中國儲能網(wǎng)訊：“福建艦”上的電磁彈射器可不是一般的先進，中國彎道超車用的是中壓直流電磁彈射器，而老美用的是中壓交流電技術。中壓直流電磁彈射器能彈射3-45噸的各類艦載機。電磁彈射關鍵: 飛輪儲能，成功研制出50MW/120MJ飛輪儲能裝置。3秒釋放120兆焦能量！電磁彈射核心裝置到位，瓶頸已不復存在。
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003航母最大的亮點:電磁彈射
2022年6月17日，是我國首枚氫彈試驗的紀念日，同時也是我國自主開發(fā)建造的航空母艦命名的日子，根據(jù)公開的報道，003航母正式命名為海軍福建艦，舷號18，該航母滿載排水量八萬余噸，并且采用了電磁彈射和阻攔系統(tǒng)。目前世界上只有美國海軍的航母采用了電磁彈射和阻攔系統(tǒng)，美國是從福特級航空母艦開始采用電磁技術。
福建艦成為了國產(chǎn)第一艘采用電磁彈射的常規(guī)動力航空母艦，8萬余噸的排水量原本就沒有懸念，根據(jù)衛(wèi)星照片的數(shù)據(jù)可以大致判斷出噸位，而電磁彈射系統(tǒng)成為了最大的亮點。在福建艦之前，解放軍的兩艘航空母艦遼寧艦和山東艦并沒有彈射器，而是采用了滑躍的模式進行固定翼艦載戰(zhàn)斗機的起飛。雖然通過滑躍甲板解決了固定翼艦載戰(zhàn)斗機的起飛，但是在起飛效率上與采用彈射器的模式有很大的差距，同時也無法保證固定翼艦載預警機的起飛。而電磁彈射則可以同時起飛好幾架戰(zhàn)機，幾秒鐘就彈出去一架，在實戰(zhàn)中，優(yōu)勢非常明顯。
美國海軍長期以來是采用蒸汽彈射裝置，美國海軍目前有10艘尼米茲級航空母艦和1艘福特級航空母艦，其中尼米茲級是采用了蒸汽彈射裝置，福特級是世界上第一艘采用電磁彈射裝置的航空母艦，代表了美國航母開發(fā)的最高水平。電磁彈射器和蒸汽彈射器相比，有著諸多的優(yōu)勢，包括靈活調節(jié)功率等，另外在效率上也具備優(yōu)勢。
中國在航母彈射器上跨過了蒸汽彈射，直接采用了電磁彈射技術，這是我國科技進步的重要標志，根據(jù)公開的資料分析，我國也具備蒸汽彈射器的開發(fā)和建造能力，如今是“一步到位”。
電磁彈射器涉及的學科相當廣泛，除了電磁本身之外，還有能源的配備等。003航空母艦是一款采用常規(guī)動力的航母，美國福特級航空母艦采用了核反應堆，但是003航母還是可以使用電磁彈射器，說明了中國有著獨到之處的技術。
“福建艦”上的電磁彈射器可不是一般的先進，中國彎道超車用的是中壓直流電磁彈射器，而老美用的是中壓交流電技術。中壓直流電磁彈射器能彈射3-45噸的各類艦載機。電磁彈射關鍵: 飛輪儲能，成功研制出50MW/120MJ飛輪儲能裝置。3秒釋放120兆焦能量！電磁彈射核心裝置到位，瓶頸已不復存在。
從技術上來看，美國的電磁彈射器，用的是交流電，不好調功率，線圈都很重，發(fā)熱量大，散熱更成問題。美國的航母電磁彈射器，體積都很大，儲存釋放和全艦電力系統(tǒng)直接連通，比較容易造成瞬間系統(tǒng)過載停電；而且彈射次數(shù)太頻繁，還會引發(fā)一系列的過熱問題。也正因如此，2017年開始服役的那個“福特號”上的電磁彈射器故障率很高，一直修修補補，甚至在特朗普政府時代，還曾經(jīng)靠考慮過拆掉它，改裝老版的蒸汽彈射器。
而我國的福建艦，則用的是中壓直流電。直流電更容易解決彈射電的儲存和釋放問題——將直流電進行數(shù)字化調整，用高頻切割的方式，把電流切成一份一份的，爭取做到最高效和集中地利用電能。中壓直流電在調配功率方面，也更具優(yōu)勢——能根據(jù)飛行器的質量精準調節(jié)推力，進行實時的速率匹配?？梢郧〉胶锰幒玫匕央娔芏技杏迷诘度猩希瑴p少浪費。這樣一來，跟交流電彈射器相比，直流電彈射消耗的能量就少多了。
