飛輪儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其研究現(xiàn)狀

張新賓，儲江偉，李洪亮，孫中鑫，阮文就

（東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

在中國經(jīng)濟快速發(fā)展的同時，能源和環(huán)境問題已成為了阻礙中國經(jīng)濟快速發(fā)展的障礙。然而，在能源如此短缺的情況下，使用目前的耗能設(shè)備和耗能方式卻使世界上50%～70%的能量白白浪費了[1]。因此在開發(fā)新能源的同時，研究如何回收存儲被白白浪費的能量也是非常重要的。目前的儲能方式主要有化學(xué)儲能、物理儲能和其它儲能，在這幾種儲能方式中，化學(xué)儲能技術(shù)比較成熟，并已得到廣泛應(yīng)用，但是它使用壽命短、受外界條件影響顯著、對環(huán)境不夠友好；超導(dǎo)儲能成本高、對環(huán)境要求苛刻，暫時還不適合大規(guī)模應(yīng)用；物理儲能是利用物理方法將能量存儲起來，所以不存在環(huán)境污染問題，比較適合當(dāng)今的發(fā)展要求。物理儲能方式主要有抽水儲能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能。在這幾種物理儲能方式中，飛輪儲能以其在使用壽命、充電時間、充放電效率方面的突出特點得到了廣泛關(guān)注。

1 飛輪儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 飛輪儲能系統(tǒng)基本的結(jié)構(gòu)

飛輪儲能系統(tǒng)又稱飛輪電池，其基本結(jié)構(gòu)是由飛輪、軸承、電動機/發(fā)電機、電力電子控制裝置、真空室等5個部分組成[2]。其中飛輪是飛輪儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，一般選用強度高、密度相對較小的復(fù)合材料制作；軸承是支撐飛輪的裝置，由于磁懸浮支承可以降低摩擦損耗提高系統(tǒng)效率而成為了支撐技術(shù)的研究熱點；飛輪儲能系統(tǒng)的電機是一個集成部件，可以在電動和發(fā)電兩種模式下自由切換，以實現(xiàn)機械能和電能的相互轉(zhuǎn)換；電力電子控制裝置主要是對輸出和回饋的電能進行控制，通過對電力電子控制裝置的操作可以實現(xiàn)對飛輪電機各種工作要求的控制；真空室的功用有兩個，即為飛輪提供真空環(huán)境降低風(fēng)阻損耗又在飛輪高速旋轉(zhuǎn)破裂時起到保護周圍人員和設(shè)備的作用。圖1給出了一種飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。

1.2 飛輪儲能系統(tǒng)的工作原理

飛輪儲能系統(tǒng)是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將能量以動能的形式存儲起來的裝置。它有3種工作模式，即充電模式、保持模式、放電模式。充電模式即飛輪轉(zhuǎn)子從外界吸收能量使飛輪轉(zhuǎn)速升高，將能量以動能的形式存儲起來；放電模式即飛輪轉(zhuǎn)子將動能傳遞給發(fā)電機，發(fā)電機將動能轉(zhuǎn)化為電能，再經(jīng)過電力控制裝置輸出適合于用電設(shè)備的電流和電壓，實現(xiàn)了機械能到電能的轉(zhuǎn)化；保持模式即當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定值時既不再吸收能量也不向外輸出能量，如果忽略自身的能量損耗其能量保持不變，如圖 2所示。高速旋轉(zhuǎn)的飛輪以動能的形式存儲的能量可以表示為[3]

式中，v為飛輪邊緣線速度；m為飛輪的質(zhì)量；J為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量；ω為飛輪的角速度。

由式(1)可知飛輪具有的能量與飛輪的轉(zhuǎn)動慣量、飛輪角速度的平方成正比，由此可知提高飛輪儲能量的方法有增大飛輪的轉(zhuǎn)動慣量和提高飛輪轉(zhuǎn)速。由于可將飛輪看似圓盤，因此計算飛輪轉(zhuǎn)動慣量的公式為

