新型飛輪儲(chǔ)能技術(shù)及其應(yīng)用展望

葛舉生，王培紅

（東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，南京 210096）

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)（FESS）又稱飛輪電池［1]，早在20世紀(jì)50年代就有人提出了利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪來(lái)儲(chǔ)存能量、并將其用于電動(dòng)汽車的設(shè)想，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，一直未取得突破性的進(jìn)展。20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著新材料和電力電子技術(shù)的飛速進(jìn)步，飛輪儲(chǔ)能及其應(yīng)用也取得了重要進(jìn)展，特別是高性能永磁材料、高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)以及真空技術(shù)的進(jìn)展，極大降低了飛輪轉(zhuǎn)子的摩擦損耗和風(fēng)損耗；高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料的運(yùn)用，飛輪允許的線速度可達(dá)到1 000m／s，極大提升了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度；電力電子技術(shù)的新發(fā)展，使飛輪電機(jī)與電網(wǎng)之間靈活的能量轉(zhuǎn)換成為可能。作為儲(chǔ)能技術(shù)之一的飛輪儲(chǔ)能，由于其壽命長(zhǎng)、儲(chǔ)能密度大、能量轉(zhuǎn)換率高、不受充放電次數(shù)限制、安裝維護(hù)方便以及對(duì)環(huán)境危害小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)開(kāi)始越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的許多行業(yè)中。

1 結(jié)構(gòu)和原理

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)作為一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存裝置，主要包括飛輪、電動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)和電力轉(zhuǎn)換器3個(gè)核心部分，見(jiàn)圖1。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充電時(shí)，從外界輸入的電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為飛輪的動(dòng)能儲(chǔ)存起來(lái)；放電時(shí)，用飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)發(fā)電機(jī)將飛輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，再通過(guò)電力轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成外部負(fù)載所需要的各種頻率、電壓等級(jí)的電能。典型的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)包括飛輪、軸承、電機(jī)、電力電子變換器和真空容器等，見(jiàn)圖2。

圖1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)原理圖

圖2 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

飛輪是該系統(tǒng)的核心部件，一般由特殊合成材料制成；采用磁懸浮軸承可以減少飛輪空轉(zhuǎn)時(shí)的損耗、提高飛輪的轉(zhuǎn)速。發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)采用一臺(tái)電機(jī)，通過(guò)軸承直接和飛輪連接，為了減少風(fēng)損，電機(jī)與飛輪都被密封在一個(gè)真空容器。為了減小整個(gè)系統(tǒng)的重量和外形，提高儲(chǔ)能密度，電力轉(zhuǎn)換器通常采用IGBT（絕緣柵極場(chǎng)效應(yīng)晶體管）和 MOSFET（場(chǎng)效應(yīng)晶體管）組成的雙向逆變器。

2 關(guān)鍵技術(shù)

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，包括飛輪采用的復(fù)合材料的選擇、軸承支承系統(tǒng)、電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和真空室的設(shè)計(jì)等。

2.1 飛輪采用的復(fù)合材料

飛輪的儲(chǔ)能量與其角速度的平方成正比，因此提高飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可以顯著提高飛輪的儲(chǔ)能量。但是飛輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大向心力，要求采用比強(qiáng)度σ∶ρ，即材料的許用應(yīng)力（σ）與密度（ρ）的比值高的材料來(lái)制作飛輪轉(zhuǎn)子。表1給出了幾種可以用于飛輪材料的許用應(yīng)力、密度和等厚度圓盤飛輪理論儲(chǔ)能密度e的基本數(shù)據(jù)。

表1 飛輪材料的基本數(shù)據(jù)［2]

由表1可知，高強(qiáng)度合金鋼的比強(qiáng)度和制成的飛輪儲(chǔ)能密度都遠(yuǎn)不及高強(qiáng)度纖維材料，所以目前儲(chǔ)能飛輪一般都采用高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料。高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料以碳纖維為主，并用用聚合物母基（如環(huán)氧樹(shù)脂）作為填充物成型，美國(guó)Maryland大學(xué)所研制的20kWh多層圓柱飛輪儲(chǔ)能裝置，外徑0.564m，內(nèi)徑0.254m，厚0.553m，重172.8kg，最大轉(zhuǎn)速為46 345r／min［3]，飛輪就是采用這種碳纖維—環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。

