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)品所用各項技術的分析比較，闡述了目前飛輪儲能系統(tǒng)中的單項實用技術，總結了主要飛輪儲能系統(tǒng)產(chǎn)品的系統(tǒng)集成技術及其應用。
1 引言
利用飛輪儲存動能在機械系統(tǒng)中得到了廣泛地應用，如發(fā)動機中的飛輪及沖壓設備中的飛輪等，這些屬于飛輪技術應用的初級階段，受技術和工作場合的限制，工作轉速較低，通常采用金屬材料飛輪，增大質(zhì)量及轉動慣量是提高儲能量的主要手段。隨著電動機/發(fā)電機技術、高強度復合材料技術、磁懸浮軸承技術、電力電子技術的發(fā)展，使以提高轉速來提高儲能量成為現(xiàn)實。因此，飛輪儲能技術的應用進入了高級階段，從而出現(xiàn)了集成各種技術的飛輪儲能裝置——現(xiàn)代飛輪儲能技術，又叫飛輪電池或機電電池[1]，隨著飛輪儲能裝置在不同領域的應用，進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、能量轉換效率高、綠色環(huán)保、儲能密度大、快速響應、充放電循環(huán)成本低等特點，可廣泛應用到包括航空航天、電動汽車、通信、醫(yī)療、電力等領域。因此，現(xiàn)代飛輪儲能進入了高速發(fā)展期，飛輪儲能技術得到了深入研究與應用，形成了飛輪儲能單項技術和集成應用技術研究開發(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)已進入商業(yè)化階段，用于風力、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)已進入示范階段，用于混合動力車輛負載調(diào)節(jié)的飛輪儲能系統(tǒng)已進入工程樣機試驗階段，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)也進入實際應用，另外應用于電池炮和彈射器的飛輪儲能系統(tǒng)也進入研究階段。
2 現(xiàn)代飛輪儲能系統(tǒng)的實用技術
飛輪儲能的基本原理是：電能經(jīng)電動機驅動飛輪升速轉換成機械能，利用飛輪的慣性儲存動能，當需要電能時，飛輪減速，電動機作發(fā)電機運行，將飛輪儲存的動能轉換成電能。飛輪的升速和減速，實現(xiàn)了電能的存儲和釋放。
飛輪儲能技術必須借助于電動機/發(fā)電機技術、磁懸浮支承技術、復合材料飛輪技術、能量轉換與控制技術、真空與密封技術。并將這些技術有機地結合起來才能真正研制出具有實用價值的飛輪儲能系統(tǒng)。
2.1電動機/發(fā)電機技術
電動機/發(fā)電機是飛輪儲能系統(tǒng)的核心動力部件，機械能與電能間的轉換通過電動動/發(fā)電機及其控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。儲能時作為電動機運行，由外界輸入能量驅動電動機，帶動飛輪轉子加速；釋放能量時作為發(fā)電機運行，根據(jù)載荷的需要輸出能量。因此，電動機和發(fā)電機宜采用一體機的結構形式。
根據(jù)飛輪儲能系統(tǒng)的工作要求和各種電動機和發(fā)電機的特性，以及目前研究應用情況，電動機/發(fā)電機的通常選用永磁無刷直流電動機和永磁交流同步電動機。
永磁無刷直流電動機和永磁交流同步電動機區(qū)別在于逆變器把直流整流成交流方波還是交流正弦波，它們結構上差異不大，但本質(zhì)上都是一樣的。永磁無刷直流電動機也稱正弦波永磁同步電動機（國際慣例Permanent Magnet Synchronous Motor，簡稱PMSM），當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也稱梯形波永磁同步電動機（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，在電機結構中永磁體采用Halbach磁體結構，Halbach 磁體結構永磁電機有內(nèi)轉子、外轉子兩種結構。Halbach 磁體結構電動機與常規(guī)磁體結構電動機相比具有如下優(yōu)點[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、轉子斜槽等措施來獲得正弦波。
（2） 具有很好的轉子軛部的磁屏蔽作用, 可減小轉子導磁軛厚度, 甚至可以省去轉子鐵心。
（3）功率密度大, 可減小電機體積, 提高電機功率密度。
（4）系統(tǒng)間（如電動機與磁軸承系統(tǒng)）磁耦合效應小。
2.2磁懸浮支承技術
