飛輪儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)

1、摘要 ：本文從飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理入手，首先介紹了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及其工作模式，然后對(duì)飛輪轉(zhuǎn)子、支承軸承、真空室、電動(dòng)/ 發(fā)電機(jī)及電力電子裝置等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了全面的分析，并 介紹了關(guān)鍵技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上對(duì)飛輪儲(chǔ)能的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述。關(guān)鍵詞 ：飛輪儲(chǔ)能；關(guān)鍵技術(shù)；應(yīng)用現(xiàn)狀 中圖分類號(hào)： TK02 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：0、前言隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展， 能源和環(huán)境問(wèn)題成為了中國(guó)快速發(fā)展主要阻礙。然而，在能源如此短缺的情況下， 使用目前的耗能設(shè)備和耗能方式卻使得世界上總能量的50%- 70%6白的71費(fèi)了1。因此在開(kāi)發(fā)新能源的同時(shí)， 研究如何回收存儲(chǔ)被白白浪費(fèi)

2、的能量也是非常重要的。 目前的儲(chǔ)能方式主要有：化學(xué)儲(chǔ)能、物理儲(chǔ)能和超導(dǎo)儲(chǔ)能，在這幾種儲(chǔ)能方式中化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)比較成熟，并已得到廣泛的應(yīng)用，但是它使用壽命短、受外界條件影響顯著、對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。超導(dǎo)儲(chǔ)能對(duì)技術(shù)要求高、對(duì)環(huán)境要求苛刻暫時(shí)還不適合大規(guī)模應(yīng)用。由于物理儲(chǔ)能是利用物理方法將能量春初起來(lái)，所以不存在對(duì)環(huán)境污染問(wèn)題比較適合當(dāng)今的發(fā)展要求。 物理儲(chǔ)能方式主要有抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能。 在這幾種物理儲(chǔ)能方式中飛輪儲(chǔ)能以其在使用壽命、充電時(shí)間、效率方面的突出特點(diǎn)得到了廣泛的關(guān)注。1、 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)基本的結(jié)構(gòu)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)又稱飛輪電池其基本結(jié)構(gòu)是由飛輪、軸承、電動(dòng)機(jī)

3、/ 發(fā)電機(jī)、電力電子控制裝置、 真空室等五個(gè)部分組成2 。其中飛輪是飛輪電池的關(guān)鍵部件， 一般選用強(qiáng)度高密度相對(duì)較小的復(fù)合材料制作； 軸承是支撐飛輪的裝置， 由于磁懸浮支承可以降低摩擦損耗提高系統(tǒng)效率而成為了支撐技術(shù)的研究熱點(diǎn)； 飛輪電池的電機(jī)是一個(gè)集成部件， 可以在電動(dòng)和發(fā)電兩種模式下自由切換， 以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能的相互轉(zhuǎn)換； 電力電子控制裝置主要是對(duì)輸出和回饋的電能進(jìn)行控制， 通過(guò)對(duì)電力電子控制裝置的操作可以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛輪電機(jī)的各種工作要求的控制； 真空室的功用有兩個(gè)即為飛輪提供真空環(huán)境降低風(fēng)阻損耗和在飛輪高速旋轉(zhuǎn)破裂時(shí)起到保護(hù)周圍人員和設(shè)備的作用。 圖 1 給出了一種飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖

4、 1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將能量以動(dòng)能的形式存儲(chǔ)起來(lái)的裝置。 它有 三種工作模式即充電模式、保持模式、放電 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(dòng)能的形式存儲(chǔ) 起來(lái)；放電模式即飛輪轉(zhuǎn)子將動(dòng)能傳遞給發(fā) 電機(jī)， 發(fā)電機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能在經(jīng)過(guò)電 力控制裝置輸出適合于用電設(shè)備的電流和 電壓，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化；|e - 1J2V =:后=*3保持模式即當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定值時(shí)既不在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。高速旋轉(zhuǎn)的飛輪以動(dòng)能的形式存儲(chǔ)的能量可以表示為3 ：()式中v飛輪邊緣線速度，

