飞轮储能关键技术.docx

飞轮储能系统关键技术分析及应用现状
摘要：本文从飞轮储能系统的结构原理入手，首先介绍了飞轮储能系统的结构组成、工作原理及其工作模式，然后对飞轮转子、支承轴承、真空室、电动/发电机及电力电子装置等关键技术进行了全面的分析，并介绍了关键技术的国内外研究现状，在此基础上对飞轮储能的应用现状进行了阐述。
关键词：飞轮储能；关键技术；应用现状
中图分类号：TK02文献标识码：A文章编号：
0、前言
随着中国经济的快速发展，能源和环境问题成为了中国快速发展主要阻碍。然而，在能源如此短缺的情况下，使用目前的耗能设备和耗能方式却使得世界上总能量的50%～70%白白的浪费了[1]。因此在开发新能源的同时，研究如何回收存储被白白浪费的能量也是非常重要的。目前的储能方式主要有：化学储能、物理储能和超导储能，在这几种储能方式中化学储能技术比较成熟，并已得到广泛的应用，但是它使用寿命短、受外界条件影响显著、对环境污染严重。超导储能对技术要求高、对环境要求苛刻暂时还不适合大规模应用。由于物理储能是利用物理方法将能量春初起来，所以不存在对环境污染问题比较适合当今的发展要求。物理储能方式主要有抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能。在这几种物理储能方式中飞轮储能以其在使用寿命、充电时间、效率方面的突出特点得到了广泛的关注。
1、飞轮储能系统的结构及工作原理
1.1飞轮储能系统基本的结构
飞轮储能系统又称飞轮电池其基本结构是由飞轮、轴承、电动机/发电机、电力电子控制装置、真空室等五个部分组成[2]。其中飞轮是飞轮电池的关键部件，一般选用强度高密度相对较小的复合材料制作；轴承是支撑飞轮的装置，由于磁悬浮支承可以降低摩擦损耗提高系统效率而成为了支撑技术的研究热点；飞轮电池的电机是一个集成部件，可以在电动和发电两种模式下自由切换，以实现机械能和电能的相互转换；电力电子控制装置主要是对输出和回馈的电能进行控制，通过对电力电子控制装置的操作可以实现对飞轮电机的各种工作要求的控制；真空室的功用有两个即为飞轮提供真空环境降低风阻损耗和在飞轮高速旋转破裂时起到保护周围人员和设备的作用。图1给出了一种飞轮储能系统结构简图。
图1飞轮储能系统结构简图
1.2飞轮储能系统的工作原理
飞轮储能系统是利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式存储起来的装置。它有三种工作模式即充电模式、保持模式、放电模式。充电模式即飞轮转子从外界吸收能量使飞轮转速升高将能量以动能的形式存储起来；放电模式即飞轮转子将动能传递给发电机，发电机将动能转化为电能在经过电力控制装置输出适合于用电设备的电流和电压，实现了机械能到电能的转化；

E=12mv2=12mr2ω2=12Jω2保持模式即当飞轮转速达到预定值时既不在吸收能量也不向外输出能量如果忽略自身的能量损耗其能量保持不变。高速旋转的飞轮以动能的形式存储的能量可以表示为[3]：
（1.1）
式中v—飞轮边缘线速度，m—飞轮的质量，J—飞轮的转动惯量，ω—飞轮的角速度。
由式（1.1）可知飞轮具有的能量与飞轮的转动惯量、飞轮角速度的平方成正比，由此可知提高飞轮储能量的方法有增大飞轮的转动惯量和提高飞轮转速。由于可将飞轮看似薄圆盘因此求飞轮转动惯量的公式为：
QUOTEJ=0rr2dm=12mr2（1.2）
式中r—飞轮的转动半径。
有公式（1.2）可知增加飞轮转动惯量的方法有增加飞轮转动半径和增加飞轮质量，然而在一般设计情况下在保证能量容量一定的情况下应尽量缩减飞轮的质量和体积，所以增加飞轮存储能量的方法一般为提高飞轮转速和减少飞轮质量。图2给出了飞轮储能系统工作原理简图。图2飞轮储能系统工作原理简图
2、飞轮储能系统关键技术分析及研究状况
早在20世纪50年代飞轮储能技术就得到了人们的关注，并将其应用于电动汽车中。但是受到当时技术水平的限制，未能取得突破性进展。直到20世纪90年代，由于与飞轮电池储能相关的技术取得了突破性进展，才使得飞轮电池储能进入了快速发展阶段。
2.1飞轮转子技术分析与研究现状
2.1.1飞轮转子技术分析
飞轮电池是依靠飞轮转子的高速旋转来存储能量，从飞轮储能原理可知飞轮转速越高其存储的能量就越多，然而随着飞轮转速的升高，飞轮在离心力作用下使其内部所受应力不断增大，受材料许用应力的限制使得飞轮转速不可能无限制的增加。为了保证飞轮能够安全可靠地运行在选择飞轮材料时必须进行应力计算，根据计算结果仔细选择飞轮材料，对于一个薄壁圆筒飞轮有[4]：2.1
式中：—材料的最大抗拉强度，pa;—材料的密度，；—飞轮的转动惯量，；—飞轮转子的极限角速度，rad/s；—飞轮的旋转半径，m。
e为飞轮在高速旋转时引起的应力达到材料抗拉强度极限值时单位质量转子所存储的能量，即飞轮的极限储能密度。由公式2.1可知飞轮的储能密度与材料的抗拉强度成正比，与飞轮材料密