SMB以其具有的無(wú)機(jī)械接觸、自穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，很快博得了眾多研究者的青睞。在1990年便有了轉(zhuǎn)速100000r／min的SMB報(bào)道，而到1992年更有轉(zhuǎn)速高達(dá)520000r／min的報(bào)道，這也是迄今為止最高的轉(zhuǎn)速記錄。SMB的高轉(zhuǎn)速是傳統(tǒng)的機(jī)械軸承，甚至主動(dòng)的電磁懸浮軸承(AMB)所不及的。SMB的誕生為以軸承為基礎(chǔ)的系統(tǒng)提供了升級(jí)換代的新途徑，高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)(HTS．FESS)就是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生的。
HTS—FESS利用SMB的高速無(wú)機(jī)械摩擦旋轉(zhuǎn)，通過(guò)一個(gè)飛輪轉(zhuǎn)盤(pán)把能量以機(jī)械旋轉(zhuǎn)能量的形式儲(chǔ)存起來(lái)。近年來(lái)，隨著SMB技術(shù)的日益成熟，高強(qiáng)度復(fù)合纖維材料的問(wèn)世以及高效率電力電子轉(zhuǎn)換技術(shù)的進(jìn)步使得HTS．FESS在儲(chǔ)能密度、儲(chǔ)能時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間、轉(zhuǎn)換效率等方面均得到了較大的提高，已達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用的要求。目前美國(guó)波音公司、日本國(guó)際超導(dǎo)中心(ISTEC)[6-8]、德國(guó)ATZ公司[9-121等均在開(kāi)展大容量HTS—FESS樣機(jī)的試驗(yàn)研究。美國(guó)波音公司在2006年的項(xiàng)目年度總結(jié)報(bào)告中指出，他們研制的HTS．FESS即將完成最終用戶測(cè)試，并投入商業(yè)運(yùn)行。
HTS．FESS作為一種新型電力儲(chǔ)能技術(shù)，不僅為緩解當(dāng)前日益嚴(yán)峻的能源問(wèn)題提供了新的途徑，而且在軍民兩用上都具有巨大的應(yīng)用前景。在衛(wèi)星和航天器的能源供給和姿態(tài)控制、電磁發(fā)射系統(tǒng)的超大功率電源、戰(zhàn)車(chē)的能量?jī)?chǔ)備以及電力調(diào)峰、通信系統(tǒng)、交通系統(tǒng)等領(lǐng)域均可找到它的應(yīng)用價(jià)值。
2HTS．FESS的基本原理及其特點(diǎn)
2．1基本原理
HTS．FESS的基本原理是利用電動(dòng)機(jī)將懸浮的飛輪轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)到高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能儲(chǔ)存。需要時(shí)，飛輪減速，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換，這樣就通過(guò)飛輪的加速和減速，完成了電能的存入和釋放。圖1給出了能量的存儲(chǔ)與釋放過(guò)程。
圖1高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)原理示意
飛輪是一個(gè)作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的物體，其儲(chǔ)存的能量E可以表示為
E=1/2Jω2 （1）
式中J--飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
ω--角速度。
儲(chǔ)能密度(單位質(zhì)量存儲(chǔ)的能量)是表征儲(chǔ)能裝置性能的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)于結(jié)構(gòu)、幾何尺寸一定的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，其儲(chǔ)能密度e為
e=E/m=ksσ/ρ （2）
式中ks--飛輪形狀系數(shù)；
σ--飛輪產(chǎn)生的最大周向應(yīng)力；
ρ--飛輪材料的密度；
m--飛輪質(zhì)量。
從儲(chǔ)存能量的角度來(lái)看，E越大越好；而從減輕軸承負(fù)荷來(lái)看，m越小越好。綜合式(1)、式(2)考慮，飛輪轉(zhuǎn)子需要σ/ρ高的材料。
HTS．FESS主要由SMB、飛輪轉(zhuǎn)子、電動(dòng)，發(fā)電機(jī)、電力電子轉(zhuǎn)換裝置和真空／安全保護(hù)裝置構(gòu)成。
2．1．1SMB
SMB是HTS．FESS的核心部件，作用是支撐飛輪轉(zhuǎn)子并保證其無(wú)機(jī)械摩擦穩(wěn)定的高速旋轉(zhuǎn)。基本原理是高溫超導(dǎo)體和永磁體電磁相互作用的軸對(duì)稱模型，一般是用高溫超導(dǎo)塊材(下文簡(jiǎn)稱塊材)作定子，常規(guī)的永磁體作轉(zhuǎn)子。液氮溫度下，塊材進(jìn)入超導(dǎo)混合態(tài)后，由于釘扎中心的存在磁通線被其阻滯運(yùn)動(dòng)，即被超導(dǎo)體俘獲，當(dāng)超導(dǎo)體俘獲了足夠的磁通時(shí)，便使轉(zhuǎn)子自由懸浮在某一位置上；同時(shí)塊材特有的磁通釘扎能力阻止俘獲磁通運(yùn)動(dòng)，保證側(cè)向穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的懸浮(如圖2所示)。研究結(jié)果表明，SMB的摩擦系數(shù)只有10_，是電磁懸浮軸承的1／1000，最好的機(jī)械軸承的1／10000。