式中，r為飛輪的轉(zhuǎn)動半徑。

2 飛輪儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

早在20世紀(jì)50年代，飛輪儲能技術(shù)就受到人們的關(guān)注，并將其應(yīng)用于電動汽車中，但是受當(dāng)時技術(shù)水平的限制，未能取得突破性進展。直到 20世紀(jì)90年代，由于與飛輪電池儲能相關(guān)的技術(shù)取得了突破性進展，才使飛輪電池儲能進入了快速發(fā)展階段。

2.1 飛輪轉(zhuǎn)子技術(shù)分析

飛輪儲能系統(tǒng)依靠飛輪轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)來存儲能量，從飛輪儲能原理可知飛輪轉(zhuǎn)速越高其存儲的能量就越多。然而隨著飛輪轉(zhuǎn)速的升高，飛輪在離心力作用下使其內(nèi)部所受應(yīng)力不斷增大，受材料許用應(yīng)力的限制使飛輪轉(zhuǎn)速不可能無限制的增加。為了保證飛輪能夠安全可靠地運行，在選擇飛輪材料時必須進行應(yīng)力計算，根據(jù)計算結(jié)果仔細(xì)選擇飛輪材料，對于一個薄壁圓筒飛輪有[4]

式中，δ為材料的最大抗拉強度，Pa；ρ為材料的密度，kg/m3；J為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；ωm為飛輪轉(zhuǎn)子的極限角速度，r/s；r為飛輪的旋轉(zhuǎn)半徑，m；e為飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時引起的應(yīng)力達(dá)到材料抗拉強度極限值時單位質(zhì)量轉(zhuǎn)子所存儲的能量，即飛輪的極限儲能密度。

圖2 飛輪儲能系統(tǒng)工作原理簡圖Fig.2 Flywheel energy storage system working principle diagram

由式(3)可知飛輪的儲能密度與材料的抗拉強度成正比，與飛輪材料密度成反比。因此為了增加飛輪的儲能密度應(yīng)該選用高比強度（δ/ρ）的材料制作飛輪。表1給出了不同飛輪材料的物理參數(shù)，其中儲能密度值是計算的等厚圓盤飛輪的理論值。從表中可以看出，高強度鋼和鋁合金在抗拉強度和儲能密度兩個方面均不及復(fù)合材料，這也是早期飛輪儲能技術(shù)難以取得突破進展的原因之一，復(fù)合材料在抗拉強度和儲能密度方面表現(xiàn)出的優(yōu)良特性使得復(fù)合材料成為制造飛輪轉(zhuǎn)子的理想材料。

表1 不同材料飛輪的最大儲能能力[5-6]Table 1 Maximum energy storage capacity of different material flywheel[5-6]

有研究表明，提高飛輪電池儲能密度的先決條件是制作飛輪的材料要有很高的強度，在材料滿足條件的前提下還要考慮飛輪的制作工藝，由于復(fù)合材料的各向異性，導(dǎo)致其沿纖維方向強度很高，而垂直纖維方向表現(xiàn)強度很低，為了最大限度地發(fā)揮復(fù)合材料沿纖維方向強度高的優(yōu)點，一般采用環(huán)向纏繞的多層圓環(huán)結(jié)構(gòu)[7]。

2.2 支承軸承技術(shù)分析

飛輪轉(zhuǎn)速的大小，可以決定飛輪電池存儲能量的多少，然而飛輪電池儲能系統(tǒng)中飛輪所能達(dá)到的極限轉(zhuǎn)速除與飛輪本身的屬性有關(guān)外，還與支承軸承的選擇有很大關(guān)系。因為飛輪電池在能量保持模式時飛輪需要保持高速運轉(zhuǎn)，這就需要軸承的摩擦損耗盡量小甚至為零，以減少能量白白地?fù)p耗，從而提高系統(tǒng)的儲能效率。軸承在承受飛輪本體重量的同時，還要承受飛輪轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時引起的離心力，這就要求支承軸承既要損耗少又要強度高。目前的支撐軸承可分為機械軸承、磁懸浮軸承和組合式軸承等。

