飛輪電池儲能技術分析

趙志芳

（晉中職業(yè)技術學院車輛工程系，山西 晉中 030600）

0 引 言

目前，常用的儲能方式主要有物理儲能、化學儲能以及超導儲能。其中，化學儲能技術已經比較成熟，并得到了廣泛應用。但是，化學儲能技術很容易受到環(huán)境的影響，使用周期較短，且電池廢棄后對環(huán)境污染嚴重。超導儲能技術對技術條件要求較高，在運行過程中需要的能量較少，不會污染環(huán)境。然而，由于超導線圈必須在低溫條件下運行，所以超導儲能技術無法大規(guī)模運用。物理儲能技術通過物理儲能方式將能量儲能起來。在當前全球環(huán)境惡化、資源危機的情況下，物理儲能技術得到了廣泛關注。目前，物理儲能技術主要有抽水儲能、壓縮空氣儲能以及飛輪儲能技術。其中，飛輪儲能技術由于在儲能效率、時間等方面優(yōu)勢明顯，具有廣闊的應用前景。

1 飛輪電池儲能系統(tǒng)的結構和工作原理

1.1 飛輪電池儲能結構

飛輪、軸承、電動機、電力電子控制裝置等元件構成了飛輪電池儲能系統(tǒng)。其中，飛輪整個系統(tǒng)的關鍵元件，直接影響飛輪電池儲能的效果。因此，一般選擇強度高、密度小的復合材料。軸承是支撐飛輪的裝置；飛輪電池電機是一個集成裝置，可以確保飛輪電池在電動和發(fā)電兩種模式下實現(xiàn)機械能和電能的互換；真空室的主要作用是為飛輪提供一個真空環(huán)境，確保飛輪在一個損耗低、飛輪高速運轉的工作環(huán)境下工作時不會對設備和人員造成損害；電子電力控制裝置則是對儲能系統(tǒng)的輸出和回饋電能進行控制，以確保飛輪電機的各種工作要求。

1.2 飛輪儲能系統(tǒng)的工作原理

飛輪儲能系統(tǒng)是通過高速運轉飛輪將能量從動能轉化為電能并存儲起來的裝置，具有充電、放電、儲能功能。其中，電力電子變換裝置為電能驅動電動機提供旋轉動力，在電能驅動機的帶動下飛輪旋轉，并將動能儲存起來[1]。當電動機外部需要電能時，飛輪帶動發(fā)動機旋轉，將存儲的動能轉化為電能，并通過電力電子變換裝置轉換為符合外部裝置需要的電壓和頻率的電能。飛輪儲能系統(tǒng)與其他電池儲能系統(tǒng)不同，它的輸入、輸出結構相互獨立，因此不需要設置兩臺發(fā)動機，減少了整個發(fā)電系統(tǒng)的重量。但是，飛輪儲能系統(tǒng)在運行過程中速度非常快，可以達到50 000 r/min，普通的材料無法達到轉動要求。因此，一般用碳纖維制作飛輪。碳纖維重量輕、強度大，可以進一步減輕整個儲能結構的重量和充放電過程中的能量損耗，從而達到節(jié)能目的。飛輪是整個飛輪儲能系統(tǒng)的關鍵部分，飛輪的重量對儲能效果具有決定性作用。飛輪儲能能量公式是E=mv2=Jω2，其中m表示飛輪質量，v表示飛輪邊緣線的速度，J表示飛輪的轉動慣性力，ω表示飛輪的角速度。可以看出，飛輪的能量和轉動慣性、飛輪的角速度平方呈正比。所以，如果要提高飛輪的儲能能量，可以采用增大飛輪的轉動慣性或者提高飛輪轉速。由此，得到飛輪轉動慣性公式J=mr2，其中m表示飛輪質量，r表示飛輪轉動的半徑。從上述內容可以得到，如果想要提高電池儲能效果，必須縮小飛輪的質量和體積[2]。

2 飛輪電池儲能技術分析

2.1 飛輪轉子技術

根據(jù)飛輪電池儲能系統(tǒng)的工作原理可以得出，飛輪轉速越快，電池儲存的能量越多。但是，飛輪在離心力作用下，飛輪系統(tǒng)承受的額應力不斷增加，這對飛輪材料的要求較高。在選擇飛輪材料時，要充分考慮飛輪承受的應力。所以，需使用高強度、低密度的復合纖維飛輪。目前，選擇的碳纖維復合材料的輪緣線速度可以達到1 000 m/s，超過了子彈速度，完全能夠滿足飛輪電池的轉速要求。因此，要促進飛輪電池的大范圍應用，只有等到碳纖維復合材料的誕生[3]。

2.2 支撐軸輪技術

支撐軸輪不僅要承受飛輪自身的質量，而且要承受飛輪在高速旋轉過程中造成的離心力，所以對支撐軸輪的強度要求較高。支撐軸承分為機械軸承、組合式軸承和磁懸浮軸承等。機械軸承的摩擦小、承載轉速能力低，所以無法作為高速飛輪支撐系統(tǒng)；磁懸浮軸承在沒有機械接觸的情況下承載，不會出現(xiàn)機械摩擦損耗，從而提高了飛輪電池儲能系統(tǒng)的運行效率，延長了軸承使用時間。韓國電力公司研發(fā)的組合軸承飛輪轉速達到了12 000 r/min，美國波音公司研制的高溫超導磁軸承小型飛輪儲能電池，在全速飛輪時可以存儲5 kW/h的動能，并能提供3 kW三相208 V的電源電力負載[4]。我國西安交通大學研制的高溫超導磁懸浮飛輪儲能樣機，能夠實現(xiàn)機械能、電能的相互轉換，飛輪轉速達到了13 000 r/min。

