儲能飛輪轉(zhuǎn)子的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

李文逸，宋以國

（哈爾濱工程大學(xué) 儲能技術(shù)研究所，哈爾濱 150001）

0 引言

儲能飛輪系統(tǒng)又被稱為飛輪電池，電動機(jī)械電池，是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換與儲存裝置，利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪進(jìn)行能量儲存是一種應(yīng)用前景廣闊的儲能技術(shù)［1-2］。飛輪儲能具有效率高、容量大、壽命長、儲能量大、充放電方便快捷、充放電次數(shù)沒有限制以及綠色環(huán)保無污染等優(yōu)點(diǎn)。作為一種新型能源儲備裝置，越來越為世界上許多國家所重視，目前成為研究熱點(diǎn)。飛輪儲能廣泛適用于智能電網(wǎng)、通信、風(fēng)能發(fā)電、新能源汽車、航空航天等領(lǐng)域，可以對風(fēng)電、太陽能電站并網(wǎng)困難問題提供解決辦法；可使新能源電站有效發(fā)電時間延長；并且使新能源電站具備一定的調(diào)峰能力，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可調(diào)度性［3-6］。飛輪儲能系統(tǒng)主要由飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、軸承系統(tǒng)及電動機(jī)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及真空保護(hù)系統(tǒng)等部分組成［7-9］。如圖1為飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1 飛輪轉(zhuǎn)子材料與形狀

提高飛輪儲能量有兩個方法:一是增加飛輪輪緣質(zhì)量，二是提高飛輪轉(zhuǎn)速［12］。但是單純依靠增加飛輪輪緣質(zhì)量，會導(dǎo)致儲能飛輪系統(tǒng)笨重，而且儲能密度降低。提高飛輪的轉(zhuǎn)速可提高其儲存的能量，但高速旋轉(zhuǎn)的物體因?yàn)殡x心力而引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力可能導(dǎo)致材料的斷裂破壞，因此飛輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是限制轉(zhuǎn)速提高的決定性因素［13］。

飛輪轉(zhuǎn)子類型主要有多層空心圓柱體、環(huán)形、實(shí)心圓盤、邊緣型、邊緣加強(qiáng)型、等應(yīng)力圓盤、近似等應(yīng)力圓盤、帶式變慣量飛輪等。

早期的飛輪多用金屬材料制成，制作工藝簡單、價格低廉，但是重量較大，轉(zhuǎn)速不能太快，儲能密度低［14］，因此在要求儲能密度高、轉(zhuǎn)速高的情況下，金屬材料轉(zhuǎn)子不適用。而復(fù)合材料由于其密度小、比模量大、比強(qiáng)度高、比剛度高、可設(shè)計(jì)性、使用壽命長、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，已成為高速儲能飛輪轉(zhuǎn)子的首選材料。特別是以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為代表的先進(jìn)復(fù)合材料能滿足飛輪轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的要求。復(fù)合材料設(shè)計(jì)與飛輪制作工藝已成為國際上飛輪儲能技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。

2 飛輪轉(zhuǎn)子制造技術(shù)

飛輪采用的纖維復(fù)合材料的性能與制造工藝緊密相關(guān)，制造工藝復(fù)雜，目前，纖維復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子主要采用纖維纏繞法而成。纖維纏繞成型工藝是在纏繞機(jī)上，將浸漬樹脂的纖維有規(guī)律地纏繞到芯模上，然后經(jīng)過固化處理、除去芯模后而得到產(chǎn)品［15］。這種方法通過材料力學(xué)設(shè)計(jì)，可充分發(fā)揮纖維拉伸強(qiáng)度高的特點(diǎn)。

在纖維纏繞成型制品中，常用的增強(qiáng)纖維材料主要有玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維等，常用的樹脂基體材料有熱固性聚酯、乙烯基酯、環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂等［16］。纖維纏繞成型的主要工藝參數(shù)有纏繞張力、纏繞速度、膠液浸漬及含量控制、環(huán)境的溫度和濕度、固化制度等。纏繞張力是纏繞成型過程中非常重要的參數(shù)，其張力大小、纖維間張力的均勻性及纏繞層之間纖維張力的均勻性都直接影響到纏繞制品質(zhì)量。因此纏繞張力需要嚴(yán)格控制［17］。

纖維束纏繞的飛輪是各向異性的，在環(huán)向上具有較高的強(qiáng)度，但飛輪總體強(qiáng)度還受徑向強(qiáng)度的制約，通常情況下徑向強(qiáng)度比較低，因此提高飛輪的徑向強(qiáng)度成為飛輪設(shè)計(jì)制造中的關(guān)鍵問題之一。利用多環(huán)套裝以及纖維束纏繞飛輪時施加張緊力等方法可以有效地提高飛輪的徑向強(qiáng)度。多層復(fù)合材料飛輪由若干單層復(fù)合材料圓環(huán)組裝而成，各層之間張力纏繞，并且采用過盈裝配，可以在各層間產(chǎn)生預(yù)壓力。在工作轉(zhuǎn)速時，層間保持有正壓力，保障飛輪轉(zhuǎn)子處于正常狀態(tài)，不會松脫［18］。

3 儲能飛輪發(fā)展?fàn)顩r

儲能飛輪系統(tǒng)目前應(yīng)用非常廣泛，美國、德國、英國、日本、中國等都有很多科研機(jī)構(gòu)和公司對此方面有很深入的研究與工程應(yīng)用。美國Beacon Power 公司在儲能飛輪應(yīng)用研究方面處于一個長期的領(lǐng)導(dǎo)地位。圖2 顯示了Beacon Power 公司飛輪儲能系統(tǒng)產(chǎn)品發(fā)展過程。低功率系統(tǒng)用于通信裝備管理支持，高功率系統(tǒng)可用于提供對電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)服務(wù)［19］。

圖2 Beacon Power 公司儲能飛輪系統(tǒng)發(fā)展過程

美國NASA Glenn 研究中心從1980 年代就開始衛(wèi)星飛輪的研究，1990 年代末期在低軌道衛(wèi)星能源與姿態(tài)控制集成系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子制造工藝、飛輪磁懸浮多輸入/多輸出方面取得突破進(jìn)展。其衛(wèi)星主要用于能量控制、綜合動力和姿態(tài)控制以及峰值［20］。德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校已經(jīng)開發(fā)了一種超高速飛輪系統(tǒng)用于電動汽車上［21］。

我國目前有很多科研機(jī)構(gòu)對儲能飛輪系統(tǒng)進(jìn)行研究，如清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中科院等單位在相關(guān)理論研究及工程應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究都取得了較大進(jìn)展。企業(yè)方面，2011 年9 月，英利集團(tuán)制作完成國內(nèi)首臺20kW·h 磁懸浮飛輪儲能樣機(jī)，是目前國內(nèi)單體儲能量最大的飛輪［23］。

4 結(jié)語

飛輪系統(tǒng)儲能技術(shù)經(jīng)過30 余年的發(fā)展，以其高效率、環(huán)保，長壽命等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在很多工程領(lǐng)域。儲能飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對材料以及制造成形工藝要求較高，也是目前研究的熱點(diǎn)。其中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其密度小、比模量大、比強(qiáng)度高、比剛度高、可設(shè)計(jì)性、使用壽命長、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，成為目前飛輪轉(zhuǎn)子輪緣的首選材料，加預(yù)應(yīng)力纏繞成形以及多環(huán)過盈套裝技術(shù)是目前常用的復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子的制作技術(shù)。

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