韩国忠南大学

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、刖言

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。

电力电子

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；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]:

2=''-='（行）

式中v—飞轮边缘线速度，m—飞轮的质量，

J—飞轮的转动惯量，3—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：

2

J=（1/2）mr（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。

能量输入•一►t发电机/电动机控制装置4—能重输出4

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⑷：

J=mr

222.1

3

m

式中：3—材料的最大抗拉强度，pa;p—

材料的密度，kg/m3；J—飞轮的转动惯量，

kgm2；-—飞轮转子的极限角速

度，rad/s;r—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

料密度成反比。因此为了增加飞轮的储能密度

应该选用高比强度（徹卜）的材料制作飞轮。表

1给出了

不同飞轮材料的物理参数，其中储能密度值是

计算的等厚圆盘飞轮的理论值。从表中可以看

出高强度钢和铝合金在抗拉强度和储能密度两

个方面均不及复合材料，这也是早期飞轮储能

技术难以取得突破进展的原因之一，复合材料

在抗拉强度和储

能密度方面表现出的优良特性使得复合材

有研究表明，提高飞轮电池储能密度的先决条

件是制作飞轮的材料要有很高的强度，在材料

满足条件的前提下还要考虑飞轮的制作工艺，

由于复合材料的各向异性，导致其沿纤维方向

强度很高，而垂直纤维方向表现强度很低，为

了最大限度的发挥复合材料沿纤维方向强度高

的优点，一般采用环向缠绕的多层圆环结构

[5]。

2.1.2飞轮转子技术现状美国Active

Power公司研发的基于飞轮储能的电源系统其

转子使用的材料是4340锻铁，飞轮转速最高

可达到

7700r/min,并且该系统已经规模化生产[8]。

波音公司在2010年设计的复合材料

飞轮转子，采用了环向缠绕的三层圆环结构，

根据每一层的受力特点使用了不同规格的碳纤

维，使得飞轮的整体强度和材料利用率都得到

了提高[9]。

北京航空航天大学将使用碳纤维材料制

造飞轮储能系统用于航天器的姿态控制和能量

存储，该飞轮转速可达500000r/min,储能密

度为36.1w•h/kg[10]。

2012年7月，清华大学设计的质量为

1200kg的低速重型合金钢飞轮转速达到了

3600r/min。该储能系统实现了100kW充电

/500kW发电运行，并且在储能量和发电功率

方面已经具备了工业应用的条件

[11]

。。

2.2支承轴承技术分析与研究现

状

2.2.1支承轴承技术分析飞轮转速的大

小，可以决定飞轮电池存储能量的多少，然而

飞轮电池储能系统中飞轮所能达到的极限转速

除与飞轮本身的属性有关外，还与支承轴承的

选择有很大的关系。因为飞轮电池在能量保持

模式时飞轮需要保持高速运转，这就需要轴承

的摩擦损耗尽量小甚至为零，以减少能量白白

地损耗，从而提高系统的储能效率。轴承在承

受飞轮本体重量的同时，还要承受着飞轮转子

在高速旋转时引起的离心力，这就要求支承轴

承既要损耗少又要强

料成为制造飞轮转子的理想材料。

度高。目前的支撑轴承可分为机械轴承、磁悬

浮轴承和组合式轴承等。

机械轴承由于摩擦损耗大、承载的极限

转速低不合适单独作为高转速飞轮储能系统的

支撑方式，由于其支撑强度高、结构紧凑的优

点，使得机械轴承适合于作为保护轴承或作为

短时间快速充放电飞轮系统的支撑方式使用。

由于磁悬浮轴承可以在无机械接触的情

况下承载，无机械摩擦损耗提高了系统储能效

率延长了轴承使用寿命，使其成为了飞轮储能

系统的理想支撑方式。磁悬浮轴承分为永磁轴

承、超导磁轴承和电磁轴承。

2.2.2支承轴承技术研究现状韩国电

力公司研究所研发的组合式轴承飞轮

储能系统，飞轮转速可达到

12000r/min，该系统的组合式轴承是

由一个高温超导次轴承、一个角接触

球轴承和一个主动电磁阻尼器组成

[12]