圖2具有釘扎效應(yīng)的高溫超導(dǎo)磁懸浮示意圖
SMB按照塊材與永磁體的排放結(jié)構(gòu)，分為軸向和徑向兩種類(lèi)型，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。
在軸向型中，塊材與永磁體之間的懸浮力指向旋轉(zhuǎn)軸的方向。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作相對(duì)容易。缺點(diǎn)是軸承的承載能力依賴于定子的截面尺寸。
在徑向型中，塊材與永磁體之間的懸浮力指向轉(zhuǎn)子徑向。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)很緊湊，并且可以在不改變主軸大小的情況下通過(guò)沿軸向增加定子中塊材的數(shù)量來(lái)提高承載能力。缺點(diǎn)是對(duì)塊材和永磁體材料性能的均勻性要求高。目前兩種類(lèi)型的軸承均已用于HTS．FESS樣機(jī)的研制中。
圖3 SMB結(jié)構(gòu)示意圖
2．1．2飛輪轉(zhuǎn)子
飛輪轉(zhuǎn)子作為HTS．FESS的儲(chǔ)能載體，其旋轉(zhuǎn)速度一般都是上萬(wàn)轉(zhuǎn)，因此轉(zhuǎn)子工作時(shí)要承受很大的離心力，這樣就對(duì)轉(zhuǎn)子材料的機(jī)械強(qiáng)度提出了很高的要求。從式(2)可知，高強(qiáng)度、低密度的材料將是飛輪轉(zhuǎn)子的理想材料。表1給出了幾種常用的飛輪轉(zhuǎn)子材料參數(shù)，顯然碳素纖維復(fù)合材料因其極高的強(qiáng)度密度比是飛輪轉(zhuǎn)子材料的理想選擇。理論和實(shí)驗(yàn)都證明目前的碳素纖維復(fù)合材料做成的飛輪轉(zhuǎn)子承受的最大線速度可超過(guò)1000m／s。
表1飛輪轉(zhuǎn)子材料參數(shù)
2．1．3電動(dòng)／發(fā)電機(jī)
電動(dòng)，發(fā)電機(jī)是HTS—FESS能量轉(zhuǎn)換的必備環(huán)節(jié)。飛輪儲(chǔ)存能量時(shí)，系統(tǒng)處于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，飛輪加速；釋放能量時(shí)，飛輪處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，飛輪減速。與其他電機(jī)相比，永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、轉(zhuǎn)速高(已有200O00r／min的報(bào)道。在HTS．FESS中得到了廣泛的應(yīng)用'】
2．1．4電力電子轉(zhuǎn)換裝置
HTS—FESS在儲(chǔ)存與釋放能量的過(guò)程中，轉(zhuǎn)速在不斷變化，電動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之改變。因此，為實(shí)現(xiàn)電能穩(wěn)定的儲(chǔ)存與釋放，必須在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)(FESS)與電網(wǎng)之間配備一個(gè)電力電子轉(zhuǎn)換裝置。儲(chǔ)能時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置將電網(wǎng)電能變成電動(dòng)機(jī)需要的電源形式；輸出電能時(shí)經(jīng)轉(zhuǎn)換裝置調(diào)頻、整流、恒壓之后，供給負(fù)載，以滿足不同工況下的需要。目前較多采用IGBT功率模塊和微處理器技術(shù)來(lái)控制電動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)以實(shí)現(xiàn)能量的快速高效儲(chǔ)存與釋放，采用變壓變頻器件完成輸入與輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)變。
2．1．5真空／安全保護(hù)裝置
真空罩的作用是為飛輪轉(zhuǎn)子提供一個(gè)低壓的環(huán)境，降低高速旋轉(zhuǎn)下的風(fēng)阻損耗。另外，飛輪在高離心力作用下存在發(fā)生爆裂的可能性，因此真空罩兼起安全保護(hù)的作用。為方便觀察飛輪的實(shí)際運(yùn)行情況，一般采用透明的高強(qiáng)度玻璃鋼真空罩。
2．2HTS．FESS特點(diǎn)
(1)控制簡(jiǎn)單。高溫超導(dǎo)磁懸浮是一種自穩(wěn)定的懸浮，與電磁懸浮相比，不需要額外的懸浮、導(dǎo)向控制環(huán)節(jié)。
