气污染，美国正在研究一种磁悬浮直线电动机托架（又名太空电梯）来发射航天飞机，这需要功率巨大、但放电时间非常短促的电源，所以专门减少一个容量巨大的店里系统提供能量，显然是不合理的。而采用飞轮储能系统，可以实现这一点！

4结束语

飞轮储能技术主要结构和运行方法已经基本明确，目前主要正处于广泛的实验阶段，小型样机已经研制成功并有应用于实际的例子，目前正向发展大型机的趋势发展，但是却有非常多的难点，主要集中在以下几个方面。

(1)转子的设计：转子动力学，轮毂一转缘边界连接，强度的优化，蠕变寿命；

(2)磁轴承：低功耗，动力设计，高转速，长寿命；

(3)功率电子电路：高效率，高可靠性，低功耗电动／发电机；

(4)安全及保护特性：不可预期动量传递，防止转子爆炸可能性，安全轻型保护壳设计；

(5)机械备份轴承：磁轴承失效时支撑转子。飞轮储能系统优势突出，应用广泛，随着技术

的成熟和价格的降低，将会是储能领域的一项新的革命。我国在飞轮技术上与发达国家差距很大，国家应对这一技术加以重视，加大资金和技术的投入，使这项技术早日走向市场化、商品化。

飞轮电池

1引言

飞轮电池是90年代才提出的新概念电池，它突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。众所周知，当飞轮以一定角速度旋转时，它就具有一定的动能。飞轮电池正是以其动能转换成电能的。高技术型的飞轮用于储存电能，就很像标准电池。飞轮电池中有一个电机，充电时该电机以电动机形式运转，在外电源的驱动下，电机带动飞轮高速旋转，即用电给飞轮电池＂充电＂增加了飞轮的转速从而增大其功能；放电时，电机则以发电机状态运转，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能（动能）到电能的转换。当飞轮电池发出电的时，飞轮转速逐渐下降，飞轮电池的飞轮是在真空环境下运转的，转速极高（高达200000r/min，使用的轴承为非接触式磁轴承。据称，飞轮电池比能呈可达150W·h/kg，比功率达5000-10000W/kg，使用寿命长达25年，可供电动汽车行驶500万公里。美国飞轮系统公司已用最新研制的飞轮池成功地把一辆克莱斯勒LHS轿车改成电动轿车，一次充电可行驶600km，由启动到96km/h加速时间为6.5秒。

飞轮储能电池的概念起源于上世纪７０年代早期，最初只是想将其应用在电动汽车上，但限于当时的技术水平，并没有得到发展。直到上世纪９０年代由于电路拓扑思想的发展，碳纤维材料的广泛应用，以及全世界范围对污染的重视，这种新型电池又得到了高速发展，并且伴随着磁轴承技术的发展，这种电池显示出更加广阔的应用前景，现正迅速地从实验室走向社会。现在欧美国家已出现实用化产品，而我国在这方面的研究才刚刚起步。

2 概念

飞轮储能电池系统包括三个核心部分：一个飞轮，电动机—发电机和电力电子变换装置。

电力电子变换装置从外部输入电能驱动电动机旋转，电动机带动飞轮旋转，飞轮储存动能（机械能），当外部负载需要能量时，用飞轮带动发电机旋转，将动能转化为电能，再通过电力电子变换装置变成负载所需要的各种频率、电压等级的电能，以满足不同的需求。

由于输入、输出是彼此独立的，设计时常将电动机和发电机用一台电机来实现，输入输出变换器也合并成一个，这样就可以大大减少系统的大小和重量。同时由于在实际工作中，飞轮的转速可达40000～50000r/min，一般金属制成的飞轮无法承受这样高的转速，所以飞轮一般都采用碳纤维制成，既轻又强，进一步减少了整个系统的重量，同时，为了减少充放电过程中的能量损耗（主要是摩擦力损耗），电机和飞轮都使用磁轴承，使其悬浮，以减少