5、mi飛輪的質(zhì)量， J飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，w飛輪的角速度。由式()可知飛輪具有的能量與飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、飛輪角速度的平方成正比，由此可知提高飛輪儲(chǔ)能量的方法有增大飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和提高飛輪轉(zhuǎn)速。由于可將飛輪看似薄圓盤因此求飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的公式為：2J (1/2)mr2()式中r飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑。有公式()可知增加飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法有增加飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)半徑和增加飛輪質(zhì)量，然而在一般設(shè)計(jì)情況下在保證能量容量一定的情況下應(yīng)盡量縮減飛輪的質(zhì)量和體積，所以增加飛輪存儲(chǔ)能量的方法一般為提高飛輪轉(zhuǎn)速和減少飛輪質(zhì)量。圖2給出了飛輪儲(chǔ)能系 統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)圖。圖2飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)圖2、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析 及研究狀況早在20

6、世紀(jì)50年代飛輪儲(chǔ)能技術(shù)就 得到了人們的關(guān)注，并將其應(yīng)用于電動(dòng)汽 車中。但是受到當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的限制，未 能取得突破性進(jìn)展。直到20世紀(jì)90年代, 由于與飛輪電池儲(chǔ)能相關(guān)的技術(shù)取得了突 破性進(jìn)展，才使得飛輪電池儲(chǔ)能進(jìn)入了快 速發(fā)展階段。飛輪轉(zhuǎn)子技術(shù)分析與研究現(xiàn)狀飛輪轉(zhuǎn)子技術(shù)分析飛輪電池是依靠飛輪轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn) 來(lái)存儲(chǔ)能量，從飛輪儲(chǔ)能原理可知飛輪轉(zhuǎn) 速越高其存儲(chǔ)的能量就越多，然而隨著飛 輪轉(zhuǎn)速的升高，飛輪在離心力作用下使其 內(nèi)部所受應(yīng)力不斷增大，受材料許用應(yīng)力的限制使得飛輪轉(zhuǎn)速不可能無(wú)限制的增 加。為了保證飛輪能夠安全可靠地運(yùn)行在 選擇飛輪材料時(shí)必須進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，根據(jù) 計(jì)算結(jié)果仔細(xì)選擇飛輪材料，對(duì)

7、于一個(gè)薄壁圓筒飛輪有4 :J=mrp r222m12122EJ3 m m r 3 m22E122Ber 3 mm2m2 P式中：材料的最大抗拉強(qiáng)度，pa; p - 材料的密度，kg/m3； J 飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量，kg m2 ；m飛輪轉(zhuǎn)子的極限角速度，rad/s ； r 一飛輪的旋轉(zhuǎn)半徑，mi e為飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)引起的應(yīng)力達(dá)到材 料抗拉強(qiáng)度極限值時(shí)單位質(zhì)量轉(zhuǎn)子所存儲(chǔ)的能量，即飛輪的極限儲(chǔ)能密度。由公式 可知飛輪的儲(chǔ)能密度與材料的抗拉強(qiáng)度成 正比，與飛輪材料密度成反比。因此為了 增加飛輪的儲(chǔ)能密度應(yīng)該選用高比強(qiáng)度(8 / u )的材料制作飛輪。表1給出了不 同飛輪材料的物理參數(shù)，其中儲(chǔ)能密度值

8、能密度方面表現(xiàn)出的優(yōu)良特性使得復(fù)合材有研究表明，提高飛輪電池儲(chǔ)能密度的先 決條件是制作飛輪的材料要有很高的強(qiáng) 度，在材料滿足條件的前提下還要考慮飛 輪的制作工藝，由于復(fù)合材料的各向異性， 導(dǎo)致其沿纖維方向強(qiáng)度很高，而垂直纖維 方向表現(xiàn)強(qiáng)度很低，為了最大限度的發(fā)揮 復(fù)合材料沿纖維方向強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，一般 采用環(huán)向纏繞的多層圓環(huán)結(jié)構(gòu)5。飛輪轉(zhuǎn)子技術(shù)現(xiàn)狀美國(guó)Active Power公司研發(fā)的基于飛輪儲(chǔ)能的電源系統(tǒng)其轉(zhuǎn)子使用的材料是4340鍛鐵，飛輪轉(zhuǎn)速最高可達(dá)到7700r/min,并且該系統(tǒng)已經(jīng)規(guī)?；a(chǎn)8 o波音公司在2010年設(shè)計(jì)的復(fù)合材料 飛輪轉(zhuǎn)子，采用了環(huán)向纏繞的三層圓環(huán)結(jié) 構(gòu)，根據(jù)每一層的受