2.3 電動/發(fā)電機技術

在飛輪電池儲能系統(tǒng)中，動能和電能的轉換依靠電動/發(fā)電技術完成的。所以，電動/發(fā)電機技術性能的優(yōu)劣直接影響飛輪電池的儲能效率[5]。飛輪儲能系統(tǒng)充電過程中，飛輪轉速必須增加到設計的極限，才能滿足電動/發(fā)電機的轉速要求。放電過程中，飛輪轉速下降，電動/發(fā)電機的轉速也逐步下降，對電動/發(fā)電機的要求較高。目前，能夠達到高轉速、高效率的電機有永磁電機、感應電機等。2009年，韓國忠南大學設計出一臺高速雙轉子永磁電機，電機功率可達30 kW/20 000 r·min-1，并確保電機在6 000～13 804 r/min轉速范圍內的效率在99%以上。沈陽工業(yè)大學研制的磁懸浮軸承支撐系統(tǒng)，采用釘子換組繞組結構的高速永磁電機/發(fā)電機，轉速為75 kW/60 000 r·min-1，不僅可以提高發(fā)電機的冷卻效率，而且增加了轉子的剛度。

2.4 飛輪儲能技術

近年來，隨著環(huán)境問題和能源危機問題的突出，環(huán)保節(jié)能電動汽車成為汽車工業(yè)未來發(fā)展的方向。美國特拉斯、日本豐田以及中國的比亞迪也紛紛開始研發(fā)純電動汽車和混合動力汽車。與傳統(tǒng)的化學蓄電池相比[6]，飛輪儲能電池密度大、充電速度快、轉換效率高、電池使用時間長等，所以將其應用于新能源汽車，可以提高汽車的制動效率。

3 飛輪電池儲能技術發(fā)展方向

1994年，美國阿貢國家實驗室用碳纖維制作了一個儲能飛輪。它使用超導磁懸浮，飛輪直徑為38 cm，重11 kg，飛輪線轉速可達到1 000 m/s。它的儲存能量能同時將10個100 W的燈泡點燃2～5個小時。1995年，美國得輪系統(tǒng)公司研發(fā)了一種可用于汽車的機電電池，電池直徑23 cm、長度18 cm，重量為23 kg。這種機電電池使用20萬轉/分旋轉的碳纖飛輪，每個電池的儲電可達到1 kW/h。將12個機電電池安裝在IMPACT轎車上，能使該車以100 km/h的速度行駛480 km。此外，這種機電電池的儲能電能是鉛酸電池的2.5倍，使用壽命是鉛酸電池的8倍，但比功率是鉛酸電池的25倍，所以儲能效果十分明顯。隨后，日本科學家根據(jù)飛輪電池比功率高的特性，設置了引發(fā)可控熱核聚變裝置。這種裝置的飛輪直徑可達6.4 m，高度達1 m，重量達255 t，儲能的電能可供具有150個車廂的列車以100 km/h的速度行駛。近年來，我國的飛輪電池儲能技術也得到了很大進步。英利集團在2011年1月研發(fā)了1 kWh儲能飛輪機。受材料和技術的限制[7]，目前飛輪電池價格非常昂貴，小場合的場地應用優(yōu)勢并不明顯，但一些大型儲能裝置的節(jié)能效果非常好。

目前，在太空領域的飛船、空間站、人造衛(wèi)星等領域，飛輪電池一次可以提供同質量化學電池2倍的功率。美國的太空總署空間站就安裝了48個飛輪電池，一起可以持續(xù)供電超過150 kW的電能。與化學電池相比，飛輪電池每年可以節(jié)省200萬美金的電能。此外，飛輪電池在火車、汽車等交通運輸領域廣泛應用。尤其是在當前新能源汽車領域[8]，采用內燃機和電機混合動力的飛輪電池，充電快，放電完全。汽車在正常行駛或者剎車過程中，飛輪電池自動對電池充電，當汽車在上坡或者加速過程中，飛輪電池釋放電力給汽車提供動力，確保汽車在一個比較平穩(wěn)的狀態(tài)下運行，從而達到減小消耗、延長發(fā)動機使用時間的作用。美國TEXAS大學研制了一款汽車飛輪電池，電池可以為汽車提供150 kW·h的能量，確保汽車達到100 km/h的運行速度。德國西門子公司對火車領域進行研究，研發(fā)了一種長1.5 m、寬0.75 m的飛輪電池，可提供3 MW的功率。

4 結 論

飛輪電池儲能技術作為一種新型的能源設備，隨著特殊材料技術、電子電力技術的發(fā)展，未來將廣泛應用于社會各個領域，并將作為獨立能源向電池儲能系統(tǒng)提供電力。

參考文獻：

[1] 張新賓.飛輪儲能式汽車制動能量回收模擬試驗研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學，2016.

[2] 項倩雯.飛輪電池用五自由度單繞組磁懸浮開關磁阻電機參數(shù)設計及運行控制[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2013.

[3] 張 毅.太陽能飛輪系統(tǒng)的儲能研究[D].重慶：重慶交通大學，2016.

[4] 張 冰.具有飛輪電池儲能的移動電站研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2011.

[5] 孫 杰.飛輪儲能電源恒壓放電控制方法的研究[D].天津：天津大學，2011.

[6] 何 翼.飛輪電池控制系統(tǒng)研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2011.

[7] 趙晗彤.基于飛輪儲能系統(tǒng)的光伏直流微網電壓控制方法的研究[D].北京：華北電力大學，2016.

[8] 欒 衛(wèi).飛輪儲能式電動汽車充電站關鍵技術研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學，2011.