機械軸承由于摩擦損耗大、承載的極限轉(zhuǎn)速低，不適合單獨作為高轉(zhuǎn)速飛輪儲能系統(tǒng)的支撐方式，由于其支撐強度高、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點，使得機械軸承適合于作為保護軸承或作為短時間快速充放電飛輪系統(tǒng)的支撐方式使用。

磁懸浮軸承可以在無機械接觸的情況下承載，無機械摩擦損耗提高了系統(tǒng)儲能效率，延長了軸承的使用壽命，使其成為了飛輪儲能系統(tǒng)的理想支撐方式。磁懸浮軸承分為永磁軸承、超導(dǎo)磁軸承和電磁軸承。

永磁軸承一般是由一對或多個磁環(huán)按一定的排列方式組合而成，隨著永磁材料的發(fā)展，永磁軸承的承載能力也在不斷提高。然而要想單獨使用永磁軸承實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮是不可能的，通常將永磁軸承和其他軸承混合使用，這樣既可以達(dá)到穩(wěn)定懸浮又可以提高儲能系統(tǒng)的效率。

超導(dǎo)磁軸承是由超導(dǎo)體和永磁體組成。它是利用超導(dǎo)體的磁通釘扎效應(yīng)和邁斯納效應(yīng)使飛輪處于穩(wěn)定懸浮狀態(tài)，由于無需控制裝置、能耗損失小、使用壽命長使它得到了廣泛關(guān)注。然而超導(dǎo)磁軸承需要復(fù)雜的制冷裝置使其運行在低溫條件下，不利于儲能裝置的小型化且整體費用偏高。

電磁軸承又稱主動磁軸承，它使用反饋控制技術(shù)對飛輪進行主動控制，提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，這是電磁軸承的突出優(yōu)點。電磁軸承的主要缺點是系統(tǒng)比較復(fù)雜、成本比較高，且需要輔助軸承支承。

目前，無論是機械軸承還是磁懸浮軸承都具有各自的優(yōu)缺點，所以在實際使用中經(jīng)常將幾種軸承組合起來使用以達(dá)到更好的效果。

2.3 電動/發(fā)電機技術(shù)分析

在飛輪儲能系統(tǒng)中，機械能與電能之間相互轉(zhuǎn)換是依靠集成的電動/發(fā)電機來實現(xiàn)的，所以電動/發(fā)電機性能的好壞直接影響著飛輪儲能系統(tǒng)的效率。飛輪儲能系統(tǒng)在充電時，飛輪轉(zhuǎn)速增加到設(shè)計的極限轉(zhuǎn)速，在這個過程中電動/發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也在不斷升高；而在放電過程中隨著飛輪轉(zhuǎn)速的不斷降低，電動/發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也隨之下降。因此在飛輪儲能系統(tǒng)的充放電過程中，電動/發(fā)電機的轉(zhuǎn)速是在不斷變化的，這就要求飛輪儲能系統(tǒng)選用的電動/發(fā)電機應(yīng)該滿足高轉(zhuǎn)速、高效率、自損耗低，適應(yīng)寬轉(zhuǎn)速范圍等條件。目前條件下可選擇應(yīng)用于飛輪儲能系統(tǒng)的電機有開關(guān)磁阻電機、感應(yīng)電機、永磁電機等。表2給出了3種電機的相關(guān)性能參數(shù)對比。

表2 幾種電機的相關(guān)性能參數(shù)對比[8]Table 2 Several motor-related performance parameters comparison[8]

永磁電機以其效率高、能量密度大、維護方便、可在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)高效率運行等特點在飛輪儲能系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.4 電力電子裝置技術(shù)分析