(2)儲(chǔ)能密度大。高儲(chǔ)能密度是FESS最突出的優(yōu)勢(shì)。從圖4對(duì)各種儲(chǔ)能方式的儲(chǔ)能密度比較中可以看出，就目前的技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度已達(dá)到230Wh／kg，明顯高于超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能、超級(jí)電容器、燃料電池、鉛酸電池和高級(jí)電池等方式，并且隨著轉(zhuǎn)子材料性能的提高，還具有巨大的開(kāi)發(fā)潛力。預(yù)計(jì)5年內(nèi)可用的熔融石英材料，將使飛輪儲(chǔ)能密度達(dá)到800Wh／kg，而五年后可使用的碳納米管材料將使飛輪的儲(chǔ)能密度提高到2700Wh／kg，成為儲(chǔ)能密度最高的儲(chǔ)能方式。
圖4儲(chǔ)能系統(tǒng)能量密度比較。
(3)效率高。與其他儲(chǔ)能方式(蓄電池、燃料電池和發(fā)電機(jī)等)相比，FESS效率最高，可達(dá)到9O％以上(見(jiàn)表2)。
表2飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)與其他幾種儲(chǔ)能形式性能比較
(4)壽命長(zhǎng)。從表2可以看出，FESS的充放電次數(shù)上萬(wàn)次，運(yùn)行壽命長(zhǎng)達(dá)2O年以上，與燃料電池相當(dāng)，遠(yuǎn)高于蓄電池與發(fā)電機(jī)。FESS的長(zhǎng)壽命以及低維護(hù)成本將補(bǔ)償其購(gòu)置成本較高的不足，長(zhǎng)期運(yùn)行具有較好的經(jīng)濟(jì)性。
(5)應(yīng)用范圍廣。圖5給出了多種儲(chǔ)能方式的功率一響應(yīng)時(shí)間圖。從圖中可以看出，與其他儲(chǔ)能方式相比，FESS具有最大的功率和響應(yīng)時(shí)間區(qū)間。
功率可以從mW~MW等級(jí)，響應(yīng)時(shí)間從數(shù)小時(shí)到數(shù)毫秒。因此具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。
圖5儲(chǔ)能系統(tǒng)功率一響應(yīng)時(shí)間比較
另外HTS—FESS還具有充放電快捷、綠色環(huán)保、占地面積小、可以模塊化(幾個(gè)小型飛輪子模塊構(gòu)成一個(gè)大的儲(chǔ)能系統(tǒng))、不受地理環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)。
目前，包括美國(guó)、日本、德國(guó)、韓國(guó)等在內(nèi)的多國(guó)正在大力開(kāi)展HTS．FESS樣機(jī)的研制工作。代表性研究工作如下：美國(guó)波音公司和阿貢實(shí)驗(yàn)室合作研制的5kWh／100kW等級(jí)的飛輪正在進(jìn)行整機(jī)安裝調(diào)試實(shí)驗(yàn)，同時(shí)加工設(shè)計(jì)了10kWh的飛輪轉(zhuǎn)子，預(yù)計(jì)2007年底完成全部試驗(yàn)；日本ISTEC也正在對(duì)1OkWh，4o0kw等級(jí)飛輪系統(tǒng)中的SMB進(jìn)行組裝實(shí)驗(yàn)，同時(shí)加工設(shè)計(jì)100kWh等級(jí)的飛輪定子；德國(guó)ATZ公司則從2005年開(kāi)始對(duì)5kwh／250kw等級(jí)的飛輪進(jìn)行研究。
3．1美國(guó)波音公司研究進(jìn)展
波音公司從1999年開(kāi)始與阿貢實(shí)驗(yàn)室合作研制5kWh／100kW等級(jí)的HTS—FESS，另外還包括AshmanTechnologies、PraxairCorporation、BallardPowerSystems、TorayComposites和SouthernCalifo—rniaEdison等五家直接參與的公司剛。整個(gè)項(xiàng)目分成四期完成，原定于2006年完成最終測(cè)試，但由于資金和技術(shù)難題，整個(gè)項(xiàng)目推遲到了2007年底。目前已經(jīng)完成了5kWh／100kW等級(jí)的HTS．FESS整機(jī)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試速度達(dá)到了15000r／min，將在2007年完成整個(gè)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的最終用戶測(cè)試。目前完成了10kWh等級(jí)飛輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)和制作，其測(cè)試速度將達(dá)到22500r／min。在此期間，該小組2002年也提出了面向UPS應(yīng)用的儲(chǔ)能等級(jí)為35kWh／50kW的飛輪方案，預(yù)算經(jīng)費(fèi)1580萬(wàn)美元，其中49％來(lái)源于美國(guó)能源部，51％私人投資。目前看來(lái)，最先將HTS—FESS商業(yè)應(yīng)用的國(guó)家應(yīng)該是美國(guó)，且其面向的最初對(duì)象是UPS用戶。
圖6為波音公司飛輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
