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)，通過一個(gè)飛輪轉(zhuǎn)盤把能量以機(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，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，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?；谔岣呦到y(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[3引，“開拓了在磁懸浮技術(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)過程有關(guān)且隨運(yùn)動(dòng)過程逐漸減小)和力弛豫(與懸浮時(shí)間有關(guān)且隨時(shí)問近似成對(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)問題以外，還需要考慮以下兩個(gè)問題：
(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)汽車電池的一個(gè)重要的發(fā)展方向。
(4)混合動(dòng)力汽車。汽車加速時(shí)飛輪提供附加能量，剎車時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)給飛輪補(bǔ)充能量，汽車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)鐵路客車或者地鐵電力系統(tǒng)。西門子公司在德國(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、新能源汽車等行業(yè)，有效解決風(fēng)電、太陽(yáng)能電站并網(wǎng)難問題；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)汽車的發(fā)展來(lái)說，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，英利所做的飛輪儲(chǔ)能設(shè)備科技含量，已經(jīng)超過歐美，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，沒有采用購(gòu)買進(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)