當然，要實現(xiàn)這個目標，技術門檻是非常高的。在咱們“國寶級”專家馬偉明院士團隊的攻關之下，中國人只用了很短的時間，就跨過了蒸汽彈射，直接實現(xiàn)了電磁彈射技術的突破進展。這確實相當了不起，特別值得自豪。
電磁彈射為何要用飛輪儲能？
其實不論是核動力還是常規(guī)動力并沒有什么本質不同，以美國海軍福特號為例，雖然配置有兩臺700兆瓦的A1B新型壓水堆，但也是靠蒸汽輪機驅動發(fā)電機發(fā)電，同時通過飛輪儲能裝置與電動機實現(xiàn)電磁彈射，而常規(guī)動力也是如此，不論是燃氣輪機還是蒸汽輪機與核動力相比只是源動力不同。
制約電磁彈射上艦的核心瓶頸除了彈射器本身就是飛輪儲能，這是一種通過電動機帶動飛輪高速旋轉進行儲能的裝置，在有用電需求時再通過高速旋轉的飛輪帶動發(fā)電機供電。
電磁彈射為何要用飛輪儲能？電磁彈射，被加速的艦載機總重，30噸，即3萬公斤；加速長度100米，加速時間2.2秒，艦載機末端速度，85米每秒；總耗電能38度；瞬間功率6萬千瓦。電磁炮也是“彈射”，被加速的彈丸重量，10公斤，加速長度15米，加速時間0.02秒，彈丸出膛速度2500米每秒，總耗電能11度，瞬間功率325萬千瓦。由以上2組數(shù)據(jù)可見，不論是電磁彈射飛機還是電磁炮，它們發(fā)射一次的總用電量并不大。彈射1架30噸的重載艦載機的純耗電還不到40度。當然這是完全理想化的狀態(tài)，實際上彈射一架飛機的耗電要超過40度，因為所有不是超導的電路都有自然損耗，不會效率達到100%。但是實際彈射一架30噸級艦載機的用電也不會超過70度。而發(fā)射一次電磁炮彈丸的理論用電更少，只有11度電。不過兩者做功的瞬間功率；卻都非常的驚人。
航母電磁彈射器做功一次的瞬間功率超過6萬千瓦。而電磁炮發(fā)射時的瞬間功率更是驚人，超過了300萬千瓦，相當于一個大型水電站的全部瞬間發(fā)電功率。不過電磁炮的加速時間只有電磁彈射器的百分之一，因此瞬間功率要大得多。不論電磁炮還是電磁彈射器，它們給予要彈射的物體的加速時間，從0.02秒一直到2秒稍多，基本上都屬于瞬間完成。因此要求的加速做功的電流很大，功率很強，但是作用時間卻都普遍很短，導致普通的電網(wǎng)負荷和蓄電池都達不到如此短時間內實現(xiàn)強大放電的能力。只有兩種現(xiàn)代化的特殊設備可以實現(xiàn)短時間內的強放電。第一是儲能飛輪，第二就是特殊電容。兩者性能各有利弊。儲能飛輪的能量密度是電容的10倍以上，而且可以重復利用放電幾十萬次。實際壽命比電容長得多。特殊電容最大使用次數(shù)有限制，實際成本比較高。而且超大容量電容有一定的漏電危險性。不過電容可以隨時確保有電，而飛輪儲能屬于現(xiàn)充現(xiàn)用。因此不論電磁彈射還是電磁炮，都會用到兩者的長處。電磁彈射以飛輪儲能為主，超大容量電容為輔。而電磁炮則主要采用超大容量電容放電。飛輪儲能是指利用電動機帶動飛輪高速旋轉，在需要的時候再用飛輪帶動發(fā)電機發(fā)電的交互式儲能方式。特點是高功率密度、長壽命。
飛輪儲能系統(tǒng)是一種機電能量轉換的儲能裝置，突破了化學電池的局限，用物理方法實現(xiàn)儲能。通過電動/發(fā)電互逆式雙向電機，電能與高速運轉飛輪的機械動能之間的相互轉換與儲存，并通過調頻、整流、恒壓與不同類型的負載接口。飛輪儲能放電已經(jīng)被提出200多年，但是直到1970年代，綜合機電加工能力達標后才首次實用化。
在儲能時，電能通過電力轉換器變換后驅動電機運行，電機帶動飛輪加速轉動，飛輪以動能的形式把能量儲存起來，完成電能到機械能轉換的儲存能量過程，能量儲存在高速旋轉的飛輪體中；之后，電機維持一個恒定的轉速，直到接收到一個能量釋放的控制信號；釋能時，高速旋轉的飛輪拖動電機發(fā)電，經(jīng)電力轉換器輸出適用于負載的電流與電壓，完成機械能到電能轉換的釋放能量過程。不論采用交流電還是直流電進行電磁彈射，飛輪儲能都是其中的關鍵設備之一。
