飛輪儲能系統及其工程應用

李 翀，王詩陽，趙金龍

（哈爾濱工程大學儲能技術與應用研究所，黑龍江 哈爾濱 150001）

LI Chong，WANG Shiyang，ZHAO Jinlong

（Research Institute for Energy Storage Technology and Application，Harbin Engineering University，Harbin 150001， Heilongjiang，China）

能1源問題是當今人類面臨的重要問題之一，石化能源的生產與使用已經嚴重威脅全球環境和氣候的可持續性發展[1-2]。隨著石油、煤炭、木材等不可再生能源的日益稀少，人們將目光轉向了新能源以及能源存儲系統的研究和開發應用。飛輪儲能系統是一種綠色的能量存儲裝置，它具有高能量轉換效率、高使用壽命、充放電速度快、儲能密度大、綠色環保等特點。到目前為止，飛輪儲能系統已被廣泛應用于航空航天、UPS電源、交通運輸、風力發電、核工業等領域。隨著復合材料技術、磁支撐技術、動發一體機技術和多學科優化設計技術的不斷進步，越來越多的科研人員開始關注飛輪儲能系統的研究。飛輪儲能系統已經成為能量存儲領域的研究熱點之一，越來越多的研究成果已經呈現[3-5]。

1 飛輪儲能系統的工作原理

圖1 為飛輪儲能系統的工作原理圖[6]。系統充電時，外部DC 總線通過電力電子裝置給動/發一體機供電，此時，動/發一體機作為電動機工作，驅動飛輪轉子加速旋轉；當飛輪轉子達到一定工作轉速時，電力電子裝置停止驅動電動機，系統完成充電。當外部需要能量的時候，高速旋轉的飛輪轉子降低轉速，通過動/發一體機的發電功能將動能轉化成電能釋放。衡量飛輪儲能系統性能的重要指標是系統的儲能密度，即

式中，Ks為飛輪轉子的形狀系數；Km為飛輪轉子材料的利用系數；Bσ 為飛輪轉子材料的許用應力；ρ 為飛輪轉子材料的密度；R 為飛輪轉子的外徑。

圖1 飛輪儲能系統原理圖Fig.1 A schematic diagram of a flywheel energy storage system

2 飛輪儲能系統的結構組成

按飛輪儲能系統中的關鍵部件分類，可以將整個儲能系統分為飛輪轉子、支撐系統、動/發一體機、電力轉換器、真空殼體等5 部分。圖2 為Beacon Power 公司生產的25 kW·h 儲能飛輪結構。

（1）飛輪轉子 早期的飛輪轉子多使用鋼或鋁合金材料，這類轉子具有重量大、轉速慢、儲能密度低等缺點。為了提高其性能，目前多以高性能連續纖維作為增強體，以樹脂材料作為基體，采用預應力纏繞技術與多環過盈配合相結合的工藝制造出重量輕、儲能密度大的復合材料飛輪轉子。法國Socomec 公司和美國Beacon Power 公司生產的儲能系統均采用了復合材料飛輪轉子。圖3 為Beacon Power 公司應用的大尺寸復合材料飛輪轉子。

圖2 Beacon Power 公司生產的25 kW·h 的儲能飛輪Fig.2 The 25 kW·h flywheel energy storage unit produced by Beacon Power Company

圖3 Beacon Power 公司的復合材料飛輪Fig.3 A composite flywheel used by Beacon Power Company

（2）支撐系統 飛輪儲能系統的軸承支撐方式主要包括：機械軸承、被動磁軸承和主動磁軸承。當飛輪轉子在高速旋轉的時候，傳統的機械軸承會消耗較多的能量，為了提高整個儲能系統的效率，多采用磁軸承作為低能耗的支撐方式[7-8]，但為了避免磁軸承失效對轉子系統造成的損傷，目前多選用機械輔助軸承配合磁軸承的支撐方案[9]。

（3）動/發一體機 動/發一體機是整個飛輪儲能系統的核心動力源。機械能與電能之間的轉換就是通過動/發一體機的相互轉換實現的。使用動/發一體機可以大大提高整個系統的空間使用率，降低儲能系統的總體重量。

