飛輪電池儲能技術(shù)分析

趙志芳

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程系，山西 晉中 030600）

0 引 言

目前，常用的儲能方式主要有物理儲能、化學(xué)儲能以及超導(dǎo)儲能。其中，化學(xué)儲能技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并得到了廣泛應(yīng)用。但是，化學(xué)儲能技術(shù)很容易受到環(huán)境的影響，使用周期較短，且電池廢棄后對環(huán)境污染嚴(yán)重。超導(dǎo)儲能技術(shù)對技術(shù)條件要求較高，在運(yùn)行過程中需要的能量較少，不會污染環(huán)境。然而，由于超導(dǎo)線圈必須在低溫條件下運(yùn)行，所以超導(dǎo)儲能技術(shù)無法大規(guī)模運(yùn)用。物理儲能技術(shù)通過物理儲能方式將能量儲能起來。在當(dāng)前全球環(huán)境惡化、資源危機(jī)的情況下，物理儲能技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。目前，物理儲能技術(shù)主要有抽水儲能、壓縮空氣儲能以及飛輪儲能技術(shù)。其中，飛輪儲能技術(shù)由于在儲能效率、時間等方面優(yōu)勢明顯，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 飛輪電池儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 飛輪電池儲能結(jié)構(gòu)

飛輪、軸承、電動機(jī)、電力電子控制裝置等元件構(gòu)成了飛輪電池儲能系統(tǒng)。其中，飛輪整個系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，直接影響飛輪電池儲能的效果。因此，一般選擇強(qiáng)度高、密度小的復(fù)合材料。軸承是支撐飛輪的裝置；飛輪電池電機(jī)是一個集成裝置，可以確保飛輪電池在電動和發(fā)電兩種模式下實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能的互換；真空室的主要作用是為飛輪提供一個真空環(huán)境，確保飛輪在一個損耗低、飛輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工作環(huán)境下工作時不會對設(shè)備和人員造成損害；電子電力控制裝置則是對儲能系統(tǒng)的輸出和回饋電能進(jìn)行控制，以確保飛輪電機(jī)的各種工作要求。

1.2 飛輪儲能系統(tǒng)的工作原理

飛輪儲能系統(tǒng)是通過高速運(yùn)轉(zhuǎn)飛輪將能量從動能轉(zhuǎn)化為電能并存儲起來的裝置，具有充電、放電、儲能功能。其中，電力電子變換裝置為電能驅(qū)動電動機(jī)提供旋轉(zhuǎn)動力，在電能驅(qū)動機(jī)的帶動下飛輪旋轉(zhuǎn)，并將動能儲存起來[1]。當(dāng)電動機(jī)外部需要電能時，飛輪帶動發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)，將存儲的動能轉(zhuǎn)化為電能，并通過電力電子變換裝置轉(zhuǎn)換為符合外部裝置需要的電壓和頻率的電能。飛輪儲能系統(tǒng)與其他電池儲能系統(tǒng)不同，它的輸入、輸出結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立，因此不需要設(shè)置兩臺發(fā)動機(jī)，減少了整個發(fā)電系統(tǒng)的重量。但是，飛輪儲能系統(tǒng)在運(yùn)行過程中速度非?？?，可以達(dá)到50 000 r/min，普通的材料無法達(dá)到轉(zhuǎn)動要求。因此，一般用碳纖維制作飛輪。碳纖維重量輕、強(qiáng)度大，可以進(jìn)一步減輕整個儲能結(jié)構(gòu)的重量和充放電過程中的能量損耗，從而達(dá)到節(jié)能目的。飛輪是整個飛輪儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，飛輪的重量對儲能效果具有決定性作用。飛輪儲能能量公式是E=mv2=Jω2，其中m表示飛輪質(zhì)量，v表示飛輪邊緣線的速度，J表示飛輪的轉(zhuǎn)動慣性力，ω表示飛輪的角速度?？梢钥闯觯w輪的能量和轉(zhuǎn)動慣性、飛輪的角速度平方呈正比。所以，如果要提高飛輪的儲能能量，可以采用增大飛輪的轉(zhuǎn)動慣性或者提高飛輪轉(zhuǎn)速。由此，得到飛輪轉(zhuǎn)動慣性公式J=mr2，其中m表示飛輪質(zhì)量，r表示飛輪轉(zhuǎn)動的半徑。從上述內(nèi)容可以得到，如果想要提高電池儲能效果，必須縮小飛輪的質(zhì)量和體積[2]。

