飛輪儲能

飛輪儲能思想早在一百年前就有人提出，但是由於當時技術條件的制約，在很長時間內都沒有突破。直到20世紀60~70年代，才由美國宇航局(NASA)Glenn研究中心開始把飛輪作為蓄能電池應用在衛星上。到了90年代后，由於在以下3個方面取得了突破，給飛輪儲能技術帶來了更大的發展空間。

(1) 高強度碳素纖維複合材料(抗拉強度高達8．27GPa)的出現，大大增加了單位質量中的動

能儲量。

(2) 磁懸浮技術和高溫超導技術的研究進展迅速，利用磁懸浮和真空技術，使飛輪轉子的摩

擦損耗和風損耗都降到了最低限度。

(3) 電力電子技術的新進展，如電動/發電機及電力轉換技術的突破，為飛輪儲存的動能與

電能之間的交換提供了先進的手段。儲能飛輪是種高科技機電一體化產品，它在航空航天(衛星儲能電池，綜合動力和姿態控制)、軍事(大功率電磁炮)、電力(電力調峰)、通信(UPS)、汽車工業(電動汽車)等領域有廣闊的應用前景。

飛輪儲能系統是一種機電能量轉換的儲能裝置，突破了化學電池的局限，用物理方法實現儲能。通過電動/發電互逆式雙向電機，電能與高速運轉飛輪的機械動能之間的相互轉換與儲存，並通過調頻、整流、恆壓與不同類型的負載介面。

在儲能時，電能通過電力轉換器變換后驅動電機運行，電機帶動飛輪加速轉動，飛輪以動能的形式把能量儲存起來，完成電能到機械能轉換的儲存能量過程，能量儲存在高速旋轉的飛輪體中；之後，電機維持一個恆定的轉速，直到接收到一個能量釋放的控制信號；釋能時，高速旋轉的飛輪拖動電機發電，經電力轉換器輸出適用於負載的電流與電壓，完成機械能到電能轉換的釋放能量過程。整個飛輪儲能系統實現了電能的輸入、儲存和輸出過程。

飛輪本體是飛輪儲能系統中的核心部件，作用是力求提高轉子的極限角速度，減輕轉子重量，最大限度地增加飛輪儲能系統的儲能量，目前多採用碳素纖維材料製作。

軸承系統的性能直接影響飛輪儲能系統的可靠性、效率和壽命。目前應用的飛輪儲能系統多採用磁懸浮系統，減少電機轉子旋轉時的摩擦，降低機械損耗，提高儲能效率。

飛輪儲能系統的機械能與電能之間的轉換是以電動/發電機及其控制為核心實現的，電動/發電機集成一個部件，在儲能時，作為電動機運行，由外界電能驅動電動機，帶動飛輪轉子加速旋轉至設定的某一轉速；在釋能時，電機又作為發電機運行，向外輸出電能，此時飛輪轉速不斷下降。顯然，低損耗、高效率的電動/發電機是能量高效傳遞的關鍵。

電力轉換裝置是為了提高飛輪儲能系統的靈活性和可控性，並將輸出電能變換(調頻、整流或恆壓等)為滿足負荷供電要求的電能。

真空室的主要作用是提供真空環境，降低電機運行時的風阻損耗。

飛輪儲能系統主要包括轉子系統、軸承系統和轉換能量系統三個部分構成。另外還有一些支持系統，如真空、深冷、外殼和控制系統。基本結構如圖所示。

1、轉子系統

飛輪轉動時動能與飛輪的轉動慣量成正比。而飛輪的轉動慣量又正比於飛輪直徑的2次方和飛輪的質量（J=(0.5~1)*M*R^2,飛輪質量分佈均勻時取0.5，質量完全集中在邊緣時取1）。

當過於龐大、沉重的飛輪在高速旋轉時，會受到極大的離心力作用，往往超過飛輪材料的極限強度，很不安全。因此，用增大飛輪轉動慣量的方法來增加飛輪的動能是有限的。

2、軸承系統

支撐轉子的軸承，支撐轉子運動，降低摩擦阻力，使整個裝置則以最小損耗運行。

3、轉換能量系統

飛輪儲能裝置中有一個內置電機，它既是電動機也是發電機。在充電時，它作為電動機給飛輪加速；當放電時，它又作為發電機給外設供電，此時飛輪的轉速不斷下降；而當飛輪空閑運轉時，整個裝置則以最小損耗運行。

飛輪儲能器中沒有任何化學活性物質，也沒有任何化學反應發生。旋轉時的飛輪是純粹的機械運動，飛輪在轉動時的動能為：

E =1/2Jω/

式中： J為飛輪的轉動慣量

ω為飛輪旋轉的角速度.