2.2 軸承支承裝置

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)論處于充放電狀態(tài)還是待機(jī)狀態(tài)，飛輪都必須不停地高速旋轉(zhuǎn)，因此減少軸承的摩擦損耗對(duì)于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率很重要。傳統(tǒng)的機(jī)械軸承支承摩擦損耗比較大，采用機(jī)械軸承的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，儲(chǔ)能過(guò)程的能量損失會(huì)很大。采用磁懸浮軸承支承飛輪［4]，軸承付不直接接觸，因此軸承的運(yùn)行穩(wěn)定，運(yùn)行過(guò)程基本上無(wú)磨損，軸承的工作壽命長(zhǎng)。由于磁懸浮軸承沒(méi)有直接接觸面，因此也無(wú)需潤(rùn)滑和潤(rùn)滑介質(zhì)，避免了潤(rùn)滑劑泄露環(huán)境污染，省略了傳統(tǒng)潤(rùn)滑系統(tǒng)所需要的泵、管道、過(guò)濾器和密封件等，并能在高溫或極低溫（－253～450℃）等特殊環(huán)境下工作。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)采用磁懸浮軸承后，只要飛輪的材料有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，飛輪的轉(zhuǎn)速就可以大大提高，儲(chǔ)能密度也因此得到提高。

磁懸浮技術(shù)常用的有永磁懸浮、電磁懸浮、超導(dǎo)磁懸浮等支承方式，美國(guó)Maryland大學(xué)、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、日本三菱重工、德國(guó)KFK核物理研究所等機(jī)構(gòu)，對(duì)磁懸浮儲(chǔ)能飛輪［5]、超導(dǎo)磁懸浮儲(chǔ)能飛輪［6]等都進(jìn)行了大量研究。

2.3 機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換裝置，包括電動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)和電子電力轉(zhuǎn)換元件。由于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速很高，而且必須在真空環(huán)境中工作，因此電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的散熱條件很差，所以對(duì)電機(jī)的要求非常高。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置可以采用永磁無(wú)刷電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、同步磁阻電機(jī)等，其中永磁無(wú)刷電機(jī)在結(jié)構(gòu)和功耗上有優(yōu)勢(shì)，目前采用得也比較多，例如美國(guó)Indigo能源公司的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)采用的三相永磁無(wú)刷電機(jī)，能量轉(zhuǎn)換效率大于95%。

電子電力轉(zhuǎn)換裝置具有調(diào)頻、整流和恒壓等功能。輪儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行在放電模式時(shí)，電子電力轉(zhuǎn)換裝置作為交流轉(zhuǎn)換器把發(fā)電機(jī)輸出的電能轉(zhuǎn)換成常用的電源和頻率；輪儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行于充電模式時(shí)，電子電力轉(zhuǎn)換裝置變成電動(dòng)機(jī)的控制器［3]。

2.4 真空室

真空室的主要作用是為輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的飛輪和電機(jī)提供真空環(huán)境，降低儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的風(fēng)損，當(dāng)飛輪發(fā)生事故時(shí)還可以起到屏蔽事故防止事故擴(kuò)大的作用。真空度是決定系統(tǒng)效率的主要因素之一，目前國(guó)際上較先進(jìn)的飛輪倉(cāng)真空度一般可達(dá)到10－5數(shù)量級(jí)。不過(guò)提高真空度雖能降低風(fēng)損，但因?yàn)橄”怏w散熱功能減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子溫升較高［7]，因此必須綜合考慮。

