飞轮储能关键技术及其发展现

1 引言

能源问题是 21世纪人类所面临的重大课题之一，在不断开发新能源的同时，为了更有效地利用现有的能源需要发展先进的节能技术和储能技术。飞轮储能是可以将电能、风能、太阳能等能源转化成飞轮的旋转动能加以储存的一种新型的高效的机械储能技术。飞轮储能的主要特点为[1]：①储能密度高，功率密度大，因而在短时间内可以输出更大的能量，这非常有利于电磁炮的发射和电动汽车的快速启动；②能量转换效率高，一般可达 85%～95%；③对温度不敏感，对环境友好；④使用寿命和储能密度不会因过充电或过放电而受到影响，只取决于飞轮电池中电子元器件的寿命，一般可达20年左右；⑤容易测量放电深度和剩余“电量”；⑥充电时间短，是属于分钟级别；⑦与某些其他装置组合使用时，如与其他动力装置一起混合用于电动汽车上，与卫星姿态控制装置结合用于卫星上，与传统的发电机组混合用于分布式发电系统中，它的优势更加明显。

图1将飞轮储能与几项储能技术（燃气轮机、电池、抽水储能、超导储能）的五项性能指标（能量转换效率、使用寿命、维护周期、储能容量及充电时间）进行比较。从图1中可以看出：作为传统储能技术的代表，电池的能量转换效率为 65%～75%，使用寿命为3～5年，维护周期为半年以内，储能容量一般，充电时间长（属于小时级别）；而作为新兴储能技术的代表—超导储能，其能量转换效率为85%～95%，使用寿命为15～20年，需要经常维护，储能容量高，充电时间短（属于分钟级别）。经过比较几种储能技术可以得出：飞轮储能技术无论和传统的储能技术相比较还是与新兴的储能技术相比较，都有自己的优势，随着现代电动/发电机技术、电力电子技术、新材料技术、磁悬浮技术和控制技术的进一步发展，这一新型储能技术必将会掀起一场绿色革命，为解决能源问题贡献力量。

图1 储能技术比较
Fig.1 Comparison of energy storage technology

2 飞轮储能工作原理

飞轮储能又称飞轮电池，是一种机-电能量转换与储存装置，其工作原理为：电力电子变换装置从外部输入电能驱动电动机旋转，电动机带动飞轮旋转，飞轮储存动能（机械能），当外部负载需要能量时，用飞轮带动发电机旋转，将动能转化为电能，再通过电力电子变换装置变成负载所需要的各种频率、电压等级的电能，以满足不同的需求。图2所示为德国Enercon公司生产的一款飞轮储能装置[2]，由于其构造简单，这款装置已经广泛应用于商业中小装机容量的发电机组。

图2 飞轮储能图片（200kW，5kWh）
Fig.2 Flywheel energy storage system (200kW, 5kWh)

3 飞轮储能系统关键技术分析

飞轮储能系统的结构主要有五部分组成：飞轮转子、支撑轴承、能量转换系统、电动/发电机、真空室，下面围绕飞轮储能的五大关键技术进行分析。

3.1 飞轮转子

飞轮储能系统中最重要的环节即为飞轮转子，整个系统得以实现能量的转化就是依靠飞轮的旋转。

飞轮旋转时的动能E表示为

式中 J，ω—飞轮的转动惯量和转动角速度。

由式（1）可见，为提高飞轮的储能量可以通过增加飞轮转子转动惯量和提高飞轮转速来实现。这需解决4个问题：①转子材料选择；②转子结构设计；③转子制作工艺；④转子的装配工艺。

3.1.1 飞轮转子材料的选择

通过提高转速来增加动能，如果转速超过一定值，飞轮将会因离心力而发生破坏，原因是受到制造飞轮所用材料强度限制。储能计算公式为

式中 e—飞轮的储能密度，Wh/kg；

Ks—飞轮形状系数；

ρ—材料的比重，kg/cm3；

σ —材料的许用应力，MPa。

由式（2）可以计算出不同材料制造的飞轮储能密度。在设计飞轮的时候，要选用一些低密度、高强度复合材料，如超强碳纤维等纤维（或玻璃纤维—环氧树脂复合材料作为飞轮转子的材料，材料的选择直接影响着飞轮储能系统稳定性。

3.1.2 飞轮转子结构设计

由3.1.1节可知，飞轮转子最适合采用复合材料制造，由于复合材料具有可设计性，但缠绕加工工艺较复杂，不易制作形状复杂的飞轮，因此复合材料飞轮大多采用圆环形状，精心设计飞轮的结构形状，可以提高飞轮的形状系数。由文献[3]可知，多层转子结构可使飞轮线速度和储能密度得到提高。从现在的发展来看，许多国家还把飞轮形状做成了纺缍状、伞状、实心圆盘、带式变惯量与轮幅状等，并且应用到了实际系统中，实现了预想效果。

3.1.3 飞轮制作工艺[4]

鉴于复合材料飞轮本体的特点，制备过程主要采用缠绕成型法。由于湿法缠绕成本低、缠绕制品的气密性好，在复合材料飞轮的缠绕过程中采用湿法缠绕工艺。

3.1.4 多环过盈装配工艺[4]