机械摩擦；同时将飞轮和电机放置在真空容器中，以减少空气摩擦。这样飞轮电池的净效率（输入输出）达95％左右。

实际使用的飞轮装置中，主要包括以下部件：飞轮、轴、轴承、电机、真空容器和电力电子变换器。飞轮是整个电池装置的核心部件，它直接决定了整个装置的储能多少，它储存的能量由公式E=jω2决定。式中j为飞轮的转动惯量，与飞轮的形状和重量有关；ω为飞轮的旋转角速度。

电力电子变换器通常是由MOSFET和IGBT组成的双向逆变器，它们的原理不再叙述，它们决定了飞轮装置能量输入输出量的大小。

2 飞轮电池与其它电池的比较

现在，使用最多最广的储能电池无疑是化学电池，它将电能转变为化学能储存，再转化为电能输出，它价格低廉，技术成熟，但污染严重，效率低下，充电时间长，用电时间短，使用过程中电能不易控制。

另一储能电池是超导电池，它把电能转化为磁能储存在超导线圈的磁场中，由于超导状态下线圈没有电阻，所以能量损耗非常小，效率也高，对环境污染也小。但由于超导状态是线圈处于极低温度下才能实现，维持线圈处于超导状态所需要的低温需耗费大量能源，而且维持装置过大，不易小型化，所以家用市场前景不强。

飞轮电池则兼顾了两者的优点，虽然近阶段的价格较高，但伴随着技术的进步，必将有一个非常广阔的前景。下面为三者的优缺点比较表。

三种电池性能比较表

3 飞轮电池的应用场合及现状

由于技术和材料价格的限制，飞轮电池的价格相对较高，在小型场合还无法体现其优势。但在下列一些需大型储能装置的场合，使用化学电池的价格也非常昂贵，飞轮电池已得到逐步应用。

(1)太空包括人造卫星、飞船、空间站，飞轮电池一次充电可以提供同重量化学电池两倍的

功率，同负载的使用时间为化学电池的3～10倍。同时，因为它的转速是可测可控的，故可以随时查看电能的多少。美国太空总署已在空间站安装了48个飞轮电池，联合在一起可提供超过150KW的电能。据估计相比化学电池，可节约200万美元左右。

(2)交通运输包括火车和汽车，这种车辆采用内燃机和电机混合推动，飞轮电池充电快，放

电完全，非常适合应用于混合能量推动的车辆中。车辆在正常行使时和刹车制动时，给飞轮电池充电，飞轮电池则在加速或爬坡时，给车辆提供动力，保证车辆运行在一种平稳、最优的状态下的转速，可减少燃料消耗，空气和噪声污染，发动机的维护，延长发动机的寿命。美国TEXAS大学已研制出一汽车用飞轮电池，电池在车辆需要时，可提供150KW的能量，能加速满载车辆到100km/h。在火车方面，德国西门子公司已研制出长

1.5m，宽0.75m的飞轮电池，可提供3MW的功率，同时，可储存30%的刹车能。

(3)不间断电源飞轮电池可提供高可靠的稳定电源，可提供几秒到几分钟的电能，这段时间

足已保证工厂进行电源切换。德国GmbH公司制造了一种使用飞轮电池的UPS，在5s内

可提供或吸收5MW的电能。

(4)军用战斗车辆美国国防部预测未来的战斗车辆在通信、武器和防护系统等方面都广泛需

要电能，飞轮电池由于其快速的充放电，独立而稳定的能量输出，重量轻，能使车辆工作处于最优状态，减少车辆的噪声（战斗中非常重要），提高车辆的加速性能等优点，已成为美国军方首要考虑的储能装置。

作为一种新兴的储能方式，飞轮电池所拥有传统化学电池无法比拟的优点已被人们广泛认同，它非常符合未来储能技术的发展方向。目前，飞轮电池除了上面介绍的应用领域以外，也正在向小型化、低廉化的方向发展。现在，最可能出现的是手机电池。可以预见，伴随着技术和材料学的进步，飞轮电池将在未来的各行各业中发挥重要的作用。