該系統(tǒng)利用永磁軸承(PMB)承載，利用軸向SMB提供穩(wěn)圖6美國(guó)波音公司5kWh／100kW等級(jí)UPS飛輪系統(tǒng)定。G．M制冷機(jī)提供低溫環(huán)境。SMB定子由正六邊形的YBCO塊材拼接而成的空心圓盤(pán)，其直徑約220mm；轉(zhuǎn)子由3個(gè)半徑不同的同心永磁環(huán)組成，為聚集磁場(chǎng)，環(huán)與環(huán)之間為鐵環(huán)[2剛。在軸向間距為3．2mm時(shí)，SMB軸向剛度為144N／mm，徑向剛度為69N／mm，近似滿足2：1的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)證實(shí)永磁軸承和電機(jī)產(chǎn)生的負(fù)剛度均小于上述值，在臨界轉(zhuǎn)速之外，SMB完全可以穩(wěn)定飛輪轉(zhuǎn)子【4]。波音公司飛輪主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。
3．2日本ISTEC研究進(jìn)展
日本非常重視HTS．FESS的研發(fā)，主要有三家研究單位，Chubu電力公司引、中央鐵路公司】和ISTEC都在開(kāi)展10kWh等級(jí)及以上的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的樣機(jī)研制。其中ISTEC最具有代表性，已在進(jìn)行10kWh／400kW等級(jí)飛輪樣機(jī)組裝試驗(yàn)，并且開(kāi)始設(shè)計(jì)儲(chǔ)能100kWh等級(jí)的飛輪樣機(jī)。
ISTEC對(duì)HTS．FESS的研究可追溯到1995年，當(dāng)時(shí)主要受日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)的資助，至今已經(jīng)有長(zhǎng)達(dá)12年的研究歷史，經(jīng)歷了兩個(gè)階段的發(fā)展后，目前已處于第三階段。
日本ISTEC的HTS．FESS采用SMB承載，AMB提供穩(wěn)定，整個(gè)結(jié)構(gòu)如圖7所示。塊材采用液氮循環(huán)冷卻，電動(dòng)／發(fā)電機(jī)采用內(nèi)嵌式永磁電機(jī)。徑向SMB的定子由一系列瓦片形的YBCO塊材拼接而成，定子單元外徑123．2mm，內(nèi)徑93．2mm，高度60mm。轉(zhuǎn)子與波音公司的結(jié)構(gòu)相同，不同之處在于永磁體環(huán)沿軸向充磁，轉(zhuǎn)子單元外徑160mm，內(nèi)徑126mm，高度60mm。SMB最終由5組單元重疊構(gòu)成，高度為300mm，定子和轉(zhuǎn)子間只有0．4mm的懸浮間隙，如此小的間隙是用AMB進(jìn)行控制和保證的。為降低旋轉(zhuǎn)損失，這種徑向SMB對(duì)塊材和磁體的均勻性、加工精度具有很高的要求。
日本ISTEC的HTS．FESS采用SMB承載，AMB提供穩(wěn)定，整個(gè)結(jié)構(gòu)如圖7所示。塊材采用液氮循環(huán)冷卻，電動(dòng)／發(fā)電機(jī)采用內(nèi)嵌式永磁電機(jī)。徑向SMB的定子由一系列瓦片形的YBCO塊材拼接而成，定子單元外徑123．2mm，內(nèi)徑93．2mm，高度60mm。轉(zhuǎn)子與波音公司的結(jié)構(gòu)相同，不同之處在于永磁體環(huán)沿軸向充磁，轉(zhuǎn)子單元外徑160mm，內(nèi)徑126mm，高度60mm。SMB最終由5組單元重疊構(gòu)成，高度為300mm，定子和轉(zhuǎn)子間只有0．4mm的懸浮間隙，如此小的間隙是用AMB進(jìn)行控制和保證的。為降低旋轉(zhuǎn)損失，這種徑向SMB對(duì)塊材和磁體的均勻性、加工精度具有很高的要求。
最初的方案中為保障系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定性，引入了AMB，導(dǎo)致系統(tǒng)的控制單元比較復(fù)雜。ISTEC下一步的方案全部采用SMB，真正體現(xiàn)HTS．FESS自穩(wěn)定，無(wú)需控制的優(yōu)點(diǎn)。ISTEC飛輪主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3所示。
圖7日本ISTEC10kWh／400kW等級(jí)飛輪系統(tǒng)
3德國(guó)ATZ研究進(jìn)展
德國(guó)對(duì)HTS．FESS的研究幾乎與美國(guó)和日本同步“，近幾年研究進(jìn)展顯著。ATZ公司在前期對(duì)SMB研究的基礎(chǔ)上，2005年與MagnetMotor公司合作提出了5kWh／250kW等級(jí)的HTS—FESS設(shè)計(jì)方案。另外，不倫瑞克工業(yè)大學(xué)與Nexans超導(dǎo)公司提出了10kWh／2MW等級(jí)的HTS．FESS設(shè)計(jì)方案。
2002"~2005年期間，德國(guó)政府資助ATZ有限公司140萬(wàn)美元用于SMB研究。他們制作的徑向SMB總重量55kg，其中YBCO重5kg，軸承直徑205mm，高度120mm，定子和轉(zhuǎn)子之間間距1．5mm。
