磁懸浮儲(chǔ)能飛輪技術(shù)研究及應(yīng)用示范

劉付成 李結(jié)凍 李延寶 呂奇超

上海航天控制技術(shù)研究所

上海市空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

磁懸浮儲(chǔ)能飛輪技術(shù)研究及應(yīng)用示范

劉付成 李結(jié)凍 李延寶 呂奇超

上海航天控制技術(shù)研究所

上海市空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是利用飛輪加、減速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的裝置。介紹了飛輪儲(chǔ)能的基本原理以及磁懸浮儲(chǔ)能飛輪研究的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)飛輪儲(chǔ)能的目標(biāo)市場(chǎng)進(jìn)行分析。

飛輪儲(chǔ)能；基本原理；目標(biāo)市場(chǎng)

能源問(wèn)題是21世紀(jì)人類所面臨的重大課題之一，在不斷開發(fā)新能源的同時(shí)，為了更有效地利用現(xiàn)有的能源，需要發(fā)展先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù)。飛輪儲(chǔ)能是可將電能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等能源轉(zhuǎn)化成飛輪的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能加以儲(chǔ)存的一種新型的高效的機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)。飛輪儲(chǔ)能的主要特點(diǎn)：①儲(chǔ)能密度高、功率密度大，在短時(shí)間內(nèi)可輸出更大的能量，這非常有利于電磁炮的發(fā)射和電動(dòng)汽車的快速啟動(dòng)；②能量轉(zhuǎn)換效率高，一般可達(dá)85%～95%；③對(duì)溫度不敏感，對(duì)環(huán)境友好；④使用壽命和儲(chǔ)能密度不會(huì)因過(guò)充電或過(guò)放電而受到影響，只取決于飛輪電池中電子元器件的壽命，一般可達(dá)20年左右；⑤容易測(cè)量放電深度和剩余“電量”；⑥充電時(shí)間短，是屬于分鐘級(jí)別；⑦與某些其他裝置組合使用時(shí)，如與其他動(dòng)力裝置一起混合用于電動(dòng)汽車上，與衛(wèi)星姿態(tài)控制裝置結(jié)合用于衛(wèi)星上，與傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組混合用于分布式發(fā)電系統(tǒng)中，其優(yōu)勢(shì)更加明顯。

1 飛輪儲(chǔ)能工作原理

儲(chǔ)能飛輪是一種機(jī)械儲(chǔ)能裝置，當(dāng)飛輪以一定的角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，它便具有了動(dòng)能。飛輪的轉(zhuǎn)速增加，其所存儲(chǔ)的能量也跟著增大；飛輪的轉(zhuǎn)速降低，其所存儲(chǔ)的能量便減少。假設(shè)飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)貫量為J，飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為ω，質(zhì)量為m，飛輪半徑為r，則飛輪存儲(chǔ)的能量可以表示為：

飛輪電池正常工作時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)速在最大轉(zhuǎn)速ωmax和最小轉(zhuǎn)速ωmin之間，那么飛輪儲(chǔ)能可以吸收或放出的能量大小為：

飛輪存儲(chǔ)或釋放能量的功率為：

其中M為飛輪的電磁轉(zhuǎn)矩，存儲(chǔ)能量時(shí)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速同向，釋放能量時(shí)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速反向。

2 磁懸浮儲(chǔ)能飛輪技術(shù)研究

2.1 超高速轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)技術(shù)研究

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。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，并用聚合物母基（如環(huán)氧樹脂）作為填充物成型。從某種意義上說(shuō)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)所能存儲(chǔ)的最大能量受飛輪結(jié)構(gòu)材料及所建立并分布在其中的應(yīng)力大小限制，所以有必要對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)飛輪轉(zhuǎn)子材料進(jìn)行研究。

美國(guó)Maryland大學(xué)已經(jīng)研究成功儲(chǔ)能20 kWh多層圓柱飛輪，飛輪材料為碳纖維—環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，具體參數(shù)為：外徑564 mm、內(nèi)徑254 mm、厚553 mm、重172.8 kg，最大轉(zhuǎn)速46345 r/min[1]。

