飞轮储能技术的发展现状
高温超导飞轮储能技术发展现状
For personal use only in study and research; not for commercial use高温超导飞轮储能技术发展现状在1986年发现可工作在液氮温区(77K)的高温超导材料后，人们很快就发现利用这种材料制备的块材可以稳定地悬浮(悬挂)在永磁体上方(下方)。
并且施加给永磁体一个初始的扭矩后，它就会围绕和块材相互作用力的对称轴旋转起来，这就是高温超导磁悬浮轴承(SMB)最基本的模型。
SMB以其具有的无机械接触、自稳定、结构简单等优点，很快博得了众多研究者的青睐。
在1990年便有了转速100000r／min的SMB报道，而到1992年更有转速高达520000r／min的报道，这也是迄今为止最高的转速记录。
SMB的高转速是传统的机械轴承，甚至主动的电磁悬浮轴承(AMB)所不及的。
SMB的诞生为以轴承为基础的系统提供了升级换代的新途径，高温超导飞轮储能系统(HTS．FESS)就是在这种背景下应运而生的。
HTS—FESS利用SMB的高速无机械摩擦旋转，通过一个飞轮转盘把能量以机械旋转能量的形式储存起来。
近年来，随着SMB技术的日益成熟，高强度复合纤维材料的问世以及高效率电力电子转换技术的进步使得HTS．FESS在储能密度、储能时间、响应时间、转换效率等方面均得到了较大的提高，已达到了工业应用的要求。
目前美国波音公司、日本国际超导中心(ISTEC)[6-8]、德国ATZ公司[9-121等均在开展大容量HTS—FESS样机的试验研究。
美国波音公司在2006年的项目年度总结报告中指出，他们研制的HTS．FESS即将完成最终用户测试，并投入商业运行。
HTS．FESS作为一种新型电力储能技术，不仅为缓解当前日益严峻的能源问题提供了新的途径，而且在军民两用上都具有巨大的应用前景。
在卫星和航天器的能源供给和姿态控制、电磁发射系统的超大功率电源、战车的能量储备以及电力调峰、通信系统、交通系统等领域均可找到它的应用价值。
简论飞轮储能系统关键技术及其研究现状
简论飞轮储能系统关键技术及其研究现状作者：魏民来源：《科学与信息化》2020年第02期摘要飞轮储能技术的研究价值非常高并且其应用的前景非常好，这篇文章简单介绍了飞轮储能的工作原理以及飞轮转子，轴承支撑系统，电动机/发电机等三项较为重要的技术，并在这三项比较重要的技术上面重点对飞轮的储能系统进行了详细的阐述。
关键词飞轮;储能系统;关键;现状引言目前的储能的设备有化学储能，物理储能以及其他的储能是设置。
在物理储能的方法中，飞轮储能特点较为突出，充电时间较为短暂，充放电效率等方面而受到非常广大的关注。
1 飞轮储能系统工作原理飞轮储能装置，又被叫作机电电池系统，也叫作飞轮电池，是一种机械和电能的转换和存储系统。
飞轮储能的系统一般由速度较高的飞轮，电动机/发电机，轴承支撑装置，电力电子转换装置，电子控制装置和附加装置（比如说真空泵，应急备用轴承）等组成。
它是一个集成性能较为强大的系统，飞轮储能是现代电力电子技术的应用。
电子电力转换器作为主要的驱动装置，以带动飞轮以较高的速度旋转[1]。
电机则一直处在较为稳定的速度，一直等到释放能量的控制信号为止。
如图1所示：2 飞轮储能系统关键技术分析飞轮储能系统的结构由飞轮转子，支撑轴承，电动发电机等其他组成。
接下来，对飞轮储能的三项较为重要的技术进行一定的分析。
2.1 飞轮转子飞轮储能系统中最核心的部分就是飞轮的转子。
整个系统的能量转换和飞轮的旋转有着非常大的关系。
飞轮旋转时的动能E表示为其中，J为ω的旋转惯性和角速度-飞轮。
从公式可以看出，为了增加飞轮的能量存储，可以增加飞轮转子的惯性并且可以提高飞轮的速度。
2.2 支承轴承技术分析由于高摩擦损耗和低极限转速，机械轴承不适合单独支持高速飞轮储能系统。
由于其高的支撑强度和紧凑的结构，机械轴承能够对轴承进行短时间的保护，这种轴承会由快速充放电飞轮系统对其进行一定的支持[2]。
2.3 电动/发电机技术分析在飞轮的储能系统中，机械能和电能之间的相互的能量转换是通过集成的电动机/发电机共同来完成的，因此电动机/发电机的性能将会对飞轮储能系统的效率造成直接的影响。
飞轮储能技术研究的发展现状
飞轮储能技术研究的发展现状及未来趋势分析一、引言随着社会和科技的不断发展，能源的储存和利用已经成为全球关注的焦点。
在多种可再生能源中，风能具有巨大的开发潜力。
