簡論飛輪儲能系統關鍵技術及其研究現狀

摘 要 飛輪儲能技術的研究價值非常高并且其應用的前景非常好，這篇文章簡單介紹了飛輪儲能的工作原理以及飛輪轉子，軸承支撐系統，電動機/發電機等三項較為重要的技術，并在這三項比較重要的技術上面重點對飛輪的儲能系統進行了詳細的闡述。

關鍵詞 飛輪;儲能系統;關鍵;現狀

引言

目前的儲能的設備有化學儲能，物理儲能以及其他的儲能是設置。在物理儲能的方法中，飛輪儲能特點較為突出，充電時間較為短暫，充放電效率等方面而受到非常廣大的關注。

1飛輪儲能系統工作原理

飛輪儲能裝置，又被叫作機電電池系統，也叫作飛輪電池，是一種機械和電能的轉換和存儲系統。飛輪儲能的系統一般由速度較高的飛輪，電動機/發電機，軸承支撐裝置，電力電子轉換裝置，電子控制裝置和附加裝置（比如說真空泵，應急備用軸承）等組成。它是一個集成性能較為強大的系統，飛輪儲能是現代電力電子技術的應用。電子電力轉換器作為主要的驅動裝置，以帶動飛輪以較高的速度旋轉[1]。電機則一直處在較為穩定的速度，一直等到釋放能量的控制信號為止。如圖1所示：

2飛輪儲能系統關鍵技術分析

飛輪儲能系統的結構由飛輪轉子，支撐軸承，電動發電機等其他組成。接下來，對飛輪儲能的三項較為重要的技術進行一定的分析。

2.1 飛輪轉子

飛輪儲能系統中最核心的部分就是飛輪的轉子。整個系統的能量轉換和飛輪的旋轉有著非常大的關系。飛輪旋轉時的動能E表示為

其中，J為ω的旋轉慣性和角速度-飛輪。從公式可以看出，為了增加飛輪的能量存儲，可以增加飛輪轉子的慣性并且可以提高飛輪的速度。

2.2 支承軸承技術分析

由于高摩擦損耗和低極限轉速，機械軸承不適合單獨支持高速飛輪儲能系統。由于其高的支撐強度和緊湊的結構，機械軸承能夠對軸承進行短時間的保護，這種軸承會由快速充放電飛輪系統對其進行一定的支持[2]。

2.3 電動/發電機技術分析

在飛輪的儲能系統中，機械能和電能之間的相互的能量轉換是通過集成的電動機/發電機共同來完成的，因此電動機/發電機的性能將會對飛輪儲能系統的效率造成直接的影響。在飛輪儲能系統的充電的時候，飛輪的速度將會增加到設計的最高的速度。在這個過程中，電動機/發電機的速度也在按照一定的比例增加。在放電的時候，伴隨著飛輪速度的一定程度的降低，電動機/發電機的速度也會下降。因此，在飛輪儲能系統的充電和放電過程中，電動機/發電機的速度不斷變化。在現有條件下，飛輪儲能系統可以選擇開關磁阻電動機，感應電動機，永磁電動機等。

3國內外飛輪儲能關鍵技術的發展現狀

最近這些年來，飛輪儲能的技術發展是非常的快的。國內外都在這種儲能技術上投入了非常多的金錢和人力資源。截止到現在為止，已取得可喜的成績。 基于飛輪儲能的三項的核心技術，介紹了飛輪儲能技術的發展現狀。

3.1 飛輪轉子技術現狀

休斯敦大學的德克薩斯州超導體中心主要的研究的方向是主軸形飛輪的開發。這是等應力的設計，形狀系數等于或接近于。這種材料也是玻璃纖維復合材料，儲存的能量比較多，大約為1kWh，重量相對較輕，大約重為19kg，飛輪直徑30.48cm。

Satcon Technology Corporation開發的雨傘飛輪。這種結構有利于電動機的布局，非常有利于系統的穩定性，具有較大的慣性矩，節省了材料，并具有合理的輪轂強度設計。NASA的Glenn中心和Penn州立大學的先進復合材料制造中心等部門已經采用濕式纏繞工藝生產了復合飛輪[3]。

3.2 機械軸承

TSI公司應用的潤滑油技術比較先進，使用的軸承的材料比較精密和設計方法及計算機動態分析技術，成功開發了包含固體潤滑油的陶瓷軸承。基于真空蓋的新型超低損耗軸承的摩擦系數已經達到了非常的低，僅僅是0.00001。

4結束語

飛輪儲能技術的特點是儲存的能量大，效率非常的高，沒有其他的污染，使用的范圍比較廣，沒有噪音，使用時間短，維護簡單，連續工作等優點。它已成為現在世界上討論范圍比較廣的話題。這篇文章主要對飛輪儲能的工作原理進行了簡單的介紹，并重點闡述了飛輪轉子，軸承支撐系統，電動發電機等比較重要的技術，并把國內外的關鍵技術的發展現狀進行了簡單的介紹。希望今后的飛輪發展更加的快捷。

參考文獻

[1] 胡長偉.飛輪儲能電池充放能控制系統的研究與優化[D].南京：南京航空航天大學，2019.

[2] 丁泉.飛輪儲能用三自由度磁軸承結構參數設計及控制研究[D].鎮江：江蘇大學，2017.

[3] 張新賓，儲江偉，李洪亮，等.飛輪儲能系統關鍵技術及其研究現狀[J].儲能科學與技術，2015，4（1）：55-60.

作者簡介：

魏民（1985-），男，北京人;學歷：碩士，現就職單位：沈陽遠大電力電子科技有限公司。