SMB定子用方形的多籽晶熔融織構(gòu)YBCO塊材拼接成環(huán)，再經(jīng)打磨加工而成，外徑230mm、內(nèi)徑205mm、高度120mm。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與日本ISTEC相似，外徑200mm、內(nèi)徑150mm、高度120mm。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，在軸向位移3．3mm，溫度72．2K時(shí)，軸承的軸向最大承載重量高達(dá)1000kg，徑向承載重量高達(dá)470kg。軸向剛度4．5kN／mm，徑向剛度1．8kN／mm。該SMB用5kg的塊材懸浮起了1000kg的重量，意味著目前YBCO塊材的懸浮性能達(dá)到1：200。上述數(shù)據(jù)打破了以往對(duì)SMB承載能力與剛度低的一貫看法，進(jìn)一步增加了研發(fā)SMB的信心，對(duì)SMB的發(fā)展具有里程碑式的意義。2005年該公司又提出了5kWh／250kW等級(jí)的HTS．FESS的設(shè)計(jì)方案(如圖8所示)，最終的目標(biāo)是用兩套5kWh的子飛輪模塊構(gòu)成一套lOkWh的FESS[。
圖8德國(guó)ATZ5kWh／250kW等級(jí)飛輪系統(tǒng)
德國(guó)ATZ的HTS．FESS同時(shí)利用徑向和軸向的SMB承受軸向載荷，輔助以徑向的PMB提供徑向穩(wěn)定。采用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)與軸承實(shí)現(xiàn)了集成。利用G—M制冷機(jī)提供低溫環(huán)境。整個(gè)結(jié)構(gòu)非常緊湊，系統(tǒng)體積小。基于提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的考慮，設(shè)計(jì)了一個(gè)渦流阻尼器，即在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的永磁環(huán)之間安裝一塊鋁片，阻止飛輪轉(zhuǎn)子的偏心運(yùn)動(dòng)。
ATZ應(yīng)用瞄準(zhǔn)的是UPS和電力品質(zhì)調(diào)節(jié)領(lǐng)域。ATZ公司飛輪主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。
表3美、B、德HTS．FESS設(shè)計(jì)參數(shù)注：“～”表明具體情況未見(jiàn)報(bào)道。
表3綜合比較了美國(guó)、日本和德國(guó)HTS．FESS樣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，可以看出目前國(guó)際上的技術(shù)發(fā)展水平特征是：(1)儲(chǔ)能10kWh等級(jí)。
(2)旋轉(zhuǎn)速度均高于10000fmin。
(3)采用碳素纖維復(fù)合材料制作飛輪轉(zhuǎn)子。
(4)內(nèi)嵌入式永磁電機(jī)。
(5)采用以徑向的SMB為主，另外輔助PMB或者AMB的軸承結(jié)構(gòu)。
(6)真空度0．1Pa以下。
(7)主要面向UPS和電力品質(zhì)調(diào)節(jié)。
3．4國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展
相比國(guó)外研究小組，國(guó)內(nèi)對(duì)HTS．FESS研究起步較晚，尚處于理論研究和概念設(shè)計(jì)階段。們，與發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大。其中中科院電工所制作了一臺(tái)混合SMB樣機(jī)，轉(zhuǎn)軸采用軸向型SMB、永磁軸承和電磁懸浮軸承共同支撐懸浮，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到了9600r／min；其中SMB定子由七塊直徑30mm、高度13mm的YBCO超導(dǎo)塊材拼成，而對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子由一直徑75mm的永磁圓環(huán)和直徑20mm的永磁圓柱體組成。上述樣機(jī)中選用的SMB結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作容易，廣泛用于其他小組的基礎(chǔ)研究中。西南交通大學(xué)超導(dǎo)技術(shù)研究所從20世紀(jì)9O年代初期開(kāi)始，就一直致力于高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，2000年研制成功了世界首輛載人的高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車(chē)[3引，“開(kāi)拓了在磁懸浮技術(shù)上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新跨越發(fā)展的可能性，為高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)在交通及其他領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)”[391。同時(shí)研制出系列高溫超導(dǎo)磁懸浮測(cè)試系統(tǒng)，特別是新研制出的高溫超導(dǎo)磁懸浮動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)研究運(yùn)動(dòng)速度在0～300km／h以內(nèi)的高溫超導(dǎo)磁懸浮特性，這將為SMB的設(shè)計(jì)和研制提供必需的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
