簡論飛輪儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其研究現(xiàn)狀

摘 要 飛輪儲能技術(shù)的研究價值非常高并且其應(yīng)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(zhuǎn)子，軸承支撐系統(tǒng)，電動機/發(fā)電機等三項較為重要的技術(shù)，并在這三項比較重要的技術(shù)上面重點對飛輪的儲能系統(tǒng)進行了詳細(xì)的闡述。

關(guān)鍵詞 飛輪;儲能系統(tǒng);關(guān)鍵;現(xiàn)狀

引言

目前的儲能的設(shè)備有化學(xué)儲能，物理儲能以及其他的儲能是設(shè)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(guān)注。

1飛輪儲能系統(tǒng)工作原理

飛輪儲能裝置，又被叫作機電電池系統(tǒng)，也叫作飛輪電池，是一種機械和電能的轉(zhuǎn)換和存儲系統(tǒng)。飛輪儲能的系統(tǒng)一般由速度較高的飛輪，電動機/發(fā)電機，軸承支撐裝置，電力電子轉(zhuǎn)換裝置，電子控制裝置和附加裝置（比如說真空泵，應(yīng)急備用軸承）等組成。它是一個集成性能較為強大的系統(tǒng)，飛輪儲能是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的應(yīng)用。電子電力轉(zhuǎn)換器作為主要的驅(qū)動裝置，以帶動飛輪以較高的速度旋轉(zhuǎn)[1]。電機則一直處在較為穩(wěn)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(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

飛輪儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由飛輪轉(zhuǎn)子，支撐軸承，電動發(fā)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(shù)進行一定的分析。

2.1 飛輪轉(zhuǎn)子

飛輪儲能系統(tǒng)中最核心的部分就是飛輪的轉(zhuǎn)子。整個系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換和飛輪的旋轉(zhuǎn)有著非常大的關(guān)系。飛輪旋轉(zhuǎn)時的動能E表示為

其中，J為ω的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的慣性并且可以提高飛輪的速度。

2.2 支承軸承技術(shù)分析

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

2.3 電動/發(fā)電機技術(shù)分析

在飛輪的儲能系統(tǒng)中，機械能和電能之間的相互的能量轉(zhuǎn)換是通過集成的電動機/發(fā)電機共同來完成的，因此電動機/發(fā)電機的性能將會對飛輪儲能系統(tǒng)的效率造成直接的影響。在飛輪儲能系統(tǒng)的充電的時候，飛輪的速度將會增加到設(shè)計的最高的速度。在這個過程中，電動機/發(fā)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(fā)電機的速度也會下降。因此，在飛輪儲能系統(tǒng)的充電和放電過程中，電動機/發(fā)電機的速度不斷變化。在現(xiàn)有條件下，飛輪儲能系統(tǒng)可以選擇開關(guān)磁阻電動機，感應(yīng)電動機，永磁電動機等。

3國內(nèi)外飛輪儲能關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

最近這些年來，飛輪儲能的技術(shù)發(fā)展是非常的快的。國內(nèi)外都在這種儲能技術(shù)上投入了非常多的金錢和人力資源。截止到現(xiàn)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(shù)，介紹了飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

3.1 飛輪轉(zhuǎn)子技術(shù)現(xiàn)狀

休斯敦大學(xué)的德克薩斯州超導(dǎo)體中心主要的研究的方向是主軸形飛輪的開發(fā)。這是等應(yīng)力的設(shè)計，形狀系數(shù)等于或接近于。這種材料也是玻璃纖維復(fù)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(fā)的雨傘飛輪。這種結(jié)構(gòu)有利于電動機的布局，非常有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有較大的慣性矩，節(jié)省了材料，并具有合理的輪轂強度設(shè)計。NASA的Glenn中心和Penn州立大學(xué)的先進復(fù)合材料制造中心等部門已經(jīng)采用濕式纏繞工藝生產(chǎn)了復(fù)合飛輪[3]。

3.2 機械軸承

TSI公司應(yīng)用的潤滑油技術(shù)比較先進，使用的軸承的材料比較精密和設(shè)計方法及計算機動態(tài)分析技術(shù)，成功開發(fā)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(shù)已經(jīng)達(dá)到了非常的低，僅僅是0.00001。

4結(jié)束語

飛輪儲能技術(shù)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(xù)工作等優(yōu)點。它已成為現(xiàn)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(zhuǎn)子，軸承支撐系統(tǒng)，電動發(fā)電機等比較重要的技術(shù)，并把國內(nèi)外的關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進行了簡單的介紹。希望今后的飛輪發(fā)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(tǒng)的研究與優(yōu)化[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2019.

[2] 丁泉.飛輪儲能用三自由度磁軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計及控制研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2017.

[3] 張新賓，儲江偉，李洪亮，等.飛輪儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其研究現(xiàn)狀[J].儲能科學(xué)與技術(shù)，2015，4（1）：55-60.

作者簡介：

魏民（1985-），男，北京人;學(xué)歷：碩士，現(xiàn)就職單位：沈陽遠(yuǎn)大電力電子科技有限公司。