（4）電力轉換器 電力轉換器是儲能飛輪系統中能量轉換控制的關鍵部件，它具有調頻、恒壓、整流等功能。電力轉換器的應用提高了飛輪系統的靈活性和可控性。在充電過程中，電力轉換器采用恒轉矩控制和恒功率控制兩種變頻控制方式，將交流電轉換成直流電，驅動電機使飛輪加速旋轉。當飛輪達到最高轉速時，電力轉換裝置提供低壓以便維持飛輪轉速，降低轉子系統的自身能量損耗。

（5）真空殼體 真空殼體是飛輪儲能裝置中的輔助系統。將高速旋轉的飛輪轉子至于真空狀態下，主要是為了減少飛輪轉子系統的風阻損耗。Acamley 等[10]的研究結果表明：真空度過高會降低儲能系統內部的散熱能力，導致飛輪轉子的溫度升高。相比于高真空度的狀態，氦氣環境下更有利于減小風損。

此外，飛輪儲能系統內部還必須擁有健康監測系統，用以監測轉子速度、轉子振動和電機溫度等相關參數。

3 飛輪儲能系統的工程應用

（1）智能電網的應用 飛輪儲能系統可以從電網中快速吸收和釋放電力，因此，飛輪儲能系統與電力系統相結合可以解決電網穩定性和電能質量問題，提供可靠的電力運行系統。美國Beacon Power 公司已經在馬薩諸塞州建成了1 MW 的調頻電廠，且美國能源部又支持Beacon Power 公司建設兩個20 MW 的飛輪儲能電站。圖4 為Beacon Power 公司建設的儲能電廠。到目前為止，采用飛輪儲能系統在電網上進行大規模的儲能應用也僅有幾年的時間，隨著飛輪儲能技術的進一步完善，它還可以被用于負荷中心的削峰填谷，提高電網的運行經濟性[11]。

圖4 Beacon Power 建設的飛輪儲能電廠Fig.4 A flywheel energy storage plant established by Beacon Power Company

（2）交通運輸的應用 文少波等[12]指出，汽車在正常行駛的時候，功率僅為最大功率的1/4 左右，而且汽車在制動減速時，很大一部分能量轉化成熱量被浪費了，因此，可以在車輛動力系統中加入飛輪儲能裝置進行功率和能量的調節。當汽車制動減速時，高速旋轉的飛輪轉子能夠存儲多余的能量；當汽車需要較大動力的時侯，如上坡、啟動或者加速，飛輪釋放能量配合發動機對車輛進行驅動。采用飛輪儲能系統的汽車可以采用較小動力的發動機，故此實現節能減排的目的。20世紀80年代初，瑞士的一家工程公司研制了第一輛完全由飛輪供能的公共汽車，該車可以載客70名，行程約為0.8 km，在每一停靠站時，飛輪需要充電2 min[13]。在這之后，美國的飛輪系統公司、羅森公司、德克薩斯奧斯丁機電中心，英國的Flybird 公司都投入研發力量進行車載飛輪儲能系統的研究。德克薩斯大學將飛輪儲能系統安裝在混合電動汽車中，該系統可加速至100 km/h，儲存7.2 MJ 能量，峰值功率150 kW。圖5為Flybird 公司研發的用于賽車的飛輪儲能裝置。文獻[14]提出了一種新型飛輪引擎混合系統來代替如行星齒輪組這類復雜的傳動系統。美國聯邦鐵道部門也提出了將飛輪儲能系統應用于高鐵的計劃。

圖5 Flybird 公司研發的飛輪儲能裝置Fig.5 A flywheel energy storage device developed by Flybird Company

（3）航空航天領域的應用 國際空間站的主要能量來源是太陽能，當月食出現時，飛輪儲能系統仍然能夠保障國際空間站的正常運行[15]。與化學電池相比，飛輪儲能系統在能量存儲密度、存儲效率、使用壽命以及航天器的小型化、輕量化等方面均具有明顯的優勢。以EOS-AMI 型航天器為例，采用飛輪儲能比采用NiH2電池的質量和體積分別減少了35%和55%[16]。在20世紀90年代末，飛輪儲能系統在地球軌道衛星儲能與姿態控制等方面的應用也得到了飛速發展。圖6 為美國NASA 研制的飛輪儲能系統。