電機選定之后，電力電子裝置的性能直接影響著飛輪儲能系統(tǒng)的效率。飛輪儲能系統(tǒng)中的動能和電能之間的轉(zhuǎn)換是電動/發(fā)電機在電力電子裝置的控制下實現(xiàn)的，輸入電能時將交流轉(zhuǎn)化為直流驅(qū)動電機，使飛輪轉(zhuǎn)速升高，存儲能量；輸出電能時將直流轉(zhuǎn)化為交流并經(jīng)過整流、調(diào)頻、穩(wěn)壓后供給負(fù)載。而且電力電子裝置的使用壽命也決定了飛輪儲能系統(tǒng)的壽命。

美國Beacon Power公司使用脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)了能量從直流母線到三相變頻交流的雙向轉(zhuǎn)換，并且可自動實現(xiàn)飛輪系統(tǒng)穩(wěn)速、恒壓的功能。

2.5 真空室技術(shù)分析

要提高飛輪儲能系統(tǒng)的效率除了要減少摩擦損耗外盡量減低風(fēng)阻損耗也是非常必要的，對于高速飛輪減少風(fēng)阻的有效方法是將飛輪置于真空室內(nèi)，這樣既可以有效降低風(fēng)阻損耗又可以對事故進行屏蔽。以目前的技術(shù)制造這樣的真空條件并不難，但是如何長時間保持這種狀態(tài)才是問題的難點，要想解決這個問題就必須解決密封和真空室內(nèi)材料逸出氣體的問題。真空度對系統(tǒng)效率起著主要的決定作用，目前國際上的真空度可以達(dá)到10-5量級。隨著真空度的增加風(fēng)阻損耗明顯下降，但是在此環(huán)境下散熱性能減弱，飛輪本體溫度升高較快。英國研究人員已經(jīng)驗證了在低速運轉(zhuǎn)條件下，氦氣環(huán)境可以減少風(fēng)阻損耗。

3 飛輪儲能系統(tǒng)技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1 飛輪轉(zhuǎn)子技術(shù)現(xiàn)狀

為了提高飛輪的儲能能力，選擇合適的飛輪轉(zhuǎn)子材料和合理的外形結(jié)構(gòu)是非常必要的。目前的飛輪的材料可分為金屬材料和復(fù)合材料，與金屬材料相比，復(fù)合材料具有強度高、密度小、使用壽命長等優(yōu)點而得到了廣泛應(yīng)用。但金屬材料設(shè)計技術(shù)比較成熟，所以也仍有人在研究。

美國Active Power公司研發(fā)的基于飛輪儲能的電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)子使用的材料是 4340鍛鐵，飛輪轉(zhuǎn)速最高可達(dá)到 7700 r/min，并且該系統(tǒng)已經(jīng)規(guī)模化生產(chǎn)[9]。

波音公司在2010年設(shè)計的復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子，采用了環(huán)向纏繞的3層圓環(huán)結(jié)構(gòu)，根據(jù)每層的受力特點使用了不同規(guī)格的碳纖維，使得飛輪的整體強度和材料利用率都得到了提高[10]。

北京航空航天大學(xué)使用碳纖維材料制造飛輪儲能系統(tǒng)用于航天器的姿態(tài)控制和能量存儲，該飛輪轉(zhuǎn)速可達(dá) 500000 r/min，儲能密度為 36.1 W·h/kg[11]。

2012年7月，清華大學(xué)設(shè)計的質(zhì)量為1200 kg的低速重型合金鋼飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到了3600 r/min。該儲能系統(tǒng)實現(xiàn)了100 kW充電/500 kW發(fā)電運行，并且在儲能量和發(fā)電功率方面已經(jīng)具備了工業(yè)應(yīng)用的條件[12]。

