飞轮储能（储能方式）

飞轮储能（储能方式）

飞轮储能 （储能方式） 次浏览 | 2022.09.21 14:20:14 更新 来源 ：互联网 精选百科 本文由作者推荐 飞轮储能储能方式

飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。技术特点是高功率密度、长寿命。

飞轮本体是飞轮储能系统中的核心部件，作用是力求提高转子的极限角速度，减轻转子重量，最大限度地增加飞轮储能系统的储能量，目前多采用碳素纤维材料制作。

中文名

飞轮储能

外文名

Flywheel energy storage

定义

将电能转化成动能储存起来

技术特点

高功率密度、长寿命

简介

飞轮储能思想早在一百年前就有人提出，但是由于当时技术条件的制约，在很长时间内都没有突破。直到20世纪60~70年代，才由美国宇航局(NASA)Glenn研究中心开始把飞轮作为蓄能电池应用在卫星上。到了90年代后，由于在以下3个方面取得了突破，给飞轮储能技术带来了更大的发展空间。

(1) 高强度碳素纤维复合材料(抗拉强度高达8．27GPa)的出现，大大增加了单位质量中的动

能储量。

(2) 磁悬浮技术和高温超导技术的研究进展迅速，利用磁悬浮和真空技术，使飞轮转子的摩

擦损耗和风损耗都降到了最低限度。

(3) 电力电子技术的新进展，如电动/发电机及电力转换技术的突破，为飞轮储存的动能与电能之间的交换提供了先进的手段。储能飞轮是种高科技机电一体化产品，它在航空航天(卫星储能电池，综合动力和姿态控制)、军事(大功率电磁炮)、电力(电力调峰)、通信(UPS)、汽车工业(电动汽车)等领域有广阔的应用前景。

工作原理

飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置，突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。通过电动/发电互逆式双向电机，电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换与储存，并通过调频、整流、恒压与不同类型的负载接口。

在储能时，电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电机带动飞轮加速转动，飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械能转换的储存能量过程，能量储存在高速旋转的飞轮体中。

之后，电机维持一个恒定的转速，直到接收到一个能量释放的控制信号；释能时，高速旋转的飞轮拖动电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流与电压，完成机械能到电能转换的释放能量过程。

整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出过程。

组成结构

飞轮本体是飞轮储能系统中的核心部件，作用是力求提高转子的极限角速度，减轻转子重量，最大限度地增加飞轮储能系统的储能量，目前多采用碳素纤维材料制作。

轴承系统的性能直接影响飞轮储能系统的可靠性、效率和寿命。目前应用的飞轮储能系统多采用磁悬浮系统，减少电机转子旋转时的摩擦，降低机械损耗，提高储能效率。

飞轮储能系统的机械能与电能之间的转换是以电动/发电机及其控制为核心实现的，电动、发电机集成一个部件，在储能时，作为电动机运行，由外界电能驱动电动机，带动飞轮转子加速旋转至设定的某一转速；在释能时，电机又作为发电机运行，向外输出电能，此时飞轮转速不断下降。显然，低损耗、高效率的电动/发电机是能量高效传递的关键。

电力转换装置是为了提高飞轮储能系统的灵活性和可控性，并将输出电能变换(调频、整流或恒压等)为满足负荷供电要求的电能。

真空室的主要作用是提供真空环境，降低电机运行时的风阻损耗。

飞轮储能系统主要包括转子系统、轴承系统和转换能量系统三个部分构成。另外还有一些支持系统，如真空、深冷、外壳和控制系统。

1、转子系统

飞轮转动时动能与飞轮的转动惯量成正比。而飞轮的转动惯量又正比于飞轮直径的2次方和飞轮的质量（J=(0.5~1)*M*R^2,飞轮质量分布均匀时取0.5，质量完全集中在边缘时取1）。

当过于庞大、沉重的飞轮在高速旋转时，会受到极大的离心力作用，往往超过飞轮材料的极限强度，很不安全。因此，用增大飞轮转动惯量的方法来增加飞轮的动能是有限的。

2、轴承系统

支撑转子的轴承，支撑转子运动，降低摩擦阻力，使整个装置则以最小损耗运行。

3、转换能量系统

飞轮储能装置中有一个内置电机，它既是电动机也是发电机。在充电时，它作为电动机给飞轮加速；当放电时，它又作为发电机给外设供电，此时飞轮的转速不断下降；而当飞轮空闲运转时，整个装置则以最小损耗运行。

飞轮储能器中没有任何化学活性物质，也没有任何化学反应发生。旋转时的飞轮是纯粹的机械运动，飞轮在转动时的动能为：

E=1/2Jω/2

式中：J为飞轮的转动惯量

ω为飞轮旋转的角速度.

飞轮储能的技术优势是技术成熟度高、充放电次数无限以及无污染等特性。

飞轮储能的劣势也很明显：能量密度不够高、自放电率高，如停止充电，能量在几到几十个小时内就会自行耗尽。[1]

发展前景

飞轮储能的研究主要着力于研发提高能量密度的复合材料技术和超导磁悬浮技术。其中超导磁悬浮是降低损耗的主要方法，而复合材料能够提高储能密度，降低系统体积和重量。截止2012年我国还没有100千瓦、1万转以上的飞轮储能电机。

研究难点

飞轮储能技术主要结构和运行方法已经基本明确，主要正处于广泛的实验阶段，小型样机已经研制成功并有应用于实际的例子，正向发展大型机的趋势发展，但是却有非常多的难点，主要集中在以下几个方面。

(1)转子的设计：转子动力学，轮毂一转缘边界连接，强度的优化，蠕变寿命；

(2)磁轴承：低功耗，动力设计，高转速，长寿命；

(3)功率电子电路：高效率，高可靠性，低功耗电动/发电机；

(4)安全及保护特性：不可预期动量传递，防止转子爆炸可能性，安全轻型保护壳设计；

(5)机械备份轴承：磁轴承失效时支撑转子。飞轮储能系统优势突出，应用广泛，随着技术的成熟和价格的降低，将会是储能领域的一项新的革命。我国在飞轮技术上与发达国家差距很大，国家应对这一技术加以重视，加大资金和技术的投入，使这项技术早日走向市场化、商品化。

参考资料