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飞轮储能系统核心技术分析及应用现状
摘要：本文从飞轮储能系统构造原理入手，一方面简介了飞轮储能系统构造构成、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核心技术进行了全面分析，并简介了核心技术国内外研究现状，在此基本上对飞轮储能应用现状进行了阐述。
核心词：飞轮储能；核心技术；应用现状
中图分类号：TK02 文献标记码：A 文章编号：

0、前言
随着中华人民共和国经济迅速发展，能源和环境问题成为了中华人民共和国迅速发展重要阻碍。然而，在能源如此短缺状况下，使用当前耗能设备和耗能方式却使得世界上总能量50%～70%白白挥霍了[1]。因而在开发新能源同步，研究如何回收存储被白白挥霍能量也是非常重要。当前储能方式重要有：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，并已得到广泛应用，但是它使用寿命短、受外界条件影响明显、对环境污染严重。超导储能对技术规定高、对环境规定苛刻暂时还不适合大规模应用。由于物理储能是运用物理办法将能量春初起来，因此不存在对环境污染问题比较适合当今发展规定。物理储能方式重要有抽水储能、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、效率方面突出特点得到了广泛关注。
1、飞轮储能系统构造及工作原理
1.1飞轮储能系统基本构造
飞轮储能系统又称飞轮电池其基本构造是由飞轮、轴承、电动机/发电机、电力电子控制装置、真空室等五个某些构成[2]。其中飞轮是飞轮电池核心部件，普通选用强度高密度相对较小复合材料制作；轴承是支撑飞轮装置，由于磁悬浮支承可以减少摩擦损耗提高系统效率而成为了支撑技术研究热点；飞轮电池电机是一种集成部件，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互相转换；电力电子控制装置重要是对输出和回馈电能进行控制，通过对电力电子控制装置操作可以实现对飞轮电机各种工作规定控制；真空室功用有两个即为飞轮提供真空环境减少风阻损耗和在飞轮高速旋转破裂时起到保护周边人员和设备作用。图1给出了一种飞轮储能系统构造简图。
图1 飞轮储能系统构造简图
1.2飞轮储能系统工作原理
飞轮储能系统是运用高速旋转飞轮将能量以动能形式存储起来装置。它有三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取能量使飞轮转速升高将能量以动能形式存储起来；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在通过电力控制装置输出适合于用电设备电流和电压，实现了机械能到电能转化；

保持模式即当飞轮转速达到预定值时既不在吸取能量也不向外输出能量如果忽视自身能量损耗其能量保持不变。高速旋转飞轮以动能形式存储能量可以表达为[3]：
（1.1）
式中v—飞轮边沿线速度，m—飞轮质量，J—飞轮转动惯量，ω—飞轮角速度。
由式（1.1）可知飞轮具备能量与飞轮转动惯量、飞轮角速度平方成正比，由此可知提高飞轮储能量办法有增大飞轮转动惯量和提高飞轮转速。由于可将飞轮看似薄圆盘因而求飞轮转动惯量公式为：
（1.2）
式中r—飞轮转动半径。
有公式（1.2）可知增长飞轮转动惯量办法有增长飞轮转动半径和增长飞轮质量，然而在普通设计状况下在保证能量容量一定状况下应尽量缩减飞轮质量和体积，因此增长飞轮存储能量办法普通为提高飞轮转速和减少飞轮质量。图2给出了飞轮储能系统工作原理简图。
图2 飞轮储能系统工作原理简图

2、飞轮储能系统核心技术分析及研究状况
早在20世纪50年代飞轮储能技术就得到了人们关注，并将其应用于电动汽车中。但是受到当时技术水平限制，未能获得突破性进展。直到20世纪90年代，由于与飞轮电池储能有关技术获得了突破性进展，才使得飞轮电池储能进入了迅速发展阶段。
2.1飞轮转子技术分析与研究现状
2.1.1飞轮转子技术分析
飞轮电池是依托飞轮转子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能量就越多，然而随着飞轮转速升高，飞轮在离心力作用下使其内部所受应力不断增大，受材料许用应力限制使得飞轮转速不也许无限制增长。为了保证飞轮可以安全可靠地运营在选取飞轮材料时必要进行应力计算，依照计算成果仔细选取飞轮材料，对于一种薄壁圆筒飞轮有[4]： 2.1
