高儲(chǔ)能密度飛輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

孟憲雄 李斌 莊光法

摘 要：如今世界現(xiàn)存的儲(chǔ)能技術(shù)中，飛輪由于儲(chǔ)能具有成熟的轉(zhuǎn)換技術(shù)，還可以和低損耗支撐技術(shù)和高強(qiáng)高模等復(fù)合材料相結(jié)合，已經(jīng)在各種競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)了重要的位置。相較于其他的儲(chǔ)能方式，它具有無污染、對(duì)環(huán)境的要求低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。簡(jiǎn)單來說，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)屬于機(jī)械蓄電池，目前飛輪研究受到的制約主要是轉(zhuǎn)子的徑向強(qiáng)度無法提升。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能飛輪；現(xiàn)狀；創(chuàng)新

飛輪電池的運(yùn)行階段主要有3個(gè)——能量輸入、能量?jī)?chǔ)存、能量輸出。能量輸入過程中，通過電子轉(zhuǎn)換器將電能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，并將能量以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存起來。在能量?jī)?chǔ)存的過程中，飛輪轉(zhuǎn)子一直保持著恒定的轉(zhuǎn)速，來等待著能量釋放這個(gè)控制信號(hào)的發(fā)出。能量輸出的過程中，飛輪轉(zhuǎn)子就相當(dāng)于一個(gè)發(fā)電機(jī)，將動(dòng)能再次轉(zhuǎn)化為電能向負(fù)載供電。相比較于其他的儲(chǔ)能方式，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有儲(chǔ)能密度高、充電速度快、電量易測(cè)量以及對(duì)溫度變化不敏感、使用壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用廣泛，是由于它具有相當(dāng)成熟的恁倆轉(zhuǎn)換技術(shù)，而且它還可以與低損耗支承技術(shù)以及高強(qiáng)高模復(fù)合材料相結(jié)合，目前被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如電磁炮、汽車功能、空間能源等領(lǐng)域，因此對(duì)高儲(chǔ)能密度飛輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討非常有必要。

1 飛輪研究的現(xiàn)在和存在的問題

1.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)于飛輪的研究已經(jīng)有17年，最開始是由中科院電工所和清華大學(xué)開始著手研究，到2012年，清華大學(xué)已經(jīng)在真空度為8Pa的真空室中成功實(shí)驗(yàn)了應(yīng)用主動(dòng)次選股軸承的飛輪轉(zhuǎn)子，在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)的最大儲(chǔ)能量為340Wh，在充電100min之后，飛輪的出能量達(dá)到了160Wh，這已經(jīng)是不小的實(shí)驗(yàn)。但是由于飛輪電池的工程比較龐大復(fù)雜，我國(guó)現(xiàn)在的研究還處在初級(jí)的實(shí)驗(yàn)研究階段，只是理論的模型還沒有實(shí)際的產(chǎn)品，因此還沒有投入商業(yè)使用。而低速飛輪的儲(chǔ)能已經(jīng)得到了充分成熟的研究，在10年前已經(jīng)投入了商用。

1.2 國(guó)外現(xiàn)狀

國(guó)外的研究技術(shù)已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，如日本的NEDO所設(shè)計(jì)的飛輪，已經(jīng)投入了使用。目前美國(guó)SATCON技術(shù)公司開發(fā)的傘狀飛輪轉(zhuǎn)子具有節(jié)省材料和轉(zhuǎn)動(dòng)慣性大、易于電機(jī)的安放等有點(diǎn)；機(jī)械軸承方面美國(guó)TSI公司利用新技術(shù)制造出的陶瓷軸承只有0.00001的摩擦系數(shù)，大大減低了軸承的損耗；主動(dòng)磁軸承方面，馬德里大學(xué)已經(jīng)研制出能儲(chǔ)能20KWh的飛輪，而且具有81%的系統(tǒng)效率；組合式軸承有3種研究方向，機(jī)械軸承和永磁軸承相混合方面，美國(guó)的華盛頓大學(xué)正在研制的是1KWh的寶石軸承和永磁軸承相混合的支承飛輪；在能量轉(zhuǎn)換這個(gè)環(huán)節(jié)，“敏捷微處理器電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”已經(jīng)由馬德里大學(xué)研發(fā)出；發(fā)電機(jī)技術(shù)國(guó)外的研究水平一般，和國(guó)內(nèi)一樣，都是采用的互逆式雙向電機(jī)；真空室方面BEACON動(dòng)力公司用混凝土為材料設(shè)計(jì)出形狀為圓柱體的真空室，不僅安全而且占地少，這是由于此裝置沒有被放在地面上而是被置于地下，并且采用多種保險(xiǎn)方式來加強(qiáng)其安全程度。