而飞轮储能技术作为风能储存的一种重要方式，具有高效、环保、寿命长等优点，因此越来越受到人们的关注。
本文将介绍飞轮储能技术的研究现状及其未来的发展趋势。
二、飞轮储能技术的现状飞轮储能技术是一种利用旋转的飞轮将动能转化为电能的技术。
其基本原理是，当风能驱动飞轮旋转时，飞轮的动能被转化为电能，可以用于供电。
这种技术具有高效、环保、寿命长等优点，且适用于大规模的储能系统。
目前，飞轮储能技术已经在一些领域得到了应用。
例如，在风力发电厂，飞轮储能技术可以用于平衡电网负荷，提高电力质量。
此外，在电动汽车领域，飞轮储能技术也被用于提供额外的动力。
然而，飞轮储能技术还存在一些问题需要解决。
例如，飞轮的制造和维护成本较高，且存在磨损和失效的风险。
此外，飞轮储能技术的能量密度相对较低，需要进一步改进和优化。
三、飞轮储能技术的未来发展趋势尽管飞轮储能技术存在一些问题需要解决，但其在未来能源储存领域的应用前景仍然十分广阔。
未来，飞轮储能技术可能会在以下几个方面得到进一步的发展：1. 材料科学的进步可能会为飞轮的制造提供更多的选择。
新型材料如碳纤维和陶瓷等具有更高的强度和耐久性，可以降低飞轮的制造成本并提高其使用寿命。
2. 新的设计和制造技术的应用可能会进一步提高飞轮的能量密度。
通过优化飞轮的形状和结构，以及采用新的制造方法，可以增加飞轮的旋转速度并提高其能量储存能力。
3. 飞轮储能技术的智能化和自动化应用可能会进一步优化其性能和管理。
通过引入传感器和控制系统，可以实时监测飞轮的运行状态并进行相应的调整，以提高系统的稳定性和可靠性。
4. 飞轮储能技术的组合应用可能会进一步扩展其应用领域。
例如，将飞轮储能技术与太阳能或氢能等其他可再生能源技术相结合，可以提供一种多元化的能源供应解决方案，提高能源的利用效率。
飞轮储能关键技术
飞轮储能系统关键技术分析及应用现状摘要：本文从飞轮储能系统的结构原理入手，首先介绍了飞轮储能系统的结构组成、工作原理及其工作模式，然后对飞轮转子、支承轴承、真空室、电动/发电机及电力电子装置等关键技术进行了全面的分析，并介绍了关键技术的国内外研究现状，在此基础上对飞轮储能的应用现状进行了阐述。
关键词：飞轮储能；关键技术；应用现状中图分类号：TK02 文献标识码：A 文章编号：0、前言随着中国经济的快速发展，能源和环境问题成为了中国快速发展主要阻碍。
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得世界上总能量的50%～70%白白的浪费了[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、物理储能和超导储能，在这几种储能方式中化学储能技术比较成熟，并已得到广泛的应用，但是它使用寿命短、受外界条件影响显著、对环境污染严重。
超导储能对技术要求高、对环境要求苛刻暂时还不适合大规模应用。
由于物理储能是利用物理方法将能量春初起来，所以不存在对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、效率方面的突出特点得到了广泛的关注。
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、真空室等五个部分组成[2]。
其中飞轮是飞轮电池的关键部件，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；飞轮电池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的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和在飞轮高速旋转破裂时起到保护周围人员和设备的作用。
飞轮储能关键技术及其发展现状
飞轮储能关键技术及其发展现状一、本文概述飞轮储能技术，作为一种高效、环保的储能方式，近年来在全球范围内引起了广泛关注。
本文旨在全面解析飞轮储能的关键技术及其发展现状。
我们将深入探讨飞轮储能的基本原理、关键技术要素、应用领域以及当前的发展状况，同时展望其未来的发展趋势。
通过对飞轮储能技术的系统研究，我们期望能够为相关领域的研究者、从业者以及投资者提供有价值的参考信息，推动飞轮储能技术的进一步发展与应用。
文章将首先概述飞轮储能技术的基本概念和工作原理，为读者建立基础理解。