2 飛輪儲(chǔ)能與其他儲(chǔ)能方式的比較

作為電能儲(chǔ)存的手段之一，將飛輪儲(chǔ)能與其他儲(chǔ)能方式相比較，如表2所示。

表2 飛輪儲(chǔ)能與其他主要儲(chǔ)能方式的比較

與其他儲(chǔ)能方式相比，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要有以下幾方面突出的優(yōu)點(diǎn)：①儲(chǔ)能密度高，瞬時(shí)功率大；②無(wú)過(guò)充電、過(guò)放電問(wèn)題，飛輪不會(huì)因過(guò)放或過(guò)沖，而受到損害；③容易測(cè)量放電深度和剩余“電量”，充電時(shí)間較短，一般在幾分鐘內(nèi)就可將電池充滿；④使用壽命主要取決于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中電子元器件的壽命，一般可達(dá)20年左右；⑤能量轉(zhuǎn)換效率高，一般可達(dá)85%～95%；⑥對(duì)溫度不敏感；⑦對(duì)環(huán)境無(wú)污染。當(dāng)然，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)也有其局限性，如抗震性能差和穩(wěn)定性不好等。但是隨著制造工藝的提高和新型材料的不斷涌現(xiàn)，這些問(wèn)題有望逐漸得到解決。

3 應(yīng)用

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可以應(yīng)用在電力峰值，消除電網(wǎng)中分布式發(fā)電系統(tǒng)電力的波動(dòng)，也可以作為各種重要設(shè)備（如計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)等）的不間斷電源（UPS）［8]，還可以作為衛(wèi)星和空間站的電源。

3.1 電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

采用抽水儲(chǔ)能電站進(jìn)行電力調(diào)峰雖然技術(shù)成熟，而且儲(chǔ)能大、儲(chǔ)能時(shí)間長(zhǎng)，但抽水儲(chǔ)能電站的建設(shè)受地理?xiàng)l件限制較多，還可能對(duì)環(huán)境造成一定破壞，抽水儲(chǔ)能電站往往建設(shè)在離用電中心較遠(yuǎn)的地方，需要遠(yuǎn)距離輸電。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行沒(méi)有地理限制，不污染或破壞環(huán)境，可就近分散建設(shè)，而且充放電比抽水儲(chǔ)能電快捷，因此更適合用于電力調(diào)峰［9－10]，有很好的發(fā)展?jié)摿?。目前?guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)都把飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的目標(biāo)定為電力調(diào)峰。德國(guó)的Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh于1996年著手研究?jī)?chǔ)能5 MWh／100MW的超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲(chǔ)能電站。試驗(yàn)電站由10只飛輪模塊組成，每只飛輪模塊直徑3.5m、高6.5m、重30t，轉(zhuǎn)子運(yùn)行轉(zhuǎn)速為2200～4 450r／min，最大儲(chǔ)能125kWh，系統(tǒng)效率可達(dá)96%［6]。

在風(fēng)力發(fā)電中，風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題是使風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電能保持恒定的頻率和電壓，而風(fēng)速不穩(wěn)定造成風(fēng)力發(fā)電設(shè)備電力輸出的不穩(wěn)定給風(fēng)電并網(wǎng)帶來(lái)了許多困難。

考慮到飛輪的儲(chǔ)能密度高、充放電快捷、充放電次數(shù)不限等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)外許多研究機(jī)構(gòu)已將儲(chǔ)能飛輪引入風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。美國(guó)Beacon Power（BCON）公司的20MW飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)已在紐約州史蒂芬鎮(zhèn)開(kāi)建，用來(lái)配合當(dāng)?shù)仫L(fēng)場(chǎng)［11]。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在太陽(yáng)能、潮汐、地?zé)岬睦弥卸加兄己玫膽?yīng)用前景。

3.2 電動(dòng)汽車上的應(yīng)用

20世紀(jì)80年代初，瑞士Oerlikon工程公司研制成功完全由飛輪供能的第一輛公共汽車。飛輪直徑1.63m，重1.5t，轉(zhuǎn)速為3 000r／min，在氫氣環(huán)境里以運(yùn)行以降低風(fēng)損。該車可載客70名，行程大約0.8km，在每一站停車時(shí)，飛輪需充電2min［12]。