美國(guó)Houston大學(xué)的德克薩斯超導(dǎo)中心致力于紡睡形飛輪開發(fā)，這是一種等應(yīng)力設(shè)計(jì)，形狀系數(shù)等于或接近1，材質(zhì)為玻璃纖維復(fù)合材料，儲(chǔ)能1 kWh、重19 kg、飛輪外徑304.8 mm[2]。

2.2 高穩(wěn)定、高可靠磁懸浮支承技術(shù)研究

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，軸承副不直接接觸，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。

2.3 高效率電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)一體化技術(shù)研究

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)。電子電力轉(zhuǎn)換裝置具有調(diào)頻、整流和亙壓等功能。飛輪儲(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)的控制器模式。為了達(dá)到機(jī)電轉(zhuǎn)化的高可靠及高效率，需對(duì)機(jī)電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行研究。

2.4 飛輪儲(chǔ)能密封技術(shù)研究

飛輪儲(chǔ)能密封主要作用是為飛輪儲(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)。提高真空度雖能降低風(fēng)損，然因?yàn)橄”怏w散熱功能減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子溫升較高，因此必須綜合研究飛輪的密封技術(shù)，既保證系統(tǒng)效率又能提高系統(tǒng)的可靠性、安全性。

2.5 電力電子轉(zhuǎn)換技術(shù)研究

高效率的電力轉(zhuǎn)換器是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制元件。輸入電能通過(guò)轉(zhuǎn)換器成為直流電，供給電機(jī)；輸出電能經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換器調(diào)頻、整流，供給負(fù)載，因而電力轉(zhuǎn)換器是解決儲(chǔ)能系統(tǒng)與母系統(tǒng)連接的關(guān)鍵部件。一般而言，轉(zhuǎn)換器在交變電流通過(guò)零點(diǎn)時(shí)，控制其方向，可達(dá)到調(diào)頻、整流的目的。過(guò)零點(diǎn)時(shí)，瞬時(shí)能量很小，損耗低，可實(shí)現(xiàn)能量輸入、輸出的高效率轉(zhuǎn)換。

Beacon Power公司采用脈沖寬度調(diào)制轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)從直流母線到三相變頻交流的雙向能量轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)具有穩(wěn)速、亙壓功能，運(yùn)用一個(gè)專利算法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，不需要指定的主動(dòng)或從動(dòng)元件[3]。

3 磁懸浮飛輪儲(chǔ)能市場(chǎng)分析及應(yīng)用示范

上海航天803所，30多年來(lái)，主要從事衛(wèi)星姿控系統(tǒng)及與之配套的貫性器件的研究，具備成熟的貫性平臺(tái)技術(shù)、飛輪技術(shù)、控制力矩陀螺研制基礎(chǔ)。先后研制成功從0.08 Nms到65 Nms動(dòng)量輪的全系列產(chǎn)品，為10余個(gè)型號(hào)較好的完成了飛行任務(wù)。研制的近100多個(gè)飛輪產(chǎn)品中，單臺(tái)最長(zhǎng)在軌運(yùn)行超過(guò)7年，地面壽命試驗(yàn)單臺(tái)無(wú)故障運(yùn)行7年以上，地面壽命試驗(yàn)累積無(wú)故障運(yùn)行24年以上。

在上海市科委的資助下，完成了軍民兩用混合型磁軸承技術(shù)研究。此外，已研制成功儲(chǔ)能量為1.3 kWh磁懸浮儲(chǔ)能飛輪樣機(jī)，飛輪采用永磁直流無(wú)刷電動(dòng)/發(fā)電互逆式雙向電機(jī)，磁懸浮軸承支撐，飛輪轉(zhuǎn)速可達(dá)30 000 r/min，可在15 s內(nèi)維持發(fā)電功率300 kW，效率可達(dá)到95%，目前已在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行，儲(chǔ)能飛輪試驗(yàn)樣機(jī)如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)能飛輪試驗(yàn)樣機(jī)

