1飞轮储能的工作原理和基本结构
1.1飞轮储能的工作原理
飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置。该系统采用物理方法进行储能，并通过电动/发电互逆式双向电机实现电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换和储存。 在储能时，外界电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电机带动飞轮转子加速旋转，直至达到设定的某一转速。在飞轮加速旋转的过程中，飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械动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，飞轮以设定的那一转速旋转，直到接受到一个能量释放的控制信号。释能时，电机作为发电机使用，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和电压，完成机械动能到电能转换的释放能量过程。在释能的过程中，飞轮的转速不断的下降。整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出。 作为电能存储的手段之一，它与其它形式的储能方式相比，优缺点列于下表。储能技术的比
较
项目 | 飞轮储能 | 电池 | 抽水蓄能 | 压缩空气/气体 | 小型超导储能 | 超导储能 | 燃气轮机 |
效率(%) | ~90 | ~70 | ~60 | <50 | ~90 | ~90 | ~50 |
储能容量 | 高 | 中 | 高 | 高 | 极低 | 高 | 无 |
模块性 | 复合柴油 是 | 是 | 否 | 否 | 是 | 否 | >30MW |
循环寿命 | 无限 | 几百 | 几千 | 几千 | 无限 | 无限 | 几千 |
充电时间 | 分 | 时 | 时 | 时 | 分 | 时 | 无 |
地点可用性 | 极高 | 中 | 低 | 低 | 高 | 很低 | 中 |
储能测定 | 极好 | 差 | 极好 | led照明电路极好 | 极好 | 极好 | 无 |
建设时间 | 以周计 | 月 | 年 | 年 | 周 | 年 | 月 |
环境影响 | 良好 | 大 | 极大 | 极大 | 良好 | 很好 | 大 |
事故后果 | 低 | 中 | 高 | 中 | 低 | 高 | 中 |
环境控制 | 无 | 显著 | 一些 | 一些 | 无 | 平板电脑支撑架无 | 一些 |
可用性 | 正在开发，少量已用 | 现在 | 现在，地理限制 | 现在，地理限制 | 正在开发 | 正在开发 | 现在 |
| | | | | | | |
1.2飞轮储能的基本结构
典型的飞轮储能系统由飞轮本体、轴承、电机/发电机、电力转换器和真空室5个主要组件构成。在实际应用中，飞轮储能系统的结构有很多种。图1所示是一种飞轮与电机合为一个整体的飞轮储能系统结构示意图。
飞轮本体是飞轮储能系统的核心部件，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动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。
电力转换器是为了提高飞轮储能系统的灵活性和可控性，并将输出电能通过调频、整流或恒压等变换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。
2国内外飞轮储能技术发展现状
2.1国外飞轮储能技术发展现状
美国、德国、日本等发达国家对飞轮储能技术的开发和应用比较多。日本已经制造出世界上容量最大的变频调速飞轮储能发电系统(容量26.5MVA ,电压1100V ,转速510690r/min ,转动惯量710t·m2) 。美国马里兰大学也已研究出用于电力调峰的24kwh的电磁悬浮飞轮系统。飞轮重172.8kg, 工作转速范围为11610—46345rpm,转速为48784rpm, 系统输出恒压1
10-240V , 全程效率为81%。经济分析表明, 运行3 年时间可收回全部成本。飞轮储能技术在美国发展得很成熟,他们制造出一种装置,在空转时的能量损耗达到0. 1 %每小时。欧洲的法国国家科研中心、德国的物理高技术研究所、意大利的SISE均正开展高温超导磁悬浮轴承的飞轮储能系统研究。
(1)、美国宇航局（NASA）Glenn 研究中心及其合作单位
NASA飞轮主要应用于航空航天，以及军用装甲车辆。用途主要是：能量储存；动力和姿态控制；峰值功率调节等。设计储能量为300-700Ws；储能密度44wh/kg；转速为60000rpm；线速度不小于880m/s。NASA的鼻渊散目标是建立和测试大型飞轮储能系统，预期目标：储能密度大于100wh/kg；线速度不小于1260m/s；工作高低转速比3：1；放电深度90%；运行转速内无临界模态。
(2)、Bescon Power 公司
Bescon Power 公司生产的飞轮电池用以满足迅速增长的、可靠的、分布式电源需求。建立为通讯应用提供后备电源的商业基础，估计每年拥有10000套飞轮系统需求，为电信/ 电缆设备提供备用电力供应的20C1000飞轮储能系统为主。
该飞轮电池采用高强度复合材料轮缘；高速、长寿命、无需维护、低损耗永磁偏置主动/被动磁轴承；直流永磁无刷、高效率、低损耗电动/发电机；正弦波脉宽调制实现驱动电压、电流一体化控制的双向换流器；真空密封，埋入地下，运行状况可以通过互联网进行监视。
飞轮电池的指标：工作转速30000-100000rpm，最高线速度700m/s，放电深度90%，电机效率96%,输出可用储量2000wh；输出电压为直流36V、48V 或96V，额定输出功率1kw；输入电压120/240 DC，50/60HZ，最大输入功率kw；转子重量68kg,飞轮模块重量383kg，电子模块重量90kg；设计寿命为20年，平均故障间隔时间为10万小时。
