1 引言

隨著人類(lèi)對(duì)能源的需求越來(lái)越大悼院，人們對(duì)能源的控制技術(shù)伤为，特別是對(duì)電能的儲(chǔ)存技術(shù)越來(lái)越重視。目前常見(jiàn)的電儲(chǔ)能技術(shù)有化學(xué)電池儲(chǔ)能据途、蓄水儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能叙甸、超級(jí)電容儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能颖医。

化學(xué)電池技術(shù)已經(jīng)很成熟，應(yīng)用廣泛裆蒸，但它的效率較低熔萧，通常只有（70~85）%,功率密度低，充電很慢，通常是小時(shí)級(jí)佛致，更重要的是化學(xué)電池的循環(huán)使用壽命比較短贮缕，這樣就增加了電池的使用成本。蓄水儲(chǔ)能的效率也很低俺榆，通常只有75%,因?yàn)樾钏畠?chǔ)能需要龐大的蓄水裝置感昼，其儲(chǔ)能密度較低，只有約0.27Wh·kg-1,而且受到環(huán)境的影響很大罐脊，無(wú)法便攜使用定嗓。超導(dǎo)儲(chǔ)能是新型的高效儲(chǔ)能技術(shù)，然而它不具備模塊化特點(diǎn)萍桌，而且一般都需要?jiǎng)?chuàng)造低溫環(huán)境宵溅，適應(yīng)性不強(qiáng)。超級(jí)電容儲(chǔ)能也是新型的高效儲(chǔ)能技術(shù)上炎，目前它的儲(chǔ)能密度還比較低恃逻，約為（2~10）Wh·kg-1,該技術(shù)還在實(shí)驗(yàn)階段。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能密度大藕施，功率密度高辛块，對(duì)環(huán)境的要求低，可模塊化铅碍，其充放電的時(shí)間可以達(dá)到分鐘級(jí)润绵，而且容易檢測(cè)放電深度，可以應(yīng)用的場(chǎng)合廣泛胞谈，同時(shí)飛輪儲(chǔ)能的使用壽命長(zhǎng)尘盼，維護(hù)簡(jiǎn)單局待，大大降低了電能儲(chǔ)備成本[1].隨著電力電子技術(shù)埂伦、磁懸浮技術(shù)羡藐、新材料開(kāi)發(fā)研究等技術(shù)的不斷發(fā)展债鸡，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)變得越來(lái)越完善啦扬，應(yīng)用的范圍也遍及交通钾恢、供電废岂、軍工浑娜、航空航天等領(lǐng)域享扔，成為目前最具有開(kāi)發(fā)前途的儲(chǔ)能技術(shù)之一底桂。

2 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

2.1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)原理

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)又被稱(chēng)為飛輪電池，是機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)換裝置惧眠。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)原理圖籽懦，如圖1所示。從圖1中可以看出能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程氛魁。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作模式有三種：充電暮顺、放電和能量保持厅篓。通常給飛輪充電的能量有電能和機(jī)械能兩種，如圖1所示捶码。目前電能充電方式應(yīng)用較多羽氮，機(jī)械能充電在汽車(chē)制動(dòng)能量回收、孤島風(fēng)能儲(chǔ)存等領(lǐng)域都可以應(yīng)用惫恼。放電時(shí)档押，飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)使發(fā)電機(jī)發(fā)電，輸出的電能經(jīng)過(guò)電力電子設(shè)備變成可用的電能尤筐。能量保持階段汇荐，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)既不充電也不放電，保持額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行盆繁。

2.2 飛輪儲(chǔ)能的結(jié)構(gòu)及能量存儲(chǔ)

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)最為常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖掀淘，如圖2所示。主要由飛輪油昂、電機(jī)革娄、軸承、真空室和電力電子設(shè)備組成冕碟。

從式（1）和式（2）可以看出拦惋，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)的能量與飛輪的質(zhì)量、半徑和旋轉(zhuǎn)角速度呈正相關(guān)安寺。因此要增大飛輪存儲(chǔ)能量厕妖，主要通過(guò)增大飛輪的輪緣質(zhì)量和飛輪轉(zhuǎn)速。

3 飛輪儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)分析

飛輪是儲(chǔ)能裝置挑庶，所以飛輪儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)中最重要的兩個(gè)因素就是儲(chǔ)能和減少損耗言秸。為了提高飛輪轉(zhuǎn)速，飛輪的材料與高速電機(jī)的選擇尤其重要迎捺。使用真空室能大大減少飛輪與空氣的摩擦損耗举畸，使用磁軸承能夠大大降低支承摩損并提高使用壽命。

3.1 飛輪材料的選擇

飛輪的儲(chǔ)能密度和飛輪能承受的強(qiáng)度會(huì)直接影響飛輪材料的選擇凳枝。飛輪的儲(chǔ)能密度e為：

e=ks∕σρ（3）

式中：ks-飛輪形狀系數(shù)抄沮；ρ-飛輪材料的密度，kg/cm3;σ-飛輪材料的許用應(yīng)力岖瑰，MPa.