过盈装配思想发展而来的多环过盈装配技术有效增强飞轮径向强度的方法被广泛应用于飞轮实际工程设计中。实际上多环过盈装配中的多个复合材料环套是分别在不同金属芯轴上利用张紧力缠绕工艺制成的。从这个角度来讲，多环过盈装配工艺和张紧力缠绕工艺是密切相关。

3.2 飞轮储能的轴承支承系统

支承高速飞轮的轴承技术是制约飞轮储能效率、寿命的关键因素之一，飞轮储能的支承方式主要有四种：

3.2.1 机械轴承

机械轴承主要有滚动轴承、滑动轴承、陶瓷轴承和挤压油膜阻尼轴承等，其中滚动轴承和滑动轴承常用作飞轮系统的保护轴承，陶瓷轴承和挤压油膜阻尼轴承在特定的飞轮系统中获得应用[5]。

3.2.2 被动磁轴承（Permanent Magnetic Bearing，PMB）

被动磁轴承有两种，即永磁轴承和超导磁轴承：

（1）永磁轴承：随着永磁材料的快速发展，永磁轴承的承载力迅速增加，且具有能耗低，无需电源，结构简单等优点。但是只用永磁轴承是不可能实现稳定悬浮，需要至少在一个方向上引入外力（如电磁力、机械力等）[5-6]。

（2）超导磁轴承（Superconducting Magnetic Bearing，SMB）：当外部磁场（磁体）接近超导体时，在超导体内部感应电流，感应电流产生的磁场与外部磁场方向相反，大小相同，这相当于在超导体背后出现了外部磁场的镜像磁场，由此，产生超导体和磁体之间的电磁斥力，使超导体或永久磁体稳定在悬浮状态。

3.2.3 主动磁轴承（Active Magnetic Bearing，AMB）

主动磁轴承又称为电磁轴承，它通过控制电磁线圈中的电流大小产生电磁力，对轴承的位置进行主动控制，具有阻尼和刚度可调的优点。电磁铁须同时提供静态偏置磁通及控制磁通，在稳态悬浮时，要靠功率放大电路提供静态偏置电流，因而功放损耗较大，散热器体积较大。

3.2.4 组合式轴承

除了以上介绍的机械轴承、被动磁轴承和主动磁轴承之外，目前飞轮储能系统经常选择几种类型的轴承组合起来使用[7]。

（1）永磁轴承与机械轴承相混合。

（2）电磁轴承与机械轴承相混合。

（3）永磁轴承与电磁轴承相混合，此类混合轴承的静态偏置磁通由永磁体提供，吸力盘在平衡位置时不需要控制电流，仅靠永磁体产生的磁通使转子悬浮于平衡位置，减小了功耗和磁悬浮轴承重量。

（4）永磁轴承与超导电磁轴承相混合，一般是用高温超导体作定子，常规的永磁体作转子。液氮温度下，高温超导体进入超导混合态后，由于钉扎中心的存在磁通线被其阻滞运动，即被超导体俘获，当超导体俘获了足够的磁通时，便使转子自由悬浮在某一位置上；同时超导体特有的磁通钉扎能力阻止俘获磁通运动，保证侧向稳定性，从而实现了转子稳定的悬浮。

3.3 能量转换环节

飞轮储能系统的核心是电能与机械能之间的转换，所以能量转换环节是必不可少的，它决定着系统的转换效率，支配着飞轮系统的运行情况。电力电子转换器对输入或输出的能量进行调整， 使其频率和相位协调起来。总结起来，在能量转换装置的配合下，飞轮储能系统完成了从电能转化为机械能，机械能转化为电能的能量转换环节。

（1）电能转化为机械能。此时是对飞轮储能系统输入能量过程，电力电子转换器对充电电流进行调整，将电网的交流电转换成直流，驱动电动/发电机，使飞轮的转速增加，并确保飞轮运转的平稳、安全和可靠。此时，电机升速，可以采用两种变频控制方式：恒转矩控制和恒功率控制。

（2）以动能形式存储电能。此过程飞轮高速旋转，储存动能。飞轮达到一定转速后转入低压模式，由电力电子装置提供低压，维持飞轮储能能量的机械损耗为最小水平，维持飞轮的转速。

（3）机械能转化为电能。此时是飞轮储能系统向外输出能量的过程，电力电子转换器将发出的电能转换成与电网频率和相位一致的交流电， 送到电网中去。根据电网的具体运行情况，高速旋转的飞轮通过高速发电机将飞轮动能转换成电能，此过程中，电机作为发电机运行，电机的输出电压与频率随转速变化而不断变化，但是一段时间后，飞轮不断减速，造成输出电压降低，为确保输出电压平稳，因此，需要升压电路将电压提升。

在储存能量时，要求系统要有快的反应速度及尽可能快的储能速度；在维持能量时，保持系统的稳定运行及最小损耗；在释放能量时能满足负载的频率和电压的要求。上述几环节协调一致、连续运行，就可以完成电能的高效存储。