飛輪儲能技術簡介
人類對飛輪的認識可以追溯到2000多年前，當時陶工所用的轉輪被認為是飛輪最早的應用。進入20世紀90年代以后，飛輪儲能受到了廣泛的重視，并得到了快速發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了很多高性能的產(chǎn)品。美國、日本、法國、英國、德國、荷蘭、俄羅斯、西班牙、韓國、中國、印度、瑞士、加拿大和意大利等國都在進行研究和開發(fā)工作。其中美國投資最多，規(guī)模最大，進展最快。美國Active Power公司的100KW-2000kW Clean Source系列UPS飛輪儲能系統(tǒng)、Penta dyne公司的65KVA-1000kVA VSS系列UPS飛輪儲能系統(tǒng)、Beacon Power公司的25MW Smart Energy Matrix、波音公司Phantom工廠采用高溫超導磁浮軸承的100kW/5kWh飛輪儲能裝置，以及SatCon Technology公司的315-2200kVA系列Rotary UPS飛輪儲能系統(tǒng)，已經(jīng)開始應用于電力系統(tǒng)、備用電源、交通工具、航天航空、軍工等領域。
國內飛輪研究起步較晚，20世紀80年代國內機構開始關注飛輪儲能技術，90年代開始關鍵技術基礎研究,部分飛輪產(chǎn)品已經(jīng)投入示范應用，包括在石油鉆井行業(yè)、軌道交通領域、UPS備用電源等領域。
（一）飛輪儲能產(chǎn)品結構及工作原理
飛輪儲能系統(tǒng)又稱飛輪電池，其基本結構由飛輪轉子、軸承、電動機/發(fā)電機、電力電子控制裝置、真空室等五個部分組成，結構示意圖見圖1。其中飛輪轉子作為飛輪電池的關鍵部件，一般選用強度高密度相對較小的材料制作而成，根據(jù)外形不同可分為圓輪、圓盤或圓柱剛體等類型；軸承是飛輪裝置的軸系支承部件，由于磁懸浮支承軸承和組合式軸承可以降低摩擦損耗，提高系統(tǒng)效率而成為了支承技術的研究熱點，尤其是組合式軸承結合了機械軸承和磁懸浮軸承的優(yōu)點，已經(jīng)引起了飛輪儲能系統(tǒng)研究和開發(fā)者的廣泛關注；電機作為一個集成部件，具有電動機和發(fā)電機的功能，可以在電動和發(fā)電兩種模式下自由切換，以實現(xiàn)機械能和電能的相互轉換；電力電子控制裝置主要是對輸入或輸出的電能進行變換控制，通過對電力電子控制裝置的操作可以實現(xiàn)對飛輪電機各種工作要求的控制；真空室主要作用是為飛輪提供真空環(huán)境以降低風阻損耗并在飛輪高速旋轉破裂時保護周圍人員和設備。
飛輪儲能裝置結構示意圖
飛輪儲能系統(tǒng)是將能量以高速旋轉飛輪的轉動動能的形式來存儲起來的裝置。它有三種模式：充電模式、放電模式、保持模式。充電模式即飛輪轉子從外界吸收能量,使飛輪轉速升高將能量以動能的形式存儲起來，充電過程飛輪做加速運動，直到達到設定的轉速；放電模式即飛輪轉子將動能傳遞給發(fā)電機，發(fā)電機將動能轉化為電能,再經(jīng)過電力控制裝置輸出適合于用電設備的電流和電壓，實現(xiàn)機械能到電能的轉化，此時飛輪將做減速運動，飛輪轉速將不斷降低，直到達到設定的轉速；保持模式即當飛輪轉速達到預定值時既不再吸收能量也不向外輸出能量，如果忽略自身的能量損耗其能量保持不變。由此，整個飛輪系統(tǒng)實現(xiàn)了能量的輸入、輸出以及存儲。
（二）飛輪儲能技術分類
從產(chǎn)品技術上看，根據(jù)轉子旋轉速度、轉子材料選擇、軸承類型的不同，飛輪儲能系統(tǒng)有多種不同的分類方式。其中根據(jù)飛輪儲能系統(tǒng)中飛輪轉子旋轉速度的不同，飛輪儲能系統(tǒng)分為中低速飛輪儲能系統(tǒng)及高速飛輪儲能系統(tǒng)兩大類；根據(jù)飛輪軸系軸承的不同，飛輪分為機械軸承飛輪儲能系統(tǒng)、磁懸浮軸承飛輪儲能系統(tǒng)和組合式軸承飛輪儲能系統(tǒng)等；根據(jù)飛輪轉子材料的不同，飛輪分為復合材料轉子飛論以及金屬材料飛輪兩大類。
