中國儲能網(wǎng)訊：摘要： 通過對已商業(yè)化飛輪儲能系統(tǒng)產(chǎn)品所用各項(xiàng)技術(shù)的分析比較，闡述了目前飛輪儲能系統(tǒng)中的單項(xiàng)實(shí)用技術(shù)，總結(jié)了主要飛輪儲能系統(tǒng)產(chǎn)品的系統(tǒng)集成技術(shù)及其應(yīng)用。
1 引言
利用飛輪儲存動能在機(jī)械系統(tǒng)中得到了廣泛地應(yīng)用，如發(fā)動機(jī)中的飛輪及沖壓設(shè)備中的飛輪等，這些屬于飛輪技術(shù)應(yīng)用的初級階段，受技術(shù)和工作場合的限制，工作轉(zhuǎn)速較低，通常采用金屬材料飛輪，增大質(zhì)量及轉(zhuǎn)動慣量是提高儲能量的主要手段。隨著電動機(jī)/發(fā)電機(jī)技術(shù)、高強(qiáng)度復(fù)合材料技術(shù)、磁懸浮軸承技術(shù)、電力電子技術(shù)的發(fā)展，使以提高轉(zhuǎn)速來提高儲能量成為現(xiàn)實(shí)。因此，飛輪儲能技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)入了高級階段，從而出現(xiàn)了集成各種技術(shù)的飛輪儲能裝置——現(xiàn)代飛輪儲能技術(shù)，又叫飛輪電池或機(jī)電電池[1]，隨著飛輪儲能裝置在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，進(jìn)而形成了飛輪儲能系統(tǒng)。
現(xiàn)代飛輪儲能系統(tǒng)由于具有壽命長、能量轉(zhuǎn)換效率高、綠色環(huán)保、儲能密度大、快速響應(yīng)、充放電循環(huán)成本低等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用到包括航空航天、電動汽車、通信、醫(yī)療、電力等領(lǐng)域。因此，現(xiàn)代飛輪儲能進(jìn)入了高速發(fā)展期，飛輪儲能技術(shù)得到了深入研究與應(yīng)用，形成了飛輪儲能單項(xiàng)技術(shù)和集成應(yīng)用技術(shù)研究開發(fā)的熱潮，也取得了令人矚目的成就。用于提高電力品質(zhì)的不間斷電源（UPS）飛輪儲能系統(tǒng)已進(jìn)入商業(yè)化階段，用于風(fēng)力、光伏發(fā)電等新能源電網(wǎng)調(diào)峰的飛輪儲能矩陣系統(tǒng)已進(jìn)入示范階段，用于混合動力車輛負(fù)載調(diào)節(jié)的飛輪儲能系統(tǒng)已進(jìn)入工程樣機(jī)試驗(yàn)階段，用于航天器和衛(wèi)星的儲能和調(diào)姿雙重作用的飛輪儲能系統(tǒng)也進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用，另外應(yīng)用于電池炮和彈射器的飛輪儲能系統(tǒng)也進(jìn)入研究階段。
2 現(xiàn)代飛輪儲能系統(tǒng)的實(shí)用技術(shù)
飛輪儲能的基本原理是：電能經(jīng)電動機(jī)驅(qū)動飛輪升速轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，利用飛輪的慣性儲存動能，當(dāng)需要電能時(shí)，飛輪減速，電動機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，將飛輪儲存的動能轉(zhuǎn)換成電能。飛輪的升速和減速，實(shí)現(xiàn)了電能的存儲和釋放。
飛輪儲能技術(shù)必須借助于電動機(jī)/發(fā)電機(jī)技術(shù)、磁懸浮支承技術(shù)、復(fù)合材料飛輪技術(shù)、能量轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)、真空與密封技術(shù)。并將這些技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來才能真正研制出具有實(shí)用價(jià)值的飛輪儲能系統(tǒng)。
2.1電動機(jī)/發(fā)電機(jī)技術(shù)
電動機(jī)/發(fā)電機(jī)是飛輪儲能系統(tǒng)的核心動力部件，機(jī)械能與電能間的轉(zhuǎn)換通過電動動/發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。儲能時(shí)作為電動機(jī)運(yùn)行，由外界輸入能量驅(qū)動電動機(jī)，帶動飛輪轉(zhuǎn)子加速；釋放能量時(shí)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，根據(jù)載荷的需要輸出能量。因此，電動機(jī)和發(fā)電機(jī)宜采用一體機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。
根據(jù)飛輪儲能系統(tǒng)的工作要求和各種電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的特性，以及目前研究應(yīng)用情況，電動機(jī)/發(fā)電機(jī)的通常選用永磁無刷直流電動機(jī)和永磁交流同步電動機(jī)。