飛輪儲能系統(tǒng)中的飛輪轉子在高速下運行，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現(xiàn)轉軸無接觸懸浮的軸承，由于磁懸浮軸承無接觸，避免了機械磨損，降低了能耗，減小了噪聲，因而具有免維護、高轉速、高精度和動力學特性好的優(yōu)點。飛輪轉子運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。同時為了飛輪轉子在起停階段及意外情況發(fā)生時能安全可靠，還要有著陸機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)品中應用。混合磁軸承支承是在某些軸采用永磁磁懸浮軸承(PMTS) ，同時還至少在某一軸采用電磁軸承，永磁磁懸浮軸承具有結構簡單、造價低廉、能耗低、使用可靠等優(yōu)點，但也存在剛度低的缺點。超導磁軸承（HST）目前正處于實驗室研究階級，距實際應用還有一段路要走。
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)生時變磁場，以便調(diào)整在受到外界干擾時軸承所需的懸浮力，確保轉子始終在預定位置平穩(wěn)運轉。最大優(yōu)點是剛度和阻尼可調(diào)，可適應大負載、大擾動的轉子支承。
2.3復合材料飛輪技術
飛輪轉子是飛輪儲能系統(tǒng)中最主要的儲能部件，要承受高速旋轉帶來的極大負荷?，F(xiàn)代飛輪儲能技術最主要特征是采用復合材料飛輪技術，利用其質(zhì)輕高強度的特點，以實現(xiàn)更高轉速。但目前從樣機研制到實際工程應用的飛輪，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)強度需要依次采用玻璃纖和維碳纖維復合材料，或單一復合材料，其優(yōu)點是具有較高的儲能密度，但同時制造成本也高。常用作飛輪的金屬材料有鋁合金、鈦合金、高強度鋼AISI4343、40Cr等，常用的復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能量轉換與控制技術
能量轉換與控制由能量轉換模塊來實現(xiàn)，它是供電系統(tǒng)和電機/發(fā)電機的聯(lián)系媒介，實現(xiàn)電能和機械能的相互轉換，并有調(diào)頻、調(diào)壓和整流功能。能量轉換模塊提供能量轉換和電機/發(fā)電機控制功能，由能量轉換單元和能量轉換控制器組成。能量轉換單元由基于IGBT雙向能量轉換器組成，由能量轉換控制器來控制，能夠從DC（直流）總線接收和釋放能量。當飛輪儲能系統(tǒng)放電時，能量轉換模塊將來自電機/發(fā)電機“變頻—變壓”交流電轉換為特定電壓的直流電，并輸出到直流總線。當飛輪儲能系統(tǒng)充電時，能量轉換模塊將來自直流總線的直流電轉換為“變頻—變壓”交流電供給電機/發(fā)電機。
2.5真空與密封技術
高速旋轉的飛輪必須處于真空環(huán)境中以減少風損。真空的獲得一般采用機械泵和分子泵聯(lián)合工作，真空的維持主要采用高密封。目前的實用技術主要是儲能裝置工作初期使用機械泵獲得初步真空，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，還需具有安全防護和系統(tǒng)結構支承的功能，目前以厚壁鋼為主。
3 飛輪儲能系統(tǒng)集成技術及應用
飛輪儲能系統(tǒng)包括飛輪轉子系統(tǒng)、電動機/發(fā)電機系統(tǒng)、支承系統(tǒng)、能量轉換系統(tǒng)等諸多的單項技術單元，那么如何合理地選擇各單項技術單元中的技術，從而構成性價比高、工作可靠的飛輪儲能系統(tǒng)，是系統(tǒng)集成技術的主要研究內(nèi)容。目前，用于UPS的飛輪儲能系統(tǒng)在集成技術方面已趨于成熟，其產(chǎn)品已進入商業(yè)化應用階段，表1是飛輪儲能系統(tǒng)產(chǎn)品的主要技術參數(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合材料，工作轉速的差異也很大，但它們都具有很好的技術性能指標和長期穩(wěn)定工作的業(yè)績。
4 結論
自上世紀70年代美國啟動“超級飛輪計劃”和80年代“航空飛輪計劃”以來，飛輪儲能技術得到了長足發(fā)展。形成了飛輪儲能系統(tǒng)比較實用的技術，同時對其關鍵技術也在不斷地研究和試驗。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。飛輪儲能技術的發(fā)展和應用總結如下：
（1）飛輪儲能技術具有廣泛的應用前景。從目前的UPS集成系統(tǒng)的應用已顯露出來，其它方面的大范圍應用只是時間問題。
（2）目前飛輪儲能系統(tǒng)的實用技術已為人們所掌握，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)是眾多高新技術的集合，系統(tǒng)綜合性能的提高必須依靠各單項技術的進步。
（4）飛輪儲能系統(tǒng)還是一個新事物，在各領域的應用和推廣還受到原行業(yè)相關法規(guī)、標準和通用技術及認識的限制。