9、力特點(diǎn)使用了不同規(guī) 格的碳纖維，使得飛輪的整體強(qiáng)度和材料是計(jì)算的等厚圓盤飛輪的理論值。從表中可以看出高強(qiáng)度鋼和鋁合金在抗拉強(qiáng)度和儲(chǔ)能密度兩個(gè)方面均不及復(fù)合材料，這也是早期飛輪儲(chǔ)能技術(shù)難以取得突破進(jìn)展的原因之一，復(fù)合材料在抗拉強(qiáng)度和儲(chǔ)料成為制造飛輪轉(zhuǎn)子的理想材料。北京航空航天大學(xué)將使用碳纖維材料制造飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)用于航天器的姿態(tài)控制 和能量存儲(chǔ)，該飛輪轉(zhuǎn)速可達(dá)500000r/min,儲(chǔ)能密度為 h/kg 10。2012年7月，清華大學(xué)設(shè)計(jì)的質(zhì)量為1200kg的低速重型合金鋼飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到了 3600r/min 。該儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了 100 kW充電/500 kW發(fā)電運(yùn)行，并且在儲(chǔ)能量和發(fā)電功率方面已經(jīng)

10、具備了工業(yè)應(yīng)用的條件11O支承軸承技術(shù)分析與研究現(xiàn)狀支承軸承技術(shù)分析飛輪轉(zhuǎn)速的大小，可以決定飛輪電池存儲(chǔ)能量的多少，然而飛輪電池儲(chǔ)能系統(tǒng) 中飛輪所能達(dá)到的極限轉(zhuǎn)速除與飛輪本身的屬性有關(guān)外，還與支承軸承的選擇有很利用率都得到了提高9的摩擦損耗盡量小甚至為零，以減少能量大的關(guān)系。因?yàn)轱w輪電池在能量保持模式 時(shí)飛輪需要保持高速運(yùn)轉(zhuǎn)，這就需要軸承白白地?fù)p耗，從而提高系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率。軸承在承受飛輪本體重量的同時(shí)，還要承受著飛輪轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)引起的離心力，這就要求支承軸承既要損耗少又要強(qiáng)度高。目前的支撐軸承可分為機(jī)械軸承、磁懸浮軸承和組合式軸承等。機(jī)械軸承由于摩擦損耗大、承載的極限轉(zhuǎn)速低不合適單獨(dú)作為高

11、轉(zhuǎn)速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的支撐方式，由于其支撐強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，使得機(jī)械軸承適合于作為保護(hù)軸承或作為短時(shí)間快速充放電飛輪系統(tǒng)的支撐方式使用。由于磁懸浮軸承可以在無(wú)機(jī)械接觸的情況下承載，無(wú)機(jī)械摩擦損耗提高了系統(tǒng)儲(chǔ)能效率延長(zhǎng)了軸承使用壽命，使其成為了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的理想支撐方式。磁懸浮軸承分為永磁軸承、超導(dǎo)磁軸承和電磁軸承。支承軸承技術(shù)研究現(xiàn)狀韓國(guó)電力公司研究所研發(fā)的組合式軸承飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)， 飛輪轉(zhuǎn)速可達(dá)到 12000r/min ， 該系統(tǒng)的組合式軸承是由一個(gè)高溫超導(dǎo)次軸承、 一個(gè)角接觸球軸承和一個(gè)主動(dòng)電磁阻尼器組成 12 。波音公司研制的使用高溫超導(dǎo)磁軸承的小型飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，在全速時(shí)飛輪可以儲(chǔ)存5K