在這些已有的高溫超導(dǎo)磁懸浮理論和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，正在制作一臺(tái)全高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承形式的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)原理演示樣機(jī)。
3．5HTS．FESS應(yīng)用亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)
從現(xiàn)有的HTS—FESS的研究現(xiàn)狀可以看出，目前SMB的性能還不能滿足大容量FESS的需求，主要是存在以下技術(shù)問(wèn)題：
(1)承載能力和剛度。與機(jī)械軸承、PMB及AMB相比，SMB承載能力和剛度相對(duì)較低。提高高溫超導(dǎo)材料的性能、優(yōu)化塊材的充磁磁場(chǎng)和永磁轉(zhuǎn)子的外磁場(chǎng)都是有效提高塊材的承載能力和剛度的方法。
(2)旋轉(zhuǎn)損失。SMB的旋轉(zhuǎn)損失主要包括三部分，即永磁轉(zhuǎn)子的不均勻性導(dǎo)致塊材的磁滯損失、定子上的渦流損失(如不銹鋼杜瓦)、塊材捕獲磁通不均勻?qū)е碌霓D(zhuǎn)子中聚磁鐵環(huán)的渦流損失。造成不均勻性的原因有二：一是無(wú)論塊材之間還是永磁體之間都存在材料性能的差異，二是材料拼接處縫隙的存在。解決的辦法主要有兩種：一是使用整塊永磁體和塊材構(gòu)成轉(zhuǎn)子與定子(難度較大，近期難以實(shí)現(xiàn))，二是利用特殊的焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)永磁體(或塊材)之間的互連。
(3)懸浮力降低／轉(zhuǎn)子下降。高溫超導(dǎo)磁懸浮的力磁滯(與運(yùn)動(dòng)過(guò)程有關(guān)且隨運(yùn)動(dòng)過(guò)程逐漸減小)和力弛豫(與懸浮時(shí)間有關(guān)且隨時(shí)問(wèn)近似成對(duì)數(shù)衰減并最終趨于穩(wěn)定)行為導(dǎo)致塊材提供的懸浮力變化，進(jìn)而影響到轉(zhuǎn)子的平衡位置，出現(xiàn)轉(zhuǎn)子下降的現(xiàn)象。前文指出的過(guò)冷和預(yù)載兩種方法均有助于抑制轉(zhuǎn)子的下降，但仍需大量深入的研究。
(4)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。主要指SMB高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的自身穩(wěn)定性(特別是共振頻率處)和外界干擾下的穩(wěn)定性(抗干擾能力)。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)剛度和阻尼系數(shù)有關(guān)。問(wèn)題(1)和(3)中的改進(jìn)方法均可以提高系統(tǒng)的剛度和阻尼系數(shù)，另外還可以引入渦流阻尼器，進(jìn)一步增加系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，增加其抗干擾的能力。
對(duì)于HTS—FESS而言，除了上述SMB的涉及高溫超導(dǎo)磁懸浮的四個(gè)問(wèn)題以外，還需要考慮以下兩個(gè)問(wèn)題：
(1)飛輪轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度。飛輪高速旋轉(zhuǎn)起來(lái)之后，轉(zhuǎn)子受到的切向應(yīng)力顯著大于徑向應(yīng)力，而飛輪轉(zhuǎn)子常采用的高強(qiáng)度比碳素纖維復(fù)合材料具有典型的各向異性，為了充分發(fā)揮其纖維方向強(qiáng)度高的特點(diǎn)，同時(shí)避免其垂直纖維方向強(qiáng)度低的局限性，還需對(duì)飛輪轉(zhuǎn)子的最佳結(jié)構(gòu)和纏繞技術(shù)進(jìn)行研究。
(2)飛輪系統(tǒng)的整體效率。HTS—FESS的整體效率取決于SMB的效率，電動(dòng)，發(fā)電機(jī)的效率，電力電子器件的效率。例如要使HTS．FESS的總體效率達(dá)到90％，則上述三部分的平均效率應(yīng)不低于96．5％。這對(duì)現(xiàn)有的電機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)已經(jīng)是個(gè)不低的要求了。
4HTS．FESS的應(yīng)用基于HTS．FESS具有的突出優(yōu)勢(shì)，在軍民兩個(gè)領(lǐng)域都有巨大的開(kāi)發(fā)前景。
4．1軍事應(yīng)用
(1)軍事衛(wèi)星的供能和姿態(tài)控制。面向太陽(yáng)時(shí)，將太陽(yáng)能電池的能量以飛輪動(dòng)能形成儲(chǔ)存起來(lái)，背對(duì)太陽(yáng)時(shí)將自身的機(jī)械能以電能的形式供給負(fù)載。同時(shí)可以利用飛輪的高速旋轉(zhuǎn)來(lái)控制衛(wèi)星的姿態(tài)。太空的低溫環(huán)境大大簡(jiǎn)化了SMB的低溫部分，提高了HTS．FESS系統(tǒng)的可靠性，因此特別適合于太空應(yīng)用。
(2)軍用高品質(zhì)電源。戰(zhàn)車(chē)驅(qū)動(dòng)、通信、武器、防御系統(tǒng)都需要響應(yīng)快，高可靠性的電源，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可以達(dá)到要求。