。

波音公司研制的使用高温超导磁轴承的

小型飞轮储能系统，在全速时飞轮可以储存

5KW•h的动能，它能够提供3KW的三相

208V电源到电力负载[13]。

中国电力科学研究院的工程师研制出了

一种可作为电动汽车辅助动力源的五自由度的

主动磁悬浮轴承飞轮电池储能系统，并进行了

飞轮电池样机的30000r/min旋转试验[14]。

西南交通大学超导技术研究所研制了一

台高温超导磁悬浮飞轮储能样机，并实现了电

能、机械能的相互转换，该系统的飞轮转速可

以达到13000r/min[15]。

2.3电动/发电机技术分析与发

展现状

2.3.1电动/发电机技术分析在飞轮

储能系统中机械能到电能、电能到机械能之间

相互转换是依靠集成的电动/发电机来实现

的，所以电动/发电机的性能的好坏直接影响

着飞轮储能系统的效率。飞轮储能系统在充电

时飞轮转速增加

到设计的极限转速，在这个过程中电动/

发电机的转速也在不断升高；而在放电过程中

随着飞轮转速的不断降低，电动/发电

机的转速也随之下降。因此在飞轮储能系统的

充放电过程中电动/发电机的转速是在不断变

化的，这就要求飞轮储能系统选用的电动/发

电机应该满足高转速、高效率、自损耗低，适

应宽转速范围等条件。目前条件下可选择应用

于飞轮储能系统的电机有开关磁阻电机、感应

电机、永磁电机等。表2给出了三种电机的相

关性能参数对比。

表2几种电机的相关性能参数对比［16］

电机类型

永磁无刷

直流电机

感应电机开关磁阻电机

峰值效率/%95〜9791〜94

90

10%负载效率/%90〜9593〜9480〜87

最高转速/(r/min)