3.1 目標(biāo)市場(chǎng)一：高功率高可靠不間斷電源系統(tǒng)（UPS）

工業(yè)應(yīng)用中，因其往往規(guī)模大、產(chǎn)值高、連續(xù)性生產(chǎn)需求高，因此電力中斷會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失及無(wú)可挽回的結(jié)果。美國(guó)電力研究所（EPRI）有關(guān)美國(guó)再發(fā)性電力問(wèn)題的研究表明，有超過(guò)90%的生產(chǎn)設(shè)備將遭受市電電壓超過(guò)20%驟降情況的影響。研究中也統(tǒng)計(jì)了電壓驟降幅度超過(guò)10%的發(fā)生次數(shù)，大約每年會(huì)發(fā)生30次。現(xiàn)今的工業(yè)應(yīng)用設(shè)備，大量引入了智能化輔助設(shè)備，對(duì)電力供應(yīng)品質(zhì)提出了更高的要求。多元化的電力來(lái)源，比如：電網(wǎng)、廢熱發(fā)電、柴油發(fā)電機(jī)、小型電廠等等，為現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)提供更經(jīng)濟(jì)的能源，同時(shí)也帶來(lái)了供電品質(zhì)的參差不齊。工業(yè)應(yīng)用中品種繁多的負(fù)載類型（感性、容性、阻性負(fù)載等），給本來(lái)就不純凈的電網(wǎng)帶來(lái)更大的污染。

磁懸浮儲(chǔ)能飛輪在UPS領(lǐng)域的應(yīng)用主要解決關(guān)鍵負(fù)荷的安全供電問(wèn)題，在半導(dǎo)體行業(yè)、數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院、銀行、電信等行業(yè)都有應(yīng)用。磁懸浮飛輪UPS工作模式如圖2所示，市電正常輸入后，經(jīng)穩(wěn)壓電路，一方而為負(fù)載提供電能，另一方而經(jīng)兩個(gè)雙向變換器為飛輪提供儲(chǔ)能電源。市電停電或發(fā)生故障時(shí)，飛輪儲(chǔ)能器件作為臨時(shí)交流電源，經(jīng)兩次變換并穩(wěn)壓操作后，為負(fù)載提供臨時(shí)可靠的電能。

圖2 飛輪UPS工作模式

國(guó)外市場(chǎng)已經(jīng)全面啟動(dòng)，美國(guó)Active Power公司專門生產(chǎn)和銷售UPS飛輪電池，年銷售額已經(jīng)達(dá)到7 000萬(wàn)美元左右；據(jù)ICT統(tǒng)計(jì)，UPS電源全球市場(chǎng)規(guī)模2014年已達(dá)62.2億美元，且處于高速發(fā)展階段，2020年預(yù)測(cè)為100億美元。目前仍是以鉛酸電池為主，急需新一代可靠、高效、綠色的飛輪UPS。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)剛剛起步，尚無(wú)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的飛輪UPS產(chǎn)品，潛力巨大。

3.2 目標(biāo)市場(chǎng)二：地鐵電力的能量循環(huán)

圖3 配置飛輪前后能量回收?qǐng)D

軌道交通中使用的地鐵都存在電機(jī)制動(dòng)的問(wèn)題。目前多采用電氣制動(dòng)為主，空氣制動(dòng)為輔的互補(bǔ)制動(dòng)形式。雖然電阻制動(dòng)成本低，原理簡(jiǎn)單，但是機(jī)車頻繁進(jìn)出站帶來(lái)的制動(dòng)能量會(huì)浪費(fèi)在電阻上，而把制動(dòng)能量回收的再生制動(dòng)方法節(jié)能環(huán)保。利用飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)吸收機(jī)車進(jìn)站剎車時(shí)產(chǎn)生的能量，然后在機(jī)車出站需要大功率能量加速時(shí)，由飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)提供這部分能量的支撐，從而可節(jié)約能源。安裝在美國(guó)紐約地鐵的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)即被用來(lái)吸收列車制動(dòng)能量和啟動(dòng)支撐[4]。

地鐵公司最大的運(yùn)營(yíng)成本是牽引動(dòng)力用電，一般占到總用電量的50%以上，而制動(dòng)能量一般占牽引用電的30%～40%。可見，合理回收利用制動(dòng)能量將很大程度影響到地鐵運(yùn)營(yíng)成本。