2 高速飛輪的設(shè)計(jì)

飛輪中所儲(chǔ)存的能量主要來源于飛輪的轉(zhuǎn)速和慣性矩，而且最大儲(chǔ)存量受到兩方面原因的限制——材料的結(jié)構(gòu)以及應(yīng)力的大小。我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是在質(zhì)量確定不變的條件下，使飛輪的體積和儲(chǔ)存的能量成反比，主要指體積越小而儲(chǔ)能越高。

通常情況下，高速儲(chǔ)能飛輪的設(shè)計(jì)是由一個(gè)較小質(zhì)量的輪轂搭載一個(gè)較大質(zhì)量的輪緣這種結(jié)構(gòu)模型，輪轂?zāi)苓M(jìn)行兩個(gè)方向扭矩的傳遞。因此，輪轂的外徑要大于輪緣的內(nèi)徑，以便在飛輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，輪轂和輪緣能夠存在過盈配合。通過輪轂的中心孔、飛輪和輪軸相連接。并且，為了保證安全以及便于飛輪在輪軸上的固定，要使得輪轂中心孔周圍的設(shè)計(jì)要足夠的寬。下圖給出了設(shè)計(jì)概念圖：

之后再應(yīng)用拉格朗日乘子法求得最優(yōu)解，來實(shí)現(xiàn)高速飛輪的最優(yōu)化。

飛輪儲(chǔ)能運(yùn)用的技術(shù)比較復(fù)雜，有磁懸浮技術(shù)、電子電路技術(shù)、控制技術(shù)以及復(fù)合材料力學(xué)方面的技術(shù)，多種技術(shù)的融合使得研究更加復(fù)雜，但是對(duì)于這些技術(shù)的應(yīng)用又是必須的?，F(xiàn)如今對(duì)于高速飛輪已經(jīng)有了不少的研究，但存在的最主要問題有材料的強(qiáng)度不夠，在不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子平穩(wěn)運(yùn)行的問題、磁懸浮軸承和溫度的關(guān)系，以及控制一體化問題，因此 除了上述的策略之外，還可以從飛輪材料、飛輪穩(wěn)定性、平衡性、傳動(dòng)系統(tǒng)的陀羅效應(yīng)等方面進(jìn)行策略的研究，來克服現(xiàn)如今高速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中存在的問題，克服瓶頸。

3 結(jié)束語(yǔ)

高速飛輪儲(chǔ)能的研究具有很大的應(yīng)用價(jià)值，而且是世界性的，關(guān)乎全人類的生存。地球的能源是有限的，雖然人們已經(jīng)意識(shí)到了這一點(diǎn)，但是在某些國(guó)家和某些地區(qū)還是存在著能源浪費(fèi)的問題。針對(duì)這一情況，雖然人們已經(jīng)開始尋找代替能源，但是這個(gè)方法在短時(shí)期是很難實(shí)現(xiàn)的，而且成果還未知。因此，能源的儲(chǔ)存至關(guān)重要。低速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)得到成熟的研究并投入了使用中。在理論上，高速飛輪的儲(chǔ)能系統(tǒng)要比低速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)不管是在消耗資源還是在儲(chǔ)存能量上都要優(yōu)化得多，但是對(duì)其研究沒有達(dá)到成熟的地步，還不能投入使用，不過，通過科學(xué)工作者的不懈努力，相信在未來的不久，高速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)給人們的生活帶來便利。

參考文獻(xiàn)

[1]王江波，趙國(guó)亮，蔣曉春，等.高速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電氣傳動(dòng)，2014，1（5）：26-30.

[2]里卡多研發(fā)全新高速飛輪儲(chǔ)能技術(shù)[J].汽車與配件，2015，2（3）：19.

（作者單位：核工業(yè)理化工程研究院）