式中：—材料最大抗拉强度，pa；—材料密度，；—飞轮转动惯量，；—飞轮转子极限角速度 ，rad/s；—飞轮旋转半径，m。
e为飞轮在高速旋转时引起应力达到材料抗拉强度极限值时单位质量转子所存储能量，即飞轮极限储能密度。由公式2.1可知飞轮储能密度与材料抗拉强度成正比，与飞轮材料密度成反比。因而为了增长飞轮储能密度应当选用高比强度（）材料制作飞轮。表1给出了不同飞轮材料物理参数，其中储能密度值是计算等厚圆盘飞轮理论值。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，这也是初期飞轮储能技术难以获得突破进展因素之一，复合材料在抗拉强度和储
能密度方面体现出优良特性使得复合材料成为制造飞轮转子抱负材料。

有研究表白，提高飞轮电池储能密度先决条件是制作飞轮材料要有很高强度，在材料满足条件前提下还要考虑飞轮制作工艺，由于复合材料各向异性，导致其沿纤维方向强度很高，而垂直纤维方向体现强度很低，为了最大限度发挥复合材料沿纤维方向强度高长处，普通采用环向缠绕多层圆环构造[5]。
2.1.2飞轮转子技术现状
美国Active Power公司研发基于飞轮储能电源系统其转子使用材料是4340锻铁，飞轮转速最高可达到7700r/min,并且该系统已经规模化生产[8]。
波音公司在设计复合材料飞轮转子，采用了环向缠绕三层圆环构造，依照每一层受力特点使用了不同规格碳纤维，使得飞轮整体强度和材料运用率都得到了提高[9]。
北京航空航天大学将使用碳纤维材料制造飞轮储能系统用于航天器姿态控制和能量存储，该飞轮转速可达500000r/min,储能密度为36.1w·h/kg[10]。
7月，清华大学设计质量为1200kg低速重型合金钢飞轮转速达到了3600r/min。该储能系统实现了100 kW充电/500 kW发电运营，并且在储能量和发电功率方面已经具备了工业应用条件[11]。
2.2支承轴承技术分析与研究现状
2.2.1支承轴承技术分析
飞轮转速大小，可以决定飞轮电池存储能量多少，然而飞轮电池储能系统中飞轮所能达到极限转速除与飞轮自身属性关于外，还与支承轴承选取有很大关系。由于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，从而提高系统储能效率。轴承在承受飞轮本体重量同步，还要承受着飞轮转子在高速旋转时引起离心力，这就规定支承轴承既要损耗少又要强度高。当前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、承载极限转速低不适当单独作为高转速飞轮储能系统支撑方式，由于其支撑强度高、构造紧凑长处，使得机械轴承适合于作为保护轴承或作为短时间迅速充放电飞轮系统支撑方式使用。
由于磁悬浮轴承可以在无机械接触状况下承载，无机械摩擦损耗提高了系统储能效率延长了轴承使用寿命，使其成为了飞轮储能系统抱负支撑方式。磁悬浮轴承分为永磁轴承、超导磁轴承和电磁轴承。
2.2.2支承轴承技术研究现状
韩国电力公司研究所研发组合式轴承飞轮储能系统，飞轮转速可达到1r/min，该系统组合式轴承是由一种高温超导次轴承、一种角接触球轴承和一种积极电磁阻尼器构成[12]。
波音公司研制使用高温超导磁轴承小型飞轮储能系统，在全速时飞轮可以储存5KW·h动能，它可以提供3KW三相208V电源到电力负载[13]。
中华人民共和国电力科学研究院工程师研制出了一种可作为电动汽车辅助动力源五自由度积极磁悬浮轴承飞轮电池储能系统，并进行了飞轮电池样机30000r/min旋转实验[14]。
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、机械能互相转换，该系统飞轮转速可以达到13000r/min[15]。
2.3电动/发电机技术分析与发呈现状
2.3.1电动/发电机技术分析
在飞轮储能系统中机械能到电能、电能到机械能之间互相转换是依托集成电动/发电机来实现，因此电动/发电机性能好坏直接影响着飞轮储能系统效率。飞轮储能系统在充电时飞轮转速增长到设计极限转速，在这个过程中电动/发电机转速也在不断升高；而在放电过程中随着飞轮转速不断减少，电动/发电机转速也随之下降。因而在飞轮储能系统充放电过程中电动/发电机转速是在不断变化，这就规定飞轮储能系统选用电动/发电机应当满足高转速、高效率、自损耗低，适应宽转速范畴等条件。当前条件下可选取应用于飞轮储能系统电机有开关磁阻电机、感应电机、永磁电机等。表2给出了三种电机有关性能参数对比。