>30000

900〜15000

>15000

控制其相对成本

1

1〜1.51.5〜4

电机牢固性良好优优

永磁电机以其效率高、能量密度大、维

护方便、可在宽转速范围内高效率运行等特点

使得在飞轮储能系统中得到了广泛的应用。

2.3.2电动/发电机技术发展现状

韩国忠南大学的学者对飞轮储能系统使用的

高速永磁同步电机进行了研究，并于2009年

设计了一台高速双转子永磁电机，该电机的功

率为30KW/20000(r/min),在6000—

13084r/min转速范围内其效率均在99%以上

［17］。

美国宇航局在2012年设计的由两台

锥型永磁同步电机组成的磁悬浮永磁

电机可以实现电机转子五自由度主动

控制，省去了磁轴承，进而减小了系

统的功率损耗，提高了系统效率，转

子的极限转速也有所增加［18］。沈阳工

业大学研制的由磁悬浮轴承支撑的

75KW/60000(r/min)高速永磁电动/发

电机，其采用的定子环形绕组结构既

可以提高冷却效率又可以增加转子刚

度［19］。

2.4电力电子装置技术分析

电机选定之后，电力电子装置的性能直

接影响着飞轮储能系统的效率。飞轮储能系统

的中动能和电能之间的转换是电动/发电机在电

力电子装置的控制下实现的，输入电能时将交

流转化为直流驱动电机，使飞轮转速升高，存

储能量；输出电能时将直流转化为交流并经过

有整流、调频、

稳压后供给负载。而且电力电子装置的使用寿

命也决定了飞轮储能系统的寿命。

美国BeaconPower公司使用脉宽调制

转换器，实现了能量从直流母线到三相变频交

流的双向转换，并且可自动实现飞轮系统稳

速、恒压的功能。

2.5真空室技术分析

要提高飞轮储能系统的效率除了要减少

摩擦损耗外尽量减低风阻损耗也是非常必要

的，对于高速飞轮减少风阻的有效方法是将飞

轮置于真空室内，这样既可以有效降低风阻损

耗又可以对事故进行屏蔽。以目前的技术制造

这样的真空条件并不难，但是如何长时间保持

这种状态才是问题的难点，要想解决这个问题

就必须解决密封问题和真空室内材料逸出气体

问题。真空度对系统效率起着主要的决定作

用，目前国际上的真空度可以达到H透量

级。随着真空度的增加风阻损耗明显下降，但

是在此环境下散热性能减弱，飞轮本体温度升

高较快。英国研究人员已经验证了在低速运转

条件下，氦气环境可以减少风阻损耗。

3、飞轮储能技术的应用现状

随着磁悬浮技术、复合材料技术和电力电

子转换技术取得突破性进展，飞轮储

能作为一种新的储能方式得到了各国的普遍关

注，并且已经成功应用于许多领域。3.1飞轮

储能技术应用于电动汽车

随着能源危机和环境问题的日益凸显，开

发节能环保型汽车已成为了未来汽车工业的发

展趋势，各个制造商纷纷把目光投向了混合动

力电动汽车和纯电动车，由于飞轮储能与化学

蓄电池相比具有储能密度大、能量转换效率

高、充电速度快、使用寿命长、对环境友好等

特点，因此可以将飞轮储能系统应用在电动汽

车中，飞轮储能系统即可作为独立的能量源驱

动汽车也可以作为辅助能源驱动汽车，同时加

入了飞轮储能系统的汽车其再生制动效率也比

较高。

美国飞轮系统公司（AFS研制出的复合

材料制作飞轮，成功将一辆克莱斯勒轿车改装

成纯电动汽车AFS20,该车由20节质量为

13.64Kg的飞轮电池驱动。改装后的电动汽车

性能良好，仅需6.5秒就可以从零加速到

96km/h，充电一次可行使里程为600km[5]。

美国罗森公司研发的由飞轮储能系统和涡

轮发动机共同驱动的混合动力汽车，经过道路

测试其百公里加速时间仅为6s，且在长时间

不用的情况下，飞轮也能在涡轮发动机的带动

下，在2min内达到正常工作转速。日本研制

出的最高转速可达36000r/min的飞轮电池，将

其应用于电动车中可对制动时的能量进行回

收，这样可以提高汽车的能源利用率，经实验

证实其机械能——电能转化率可达85%[20]。

3.2飞轮储能技术应用于风力发

电系统

在风力发电过程中由于其不稳定性使得系

统产生的电压、频率随时间不断变化，这就

需要这风力发电系统中引入一个即可以在能量

过剩时吸收存储多余的能量，又能在能量不足

时快速为系统补充能量以稳定系统电力输出的

装置。目前一般使用蓄电池或柴油机来稳定系

统的电力输出，但是这两种方式都存在着一定

的弊端，比如瞬间启动时蓄电能不能马上为系

统提供足够的功率，且蓄电池本身也存在着对

环境的污染问题，然而柴油机组存在着必须启

动30min后才能停机的特殊要求，对于时大

时小的风能来说就存在着系统电能过剩问题且

频繁的启停影响柴油机的寿命[9]。

美国的BeaconPower公司在纽约州史

蒂芬镇建设了20MW飞轮储能项目，该项

目既可以为纽约州的智能电网进行频率调节，

又能将该地区风力发电的过剩电能进行缓存，

并在用电高峰期将电力注入电网。

3.3飞轮储能技术应用于不间断

电源（UPS）

由于不间断电源可以在提供不间断供

电、确保供电质量使其在医院、金融机构、

国防指挥中心、大型数据中心、政府重要部门

以及大型生产企业等地方被广泛应用。传统的

不间断电源使用的是价格低廉、技术相对比较

成熟的化学蓄电池作为储能单元，但是其使用

寿命短、充电时间长、对工作环境有特定要

求、对环境还有污染。由于飞轮储能具有充

电时间短、反应速度快、储能密度大、对工

作环境无特定要求、对环境友好等特点使其成

为替代化学电池应用于不间断电源的理想选

择。

美国的ActivePower公司致力于使用飞

轮储能替代化学蓄电池储能的全新不间断电源

系统的研究，该公司研制的飞轮不间断电源可

以提供最长维持时间为几分钟的持续供电，并

且系统效率高达98%[21]。加拿大矿物与能源

研究中心（CANMET）开发的用于不间断电

源的飞轮电池，其功率为1.5Kw，质量65

kg，转速15000〜45000r/min，可存储

1.1KW•h的能量[22]。

3.4飞轮储能技术其他应用

应用于航空航天领域，美国的马里兰

大学已开发出了用于航天器姿态控制的飞轮储

能系统，美国太空总署也已经做过了太空运行

试验并已在空间站安装了48个飞轮电池，可

以提供超过150KW的能量[22,23]

。

应用于轨道交通中，在列车制动时将能

量回收存储到高速旋转的飞轮中，当列车牵引

时将回收的能量在回馈给列车使回收的能量得

以有效利用，这样就可以极大地提高系统节能

的效果，西门子公司研制的功率为3MW的飞

轮储能系统，可以回收30%的制动能量[23]。

4、结语飞轮储能作为一种新型能源储备方

式以其储能密度高、使用寿命长、能量转换

效率高、充电时间短、对环境友好等优点受到

了人们的广泛重视，成为了能源界的研究热点

之一。随着新型特殊材料技术、磁悬浮轴承技

术、现代电力电子技术等取得突破性进展，使

得飞轮储能技术的优越性得以充分展现，这使

得飞轮储能的应用范围越来越广许多科技企业

也加入到了飞轮储能的研发队伍之中。随着飞

轮储能技术的不断发展，在不久的将来飞轮储

能将会像蓄电池和燃料电池一样，作为独立能

源向系统提供电力。

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AnalysisontheKeyTechnologyandtheApplicationStatusofFlywheelEnergy

St

Abstract:Fromthestructuralprincipleofflywheelenergystoragesystem,thispaperfirstlyintroducesthestructuralcomponents,working

principleandoperatingmodeoftheflywheelenergystoragesystem,andthenithascarriedonthecomprehensiveanalysistotheflywheel

rotor,supportingbearing,vacuumchamber,electricmotororgeneratorandpowerelectronicdevicesandsoonworkingasthekey

technologies,anditalsointroducesrearchsituationathomeandabroadofthekeytechnology,andthecurrentapplicationofflywheel

energystorageareexpoundedbadonthis.

Keywords:flywheelenergystorage;keytechnology;applicationstatus

2011:1-6.