由式（3）可以看出叛买，飛輪材料密度成反比，與飛輪材料的許用應(yīng)力成正比锭环。幾種常見(jiàn)的用于飛輪的材料[2],如表1所示聪全。從數(shù)據(jù)中可以看出碳素纖維密度小，強(qiáng)度高辅辩，是其中最好的選擇难礼。同時(shí)，使用碳素纖維制成的飛輪一旦發(fā)生解體玫锋，飛輪本身會(huì)變成絮狀物飛出蛾茉，降低了事故帶來(lái)的危害。

3.2 真空室

當(dāng)前真空室的真空度達(dá)到了10-5Pa級(jí)撩鹿，用于減少飛輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中與空氣的摩擦谦炬，同時(shí)也防止外力影響飛輪正常運(yùn)行。真空室可以使用透明的高強(qiáng)度玻璃鋼节沦，這樣方便觀測(cè)飛輪的運(yùn)行狀況键思。同等氣壓下氦氣的導(dǎo)熱性是空氣的七倍，與飛輪的摩擦損耗大約只有空氣的七分之一甫贯，并且充入氦氣的工藝更簡(jiǎn)單吼鳞，因此選擇氦氣作為真空室的介質(zhì)氣體具有一定優(yōu)勢(shì)。

3.3 支承技術(shù)

在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的眾多損耗中叫搁，軸承的損耗占據(jù)了很大的比例赔桌，隨著各種先進(jìn)軸承技術(shù)的問(wèn)世，這部分損耗可以被大大的減少渴逻。下面將介紹幾種用于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的軸承疾党。

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3.3.1 機(jī)械軸承

較為普遍的機(jī)械軸承有滾動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承惨奕、擠壓油膜阻尼軸承和陶瓷軸承等雪位，由于滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承的摩擦損耗相對(duì)較大，所以在高速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中一般只用做輔助軸承梨撞，擠壓油膜阻尼軸承和陶瓷軸承在飛輪儲(chǔ)能中有所應(yīng)用[3].

3.3.2 被動(dòng)磁軸承

（1）永磁軸承是被動(dòng)磁軸承的一種雹洗，是利用永磁體使兩個(gè)或多個(gè)磁環(huán)在軸向或是徑向懸浮。隨著這幾年永磁體的不斷發(fā)展聋袋，其承載力也大大提高队伟，應(yīng)用的越來(lái)越廣泛。然而根據(jù)Earnshaw定理幽勒，僅依靠永磁體無(wú)法使物體在空間六個(gè)自由度都達(dá)到穩(wěn)定懸浮嗜侮，穩(wěn)定懸浮至少需要其中一個(gè)自由的上的主動(dòng)控制[4].

（2）超導(dǎo)磁軸承也是被動(dòng)磁軸承的一種。超導(dǎo)體在超導(dǎo)環(huán)境下具有邁斯納效應(yīng)啥容，當(dāng)超導(dǎo)體處于磁場(chǎng)中時(shí)锈颗，其內(nèi)部的磁場(chǎng)恒等于零，即超導(dǎo)體在磁場(chǎng)中表現(xiàn)出完全抗磁性咪惠。超導(dǎo)體在磁場(chǎng)作用下其表面產(chǎn)生無(wú)損的感應(yīng)電流击吱，該電流在超導(dǎo)體中沒(méi)有損耗，同時(shí)形成了一個(gè)和原磁場(chǎng)大小相等遥昧、方向相反的鏡像磁場(chǎng)覆醇，如圖3所示朵纷。這種磁場(chǎng)可以使物體穩(wěn)定懸浮。

