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(shù)。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(guān)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(fù)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(shù)。
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(yù)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(diào)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(shù)，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(xué)科相當(dāng)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(yīng)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(shù)。
“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(shù)。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(guān)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(fù)存在。
從技術(shù)上來看，美國的電磁彈射器，用的是交流電，不好調(diào)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(diào)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(diào)配功率方面，也更具優(yōu)勢——能根據(jù)飛行器的質(zhì)量精準調(diào)節(jié)推力，進行實時的速率匹配。可以恰到好處好地把電能都集中用在刀刃上，減少浪費。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(dāng)然，要實現(xiàn)這個目標，技術(shù)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(guān)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(shù)的突破進展。這確實相當(dāng)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(zhì)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(qū)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(zhuǎn)進行儲能的裝置，在有用電需求時再通過高速旋轉(zhuǎn)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(dāng)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(dǎo)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(dāng)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(dǎo)致普通的電網(wǎng)負荷和蓄電池都達不到如此短時間內(nèi)實現(xiàn)強大放電的能力。只有兩種現(xiàn)代化的特殊設(shè)備可以實現(xiàn)短時間內(nèi)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(fù)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(zhuǎn)，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(zhuǎn)換的儲能裝置，突破了化學(xué)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(zhuǎn)飛輪的機械動能之間的相互轉(zhuǎn)換與儲存，并通過調(diào)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(zhuǎn)換器變換后驅(qū)動電機運行，電機帶動飛輪加速轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換的儲存能量過程，能量儲存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪體中；之后，電機維持一個恒定的轉(zhuǎn)速，直到接收到一個能量釋放的控制信號；釋能時，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪拖動電機發(fā)電，經(jīng)電力轉(zhuǎn)換器輸出適用于負載的電流與電壓，完成機械能到電能轉(zhuǎn)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(guān)鍵設(shè)備之一。
飛輪儲能技術(shù)簡介
人類對飛輪的認識可以追溯到2000多年前，當(dāng)時陶工所用的轉(zhuǎn)輪被認為是飛輪最早的應(yīng)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(dǎo)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(yīng)用于電力系統(tǒng)、備用電源、交通工具、航天航空、軍工等領(lǐng)域。
國內(nèi)飛輪研究起步較晚，20世紀80年代國內(nèi)機構(gòu)開始關(guān)注飛輪儲能技術(shù)，90年代開始關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研究,部分飛輪產(chǎn)品已經(jīng)投入示范應(yīng)用，包括在石油鉆井行業(yè)、軌道交通領(lǐng)域、UPS備用電源等領(lǐng)域。
（一）飛輪儲能產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及工作原理
飛輪儲能系統(tǒng)又稱飛輪電池，其基本結(jié)構(gòu)由飛輪轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)示意圖見圖1。其中飛輪轉(zhuǎn)子作為飛輪電池的關(guān)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(shù)的研究熱點，尤其是組合式軸承結(jié)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(guān)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(zhuǎn)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(fēng)阻損耗并在飛輪高速旋轉(zhuǎn)破裂時保護周圍人員和設(shè)備。
飛輪儲能裝置結(jié)構(gòu)示意圖
飛輪儲能系統(tǒng)是將能量以高速旋轉(zhuǎn)飛輪的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子從外界吸收能量,使飛輪轉(zhuǎn)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(shè)定的轉(zhuǎn)速；放電模式即飛輪轉(zhuǎn)子將動能傳遞給發(fā)電機，發(fā)電機將動能轉(zhuǎn)化為電能,再經(jīng)過電力控制裝置輸出適合于用電設(shè)備的電流和電壓，實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)化，此時飛輪將做減速運動，飛輪轉(zhuǎn)速將不斷降低，直到達到設(shè)定的轉(zhuǎn)速；保持模式即當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速達到預(yù)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(shù)分類
從產(chǎn)品技術(shù)上看，根據(jù)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子材料的不同，飛輪分為復(fù)合材料轉(zhuǎn)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(yīng)用場景不同，將飛輪儲能產(chǎn)品分為能量型飛輪儲能技術(shù)及功率型飛輪儲能技術(shù)。
（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(guān)注飛輪儲能技術(shù)，自90年代開始關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研究，隨著飛輪技術(shù)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(yīng)用的技術(shù)開發(fā)公司，主要包括沈陽微控、北京泓慧國際能源技術(shù)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(zé)任公司、上海航天控制技術(shù)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(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀
美國的Beacon Power公司在紐約州史蒂芬鎮(zhèn)建設(shè)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(diào)節(jié)，又能將該地區(qū)風(fēng)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(yīng)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(yīng)用。未來飛輪儲能將有可能在電力調(diào)頻業(yè)務(wù)中發(fā)揮更大的作用。
飛輪儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用
國內(nèi)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(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用，在電力系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)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(shè)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(diào)峰調(diào)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(diào)控。
總之飛輪儲能作為一項古老的技術(shù)，隨著多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、復(fù)合材料技術(shù)、磁支撐技術(shù)和電動機/發(fā)電機一體機技術(shù)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(shù)的特性和優(yōu)點，未來飛輪系統(tǒng)將在電力系統(tǒng)領(lǐng)域，包括可再生能源并網(wǎng)、調(diào)頻等方向、軌道交通工具、UPS、航天航空等軍工領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用。隨著飛輪市場及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，飛輪儲能技術(shù)為了滿足不用應(yīng)用領(lǐng)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(guān)鍵技術(shù)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(zhuǎn)子將向復(fù)合材料方向發(fā)展；（3）支撐軸承將向磁懸浮及復(fù)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。