随后，将重点分析飞轮储能技术的关键技术，包括飞轮设计、材料选择、能量转换与存储等方面，揭示这些技术在推动飞轮储能技术发展中的核心作用。
紧接着，文章将讨论飞轮储能技术在不同领域的应用现状，如电力储能、轨道交通、航空航天等，展示其广泛的应用前景。
我们将对飞轮储能技术的发展趋势进行展望，分析当前面临的挑战与机遇，并提出相应的建议与策略。
通过本文的阐述，我们期望能够加深读者对飞轮储能技术的认识，为推动该技术的创新与发展贡献力量。
二、飞轮储能关键技术飞轮储能技术是一种利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式存储起来的储能技术。
其关键技术主要包括飞轮设计、轴承技术、真空技术、磁悬浮技术、能量转换与控制技术等。
飞轮设计是飞轮储能技术的核心，它直接决定了储能密度和储能效率。
飞轮设计需要解决的关键问题包括飞轮材料的选择、飞轮形状的优化、飞轮强度的保证以及飞轮转动的稳定性等。
目前，常用的飞轮材料包括高强度钢、碳纤维复合材料等，而飞轮形状则多为圆柱形或盘形。
轴承技术是飞轮储能技术中的重要环节，它决定了飞轮转动的平稳性和效率。
飞轮轴承需要承受高速旋转带来的巨大离心力，同时还需要保证飞轮的转动精度和稳定性。
目前，常用的轴承技术包括滚动轴承和磁悬浮轴承，其中磁悬浮轴承具有无接触、无磨损、低噪音等优点，因此在飞轮储能技术中得到了广泛应用。
为了减小空气阻力，提高飞轮储能效率，飞轮储能系统需要在高真空环境下运行。
飞轮储能的关键技术分析及研究状况
飞轮储能的关键技术分析及研究状况在众多储能技术中，飞轮储能系统(flywheelenergystoragesystem，FESS)以效率高、容量大、响应快和对环境友好等优点，越来越受到国内外学者的重视。
飞轮储能系统是由高速飞轮、磁轴承系统、永磁电动/发电机、能量转换控制系统以及附加设备组成，它是以高速旋转的飞轮质体作为机械能量储存的介质，利用电动发电机和能量转换控制系统来控制能量的输入和输出，达到充电和放电的目的。
飞轮储能系统作为一种逐渐成熟的储能技术，已经应用到包括航空航天、电动汽车、电力等领域，逐步取代化学电池储能，成为储能行业一支不可忽视的力量。
飞轮储能系统旋转时不会发生任何化学反应，其是纯粹的机械运动，对环境非常友好，因而受到越来越广泛的关注。
飞轮储能系统的工作状态根据暂态运行通常分为充电和放电2部分，其工作原理是当外部电能充足时，系统将电能通过飞轮电动机转化为机械能储存起来；当系统外部电能不足时，将飞轮存储的机械能转化为电能输出到外部负载。
作为一种新型的物理储能方式，飞轮储能与传统化学电池相比，具备有以下优点：1）充放电迅速。
从收到电网侧的调节信号到飞轮储能系统做出反应，时间极短，并且在之后数分钟时间内能够完成整个系统的充/放电过程，符合电网的短时响应与调节需求，相比于蓄电池、抽水蓄能、压缩空气等，具有较快的充/放电时间。
2）工作效率高。
一般的飞轮储能系统工作效率可以达到90%左右，相比于抽水蓄能的60%以及蓄电池储能的70%，具有明显的优势，而且采用磁悬浮轴承的飞轮储能系统，其工作效率更高，接近95%。
3）使用寿命长。
飞轮储能系统虽价格昂贵，但是设计良好，其年平均维护费用极低，充放电次数明显优于蓄电池储能等，其达到了百万数量级，且一般免维护的时间是在10a以上。
4）环保无污染。
由于机械储能的缘故，飞轮储能不会排放出污染环境的物质，其是一种环境友好型的绿色储能技术。
此外，飞轮储能系统还具有模块性、建设时间短、事故后果影响低等优点。
飞轮储能技术研究的发展现状
表 1 储能技术的比较
项目
效率 (% ) 储能容量
模块性 循环寿命 充电时间 地点可用性 储能测定 建设时间 环境影响 事故后果 环境控制
可用性
飞轮储能
～ 90 高 是 无限 分 极高 极好
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
4 期 蒋书运等: 飞轮储能技术研究的发展现状
429
空 0193Pa 下, 混合支承每小时功耗小于 5% 。 [4] 永磁悬浮与机械支承相混合: 美国西雅图的华盛顿大学, 正在研制 1kW h 永磁悬浮和宝石
太 阳 能 学 报 第
21 卷 第 4 2000 年 10 月
期
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飞轮储能技术研究的发展现状①