表2 几种电机有关性能参数对比[16]
电机类型
永磁无刷
直流电机
感应电机
开关磁阻电机
峰值效率/%
95～97
91～94
90
10%负载效率/%
90～95
93～94
80～87
最高转速/(r/min)
>30000
900～15000
>15000
控制其相对成本
1
1～1.5
1.5～4
电机牢固性
良好
优
优

永磁电机以其效率高、能量密度大、维护以便、可在宽转速范畴内高效率运营等特点使得在飞轮储能系统中得到了广泛应用。
2.3.2电动/发电机技术发呈现状
韩国忠南大学学者对飞轮储能系统使用高速永磁同步电机进行了研究，并于设计了一台高速双转子永磁电机，该电机功率为30KW/0（r/min），在6000—13084r/min转速范畴内其效率均在99%以上[17]。
美国宇航局在设计由两台锥型永磁同步电机构成磁悬浮永磁电机可以实现电机转子五自由度积极控制，省去了磁轴承，进而减小了系统功率损耗，提高了系统效率，转子极限转速也有所增长[18]。
沈阳工业大学研制由磁悬浮轴承支撑75KW/60000（r/min）高速永磁电动/发电机，其采用定子环形绕组构造既可以提高冷却效率又可以增长转子刚度[19]。
2.4电力电子装置技术分析
电机选定之后，电力电子装置性能直接影响着飞轮储能系统效率。飞轮储能系统中动能和电能之间转换是电动/发电机在电力电子装置控制下实现，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通过有整流、调频、稳压后供应负载。并且电力电子装置使用寿命也决定了飞轮储能系统寿命。
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双向转换，并且可自动实现飞轮系统稳速、恒压功能。
2.5真空室技术分析
要提高飞轮储能系统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，对于高速飞轮减少风阻有效办法是将飞轮置于真空室内，这样既可以有效减少风阻损耗又可以对事故进行屏蔽。以当前技术制造这样真空条件并不难，但是如何长时间保持这种状态才是问题难点，要想解决这个问题就必要解决密封问题和真空室内材料逸出气体问题。真空度对系统效率起着重要决定作用，当前国际上真空度可以达到量级。随着真空度增长风阻损耗明显下降，但是在此环境下散热性能削弱，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、飞轮储能技术应用现状
随着磁悬浮技术、复合材料技术和电力电子转换技术获得突破性进展，飞轮储能作为一种新储能方式得到了各国普遍关注，并且已经成功应用于许多领域。
3.1飞轮储能技术应用于电动汽车
随着能源危机和环境问题日益凸显，开发节能环保型汽车已成为了将来汽车工业发展趋势，各个制造商纷纷把目光投向了混合动力电动汽车和纯电动车，由于飞轮储能与化学蓄电池相比具备储能密度大、能量转换效率高、充电速度快、使用寿命长、对环境和谐等特点，因而可以将飞轮储能系统应用在电动汽车中，飞轮储能系统即可作为独立能量源驱动汽车也可以作为辅助能源驱动汽车，同步加入了飞轮储能系统汽车其再生制动效率也比较高。
美国飞轮系统公司（AFS）研制出复合材料制作飞轮，成功将一辆克莱斯勒轿车改装成纯电动汽车 AFS20，该车由 20 节质量为13.64Kg飞轮电池驱动。改装后电动汽车性能良好，仅需 6.5 秒就可以从零加速到 96km/h，充电一次可行使里程为 600km[5]。
美国罗森公司研发由飞轮储能系统和涡轮发动机共同驱动混合动力汽车，通过道路测试其百公里加速时间仅为6s，且在长时间不用状况下，飞轮也能在涡轮发动机带动下，在2min内达到正常工作转速。日本研制出最高转速可达36000r/min飞轮电池，将其应用于电动车中可对制动时能量进行回收，这样可以提高汽车能源运用率，经实验证明其机械能——电能转化率可达85%[20]。
3.2飞轮储能技术应用于风力发电系统