如圖3所示，利用飛輪制動(dòng)能量回收系統(tǒng)能有效抑制母線沖擊（30%以上），且同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量循環(huán)利用，可節(jié)能20%以上。以上海為例，一個(gè)車站配置2 MW飛輪儲(chǔ)能設(shè)備，以10 000元/ kW的工程成本，僅上海需要的一次性投資規(guī)模為450×2×10000×1000=90億元。利用飛輪儲(chǔ)能技術(shù)，可幫助上海地鐵全線實(shí)現(xiàn)節(jié)約用電8.98億kWh/a。能量循環(huán)系統(tǒng)同樣適用于高鐵、公交以及新能源汽車，市場(chǎng)規(guī)模巨大。

3.3 目標(biāo)市場(chǎng)三：智能電網(wǎng)分布式飛輪儲(chǔ)能調(diào)頻電站

電力調(diào)峰是電力系統(tǒng)須解決的重要問(wèn)題，因?yàn)殡娋W(wǎng)頻率的變動(dòng)和偏差，對(duì)用戶和原動(dòng)機(jī)的危害很大。電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，是供電質(zhì)量的重要指標(biāo)。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)能在電網(wǎng)負(fù)荷處于低谷時(shí)，發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)作為電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)飛輪，把電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。當(dāng)在用電高峰時(shí)，發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)把儲(chǔ)存在飛輪中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。與目前常用的抽水蓄能相比，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)具有能量輸入輸出快捷、轉(zhuǎn)換效率高、成本低、充放電快捷等特點(diǎn)，在電力行業(yè)有廣泛的應(yīng)用前景。

在電網(wǎng)調(diào)頻方面也有商業(yè)產(chǎn)品在一些工程中應(yīng)用，美國(guó)Beacon Power公司負(fù)責(zé)建造的20 MW的飛輪儲(chǔ)能工程于2011年7月12日在美國(guó)紐約正式投入運(yùn)行，該工程能夠承擔(dān)該州10%的電網(wǎng)調(diào)頻的任務(wù)[5]。

4 結(jié)語(yǔ)及展望

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種機(jī)械儲(chǔ)能裝置，由于具有高功率密度、無(wú)環(huán)境污染、轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)行溫度范圍廣、充放電次數(shù)無(wú)限制等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外已獲得了廣泛的應(yīng)用。然而國(guó)內(nèi)的研究起步時(shí)間不長(zhǎng)，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的完善和改進(jìn)及其運(yùn)行控制技術(shù)還需要進(jìn)行大量的研究工作。高功率、高效率、大容量和高儲(chǔ)能密度是未來(lái)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展方向。

[1] M A Higgins, DP Plant, et al. Flywheel Energy Storage for Electric Utility Load Leveling[C]//Proceedings of the 26th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference. 1991, 1-6: D209-D214.

[2] Z Xia, Q Y Chen, et al. Designing and Testing of High To Superconducting Magnetic Bearing for Flywheel Energy Storage Applications[C]//29th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference. 1994: 1496-1501.

[3] Hockney R L,Lansberry G B,Davidkovich V,et al. Multiple Flywheel Energy Storage System：US,6614132[P]. 2003-09-02.

[4] Gyuk I,Eckroad S. EPRI-DOE handbook of energy storage for transmission and distribution applications[J]. EPRI Report,2003. http：//www.epri.com/abstracts/Pages/ProductAbstract.aspx? ProductId=000000000001001834.

[5] Lazarewicz M L，Ryan T M. Integration of flywheel-based energy storage for frequency regulation in deregulated markets[C]//Proceedings of the Power and Energy Society General Meeting，2010. doi：10.1109/ PES.2010.5589748.

Research and Application Demonstration of Maglev Energy Storage Flywheel Technology

Liu Fucheng, Li Jiedong, Li Yanbao, Lv Qichao
Shanghai Aerospace Control Technology Institute
Shanghai Space Intelligent Control Technology Key Laboratory

∶Flywheel energy storage system is a device to realize mutual conversion of electric energy and mechanical energy by acceleration and deceleration rotation. The article introduces basic working principle of flywheel energy storage and key technology of maglev flywheel energy storage research. The author analyzes target market of flywheel energy storage.

∶Flywheel Energy Storage, Basic Working Principle, Target Market

DOI∶10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.02.005