3.3.3 主動(dòng)磁軸承

主動(dòng)磁軸承又稱(chēng)電磁軸承永脓，是通過(guò)改變控制電路中電流的通斷和大小來(lái)控制磁場(chǎng)的變化袍辞，同時(shí)通過(guò)實(shí)時(shí)反饋位置信號(hào)與輸出電流信號(hào)及時(shí)調(diào)整控制電流，從而使軸承定子常摧、轉(zhuǎn)子之間能夠穩(wěn)定懸浮搅吁，主動(dòng)磁軸承控制策略框圖，如圖4所示落午。

3.3.4 混合軸承

在實(shí)際應(yīng)用中谎懦，通常將上述幾種軸承結(jié)合起來(lái)使用達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

（1）機(jī)械軸承與永磁軸承結(jié)合溃斋。機(jī)械軸承主要的缺點(diǎn)是摩擦損耗較大界拦，永磁軸承可以幫助克服重力到來(lái)的定子、轉(zhuǎn)子之間的壓力盐类，從而減少摩擦損耗寞奸。

（2）超導(dǎo)體與永磁體混合軸承。超導(dǎo)體作為定子在跳，永磁體做轉(zhuǎn)子枪萄，轉(zhuǎn)子能夠懸浮在某一位置。同時(shí)超導(dǎo)體中俘獲的磁通由于釘扎力的存在不會(huì)隨便運(yùn)動(dòng)猫妙，保證了軸向穩(wěn)定性瓷翻，使得轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮[5].

（3）電磁與永磁體混合軸承。為了減少功耗割坠，利用永磁體產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)齐帚，電流產(chǎn)生控制磁場(chǎng)，圖三極混合磁軸承[6],如圖5所示彼哼。

4 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用

由于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有能量密度大对妄、效率高、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)敢朱，技術(shù)水平也日益完善剪菱，已經(jīng)在越來(lái)越多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

4.1 在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

4.1.1 電力調(diào)峰

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)用于電力調(diào)峰具有儲(chǔ)能拴签、釋能速度快孝常，效率高，同時(shí)不受地理環(huán)境影響的優(yōu)點(diǎn)蚓哩。當(dāng)用電低谷時(shí)构灸，將產(chǎn)生的多余電力用于驅(qū)動(dòng)飛輪儲(chǔ)能；當(dāng)用電高峰時(shí)岸梨，飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行喜颁，通過(guò)電力電力設(shè)備將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)匹配的電能稠氮。2008年，美國(guó)Beacon Power公司在馬薩諸塞州的Tyngsboro建設(shè)的一座5MW飛輪儲(chǔ)能調(diào)峰洛巢、調(diào)頻電廠投入商業(yè)使用括袒，電廠總效率達(dá)到85%,該系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為4s,相比較于需要5min響應(yīng)時(shí)間的傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)來(lái)說(shuō)優(yōu)勢(shì)很明顯[7].

4.1.2 不間斷供電

為了避免政府重要部門(mén)次兆、軍事指揮中心稿茉、醫(yī)院手術(shù)樓、計(jì)算中心等重要用電場(chǎng)合停電或者電能質(zhì)量不穩(wěn)定芥炭，都會(huì)使用不間斷供電系統(tǒng)（UPS）漓库。過(guò)去常使用化學(xué)電池，雖然其技術(shù)成熟园蝠，但使用壽命較短渺蒿，不支持頻繁的開(kāi)關(guān)操作，據(jù)業(yè)界統(tǒng)計(jì)彪薛，UPS系統(tǒng)的故障70%都是由化學(xué)電池引起的茂装。美國(guó)Active Power公司于2007年將飛輪儲(chǔ)能技術(shù)運(yùn)用在中國(guó)網(wǎng)通山西省通信公司太原第二樞紐樓的UPS中[8].在市電正常時(shí)，飛輪相當(dāng)于一臺(tái)低耗空載電動(dòng)機(jī)善延，轉(zhuǎn)速維持在7700r/min;當(dāng)市電異成偬或停電時(shí)，飛輪系統(tǒng)能夠瞬間供電易遣。

4.2 在交通工具中的應(yīng)用

4.2.1 車(chē)載飛輪電池

隨著能源日益短缺和對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視彼妻，世界各地都在研究汽車(chē)的新動(dòng)力，而用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)代替內(nèi)燃機(jī)具有很好的前景豆茫，稱(chēng)之為車(chē)載飛輪電池侨歉。車(chē)載飛輪電池具有清潔無(wú)污染、充電快捷等優(yōu)點(diǎn)揩魂。上世紀(jì)80年代幽邓，瑞士研究出第一輛飛輪電池汽車(chē)的充電時(shí)間控制在2min中內(nèi)；90年代末火脉，美國(guó)Texas大學(xué)將飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于軍用車(chē)輛中牵舵，該系統(tǒng)可以間歇性的提供5MW的輸出脈沖，連續(xù)輸出功率為350k W,最小的空載損耗小于1000W,可以滿足14-ton的軍用偵查車(chē)輛的脈沖電力需求[9].