(3)、Active Power 公司
公司主要生产作为不间断电源(UPS) 的飞轮电池系统,以取代传统的铅- 酸电池，解决当今对于电力品质的高要求。公司产品的应用对象主要是广大工业用户，比如：先进的数据中心、工业设备和广播站等。目前，公司拥有29 项发明专利医用洗手刷，主要产品有Cat UPS 系列和Cleansource DC 系列。ActivePower 的飞轮材料为4340 锻铁，其飞轮转子与电动/ 发电机、磁轴承整合在一起。用磁铁卸去80 %的重量以延长飞轮轴承的寿命和减小损耗。飞轮
的工作转速在7000～7700rpm。工作维持时间为几十秒到几分钟。目前公司飞轮已经产品化出售，并在北京设有办事处。
(4)、德国Forschungszentrum karlsruhe Gmbh 公司
德国Forschungszentrum karlsruhe Gmbh 公司1997年着手设计5MWh/100MW超导飞轮储能电站的概念设计。电站由10个飞轮模块组成，每个模块储能0.5MWh，功率10MW，重30t，直径3.5m、高6.5m，用同步电动/发电机进行电能输入输出。每个模块包括一个电动/发电机子模块、4个碳纤维复合材料制成的转子模块和6个SMB子模块。每个飞轮转子储能125kwh，重3t，能量密度42wh/kg，运行转速为2250-4500rpm，最大外缘线速度600m/s，最大拉应力810Mpa。SMB由YBCO块材料和稀土铁棚型高强度永磁材料构成，耗用10t的YBCO块材和5t的永磁材料。系统效率96%。
(5)、日本
日本已投资3500 万美元进行高温超导磁悬浮轴承飞轮储能研究，研究组 由三菱、日立、精工等公司、多个研究所和高校组成。已研制出3 种试验模型机，并进行了储能8MW.h 、
容量1000kW 的飞轮储能机组的概念设计。日本原子能研究所一座大型核融合实验炉采用了飞轮储能发电装置，其主要参数为：功率235MVA、电压18kv、电流6898A、飞轮转速420-600rpm、可释放能量为0.20MJ，转子为碳素钢锻造的实心圆盘，重1000t。
2.2国内飞轮储能技术发展现状
我国在飞轮储能方面的研究起步比较晚。 从1995开始，清华大学和中科院电工所等单位才开始进行初步研究。目前，我国的飞轮储能技术还停留在实验室研究阶段，与国外技术水平相差10年以上。尤其在飞轮的转速、电机功率、系统效率等方面差距很大。
清华大学经过15年的研究，研制了3代飞轮储能实验原理样机：300Wh永磁一流体动压悬浮飞轮储能系统、500Wh飞轮储能UPS、300Wh电磁悬浮飞轮储能系统。
2004年，北京航空航天大学在“863”项目的支持下研制成功国内第一台航天用外转子磁悬浮储能飞轮，2005年5月研制成功国内第一台内转子磁悬浮储能飞轮。
3飞轮储能系统的应用
3.1电动汽车的飞轮电池
飞轮储能系统安装在电动汽车里，作为电动汽车的动力源，称之为飞轮电池。80年代初，瑞士Oerlikon工程公司，研制成功完全由飞能的第一辆公共汽车。
3.2风力发电系统的不间断供电
风力发电由于风速不稳定，给风力发电用户在使用上带来了困难。传统的做法是安装柴油发电机，但由于柴油机本身的特殊要求，在启动后30分钟内才能停机，而风力常常间断数秒，数分钟。这就出现了两个问题：柴油机组频繁启动，影响使用寿命；风机重启动后柴油机同时作用，会造成电能过剩。考虑到飞轮储能量大，储能密度高，充电快捷，充放电次数无限，因此。国外不少科研机构已将飞轮储能引入风力发电系统，即：风力发电机组+内燃机组+飞轮储能。
美国的Vista Tech Engineering，Ine将飞轮引入到风力发电系统，实现全程调峰，飞轮机组的发电功率为300kW，大容量储能飞轮的储能为277kW/h。试验表明．风力发电系统电能输出性能及经济性能良好，较未采用飞轮储能有很大改善 。
3.3免蓄电池磁悬浮飞轮储能UPS
(1)在市电输入正常，或者在市电输入偏低或偏高(一定范围内)的情况下，UPS通过其内部的有源动态滤波器对市电进行稳压和滤波，保证向负载设备提供高品质的电力保障，同时对飞轮储能装置进行充电，UPS利用内置的飞轮储能装置储存能量。
(2)在市电输入质量无法满足UPS正常运行要求，或者在市电输入中断的情况下，UPS将储存在飞轮储能装置里的机械能转化为电能，继续向负载设备提供高品质并且不间断的电力保障。
(3)在UPS内部出现问题影响工作的情况下，UPS通过其内部的静态开关切换到旁路模式，由市电直接向负载设备提供不间断的电力保障。
(4)在市电输入恢复供电，或者在市电输入质量恢复到满足UPS正常运行要求的情况下，则立即切换到市电通过UPS供电的模式，继续向负载设备提供高品质并且不间断的电力保障，并且继续对飞轮储能装置进行充电。
3.4其他应用
飞轮储能系统还可以应用在电力调峰、不间断电源、大功率脉冲放电电源、赛车、通讯系
超声波换能片统信号传输等。
4飞轮储能系统的技术难点
飞轮储能系统的技术难点，主要集中在以下方面：
(1)转子的设计：轮毂与转缘边界的连接，强度的优化，蠕变寿命；
(2)磁轴承：低功耗、高效率、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：防止不可预期的动能传递，防止转子爆炸的可能性，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。
5飞轮储能的发展方向
飞轮储能技术作为21世纪国际能源界研究的热点之一。其今后的发展方向及研究热点可以
是一下几点：
(1)超大储能量、大功率飞轮的研制；
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