(1)飞轮本体飞轮转子是飞轮储能系统的一个重要的组成部分。飞轮内的能量E用下式表示：E=JW2(1|2)

式中：J;飞轮转子轴转动惯量。W：飞轮转子角速度(rad／s)。

飞轮单位重量存贮的能量：e=E／M=9．8×k×δ／p

式中：k为飞轮形状系数；δ为飞轮产生的最大周向应力；P表示飞轮材料的比重；M为飞轮转子质量。从储存能量的角度来看，E越大越好；从减轻轴承负荷来看，M越小越好。根据公式,飞轮材料最好是选取δ／p大的材料。通常碳素纤维材料的δ／P比强度比其它材料高，所以现在一般都采用超强碳纤维等.

(2)储能飞轮支承系统

飞轮蓄能发电设备的旋转摩擦损耗较大，为了减少旋转摩擦损耗，所以现在一般都采用磁悬浮轴承。磁悬浮轴承是飞轮储能系统的关键部件。磁轴承根据磁场性质的不同主要分为被动磁悬浮轴承(PMB)和主动磁悬浮轴承(AMB)两种：

(a)被动磁悬浮轴承

目前被动磁悬浮轴承有代表性的是高温超导磁悬浮轴承。无源磁悬浮轴承磁场通常是不可控的。传统的超导体无法满足磁轴承的要求，但是自从高温超导体Y(钇)系发现以来，制造高温超导磁轴承成为可能。永久磁铁安装在飞轮上，高温超导体安装在底座上并用液氮冷却，利用超导体的特性之一的Meissier效应(超导抗磁性)，如图2所示。永久磁铁的磁通被超导体阻挡而产生排斥力，使飞轮处于悬浮状态。永磁体和高温超导体之间的排斥力为：f=μM(H)(dH／dz)V其中：H为超导体内的场强；M为超导体的磁化强度；V为超导体的有效磁化体积；。为真空磁导率。Meissier效应极限值只有数百Gs，超导磁轴承实际用的是超导的另一特性——磁通钉扎性。在超导体内部有杂质、裂缝被称为钉扎中心的非超导区域，由于超导体内部超导区域有很强的排斥磁通特性，因而磁力线通常会被钉扎中心捕获，钉扎在超导体内，当有足够的磁力线被捕获后，磁体就会悬浮，磁通钉扎性原理如图3所示。由于高温超导磁轴承具有无需供电、转速高、摩擦小、也不需要复杂的位置控制系统、轴承结构紧凑等特点，因而目前是飞轮轴承系统发展的一个主要方向。

(b)主动磁悬浮系统

主动磁悬浮系统主要是电磁悬浮系统。电磁悬浮轴承系统主要由转子、电磁铁、传感器、控制系统、功率放大器组合而成。转子位移变化的信号由传感器测出，传到控制器中，控制器计算后，输出信号，经过功率放大器的放大，输入到电磁铁，产生电磁力，从而保证转子的稳定悬浮。电磁力可由麦克斯韦公式得出：

式中一间隙中的磁通量：φ一为真空中的磁导率；A一为电磁铁与转子的正对部分的面积；N一线圈；匝数；I一线圈中的电流；h一电磁铁与转子之间的间隙。整个电磁轴承系统控制环节示意图如图4所示。

(3)电动／发电机

为了系统结构及降低功耗，故将电动／发电机与飞轮本体做成一体。目前国内外广泛采用永磁无刷直流电动／发电机互逆式双向一体化电机。无刷直流电动机具有直流电动机的机械特性，在结构上摒弃了电刷和整流子，因而寿命长，使用可靠，消除接触换向带来的噪声和电磁干扰。由于功耗还取决于电枢电阻、涡流电流和磁滞损耗，因此无铁静子获得广泛应用。电机转子选用钕铁硼永磁磁铁使得电机／发电机的体积、重量大大减小。