2 飛輪電池儲能技術(shù)分析

2.1 飛輪轉(zhuǎn)子技術(shù)

根據(jù)飛輪電池儲能系統(tǒng)的工作原理可以得出，飛輪轉(zhuǎn)速越快，電池儲存的能量越多。但是，飛輪在離心力作用下，飛輪系統(tǒng)承受的額應(yīng)力不斷增加，這對飛輪材料的要求較高。在選擇飛輪材料時，要充分考慮飛輪承受的應(yīng)力。所以，需使用高強(qiáng)度、低密度的復(fù)合纖維飛輪。目前，選擇的碳纖維復(fù)合材料的輪緣線速度可以達(dá)到1 000 m/s，超過了子彈速度，完全能夠滿足飛輪電池的轉(zhuǎn)速要求。因此，要促進(jìn)飛輪電池的大范圍應(yīng)用，只有等到碳纖維復(fù)合材料的誕生[3]。

2.2 支撐軸輪技術(shù)

支撐軸輪不僅要承受飛輪自身的質(zhì)量，而且要承受飛輪在高速旋轉(zhuǎn)過程中造成的離心力，所以對支撐軸輪的強(qiáng)度要求較高。支撐軸承分為機(jī)械軸承、組合式軸承和磁懸浮軸承等。機(jī)械軸承的摩擦小、承載轉(zhuǎn)速能力低，所以無法作為高速飛輪支撐系統(tǒng)；磁懸浮軸承在沒有機(jī)械接觸的情況下承載，不會出現(xiàn)機(jī)械摩擦損耗，從而提高了飛輪電池儲能系統(tǒng)的運(yùn)行效率，延長了軸承使用時間。韓國電力公司研發(fā)的組合軸承飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到了12 000 r/min，美國波音公司研制的高溫超導(dǎo)磁軸承小型飛輪儲能電池，在全速飛輪時可以存儲5 kW/h的動能，并能提供3 kW三相208 V的電源電力負(fù)載[4]。我國西安交通大學(xué)研制的高溫超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲能樣機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械能、電能的相互轉(zhuǎn)換，飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到了13 000 r/min。

2.3 電動/發(fā)電機(jī)技術(shù)

在飛輪電池儲能系統(tǒng)中，動能和電能的轉(zhuǎn)換依靠電動/發(fā)電技術(shù)完成的。所以，電動/發(fā)電機(jī)技術(shù)性能的優(yōu)劣直接影響飛輪電池的儲能效率[5]。飛輪儲能系統(tǒng)充電過程中，飛輪轉(zhuǎn)速必須增加到設(shè)計(jì)的極限，才能滿足電動/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求。放電過程中，飛輪轉(zhuǎn)速下降，電動/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也逐步下降，對電動/發(fā)電機(jī)的要求較高。目前，能夠達(dá)到高轉(zhuǎn)速、高效率的電機(jī)有永磁電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)等。2009年，韓國忠南大學(xué)設(shè)計(jì)出一臺高速雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)，電機(jī)功率可達(dá)30 kW/20 000 r·min-1，并確保電機(jī)在6 000～13 804 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的效率在99%以上。沈陽工業(yè)大學(xué)研制的磁懸浮軸承支撐系統(tǒng)，采用釘子換組繞組結(jié)構(gòu)的高速永磁電機(jī)/發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)速為75 kW/60 000 r·min-1，不僅可以提高發(fā)電機(jī)的冷卻效率，而且增加了轉(zhuǎn)子的剛度。

2.4 飛輪儲能技術(shù)

近年來，隨著環(huán)境問題和能源危機(jī)問題的突出，環(huán)保節(jié)能電動汽車成為汽車工業(yè)未來發(fā)展的方向。美國特拉斯、日本豐田以及中國的比亞迪也紛紛開始研發(fā)純電動汽車和混合動力汽車。與傳統(tǒng)的化學(xué)蓄電池相比[6]，飛輪儲能電池密度大、充電速度快、轉(zhuǎn)換效率高、電池使用時間長等，所以將其應(yīng)用于新能源汽車，可以提高汽車的制動效率。