12、W h的動(dòng)能，它能夠提供3KW的三相 208V 電源到電力負(fù)載13 。中國(guó)電力科學(xué)研究院的工程師研制出了一種可作為電動(dòng)汽車輔助動(dòng)力源的五自由度的主動(dòng)磁懸浮軸承飛輪電池儲(chǔ)能系統(tǒng)， 并進(jìn)行了飛輪電池樣機(jī)的 30000r/min旋轉(zhuǎn)試驗(yàn) 14 。西南交通大學(xué)超導(dǎo)技術(shù)研究所研制了一臺(tái)高溫超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲(chǔ)能樣機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了電能、機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換，該系統(tǒng)的飛輪轉(zhuǎn)速可以達(dá)到 13000r/min 15 。電動(dòng) / 發(fā)電機(jī)技術(shù)分析與發(fā)展現(xiàn)狀電動(dòng) / 發(fā)電機(jī)技術(shù)分析在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中機(jī)械能到電能、電能到機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換是依靠集成的電動(dòng)/ 發(fā)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以電動(dòng) /發(fā)電機(jī)的性能的好壞直接影響著飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率。

13、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在充電時(shí)飛輪轉(zhuǎn)速增加到設(shè)計(jì)的極限轉(zhuǎn)速，在這個(gè)過(guò)程中電動(dòng)/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也在不斷升高；而在放電過(guò)程中隨著飛輪轉(zhuǎn)速的不斷降低， 電動(dòng) / 發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之下降。因此在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電過(guò)程中電動(dòng)/ 發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是在不斷變化的，這就要求飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)選用的電動(dòng) / 發(fā)電機(jī)應(yīng)該滿足高轉(zhuǎn)速、高效率、自損耗低，適應(yīng)寬轉(zhuǎn)速范圍等條件。目前條件下可選擇應(yīng)用于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的 機(jī)等。表2給出了三種電機(jī)的相關(guān)性能參電機(jī)有開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、永磁電數(shù)對(duì)比。表2幾種電機(jī)的相關(guān)性能參數(shù)對(duì)比16電機(jī)類型永磁無(wú)刷直流電機(jī)感應(yīng)電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)峰值效率/%95 9791 949010M載效率/%90 959394

14、80 87最高轉(zhuǎn)速/(r/min)300009001500015000控制其相對(duì)成本114電機(jī)牢固性良好優(yōu)優(yōu)永磁電機(jī)以其效率高、能量密度大、維護(hù)方便、可在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)高效率運(yùn)行 等特點(diǎn)使得在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中得到了廣泛 的應(yīng)用。電動(dòng)/發(fā)電機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀韓國(guó)忠南大學(xué)的學(xué)者對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)使用的高速永磁同步電機(jī)進(jìn)行了研究，并于2009年設(shè)計(jì)了一臺(tái)高速雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)，該電機(jī)的功率為 30KW/20000 (r/min ),在600013084r/min 轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)其效率均在99額上17。美國(guó)宇航局在2012年設(shè)計(jì)的由兩 臺(tái)錐型永磁同步電機(jī)組成的磁懸浮 永磁電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子五自由 度主動(dòng)控制，省去了磁軸

15、承，進(jìn)而減 小了系統(tǒng)的功率損耗，提高了系統(tǒng)效率，轉(zhuǎn)子的極限轉(zhuǎn)速也有所增加180 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)研制的由磁懸浮軸承支撐的75KW/60000(r/min )高 速永磁電動(dòng)/發(fā)電機(jī)，具采用的定子 環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)既可以提高冷卻效率 又可以增加轉(zhuǎn)子剛度190 電力電子裝置技術(shù)分析電機(jī)選定之后，電力電子裝置的性能 直接影響著飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率。飛輪儲(chǔ) 能系統(tǒng)的中動(dòng)能和電能之間的轉(zhuǎn)換是電動(dòng) /發(fā)電機(jī)在電力電子裝置的控制下實(shí)現(xiàn)的， 輸入電能時(shí)將交流轉(zhuǎn)化為直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)， 使飛輪轉(zhuǎn)速升高，存儲(chǔ)能量；輸出電能時(shí) 將直流轉(zhuǎn)化為交流并經(jīng)過(guò)有整流、調(diào)頻、 穩(wěn)壓后供給負(fù)載。而且電力電子裝置的使 用壽命也決定了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽

16、命。美國(guó)Beacon Power公司使用脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了能量從直流母線到三相 變頻交流的雙向轉(zhuǎn)換，并且可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)飛 輪系統(tǒng)穩(wěn)速、恒壓的功能。真空室技術(shù)分析要提高飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率除了要 減少摩擦損耗外盡量減低風(fēng)阻損耗也是非 常必要的，對(duì)于高速飛輪減少風(fēng)阻的有效 方法是將飛輪置于真空室內(nèi)，這樣既可以 有效降低風(fēng)阻損耗又可以對(duì)事故進(jìn)行屏 蔽。以目前的技術(shù)制造這樣的真空條件并 不難，但是如何長(zhǎng)時(shí)間保持這種狀態(tài)才是 問(wèn)題的難點(diǎn)，要想解決這個(gè)問(wèn)題就必須解 決密封問(wèn)題和真空室內(nèi)材料逸出氣體問(wèn) 題。真空度對(duì)系統(tǒng)效率起著主要的決定作 用，目前國(guó)際上的真空度可以達(dá)到 10r量 級(jí)。隨著真空度的增加風(fēng)阻損耗

17、明顯下降， 但是在此環(huán)境下散熱性能減弱，飛輪本體 溫度升高較快。英國(guó)研究人員已經(jīng)驗(yàn)證了 在低速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，氨氣環(huán)境可以減少風(fēng) 阻損耗。3、飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀隨著磁懸浮技術(shù)、復(fù)合材料技術(shù)和電力電子轉(zhuǎn)換技術(shù)取得突破性進(jìn)展，飛輪儲(chǔ) 能作為一種新的儲(chǔ)能方式得到了各國(guó)的普遍關(guān)注，并且已經(jīng)成功應(yīng)用于許多領(lǐng)域。 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)汽車 隨著能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的日益凸顯，開(kāi)發(fā)節(jié)能環(huán)保型汽車已成為了未來(lái)汽 車工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，各個(gè)制造商紛紛把目光投向了混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和純電動(dòng)車， 密度大、能量轉(zhuǎn)換效率高、充電速度快、 使用壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)，因此可 以將飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用在電動(dòng)汽車中，飛 輪儲(chǔ)能系統(tǒng)即

18、可作為獨(dú)立的能量源驅(qū)動(dòng)汽 車也可以作為輔助能源驅(qū)動(dòng)汽車，同時(shí)加 入了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的汽車其再生制動(dòng)效率 也比較高。美國(guó)飛輪系統(tǒng)公司（AFS）研制出的復(fù) 合材料制作飛輪，成功將一輛克萊斯勒轎 車改裝成純電動(dòng)汽車 AFS20,該車由20 節(jié)質(zhì)量為的飛輪電池驅(qū)動(dòng)。改裝后的電動(dòng) 汽車性能良好，僅需秒就可以從零加速到96km/h ,充電一次可行使里程為 600km5。美國(guó)羅森公司研發(fā)的由飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng) 和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力汽車， 經(jīng)過(guò)道路測(cè)試其百公里加速時(shí)間僅為6s,且在長(zhǎng)時(shí)間不用的情況下，飛輪也能在渦 輪發(fā)動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，在2min內(nèi)達(dá)到正常工 作轉(zhuǎn)速。日本研制出的最高轉(zhuǎn)速可達(dá) 36000r/mi

19、n的飛輪電池，將其應(yīng)用于電動(dòng) 車中可對(duì)制動(dòng)時(shí)的能量進(jìn)行回收，這樣可 以提高汽車的能源利用率，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)其 機(jī)械能一一電能轉(zhuǎn)化率可達(dá) 85%20。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電 系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中由于其不穩(wěn)定性使由于飛輪儲(chǔ)能與化學(xué)蓄電池相比具有儲(chǔ)能得系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓、 頻率隨時(shí)間不斷變化，這就需要這風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中引入一個(gè)即可以在能量過(guò)剩時(shí)吸收存儲(chǔ)多余的能量，又能在能量不足時(shí)快速為系統(tǒng)補(bǔ)充能量以穩(wěn)定系統(tǒng)電力輸出的裝置。目前一般使用蓄電池或柴油機(jī)來(lái)穩(wěn)定系統(tǒng)的電力輸出，但是這兩種方式都存在著一定的弊端，比如瞬間啟動(dòng)時(shí)蓄電能不能馬上為系統(tǒng)提供足夠的功率，且蓄電池本身也存在著對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題，然而柴油機(jī)組存在