(3)電磁發(fā)射武器的高功率脈沖電源。目前可以采用幾個(gè)子飛輪模塊作為一個(gè)完整的飛輪電源，不僅占用空間小，而且響應(yīng)時(shí)間快、放電效率高-。
因此科學(xué)家斷言，哪個(gè)國(guó)家先掌握了高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)，就相當(dāng)于掌握了未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán)。
4．2民事應(yīng)用
(1)電網(wǎng)調(diào)峰。電網(wǎng)負(fù)荷位于低谷時(shí)儲(chǔ)存電能，高峰時(shí)釋放電能。比如對(duì)于大城市，可在晚上將電能儲(chǔ)存起來(lái)，白天釋放，緩解電網(wǎng)的供電壓力。
(2)不間斷電源(UPS)。HTS—FESS具有大儲(chǔ)能量、高儲(chǔ)能密度、充電快捷、充放電次數(shù)萬(wàn)次以上等優(yōu)點(diǎn)，在UPS領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。
(3)電動(dòng)汽車(chē)電池。飛輪電池具有儲(chǔ)能容量大、清潔環(huán)保、高效、充放電快速和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)成為未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)電池的一個(gè)重要的發(fā)展方向。
(4)混合動(dòng)力汽車(chē)。汽車(chē)加速時(shí)飛輪提供附加能量，剎車(chē)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)給飛輪補(bǔ)充能量，汽車(chē)始終以恒定的功率工作，這樣無(wú)疑將改善發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。
(5)鐵路客車(chē)或者地鐵電力系統(tǒng)。西門(mén)子公司在德國(guó)科隆的一條輕軌上的實(shí)驗(yàn)表明FESS可以吸收大約30％的剎車(chē)能量。
(6)航空航天。應(yīng)用到飛行器、國(guó)際空間站、衛(wèi)星等上不僅簡(jiǎn)化了衛(wèi)星儲(chǔ)能裝置而且延長(zhǎng)了衛(wèi)星使用壽命引。
表4給出了上述不同應(yīng)用領(lǐng)域飛輪設(shè)計(jì)指標(biāo)。
HTS．FESS作為一種新型的儲(chǔ)能方式，尚處于技術(shù)攻關(guān)階段。盡管受當(dāng)前的高溫超導(dǎo)體材料性能限制，SMB的性能還暫時(shí)不能滿足大容量FESS的要求，但是隨著高溫超導(dǎo)體材料性能的不斷提升，FESS的發(fā)展趨勢(shì)必將是全SMB形式的FESS。其展現(xiàn)出來(lái)的控制簡(jiǎn)單、高儲(chǔ)能密度、高效率、快響應(yīng)、長(zhǎng)壽命、低維護(hù)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)是其他任何儲(chǔ)能方式都無(wú)法比擬的，盡管一次性購(gòu)置成本相對(duì)較高，但是后期運(yùn)行維護(hù)成本非常低，是未來(lái)儲(chǔ)能方式的一個(gè)重要發(fā)展方向。開(kāi)展HTS—FESS研究不僅可以提高我國(guó)的國(guó)防實(shí)力，還可以應(yīng)用到能源、交通、通信和宇航等民用領(lǐng)域中，提高現(xiàn)有設(shè)備的性能。
轉(zhuǎn)自《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》文章收稿于2007年，下面是一些最新資料。
我國(guó)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)“十二五”有望實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)
由英利集團(tuán)投資研究的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)，目前已經(jīng)取得了階段性成果，并且有望在十二五期間實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
2011年1月，英利自主研發(fā)出1kWh儲(chǔ)能飛輪樣機(jī)。同年9月，國(guó)內(nèi)首臺(tái)20kWh磁懸浮飛輪儲(chǔ)能樣機(jī)也在英利下線。此后，由英利投資的北京奇峰聚能科技有限公司經(jīng)過(guò)國(guó)家科技部審批，在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863）高性能物理儲(chǔ)能項(xiàng)目中承擔(dān)了磁懸浮儲(chǔ)能飛輪技術(shù)研究課題研究工作。
“飛輪磁懸浮儲(chǔ)能裝備是英利集團(tuán)駕馭新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，培育新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)、提升整體競(jìng)爭(zhēng)力的戰(zhàn)略選擇。”北京奇峰聚能科技有限公司總經(jīng)理蔣濤表示，英利集團(tuán)在“十二五”期間將重點(diǎn)投入大容量?jī)?chǔ)能飛輪研發(fā)，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)大儲(chǔ)能裝置的規(guī)?；a(chǎn)。