蒋书运 卫海岗 沈祖培
(清华大学工程物理系, 北京 100084)
基于飞轮储能能量输入、输出快捷, 可就近分散放置, 不污染、不损坏环境等特点, 因此, 国 际上大多数研究机机构均将飞轮开发最终目标定为实现电力调峰。
德国的 Fo rschung szen t rum ka rlsruhe Gm bH 1996 年着手研究储能 5MW h 100MW h 的 超导磁悬浮储能飞轮电站。电站由 10 只飞轮模块组成, 每只模块重 30t、直径 315m、高 615m , 转子 运行转速为 2250—4500r m in, 最大外缘线速度 600m s, 最大拉应力 810M Pa; 能量输入、输出采 用电动 发电机来实现, 系统效率 96%。 经过成本分析, 全部预算约耗资 14000DM kW h 。 [8]
飞轮电池的发展现状与应用
飞轮电池的发展现状与应用【摘要】目前，电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢，寿命较短，已逐渐被其他蓄电池所取代。
正在发展的电源主要有钠-硫电池、镍-镉电池、锂电池、燃料电池、飞轮电池等等，本文主要阐述飞轮电池的目前广阔前景。
【关键词】飞轮电池；现状；应用随着人们环保意识的增强，全世界人们都在寻找一种无污染或污染小的能量供给方式。
飞轮技术由于是电能和机械能的相互转化，不会造成污染，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。
飞轮电池实际上是一种电能转换和储存装置。
飞轮可以储存能量，根据飞轮能够储存和释放能量的特性研制的一种机械式蓄电池就是飞轮蓄电池。
在飞轮的内部镶有永久性磁铁，外壳上装有感应线圈，这样飞轮就具有电动机和发电机的双重功能，充电时飞轮中的电机以电动机的形式运行，在外接电源的驱动下带动飞轮旋转，达到极高的转速，从而完成电能—机械能转换的储能过程；放电时飞轮中的电机以发电机的状态运行，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能—电能转换的释放过程。
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，最优状态下的转速，可减少燃料消耗，空气和噪声污染，并可以减少发动机的维护，延长发动机的寿命。
飞轮电池电动汽车利用储存在随车飞轮中的机械能驱动汽车前进。
它的推进系统由飞轮电池，电机控制器，电机和传动系统等组成。
飞轮电池实际上是一种机-电能量转换和储存装置。
飞轮可以储存能量，根据飞轮能够储存和释放能量的特性研制的一种机械式蓄电池就是飞轮蓄电池。
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飞轮储能技术的发展现状
摘要: 飞轮储能技术已成为国际能源界研究的热点之一。
从飞轮储能技术的技术进展(包括飞轮本体、转子支承系统、电动/发电机、电力转换器与真空室)角度出发，系统地介绍了该技术国内外的发展现状。
关键词: 飞轮储能系统，电动机/发电机，电力转换器，真空室
近年来，飞轮储能技术发展非常迅速。
国内外都积极地投入大量资金和人力在这项储能技术上，目前已经有了可喜成果，以飞轮储能五大关键技术为出发点，分别对其技术发展现状进行阐述。
1飞轮转子技术现状
美国休斯顿大学的德克萨斯超导中心致力于纺锤形飞轮开发，这是一种等应力设计，形状系数等于或接近1，材质同样为玻璃纤维复合材料，储能1kWh、重19kg、飞轮外径30.48cm。
美国Beacon 电力公司推出的Beacon 智能化储能系统，其飞轮转子以一种强度高、重量轻的石墨和玻璃纤维复合材料制成，用树脂胶合。
美国Satcon 技术公司开发的伞状飞轮，这种结构有利于电机的位置安放，对系统稳定性十分有利，转动惯量大，节省材料，轮毂强度设计合理。
NASA Glenn 中心和美国宾州州立大学高级复合材料制造中心等单位均采用湿法缠绕工艺制备了复合材料飞轮。
2飞轮储能的轴承支承系统技术现状
2.1机械轴承
美国TSI 公司应用高级的润滑剂、先进的轴承材料及设计方法和计算机动态分析，成功地开发出内部含有固体润滑剂的陶瓷轴承，最新又研制的基于真空罩的超低损耗轴承，其摩擦系数只有0.000 01。
2.2被动磁轴承（PMB）
目前对永磁轴承的研究较少，目前主要集中在对超导磁轴承（SMB）的研究上。