3.2 支承軸承技術(shù)研究現(xiàn)狀

為了保持飛輪儲能系統(tǒng)的能量，飛輪需要長時間保持高速的旋轉(zhuǎn)，這時消除軸承的摩擦損耗是非常必要的，這也是延長系統(tǒng)壽命所必須的。傳統(tǒng)的機械軸承摩擦損耗大，只適用于短時間的儲能，然而由于其結(jié)構(gòu)簡單緊湊可用于緊急狀態(tài)的保護軸承，由于磁懸浮軸承可以實現(xiàn)無接觸的支撐，消除了摩擦損耗而受到了廣泛關(guān)注。

韓國電力公司研究所研發(fā)的組合式軸承飛輪儲能系統(tǒng)，飛輪轉(zhuǎn)速可達(dá)到12000 r/min，該系統(tǒng)的組合式軸承是由一個高溫超導(dǎo)次軸承、一個角接觸球軸承和一個主動電磁阻尼器組成的[13]。

波音公司研制的使用高溫超導(dǎo)磁軸承的小型飛輪儲能系統(tǒng)，在全速時飛輪可以儲存 5 kW·h的動能，它能夠提供3 kW的三相208 V電源到電力負(fù)載[14]。

中國電力科學(xué)研究院研制出了一種可作為電動汽車輔助動力源的五自由度的主動磁懸浮軸承飛輪電池儲能系統(tǒng)，并進行了飛輪電池樣機的 30000 r/min旋轉(zhuǎn)試驗[15]。

西南交通大學(xué)超導(dǎo)技術(shù)研究所研制了一臺高溫超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲能樣機，并實現(xiàn)了電能、機械能的相互轉(zhuǎn)換，該系統(tǒng)的飛輪轉(zhuǎn)速可以達(dá)到13000 r/min[16]。

3.3 電動/發(fā)電機技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

飛輪儲能系統(tǒng)機械能和電能之間的轉(zhuǎn)換是依靠集成的電動/發(fā)電機來實現(xiàn)的，為適應(yīng)飛輪儲能系統(tǒng)高轉(zhuǎn)速的需要，可供選擇的電機有開關(guān)磁阻電機、同步磁阻電機、永磁電機和感應(yīng)電機等，其中永磁電機以其效率高、能量密度大、維護方便、可在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)高效率運行等特點得到了廣泛應(yīng)用。

韓國忠南大學(xué)的 Jang等[17]對飛輪儲能系統(tǒng)使用的高速永磁同步電機進行了研究，并于2009年設(shè)計了一臺高速雙轉(zhuǎn)子永磁電機，該電機的功率為30 kW/（20000 r/min），在 6000～13084 r/min 轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)其效率均在99%以上。

美國宇航局在 2012年設(shè)計的由兩臺錐型永磁同步電機組成的磁懸浮永磁電機可以實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)子五自由度主動控制，省去了磁軸承，進而減小了系統(tǒng)的功率損耗，提高了系統(tǒng)效率，轉(zhuǎn)子的極限轉(zhuǎn)速也有所增加[18]。

北京航空航天大學(xué)研制了用于航天器姿態(tài)控制和儲能兩用的飛輪儲能系統(tǒng)用高速永磁無刷直流電機，該電機采用一種非常適合于空心杯型定子電機的新型Halbach磁體結(jié)構(gòu)，使得飛輪儲能系統(tǒng)的整體體積和質(zhì)量大大減小，并且降低了定子功耗[19]。

4 結(jié) 語

飛輪儲能作為一種新型能源儲備方式以其儲能密度高、使用壽命長、能量轉(zhuǎn)換效率高、充電時間短、對環(huán)境友好等優(yōu)點受到了人們的廣泛重視，并已成功在電動汽車、不間斷電源（UPS）、風(fēng)力發(fā)電、航空航天、軌道交通等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。隨著新型特殊材料技術(shù)、磁懸浮軸承技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)等技術(shù)的不斷發(fā)展，飛輪儲能技術(shù)的優(yōu)越性得以充分展現(xiàn)，這使得飛輪儲能技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣泛，從而吸引了更多的企業(yè)加入到了飛輪儲能的研發(fā)隊伍之中。

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