飛輪磁懸浮儲(chǔ)能是一種先進(jìn)的物理儲(chǔ)能方式。功率大、容量大、效率高；動(dòng)態(tài)特性好，響應(yīng)速度快，可瞬間充、放電；安全可靠、綠色環(huán)保；壽命長(zhǎng)，不小于25年等優(yōu)點(diǎn)，可使飛輪儲(chǔ)能廣泛服務(wù)于智能電網(wǎng)、通信、風(fēng)、光、新能源汽車(chē)等行業(yè)，有效解決風(fēng)電、太陽(yáng)能電站并網(wǎng)難問(wèn)題；延長(zhǎng)新能源電站有效發(fā)電時(shí)間；可使新能源電站具備一定的調(diào)峰能力，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可調(diào)度性，并且在特定應(yīng)用場(chǎng)合下可替代鉛酸蓄電池。
同時(shí)，對(duì)于當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展來(lái)說(shuō)，能找到儲(chǔ)能密度大、充電時(shí)間短、價(jià)格適宜的新型電池，是電動(dòng)汽車(chē)獲得進(jìn)一步突破發(fā)展的關(guān)鍵，而飛輪電池因具有清潔、高效、充放電迅捷、不污染環(huán)境等特點(diǎn)如今愈益受到汽車(chē)行業(yè)的廣泛重視。
“飛輪儲(chǔ)能具有諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前最有發(fā)展前途的儲(chǔ)能技術(shù)之一，將進(jìn)一步推動(dòng)新能源發(fā)電替代傳統(tǒng)化石能源發(fā)電，引發(fā)新能源革命。”蔣濤說(shuō)，英利所做的飛輪儲(chǔ)能設(shè)備科技含量，已經(jīng)超過(guò)歐美，而且國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到了100%，所有生產(chǎn)設(shè)備全是定制性的設(shè)備，沒(méi)有采用購(gòu)買(mǎi)進(jìn)口設(shè)備。
“儲(chǔ)能飛輪包括三大關(guān)鍵技術(shù)，高速電機(jī)技術(shù)，高強(qiáng)度復(fù)合材料轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)技術(shù)，高精度磁懸浮技術(shù)。在磁懸浮資料相對(duì)匱乏的情況下，奇峰人員堅(jiān)持日夜實(shí)驗(yàn)，芯片選型，老化實(shí)驗(yàn)，溫升實(shí)驗(yàn)，紋波控制，穩(wěn)定性控制，試驗(yàn)了成百上千個(gè)參數(shù)，最后設(shè)計(jì)出合格的磁懸浮控制系統(tǒng)。”談及團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難，蔣濤表示，其團(tuán)隊(duì)先后攻克了磁懸浮支撐技術(shù)、飛輪系統(tǒng)控制技術(shù)、高速高效永磁機(jī)技術(shù)等五項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，目前已申報(bào)了15項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利，7項(xiàng)實(shí)用新型專利，其中發(fā)明專利已授權(quán)6項(xiàng)，其他都在進(jìn)入一審和二審階段，實(shí)用新型專利已全部授權(quán)。
所謂“大容量飛輪儲(chǔ)能”首先指飛輪單體儲(chǔ)能容量大。目前，英利研發(fā)的“20kWh儲(chǔ)能飛輪”是國(guó)內(nèi)單體儲(chǔ)能量最大的飛輪；其次是總儲(chǔ)能容量大。采用規(guī)?；瘧?yīng)用的方式，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要將若干個(gè)儲(chǔ)能飛輪單體整合后一同使用，理論上總儲(chǔ)能容量可無(wú)限大。飛輪儲(chǔ)能及其產(chǎn)業(yè)化，對(duì)于我國(guó)能源戰(zhàn)略發(fā)展具有重要的意義。它將填補(bǔ)我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制、負(fù)荷調(diào)度技術(shù)領(lǐng)域的空白；整體技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，從而打破制約我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大技術(shù)瓶頸，為我國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，減少污染，提供有力的保障。對(duì)減少溫室氣體排放、建立全球能源可持續(xù)發(fā)展體系具有重要的意義。
部分蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能
超導(dǎo)儲(chǔ)能應(yīng)用
飛輪儲(chǔ)能的一些最新數(shù)據(jù)
