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飞轮储能技术研究

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摘要：介绍了飞轮储能技术的基本原理和应用.飞轮储能技术作为一种新型能源储备方式，

具有大储能、高功率、无污染、适用广、维护简单、可实现连续工作等优点越来越为世界各

国所重视，成为研究热点。

关键词:飞轮储能;电力;复合材料;飞轮电池

引言：近年来.世界各地屡屡发生大面积停电等重人电力事故.美国、加拿人、英国、瑞典、

意人利等都遭遇了地铁瘫痪、民航、铁路运输中断等事故.经济损失达上千亿美元.大面积停

电和严重缺电能够迅速波及整个网络.其损失和造成的影响都是难以估量的.采取一些有效的

措施把用电低谷时多余的电能储存起来.在用电高峰时释放出来缓解用电压力是各国都在积

极考虑的问题.现在己采取的储能技术有机械储能（飞轮、抽水、弹簧、压缩空气等)、热能

蓄能(显热、潜热、蒸发、融解、升华等)、电磁蓄能(电容器、超导等)和化学蓄能(蓄电池、

合成燃料、浓度差发电、物理化学能量等).其中发展最快、规模最大的是抽水蓄能.其次是压

缩空气蓄能.排在第二位的就是飞轮蓄能.飞轮蓄能装置可配置在城市和用电中心附近的变电

所.用来调峰调频.它的规模己达几十和几百MW级.特别是由于高温超导磁力轴承的开发和

应用.将加速飞轮储能技术的发展.与其他形式的储能方式相比较.飞轮储能具有大容量、高

效率、无限循环寿命、零排放、无污染和装置对环境无要求等优点.

1飞轮储能原理

飞轮储能系统主要包括3个部分:(1)转子系统;(2)支撑转子的轴承系统;(3)转换能量和功

率的电动/发电机系统.另外还有一些支持系统，如真空、深冷、外壳和控制系统.基木结构如

图1所示.

1.1飞轮转子

飞轮转子是飞轮储能系统的一个重要的组成部分.储存在飞轮内的动能E用下式表示为

式中J和w分别表示飞轮的转动惯量和转动角速度.考虑到制造飞

轮所用材料强度的限制.其转动角速度有一个上限.超过此上限.飞轮将会因离心力而发生破

坏.因此.储能计算公式则可表示为式中e为飞轮单位重量的储能

能。Ｋs为飞轮形状系数ρ为材料的比

重.，σ为材料的许用应力.由式(2)可以比较出不同材料制造的飞轮的

储能效率.经过研究与试验.发现复合材料是制造储能飞轮最好的材

料.近年来.山于高强度碳素纤维的出现.飞轮允许线速度可达500m/s~1000m/s,增加了单位飞

轮的动能储量。

1.2电动机发电系统

飞轮储能装置中有一个内置电机，它既是电动机也充当发电机.在充电时，它作为电动

机给飞轮加速，当放电时，它又作为发电机给外设供电，此时飞轮的转速不断下降，而当飞

轮空闲运转时，整个装置则以最小损耗运行.由于电机转速高，运转速度范围大，且工作在

真空之中，散热条件差，所以电机的工作性能要求非常高.从系统结构和降低功耗的思想出

发，现在常用的电机有永磁无刷电机、三相无刷直流电机、磁阻电机和感应电机.其中以永

磁无刷直流/交流电机应用居多，特别是应用在转速30000r/min以上的系统中.永磁电机结

构简单，成本低，恒功率调速范围宽，在各种条件下都有较高的效率.口前永磁电机的转速

可以达到200000r/min，而且调速非常容易.美国Indig能源公司的飞轮电池采用了三相高效

的永磁无刷电机，其能量转换效率大于95%。

1.3其他系统

飞轮储能系统还包括真空腔、外壳和控制系统等.真空腔的主要功能有2点:一是提供

真空环境.降低风损、提高效率;二是屏蔽事故.飞轮转子的转速必须非常高可达200000r/min

才会有高的储能密度.在空气环境中高速运转的飞轮转子会造成极高风阻损耗.因此.飞轮转

子必须在真空中工作.日前真空度一般可达到Pa均数量级。高速运转的飞轮转子如果发

生断裂.将会有碎片飞出.那么包裹在飞轮外而的壳体是否能有效地阻止碎片穿透伤人是人们

所关心的问题.所以.飞轮的外壳要求选用密度小、强度高的复合材料.电力转换器是储能飞轮

系统的控制元件.它控制电机.实现电能与机械能的相电力转换器在输入电能时.可将交流电

转换成直流.驱动电动机;而在输出电能时则将直流变成交流.并且具有调频、稳流、恒压等功

能.美国Beacon动力公司采用脉冲宽度调制转换器.实现从直流母线到二相变频交流的双向

能量转换.马