圖6 NASA 研制的飛輪儲能系統Fig.6 A flywheel energy storage system developed by NASA

（4）風力發電系統的應用 風能具有隨機性、間歇性特點，風電場輸送到電網的能量也是隨機波動的，給電網運行調度、系統安全運行帶來巨大壓力，這也成為制約風力發電規模的主要因素之 一[17]，目前已經有公司和研究機構嘗試將飛輪儲能系統引入風力發電。當風力發電機輸出高于負載功率時，多余的能量將輸出給飛輪儲能系統，以機械能的形勢儲存起來；當風力發電機的輸出功率未達到負載功率時，飛輪儲能系統運行，將儲存的機械能轉化成電能以補償輸出功率的不足。美國的Vista Engineering Technologies 將飛輪引入到風力發電系統，實現全程調峰，飛輪機組的發電功率為 300 kW[18]。澳大利亞電力公司將飛輪和低載荷柴油機（LLD）技術應用于風力發電系統，安裝在澳大利亞Coral Bay 的風力發電機與一臺飛輪儲能設備和一些低載荷柴油機組結合，使城鎮電網中風力發電部分超過60%[19]。美國Beacon Power 公司的20 MW 飛輪儲能系統已在紐約州史蒂芬鎮開建，用來配合當地風場，建成后可以滿足紐約州10%的儲能需要[20]。

（5）UPS 電源的應用 飛輪儲能系統的快速充放電性能使其具有強大的瞬間斷電保護能力。鄧成博[21]在報道中指出，當市電輸入出現斷點時，由于飛輪儲能UPS 電源系統內的飛輪是在線運行狀態，此時高速旋轉的飛輪立刻轉入發電機工作輸出狀態，向負載進行供電，因此輸出并沒有出現斷點，完全滿足了不間斷供電。當市電輸入頻繁出現市電斷點時，反復對飛輪儲能裝置進行充放電，對飛輪儲能裝置不會產生任何影響。而對于傳統蓄電池式UPS 電源系統來講，當市電輸入頻繁出現斷點時，蓄電池會頻繁的處于充放電狀態，這樣大大降低了蓄電池的性能和使用壽命。所以飛輪儲能UPS 電源系統對瞬間斷電起到了良好的保護作用，大大提高了整個供電系統的可靠性和安全性。鐘景華[22]在報道中指出，對于大型數據中心來說，飛輪UPS可以提供15～120 s 的保障時間，這個過程完全可以保證柴油發電機的正常啟動，保持數據中心電源不間斷。美國的Active Power 公司宣布，其公司生產的UPS 儲能飛輪系統已經幫助客戶節省了兩億多度電能，代替了190 多萬節的鉛酸蓄電池，減少了超過80 萬噸CO2的排放[23]。圖7 為Active Power生產的UPS 飛輪儲能系統。

圖7 Active Power 公司的UPS 飛輪Fig.7 A UPS flywheel system of Active Power Company

（6）大功率脈沖電源的應用 脈沖功率技術，是把較小功率的能量以較長時間輸入到儲能設備中，將能量進行壓縮與轉換，然后在較短的時間以極高的功率密度向負載釋放的電物理技術，在國防科研和高技術領域有著重要的科學意義與應用價值[11]。飛輪儲能系統快速釋放大電流的功能特性，使其完全可以作為大功率供電系統應用在這一領域。例如，美國的電磁炮就是采用飛輪儲能系統結合補償脈沖發電機來提高裝置的功率密度和能量密度。此外，飛輪儲能系統還可以應用在艦載機的電磁彈射、防空導彈的電磁彈射等設備中。

飛輪儲能系統作為一種新型的能源存儲與轉換系統，將會在更多的應用領域展現它的多種優異性能。

4 結 語

飛輪儲能是一項古老的技術，隨著多學科優化設計技術、復合材料技術、磁支撐技術和動/發一體機技術的不斷進步，現代飛輪儲能系統已經成為一種綠色的能量存儲裝置。它具有能量轉換效率高、使用壽命長、充放電速度快、儲能密度大和綠色環保等特點。飛輪儲能系統在UPS、航空航天、風能、電磁彈射等領域具有廣闊的應用前景。目前，我國和美國等工業強國相比，在飛輪儲能系統的研發、應用和資金配套等方面還存在一定的差距。希望更多的研究人員和機構能夠加入到飛輪儲能系統的研發與應用工作中，為我國制造出具有自主知識產權的飛輪儲能系統提供強有力的支撐。

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[22] http://news.ccw.com.cn/corp/htm2011/20110413_923202.shtml.

[23] http://www.nbd.com.cn/articles/2010-08-04/341215.html.