另外還可以根據(jù)飛輪應用場景不同，將飛輪儲能產(chǎn)品分為能量型飛輪儲能技術及功率型飛輪儲能技術。
（三）飛輪儲能產(chǎn)品開發(fā)商
飛輪儲能系統(tǒng)先進開發(fā)商主要集中在歐美、日本等發(fā)達國家。
美國、西歐以及日本飛輪儲能系統(tǒng)知名開發(fā)商
我國自20世紀80年代開始關注飛輪儲能技術，自90年代開始關鍵技術基礎研究，隨著飛輪技術的不斷成熟，從2010年前后，出現(xiàn)了一些飛輪儲能系統(tǒng)商業(yè)推廣示范應用的技術開發(fā)公司，主要包括沈陽微控、北京泓慧國際能源技術發(fā)展有限公司、北京奇峰聚能科技有限公司、中核集團核工業(yè)西南物理研究院、二重德陽儲能科技有限公司、盾石磁能科技有限責任公司、上海航天控制技術研究所、貝肯新能源（天津）有限公司、大連亨利科技有限公司等。
(四）飛輪儲能產(chǎn)品在電力儲能領域中的應用現(xiàn)狀
美國的Beacon Power公司在紐約州史蒂芬鎮(zhèn)建設了20 MW飛輪儲能項目，該項目既可以為紐約州智能電網(wǎng)進行頻率調節(jié)，又能將該地區(qū)風力發(fā)電的過剩電能進行緩存，并在用電高峰期將電力注入電網(wǎng)，該項目是典型的飛輪儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應用案例之一；2011年1月Beacon Power公司在美國紐約的8MW飛輪項目投入運營，標志著飛輪儲能開始了在電網(wǎng)的大規(guī)模正式商業(yè)應用。未來飛輪儲能將有可能在電力調頻業(yè)務中發(fā)揮更大的作用。
飛輪儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的應用
國內飛輪儲能系統(tǒng)主要在軌道交通（盾石磁能）以及UPS（北京泓慧）等領域實現(xiàn)了應用，在電力系統(tǒng)領域內的應用案例較少。2018年，由西藏運高新能源股份有限公司開發(fā)、投資、建設及運營的60兆瓦運高光伏電站計劃引進第一個長達4h的飛輪儲能系統(tǒng)電站，主要用于調峰調頻和增加新能源消納，飛輪系統(tǒng)采用美國Amber Kinetics公司產(chǎn)品，陣列容量為0.8MW/3.2MWh，由100個AmberKinetics M32型飛輪系統(tǒng)組成，先期已經(jīng)完成了16KW/64KWh的驗證機組，參與光伏發(fā)電調控。
總之飛輪儲能作為一項古老的技術，隨著多學科優(yōu)化設計技術、復合材料技術、磁支撐技術和電動機/發(fā)電機一體機技術的不斷進步，現(xiàn)代飛輪儲能系統(tǒng)已經(jīng)成為一種綠色的能量存儲裝置，鑒于飛輪儲能技術的特性和優(yōu)點，未來飛輪系統(tǒng)將在電力系統(tǒng)領域，包括可再生能源并網(wǎng)、調頻等方向、軌道交通工具、UPS、航天航空等軍工領域將發(fā)揮重要作用。隨著飛輪市場及應用領域的不斷擴大，飛輪儲能技術為了滿足不用應用領域的需求，飛輪儲能系統(tǒng)將向高功率密度、高能量密度、低損耗、低成本等方向發(fā)展，圍繞這幾方面，飛輪儲能單元關鍵技術主要有以下幾方面發(fā)展趨勢：（1）電機及其變流器系統(tǒng)將向低成本方向發(fā)展；（2）高能量密度轉子將向復合材料方向發(fā)展；（3）支撐軸承將向磁懸浮及復合軸承方向發(fā)展；（4）飛輪儲能單機儲存能量由十千瓦時向百千瓦時發(fā)展；（5）大容量飛輪儲能系統(tǒng)將向模塊陣列化方向發(fā)展。