20、著必須啟動(dòng) 30min 后才能停機(jī)的特殊要求，對(duì)于時(shí)大時(shí)小的風(fēng)能來(lái)說(shuō)就存在著系統(tǒng)電能過(guò)剩問(wèn)題且頻繁的啟停影響柴油機(jī)的壽命 9 。美國(guó)的Beacon Power公司在紐約州史蒂芬鎮(zhèn)建設(shè)了 20 MW飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目，該項(xiàng)目既可以為紐約州的智能電網(wǎng)進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，又能將該地區(qū)風(fēng)力發(fā)電的過(guò)剩電能進(jìn)行緩存， 并在用電高峰期將電力注入電網(wǎng)。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于不間斷電源（UPS）由于不間斷電源可以在提供不間斷供電、 確保供電質(zhì)量使其在醫(yī)院、 金融機(jī)構(gòu)、國(guó)防指揮中心、大型數(shù)據(jù)中心、政府重要部門以及大型生產(chǎn)企業(yè)等地方被廣泛應(yīng)用。 傳統(tǒng)的不間斷電源使用的是價(jià)格低廉、技術(shù)相對(duì)比較成熟的化學(xué)蓄電池作為儲(chǔ)能單元，但是其使用

21、壽命短、充電時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)工作環(huán)境有特定要求、 對(duì)環(huán)境還有污染。由于飛輪儲(chǔ)能具有充電時(shí)間短、反應(yīng)速度快、 儲(chǔ)能密度大、 對(duì)工作環(huán)境無(wú)特定要求、對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)使其成為替代化學(xué)電池應(yīng)用于不間斷電源的理想選擇。美國(guó)的Active Power公司致力于使用飛輪儲(chǔ)能替代化學(xué)蓄電池儲(chǔ)能的全新不間斷電源系統(tǒng)的研究，該公司研制的飛輪不間斷電源可以提供最長(zhǎng)維持時(shí)間為幾分鐘的持續(xù)供電，并且系統(tǒng)效率高達(dá)98%21 。加拿大礦物與能源研究中心（CANMEET開(kāi)發(fā)的用于不間斷電源的飛輪電池，其功率為，質(zhì)量 65 kg,轉(zhuǎn)速 1500045000r/min ,可存儲(chǔ)-h的能量22。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)其他應(yīng)用應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，美

22、國(guó)的馬里蘭大學(xué)已開(kāi)發(fā)出了用于航天器姿態(tài)控制的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，美國(guó)太空總署也已經(jīng)做過(guò)了太空運(yùn)行試驗(yàn)并已在空間站安裝了 48 個(gè)飛輪電池，可以提供超過(guò)150KW的能量22,23 。應(yīng)用于軌道交通中，在列車制動(dòng)時(shí)將能量回收存儲(chǔ)到高速旋轉(zhuǎn)的飛輪中，當(dāng)列車牽引時(shí)將回收的能量在回饋給列車使回收的能量得以有效利用，這樣就可以極大地提高系統(tǒng)節(jié)能的效果，西門子公司研制的功率為3MW的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以回收30%的制動(dòng)能量23Proceedings of the IEEE, 1993,81(3 ):4、結(jié)語(yǔ)飛輪儲(chǔ)能作為一種新型能源儲(chǔ)備方式以其儲(chǔ)能密度高、使用壽命長(zhǎng)、能量轉(zhuǎn)換效率高、充電時(shí)間短、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)受到了

23、人們的廣泛重視，成為了能源界的研究熱點(diǎn)之一。隨著新型特殊材料技術(shù)、磁懸浮軸承技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)等取得突破性進(jìn)展，使得飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)越性得以充分展現(xiàn)，這使得飛輪儲(chǔ)能的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣許多科技企業(yè)也加入到了飛輪儲(chǔ)能的研發(fā)隊(duì)伍之中。隨著飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展，在不久的將來(lái)飛輪儲(chǔ)能將會(huì)像蓄電池和燃料電池一樣，作為獨(dú)立能源向系統(tǒng)提供電力。參考文獻(xiàn)：張健 . 車輛高速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其優(yōu)化設(shè)計(jì) J. 機(jī)械制造與研究，2007,36:52-54.何瑞金 . 飛輪儲(chǔ)能控制系統(tǒng)及能量回饋技術(shù)的研究 D. 上海：東華大學(xué)， 2004., Flywheel rotor manufacture for r

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