永磁無刷直流電動機(jī)和永磁交流同步電動機(jī)區(qū)別在于逆變器把直流整流成交流方波還是交流正弦波，它們結(jié)構(gòu)上差異不大，但本質(zhì)上都是一樣的。永磁無刷直流電動機(jī)也稱正弦波永磁同步電動機(jī)（國際慣例Permanent Magnet Synchronous Motor，簡稱PMSM），當(dāng)輸入三相正弦波電流，氣隙磁場為正弦分布，磁極采用永磁材料。永磁交流同步電動機(jī)也稱梯形波永磁同步電動機(jī)（國際慣例Brushless DC Motor，簡稱BLDCM），輸入為方波電流，氣隙磁場呈梯形波分布，磁極仍為永磁材料 。
為了滿足飛輪儲能系統(tǒng)高效、高速、高功率密度、微型化、對磁軸承影響小的需要，在電機(jī)結(jié)構(gòu)中永磁體采用Halbach磁體結(jié)構(gòu)，Halbach 磁體結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)有內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子兩種結(jié)構(gòu)。Halbach 磁體結(jié)構(gòu)電動機(jī)與常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)電動機(jī)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)[3 ]：
（1） 具有很好的氣隙磁密波形正弦性，不再需要采取分布定子繞組或定、轉(zhuǎn)子斜槽等措施來獲得正弦波。
（2） 具有很好的轉(zhuǎn)子軛部的磁屏蔽作用, 可減小轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁軛厚度, 甚至可以省去轉(zhuǎn)子鐵心。
（3）功率密度大, 可減小電機(jī)體積, 提高電機(jī)功率密度。
（4）系統(tǒng)間（如電動機(jī)與磁軸承系統(tǒng)）磁耦合效應(yīng)小。
2.2磁懸浮支承技術(shù)
飛輪儲能系統(tǒng)中的飛輪轉(zhuǎn)子在高速下運(yùn)行，為減少阻力和動力消耗，采用磁懸浮支承是最佳選擇。磁懸浮軸承是利用磁場力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸無接觸懸浮的軸承，由于磁懸浮軸承無接觸，避免了機(jī)械磨損，降低了能耗，減小了噪聲，因而具有免維護(hù)、高轉(zhuǎn)速、高精度和動力學(xué)特性好的優(yōu)點(diǎn)。飛輪轉(zhuǎn)子運(yùn)行過程中需要限制五個自由度：包括一個軸向、兩個徑向以及兩個角自由度。通常需要一個軸向磁軸承和上、下兩個徑向磁軸承來完成。同時(shí)為了飛輪轉(zhuǎn)子在起停階段及意外情況發(fā)生時(shí)能安全可靠，還要有著陸機(jī)械軸承作為輔助支承。
磁懸浮軸承目前研究主要集中在三個方面，即主動磁軸承、混合磁軸承和超導(dǎo)磁軸承（HST）。其中五軸主動磁軸承是最理想的支承方式，已在眾多商業(yè)化產(chǎn)品中應(yīng)用?；旌洗泡S承支承是在某些軸采用永磁磁懸浮軸承(PMTS) ，同時(shí)還至少在某一軸采用電磁軸承，永磁磁懸浮軸承具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、能耗低、使用可靠等優(yōu)點(diǎn)，但也存在剛度低的缺點(diǎn)。超導(dǎo)磁軸承（HST）目前正處于實(shí)驗(yàn)室研究階級，距實(shí)際應(yīng)用還有一段路要走。
電磁軸承最主要的特征是通過控制電磁鐵線圈的電流變化來產(chǎn)生時(shí)變磁場，以便調(diào)整在受到外界干擾時(shí)軸承所需的懸浮力，確保轉(zhuǎn)子始終在預(yù)定位置平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。最大優(yōu)點(diǎn)是剛度和阻尼可調(diào)，可適應(yīng)大負(fù)載、大擾動的轉(zhuǎn)子支承。
2.3復(fù)合材料飛輪技術(shù)
飛輪轉(zhuǎn)子是飛輪儲能系統(tǒng)中最主要的儲能部件，要承受高速旋轉(zhuǎn)帶來的極大負(fù)荷?，F(xiàn)代飛輪儲能技術(shù)最主要特征是采用復(fù)合材料飛輪技術(shù)，利用其質(zhì)輕高強(qiáng)度的特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)更高轉(zhuǎn)速。但目前從樣機(jī)研制到實(shí)際工程應(yīng)用的飛輪，采用了兩種解決方案，其一是在中低速飛輪儲能系統(tǒng)中采用金屬飛輪，其優(yōu)點(diǎn)是飛輪制造成本低，動平衡易于保證；其二是高速飛輪中，采用以金屬材料為輪轂，輪圈根據(jù)強(qiáng)度需要依次采用玻璃纖和維碳纖維復(fù)合材料，或單一復(fù)合材料，其優(yōu)點(diǎn)是具有較高的儲能密度，但同時(shí)制造成本也高。常用作飛輪的金屬材料有鋁合金、鈦合金、高強(qiáng)度鋼AISI4343、40Cr等，常用的復(fù)合材料飛輪材料有玻璃纖維-環(huán)氧樹脂、碳纖維-環(huán)氧樹脂。