4.2.2 飛輪混合電池

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)也可以與內(nèi)燃機(jī)或者化學(xué)電池并用于汽車(chē)中忘分，當(dāng)汽車(chē)下坡或是剎車(chē)時(shí)棋枕，將汽車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為飛輪的機(jī)械能儲(chǔ)存；當(dāng)汽車(chē)加速妒峦、上坡等需要短時(shí)間大功率輸出時(shí)重斑，飛輪再將能量釋放出來(lái)。這樣可以使汽車(chē)節(jié)約大約30%的能量肯骇，也使加速度更大[10].由于軌道交通制動(dòng)比公路汽車(chē)更有規(guī)律性窥浪，飛輪在其中能夠在回收巨大能量祖很。

4.3 在航空航天中的應(yīng)用

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)使用壽命長(zhǎng)，非常適合對(duì)衛(wèi)星供電漾脂。同時(shí)假颇，利用飛輪的動(dòng)量矩可以有效地對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)進(jìn)行控制，代替原來(lái)的化學(xué)電池可以減少了衛(wèi)星的重量骨稿。1986年2月笨鸡，法國(guó)發(fā)射“SPOT”衛(wèi)星，首次將飛輪技術(shù)運(yùn)用于航天器坦冠，上面的3個(gè)反作用飛輪使衛(wèi)星對(duì)地球的指向控制精度為0.15°形耗，的姿態(tài)穩(wěn)定達(dá)到0. 0001°/s.

5 飛輪儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，飛輪儲(chǔ)能向大容量辙浑、高效率激涤、無(wú)污染、高安全性判呕、適應(yīng)性強(qiáng)的方向發(fā)展倦踢，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)未來(lái)的研究重點(diǎn)應(yīng)該包括以下幾個(gè)方面：

（1）新材料的應(yīng)用。使用新型的復(fù)合材料可以有效地增加飛輪的強(qiáng)度與儲(chǔ)能密度侠草，高溫超導(dǎo)材料的突破也將為超導(dǎo)飛輪贏得更大的優(yōu)勢(shì)辱挥。

（2）磁軸承的研究。磁軸承的使用將使飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的損耗大大減少梦抢，同時(shí)增加其使用壽命般贼，對(duì)飛輪速度的提升也大有幫助。

（3）高速電機(jī)的研究奥吩。高速電機(jī)的研究將提供足夠的動(dòng)力使飛輪能夠攜帶更大的能量哼蛆，增大飛輪電池的續(xù)航能力。

（4）使用先進(jìn)的控制方法霞赫。先進(jìn)的控制方法能使系統(tǒng)效率高腮介，響應(yīng)速度快，飛輪的高速問(wèn)題和損耗問(wèn)題也能有效解決《怂ィ現(xiàn)代控制方法向著智能控制的方向發(fā)展叠洗，常見(jiàn)的有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制旅东、自適應(yīng)控制等灭抑。

（5）模塊化建設(shè)。將多個(gè)飛輪列陣式的運(yùn)行抵代，實(shí)現(xiàn)飛輪單元的模塊化腾节。這樣就可以大大擴(kuò)充儲(chǔ)能的規(guī)模，同時(shí)也增大了負(fù)載能力。

6 結(jié)論

目前飛輪儲(chǔ)能還不是主流的儲(chǔ)能方式案腺，但其表現(xiàn)出來(lái)的潛質(zhì)讓人們寄予厚望庆冕，尤其是它儲(chǔ)能密度大、效率高劈榨、充放電快捷访递、清潔無(wú)污染等特點(diǎn)得到人們認(rèn)可。這里對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理同辣、關(guān)鍵技術(shù)拷姿、應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)都做了介紹與分析，并指出了飛輪儲(chǔ)能存在的局限性邑闺，通過(guò)這些不足分析了它的關(guān)鍵技術(shù)所需要解決的問(wèn)題跌前。由于飛輪儲(chǔ)能在能源領(lǐng)域具有很多優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)其研究具有重大意義陡舅。

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