西南交通大学超导技术研究所从20 世纪90 年代初期开始，就一直致力于高温超导磁悬浮技术的应用基础研究，2000 年研制成功了世界首辆载人的高温超导磁悬浮实验车。
日本ISTEC 正在对10kWh/400kW 等级飞轮系统中的SMB 进行组装实验，同时加工设计100kWh等级飞轮定子。
德国ATZ 公司则从2005 年开始对5kWh/250kW 等级的飞轮进行研究。
ATZ 公司与
L-3MM 合作生产高温超导储能，并即将进行工程应用电性能测试。
并且两家机构还达成共
识，准备为韩国当地UPS 市场开发一套15kWh/400kW 的高温飞轮储能系统。
2.3主动磁轴承（AMB）
马里兰大学长期从事电磁悬浮储能飞轮开发，采用差动平衡磁轴承，已完成储能20kWh 飞轮研制，系统效率为81%。
另外大力开展电磁悬浮飞轮研究的还有劳伦斯国家实验室等。
韩国机械和材料学院研制出了5kWh 的飞轮储能系统，该系统采用两个径向主动磁轴承和一个止推磁轴承支承，采用PD控制器及陷波滤波器使飞轮到达15 000r/min 的转速，并且采用主从机通信及利用Matlab 实时调整参数的方法，使得频率响应函数计算简便且监控信号容易获得。
2.4组合式轴承
（1）永磁轴承与机械轴承相混合。
美国西雅图的华盛顿大学，正在研制1kWh 永磁轴承和宝石轴承混合支承飞轮：永磁轴承用于立式转子上支承，并卸载以降低下支承的摩擦功耗，宝石轴承作为下支承，同时引入径向电磁支承，作为振动的主动控制，以确保系统的稳定性。
华北电力大学设计并制作的飞轮储能系统：转子质量334kg，转动惯量10.43kg·m2，轴承采用的是永磁轴承和油浮轴承组成的混合式轴承系统。
（2）电磁轴承与机械轴承相混合。
美国Active Power，欧洲Urenco 和德国Piper 等公司生产的采用飞轮储能技术的小间断电源己经在世界范围内销售，这些产品中飞轮的支承系统采用的都是电磁轴承和机械轴承组合技术。
（3）永磁轴承与超导磁轴承相混合。
中国科学院电工研究所研制了一台采用永磁轴承卸载，轴向位置确定，超导磁轴承提供稳定的立轴旋转机构，径向刚度大于3N/mm，径向振动小于10μm。
还提出了立式永磁有源超导混合磁轴承（PASMB）研究方案：采用PMB 轴向卸载，一个SMB 确保系统稳定，一个AMB 提高径向刚度及阻尼。
3能量转换环节技术现状
马里兰大学已开发出“敏捷微处理器电力转换系统”。
在电动模块时，“敏捷微处理器电力转换系统”功能为电动机控制器，而发电模块时，其功能为交流转换器。
该“电力转换系统”全部为固定部件，由固态开关、过滤器、控制电路及二极管组成，属共振转换器。
当电压式电流过零时，使用自然整流控制动力在“共振箱”内的输入、输出。
因为电压电流为零开关操作，加之自然整流，所以，动力损耗极小，这样共振频率能大幅提高。
美国Beacon 动力公司采用脉冲宽度调制转换器，实现从直流母线到三相变频交流的双向能量转换。
飞轮系统具有稳速、恒压功能，此功能是运用一个专门算法自动实现，而不需要指定主动或从动元件。
4电动/发电机技术现状
从系统结构及降低功耗出发，国外研究单位一般均采用永磁无刷同步电动/发电互逆式
双向电机。
电机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，转子选用钕铁硼永磁磁铁。
美国劳伦斯国家实验室应用永磁钕铁硼材料特别排列成静子，产生一旋转偶极区，转子多相缠绕电感低，静子铜损通过冷却加以控制。
西安理工大学与西安永电电气有限责任公司合作研究的是采用无刷直流电机的飞轮储能，对其电动/发电机的控制器进行了改进。
由于无刷直流电动机固有的转矩脉动限制了其应用范围，在充电环节，采用升降压斩波电路用来扩大调速范围，在低速时，采用恒转矩控制，在高速时，采用恒功率控制。
5真空室技术现状
AFS 公司研制的飞轮用碳纤维环氧树脂复合材料绕制，即使万一高速下破裂，飞轮立即转变为棉絮状结构，且飞轮外有金属外壳，对车内成员不构成威胁。
Beacon 动力公司设计一个混凝土结构圆柱型真空室：为了安全，真空室置于地下，这样就不会对地面上的人员造成伤害，而且此结构上端覆盖钢制安全盖，并用螺母锁紧，相当于加了双保险，采用多层结构的容器可以抑制转子破裂所释放出来的热能冲击。
[参考文献]
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