采用飛輪混合電池，在汽車制動(dòng)過(guò)程中，可以將制動(dòng)能耗轉(zhuǎn)化為飛輪的動(dòng)能儲(chǔ)存起來(lái)；當(dāng)汽車需要大功率工作（如上坡、加速等）時(shí)，飛輪再通過(guò)發(fā)電機(jī)將動(dòng)能釋放供給系統(tǒng)使用。普通汽車穩(wěn)定時(shí)的功率需求僅為峰值功率的1／4，這樣就迫切需要引入能提供短時(shí)大功率輸出的儲(chǔ)能系統(tǒng)，而飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可以滿足這種要求［12]。美國(guó)TEXAS大學(xué)已研制出一種汽車用飛輪電池，電池在車輛需要時(shí)可提供150kW的能量，使?jié)M載車輛能加速到100km／h［13]。

美國(guó)的勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、英國(guó)的紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)、加拿大的McMaster大學(xué)和德國(guó)的磁電機(jī)公司等的研究表明，合理設(shè)計(jì)飛輪電池，車輛運(yùn)行可節(jié)能30%，并能減少75%的廢棄排放量［12]。

3.3 航空航天上的應(yīng)用

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在地面上的成功應(yīng)用已經(jīng)引起了航天部門的關(guān)注，目前航天器蓄電池具有儲(chǔ)能密度低、使用壽命有限、工作性能不穩(wěn)定以及電量不確定等缺點(diǎn)。

美國(guó)自20世紀(jì)80年代就開(kāi)始了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在航天領(lǐng)域應(yīng)用的研究，研究表明飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅能取代蓄電池作為航天器的儲(chǔ)能裝置，還可以利用儲(chǔ)能飛輪的動(dòng)量矩對(duì)航天器的姿態(tài)進(jìn)行有效控制，省去航天器用于姿態(tài)控制的反作用輪（或控制力矩陀螺），大大減輕航天器的重量，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)取代鎳氫電池和陀螺時(shí)，航天器重量將減少50%～70%［14]。

3.4 其他應(yīng)用

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以用在軍事，如Texas大學(xué)Austin電動(dòng)力學(xué)研究中心（UT－CEM）就為軍用車輛開(kāi)發(fā)了脈沖負(fù)載和運(yùn)行負(fù)載調(diào)節(jié)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)能儲(chǔ)存25MJ的能量，并提供5MW的瞬時(shí)功率，可滿足14t級(jí)軍用車輛的脈動(dòng)動(dòng)力要求［15]。電磁炮的能量需求特點(diǎn)是在1～5ms內(nèi)應(yīng)輸出數(shù)百千安的強(qiáng)電流脈沖，美國(guó)Kaman電磁公司在研制電磁炮、電化學(xué)炮時(shí)采用儲(chǔ)能飛輪實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力放電。此外，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以用于大功率機(jī)車、賽車、魚雷、大電焊機(jī)等設(shè)備中。

4 結(jié)論

現(xiàn)代高速飛輪儲(chǔ)能技術(shù)儲(chǔ)能密度大、比功率高，充放電快捷，壽命長(zhǎng)隨著材料技術(shù)、磁懸浮技術(shù)、電力電子技術(shù)等的進(jìn)一步發(fā)展，以及節(jié)能和環(huán)保的需要，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在21世紀(jì)將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。為了讓飛輪儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)用化，待解決的問(wèn)題主要有超大儲(chǔ)能密度、大功率飛輪的研制，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的功耗和生產(chǎn)成本的進(jìn)一步降低，強(qiáng)力充放電系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高，以及系統(tǒng)的安全性、可靠性的加強(qiáng)等。

另外值得注意的是，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域還在向小型化、低廉化的方向發(fā)展，例如把飛輪儲(chǔ)能制成手機(jī)等小型移動(dòng)用電設(shè)備的電池?？梢灶A(yù)見(jiàn)，伴隨著科學(xué)技術(shù)和材料學(xué)的進(jìn)步，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)將會(huì)像蓄電池和燃料電池一樣，作為獨(dú)立的能源系統(tǒng)向系統(tǒng)供電，并有望成為具有最大儲(chǔ)能密度和比功率的能源供給系統(tǒng)。

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