飞轮储能系统关键技术分析及应用现状_储江伟Word文档格式.docx
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Analysisonthekeytechnologyandtheapplicationstatusofflywheelenergystoragesystem
CHUJiang-wei，ZHANGXin-bin
（TrafficCollege，NortheastForestryUniversity，Harbin150040，China）
Abstract:
Fromthestructuralprincipleofflywheelenergystoragesystem，thestructuralcomponents，workingprinciple
andoperatingmodeoftheflywheelenergystoragesystemwereintroduced，andthenitwascarriedonthecomprehen-siveanalysisontheflywheelrotor，supportingbearing，vacuumchamber，electricmotororgeneratorandpowerelec-tronicdevicesandsoonworkingasthekeytechnologies．Ｒesearchsituationathomeandabroadofthekeytechnology
wasalsointroduced，andthecurrentapplicationofflywheelenergystoragewasexpoundedbasedonthis．
Keywords:
flywheelenergystorage;
keytechnology;
applicationstatus
0 引 言
在全球能源短缺的情况下，使用目前的耗能设备和耗能方式使得世界上总能量的50%～70%白白地浪费掉［1］。
因此，在开发新能源的同时，研究如何回收存储被浪费的能源显得十分重要。
目前的储能方式主要有化学储能、物理储能和超导储能。
其中，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;
物理储能是利用物理方法将能量存贮起来，不存在对环境污染问题，因此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 飞轮储能系统的基本结构
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，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。
图
收稿日期:
2014－07－17
作者简介:
储江伟（1962－），男，江苏宜兴人，教授，博士生导师，研究方向为汽车维修理论与诊断技术。
2014年，第6期 －瑔瑣－
实用节能技术
1所示的为飞轮储能系统结构的一种。
图2飞轮储能系统工作原理
图1飞轮储能系统结构
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。
它有充电、保持、放电三种工作模式。
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
2飞轮储能系统关键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人们的关注，并应用于电动汽车中。
但是受到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突破性进展，才使得飞轮电池储能进入快速发展阶段。
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
m
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其内部所受应力不断增大，受材料许用应力的限制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］:
置输出适合于用电设备的电流和电压，实现机械
δ=ρr2ω2
（3）
能到电能的转化;
保持模式即当飞轮转速达到预
J=mr2 （4）
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。
高速旋转
E=1Jω2=1mr2ω2
2 m 2 m
（5）
的飞轮以动能的形式存储的能量可以表示为［3］:
e=E
=1r2ω2
=δ
（6）
m 2 m 2ρ
E=1mv2=1Jω2
（1）
式中:
δ为材料的最大抗拉强度，Pa;
ρ为材料的密
2 2
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，因此提高飞轮储能量有增大飞轮的转动惯量和提高飞轮转速两种方法。
由于可将飞轮看似圆盘，因此求飞轮转动惯量的公式为:
度，kg/m3;
J为飞轮的转动惯量，kg·
m2;
ω为飞轮
转子的极限角速度，rad/s;
r为飞轮的旋转半径，m;
m为飞轮的质量，kg;
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。
由式（6）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
J=1
2
mr2
（2）
增加飞轮的储能密度应该选用高比强度的材料制
作飞轮。
r为飞轮的转动半径。
由式
（2）可知，增加飞轮转动惯量有增加飞轮转动半径和增加飞轮质量两种方法，然而一般在保证能量容量一定的情况下，应尽量缩减飞轮的质量和体积，所以增加飞轮存储能量的方法通常为提高飞轮转速和减少飞轮质量。
图2所示的为飞轮储能系统工作原理。
–瑤瑔－
表1为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1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。
δ
ρ
e
/GPa
/kg·
m－3
/Wh·
kg－1
E玻璃
3．5
纤维/树脂
2540
231．9
S玻璃
4．8
2520
320．6
Kevlar
3．8
1450
441．1
Spectra
3．0
970
520．6
碳纤维T-1000/树脂 10．0
1780
945．7
高强度钢 2．7
8000
56．8
表1不同材料飞轮的最大储能能力［5－6］
飞轮材料
铝合金 0．6 2800 36．1
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，为了最大限度的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］。
2．1．2 飞轮转子技术现状
美国ActivePower公司研发的基于飞轮储能的电源系统其转子使用的材料是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2010年设计的复合材料飞轮转子，采用环向缠绕的三层圆环结构，根据每一层的受力特点使用不同规格的碳纤维，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的姿态控制和能量存储，该飞轮转速可达500000r/min，储能密度为36．1Wh/kg［10］。
2012年7月，清华大学设计的质量为1200kg的低速重型合金钢飞轮转速达到3600r/min。
该储能系统实现100kW充电/500kW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［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的关系。
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，还要承受着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，承载的限转速低，不合适单独作为高转速飞轮储能系统的支撑方式。
但由于其具有支撑强度高、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，提高系统储能效率，延长轴承使用寿命，使其成为了飞轮储能系统的理想支撑
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