1、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 6070 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 827GPa)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
2、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
3、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。22 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
4、 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
5、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
6、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
7、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
8、、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
9、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
10、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
11、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150Wh/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
12、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，
13、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 4000050000r/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
14、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=j 2决定。式中 j 为飞轮的转动惯量，与飞轮的形状和重量有关；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
15、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电池名称对比项 化学电池 飞轮电池 超导电池储能方式 化学能 机械能 电磁能使用寿命（年）
16、35 20 20技术 成熟 验证 验证温度范围 限制 不限 不限相对尺寸（同功率） 大 最小 中间储能密度 小 大 大放能深度 浅 深 深价格 低 高 较高环境影响 污染 无污染 无污染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 310 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
17、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
18、.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
19、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(rads)。飞轮单位重量存贮的能量：e=EM=9 8k p式中：k 为飞轮形状系数； 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
20、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 p 大的材料。通常碳素纤维材料的 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
21、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=M(H)(dHdz)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
22、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： 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。