2.4能量轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)
能量轉(zhuǎn)換與控制由能量轉(zhuǎn)換模塊來實(shí)現(xiàn)，它是供電系統(tǒng)和電機(jī)/發(fā)電機(jī)的聯(lián)系媒介，實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換，并有調(diào)頻、調(diào)壓和整流功能。能量轉(zhuǎn)換模塊提供能量轉(zhuǎn)換和電機(jī)/發(fā)電機(jī)控制功能，由能量轉(zhuǎn)換單元和能量轉(zhuǎn)換控制器組成。能量轉(zhuǎn)換單元由基于IGBT雙向能量轉(zhuǎn)換器組成，由能量轉(zhuǎn)換控制器來控制，能夠從DC（直流）總線接收和釋放能量。當(dāng)飛輪儲能系統(tǒng)放電時(shí)，能量轉(zhuǎn)換模塊將來自電機(jī)/發(fā)電機(jī)“變頻—變壓”交流電轉(zhuǎn)換為特定電壓的直流電，并輸出到直流總線。當(dāng)飛輪儲能系統(tǒng)充電時(shí)，能量轉(zhuǎn)換模塊將來自直流總線的直流電轉(zhuǎn)換為“變頻—變壓”交流電供給電機(jī)/發(fā)電機(jī)。
2.5真空與密封技術(shù)
高速旋轉(zhuǎn)的飛輪必須處于真空環(huán)境中以減少風(fēng)損。真空的獲得一般采用機(jī)械泵和分子泵聯(lián)合工作，真空的維持主要采用高密封。目前的實(shí)用技術(shù)主要是儲能裝置工作初期使用機(jī)械泵獲得初步真空，以后正常工作主要以分子泵為主，這樣可以降低電力消耗。飛輪儲能系統(tǒng)的真空室除需具有真空密封功能外，還需具有安全防護(hù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)支承的功能，目前以厚壁鋼為主。
3 飛輪儲能系統(tǒng)集成技術(shù)及應(yīng)用
飛輪儲能系統(tǒng)包括飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、電動機(jī)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、支承系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等諸多的單項(xiàng)技術(shù)單元，那么如何合理地選擇各單項(xiàng)技術(shù)單元中的技術(shù)，從而構(gòu)成性價(jià)比高、工作可靠的飛輪儲能系統(tǒng)，是系統(tǒng)集成技術(shù)的主要研究內(nèi)容。目前，用于UPS的飛輪儲能系統(tǒng)在集成技術(shù)方面已趨于成熟，其產(chǎn)品已進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段，表1是飛輪儲能系統(tǒng)產(chǎn)品的主要技術(shù)參數(shù)[4-7]。從表1可以看出各公司對其產(chǎn)品采取了不同的解決方案，飛輪的材料采用金屬或復(fù)合材料，工作轉(zhuǎn)速的差異也很大，但它們都具有很好的技術(shù)性能指標(biāo)和長期穩(wěn)定工作的業(yè)績。
4 結(jié)論
自上世紀(jì)70年代美國啟動“超級飛輪計(jì)劃”和80年代“航空飛輪計(jì)劃”以來，飛輪儲能技術(shù)得到了長足發(fā)展。形成了飛輪儲能系統(tǒng)比較實(shí)用的技術(shù)，同時(shí)對其關(guān)鍵技術(shù)也在不斷地研究和試驗(yàn)。如在飛輪線速度和儲能密度方面，都創(chuàng)造了不凡的業(yè)績。飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用總結(jié)如下：
（1）飛輪儲能技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。從目前的UPS集成系統(tǒng)的應(yīng)用已顯露出來，其它方面的大范圍應(yīng)用只是時(shí)間問題。
（2）目前飛輪儲能系統(tǒng)的實(shí)用技術(shù)已為人們所掌握，并用于系統(tǒng)的集成，形成了商業(yè)化產(chǎn)品。
（3）飛輪儲能系統(tǒng)是眾多高新技術(shù)的集合，系統(tǒng)綜合性能的提高必須依靠各單項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步。
（4）飛輪儲能系統(tǒng)還是一個新事物，在各領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣還受到原行業(yè)相關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和通用技術(shù)及認(rèn)識的限制。