3 飛輪電池儲能技術(shù)發(fā)展方向

1994年，美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室用碳纖維制作了一個儲能飛輪。它使用超導(dǎo)磁懸浮，飛輪直徑為38 cm，重11 kg，飛輪線轉(zhuǎn)速可達(dá)到1 000 m/s。它的儲存能量能同時將10個100 W的燈泡點(diǎn)燃2～5個小時。1995年，美國得輪系統(tǒng)公司研發(fā)了一種可用于汽車的機(jī)電電池，電池直徑23 cm、長度18 cm，重量為23 kg。這種機(jī)電電池使用20萬轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)的碳纖飛輪，每個電池的儲電可達(dá)到1 kW/h。將12個機(jī)電電池安裝在IMPACT轎車上，能使該車以100 km/h的速度行駛480 km。此外，這種機(jī)電電池的儲能電能是鉛酸電池的2.5倍，使用壽命是鉛酸電池的8倍，但比功率是鉛酸電池的25倍，所以儲能效果十分明顯。隨后，日本科學(xué)家根據(jù)飛輪電池比功率高的特性，設(shè)置了引發(fā)可控?zé)岷司圩冄b置。這種裝置的飛輪直徑可達(dá)6.4 m，高度達(dá)1 m，重量達(dá)255 t，儲能的電能可供具有150個車廂的列車以100 km/h的速度行駛。近年來，我國的飛輪電池儲能技術(shù)也得到了很大進(jìn)步。英利集團(tuán)在2011年1月研發(fā)了1 kWh儲能飛輪機(jī)。受材料和技術(shù)的限制[7]，目前飛輪電池價(jià)格非常昂貴，小場合的場地應(yīng)用優(yōu)勢并不明顯，但一些大型儲能裝置的節(jié)能效果非常好。

目前，在太空領(lǐng)域的飛船、空間站、人造衛(wèi)星等領(lǐng)域，飛輪電池一次可以提供同質(zhì)量化學(xué)電池2倍的功率。美國的太空總署空間站就安裝了48個飛輪電池，一起可以持續(xù)供電超過150 kW的電能。與化學(xué)電池相比，飛輪電池每年可以節(jié)省200萬美金的電能。此外，飛輪電池在火車、汽車等交通運(yùn)輸領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。尤其是在當(dāng)前新能源汽車領(lǐng)域[8]，采用內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)混合動力的飛輪電池，充電快，放電完全。汽車在正常行駛或者剎車過程中，飛輪電池自動對電池充電，當(dāng)汽車在上坡或者加速過程中，飛輪電池釋放電力給汽車提供動力，確保汽車在一個比較平穩(wěn)的狀態(tài)下運(yùn)行，從而達(dá)到減小消耗、延長發(fā)動機(jī)使用時間的作用。美國TEXAS大學(xué)研制了一款汽車飛輪電池，電池可以為汽車提供150 kW·h的能量，確保汽車達(dá)到100 km/h的運(yùn)行速度。德國西門子公司對火車領(lǐng)域進(jìn)行研究，研發(fā)了一種長1.5 m、寬0.75 m的飛輪電池，可提供3 MW的功率。

4 結(jié) 論

飛輪電池儲能技術(shù)作為一種新型的能源設(shè)備，隨著特殊材料技術(shù)、電子電力技術(shù)的發(fā)展，未來將廣泛應(yīng)用于社會各個領(lǐng)域，并將作為獨(dú)立能源向電池儲能系統(tǒng)提供電力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張新賓.飛輪儲能式汽車制動能量回收模擬試驗(yàn)研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2016.

[2] 項(xiàng)倩雯.飛輪電池用五自由度單繞組磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)及運(yùn)行控制[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2013.

[3] 張 毅.太陽能飛輪系統(tǒng)的儲能研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2016.

[4] 張 冰.具有飛輪電池儲能的移動電站研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2011.

[5] 孫 杰.飛輪儲能電源恒壓放電控制方法的研究[D].天津：天津大學(xué)，2011.

[6] 何 翼.飛輪電池控制系統(tǒng)研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2011.

[7] 趙晗彤.基于飛輪儲能系統(tǒng)的光伏直流微網(wǎng)電壓控制方法的研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2016.

[8] 欒 衛(wèi).飛輪儲能式電動汽車充電站關(guān)鍵技術(shù)研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2011.