在风力发电过程中由于其不稳定性使得系统产生电压、频率随时间不断变化，这就需要这风力发电系统中引入一种即可以在能量过剩时吸取存储多余能量，又能在能量局限性时迅速为系统补充能量以稳定系统电力输出装置。当前普通使用蓄电池或柴油机来稳定系统电力输出，但是这两种方式都存在着一定弊端，例如瞬间启动时蓄电能不能立即为系统提供足够功率，且蓄电池自身也存在着对环境污染问题，然而柴油机组存在着必要启动30min后才干停机特殊规定，对于时大时小风能来说就存在着系统电能过剩问题且频繁启停影响柴油机寿命[9]。
美国Beacon Power公司在纽约州史蒂芬镇建设了20 MW飞轮储能项目，该项目既可觉得纽约州智能电网进行频率调节，又能将该地区风力发电过剩电能进行缓存， 并在用电高峰期将电力注入电网。
3.3飞轮储能技术应用于不间断电源（UPS）
由于不间断电源可以在提供不间断供电、保证供电质量使其在医院、金融机构、国防指挥中心、大型数据中心、政府重要部门以及大型生产公司等地方被广泛应用。老式不间断电源使用是价格低廉、技术相对比较成熟化学蓄电池作为储能单元，但是其使用寿命短、充电时间长、对工作环境有特定规定、对环境尚有污染。由于飞轮储能具备充电时间短、反映速度快、储能密度大、对工作环境无特定规定、对环境和谐等特点使其成为代替化学电池应用于不间断电源抱负选取。
美国Active Power公司致力于使用飞轮储能代替化学蓄电池储能全新不间断电源系统研究，该公司研制飞轮不间断电源可以提供最长维持时间为几分钟持续供电，并且系统效率高达98%[21]。加拿大矿物与能源研究中心（CANMET）开发用于不间断电源飞轮电池，其功率为1.5Kw，质量65 kg，转速15000～45000r/min，可存储1.1KW·h能量[22]。
3.4飞轮储能技术其她应用
应用于航空航天领域，美国马里兰大学已开发出了用于航天器姿态控制飞轮储能系统，美国太空总署也已经做过了太空运营实验并已在空间站安装了48个飞轮电池，可以提供超过150KW能量[22,23]。
应用于轨道交通中，在列车制动时将能量回收存储到高速旋转飞轮中，当列车牵引时将回收能量在回馈给列车使回收能量得以有效运用，这样就可以极大地提高系统节能效果，西门子公司研制功率为3MW飞轮储能系统，可以回收30%制动能量[23]。
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、对环境和谐等长处受到了人们广泛注重，成为了能源界研究热点之一。随着新型特殊材料技术、磁悬浮轴承技术、当代电力电子技术等获得突破性进展，使得飞轮储能技术优越性得以充分呈现，这使得飞轮储能应用范畴越来越广许多科技公司也加入到了飞轮储能研发队伍之中。随着飞轮储能技术不断发展，在不久将来飞轮储能将会像蓄电池和燃料电池同样，作为独立能源向系统提供电力。
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Analysis on the Key Technology and the Application Status of Flywheel Energy Storage System
Abstract：From the structural principle of flywheel energy storage system，this paper firstly introduces the structural components，working principle and operating mode of the flywheel energy storage system，and then it has carried on the comprehensive analysis to the flywheel rotor，supporting bearing，vacuum chamber，electric motor or generator and power electronic devices and so on working as the key technologies，and it also introduces research situation at home and abroad of the key technology， and the current application of flywheel energy storage are expounded based on this.
Key words：flywheel energy storage；key technology；application status