飛輪儲能的技術優勢是技術成熟度高、充放電次數無限以及無污染等特性。飛輪儲能的能量密度不夠高、自放電率高，如停止充電，能量在幾到幾十個小時內就會自行耗盡。適用於電網調頻和電能質量保障。

1、免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS

(1)在市電輸入正常，或者在市電輸入偏低或偏高(一定範圍內)的情況下，UPS通過其內部的有源動態濾波器對市電進行穩壓和濾波，保證向負載設備提供高品質的電力保障，同時對飛輪儲能裝置進行充電，UPS利用內置的飛輪儲能裝置儲存能量。

(2)在市電輸入質量無法滿足UPS正常運行要求，或者在市電輸入中斷的情況下，UPS將儲存在飛輪儲能裝置里的機械能轉化為電能，繼續向負載設備提供高品質並且不間斷的電力保障。

(3)在UPS內部出現問題影響工作的情況下，UPS通過其內部的靜態開關切換到旁路模式，由市電直接向負載設備提供不問斷的電力保障。

(4)在市電輸入恢復供電，或者在市電輸入質量恢復到滿足UPS正常運行要求的情況下，則立即切換到市電通過UPS供電的模式，繼續向負載設備提供高品質並且不間斷的電力保障，並且繼續對飛輪儲能裝置進行充電。

2、電動汽車電池

目前隨著環境保護意識的提高以及全球能源的供需矛盾，開發節能及採用替代能源的環保型汽車，以減少對環境的污染，是當今世界汽車產業發展的一個重要趨勢。汽車製造行業紛紛把目光轉向電動汽車的研製。能找到儲能密度大、充電時間短、價格適宜的新型電池，是電動汽車能否擁有更大的機動性並與汽油車一爭高下的關鍵，而飛輪電池具有清潔、高效、充放電迅捷、不污染環境等特點而受到汽車行業的廣泛重視。預計21世紀飛輪電池將會是電動汽車行業的研究熱點。

3、不間斷電源

不間斷電源由於能確保不間斷供電和保證供電質量而在通訊樞紐、國防指揮中心、工業生產控制中心等地方得到廣泛使用目前不問斷電源由整流器、逆變器、靜態開關和蓄電池組等組成。但目前蓄電池通常都存在對工作溫度、工作濕度、輸入電壓、以及放電深度等條件要求．同時蓄電池也不允許頻繁的關閉和開啟。而飛輪具有大儲能量、高儲能密度、充電快捷、充放電次數無限等優點，因此在不間斷電源系統領域有良好的應用前景。

4、風力發電系統不間斷供電

風力發電由於風速不穩定，給風力發電徠用戶在使用上帶來了困難。傳統的做法是安裝柴油發電機，但由於柴油機本身的特殊要求，在啟動后30分鐘內才能停止。而風力常常間斷數秒，數分鐘。不僅柴油機組頻繁啟動，影響使用壽命；而且風機重啟動后柴油機同時作用，會造成電能過剩。考慮到飛輪儲能的能量大。充電快捷，因此，國外不少科研機構已將儲能飛輪引入風力發電系統。美國將飛輪引入風力發電系統，實現全程調峰，飛輪機組的發電功率為300KW，大容量儲能飛輪的儲能為277KW每小時。

5、大功率脈衝放電電源

為了避免運載火箭只能使用一次的巨大浪費和減少大氣污染，美國正在研究一種磁懸浮直線電動機托架（又名太空電梯）來發射太空梭，這需要功率巨大、但放電時間非常短促的電源，所以專門減少一個容量巨大的店裡系統提供能量，顯然是不合理的。而採用飛輪儲能系統，可以實現這一點。

飛輪儲能技術主要結構和運行方法已經基本明確，目前主要正處於廣泛的實驗階段，小型樣機已經研製成功並有應用於實際的例子，目前正向發展大型機的趨勢發展，但是卻有非常多的難點，主要集中在以下幾個方面。

(1)轉子的設計：轉子動力學，輪轂一轉緣邊界連接，強度的優化，蠕變壽命；

(2)磁軸承：低功耗，動力設計，高轉速，長壽命；

(3)功率電子電路：高效率，高可靠性，低功耗電動/發電機；

(4)安全及保護特性：不可預期動量傳遞，防止轉子爆炸可能性，安全輕型保護殼設計；

(5)機械備份軸承：磁軸承失效時支撐轉子。飛輪儲能系統優勢突出，應用廣泛，隨著技術的成熟和價格的降低，將會是儲能領域的一項新的革命。我國在飛輪技術上與發達國家差距很大，國家應對這一技術加以重視，加大資金和技術的投入，使這項技術早日走向市場化、商品化。