3.4 电动/发电机

飞轮储能中的电动/发电机是一个集成部件，主要充当能量转换角色，充电时充当电动机使用，而放电时充当发电机使用，因此，可以大大减少系统的大小和重量。通常选择电机时要考虑几方面因素：①经济方面考虑：选择能满足要求的最低价格的电机即可；②使用寿命长：由于所设计的飞轮储能系统要求长时间的储能运行，要求电机的空载损耗极低，所以电机必须满足这一要求；③能量转换效率高，调速范围大；④飞轮储能过程中要求系统有尽可能快的储能速度，要求电机作为电动机使用时有较大的转矩和输出功率。

3.5 真空室

真空室是飞轮储能系统工作的辅助系统，保护系统不受外界干扰，不会影响外界环境。主要作用：①提供真空环境，以降低风损；②屏蔽事故。

4 国内外飞轮储能关键技术的发展现状

近年来，飞轮储能技术发展非常迅速。国内外都积极地投入大量资金和人力在这项储能技术上，目前已经有了可喜成果，以飞轮储能五大关键技术为出发点，分别对其技术发展现状进行阐述。

4.1 飞轮转子技术现状

美国休斯顿大学的德克萨斯超导中心致力于纺锤形飞轮开发，这是一种等应力设计，形状系数等于或接近 1，材质同样为玻璃纤维复合材料，储能1kWh、重19kg、飞轮外径30.48cm[8]。

美国Beacon电力公司推出的Beacon智能化储能系统，其飞轮转子以一种强度高、重量轻的石墨和玻璃纤维复合材料制成，用树脂胶合。

美国Satcon技术公司开发的伞状飞轮，这种结构有利于电机的位置安放，对系统稳定性十分有利，转动惯量大，节省材料，轮毂强度设计合理[8]。

NASA Glenn中心和美国宾州州立大学高级复合材料制造中心等单位均采用湿法缠绕工艺制备了复合材料飞轮[4]。

4.2 飞轮储能的轴承支承系统技术现状

4.2.1 机械轴承

美国TSI公司应用高级的润滑剂、先进的轴承材料及设计方法和计算机动态分析，成功地开发出内部含有固体润滑剂的陶瓷轴承，最新又研制的基于真空罩的超低损耗轴承，其摩擦系数只有0.000 01[5]。

4.2.2 被动磁轴承（PMB）

目前对永磁轴承的研究较少，目前主要集中在对超导磁轴承（SMB）的研究上[7]。

西南交通大学超导技术研究所从20世纪90年代初期开始，就一直致力于高温超导磁悬浮技术的应用基础研究，2000年研制成功了世界首辆载人的高温超导磁悬浮实验车。

日本ISTEC正在对10kWh/400kW等级飞轮系统中的SMB进行组装实验，同时加工设计100kWh等级飞轮定子。

德国 ATZ公司则从 2005年开始对 5kWh/250kW等级的飞轮进行研究。图 3为 ATZ公司与L-3MM合作生产的高温超导储能，并即将进行工程应用电性能测试。并且两家机构还达成共识，准备为韩国当地UPS市场开发一套15kWh/400kW的高温飞轮储能系统[9]。

图3 ATZ/MM高温超导飞轮储能
Fig.3 ATZ/MM HTS flywheel

4.2.3 主动磁轴承（AMB）

马里兰大学长期从事电磁悬浮储能飞轮开发，采用差动平衡磁轴承，已完成储能 20kWh飞轮研制，系统效率为81%。另外大力开展电磁悬浮飞轮研究的还有劳伦斯国家实验室等[8]。

韩国机械和材料学院研制出了5kWh的飞轮储能系统，该系统采用两个径向主动磁轴承和一个止推磁轴承支承，采用 PD控制器及陷波滤波器使飞轮到达15 000r/min的转速，并且采用主从机通信及利用Matlab实时调整参数的方法，使得频率响应函数计算简便且监控信号容易获得[10]。

4.2.4 组合式轴承

（1）永磁轴承与机械轴承相混合。美国西雅图的华盛顿大学，正在研制1kWh永磁轴承和宝石轴承混合支承飞轮：永磁轴承用于立式转子上支承，并卸载以降低下支承的摩擦功耗，宝石轴承作为下支承，同时引入径向电磁支承，作为振动的主动控制，以确保系统的稳定性[8]。华北电力大学设计并制作的飞轮储能系统：转子质量 334kg，转动惯量10.43kg·m2，轴承采用的是永磁轴承和油浮轴承组成的混合式轴承系统。

（2）电磁轴承与机械轴承相混合。美国Active Power，欧洲 Urenco和德国 Piper等公司生产的采用飞轮储能技术的小间断电源己经在世界范围内销售，这些产品中飞轮的支承系统采用的都是电磁轴承和机械轴承组合技术。

（3）永磁轴承与超导磁轴承相混合。中国科学院电工研究所研制了一台采用永磁轴承卸载，轴向位置确定，超导磁轴承提供稳定的立轴旋转机构，径向刚度大于 3N/mm，径向振动小于 10µm。还提出了立式永磁有源超导混合磁轴承（PASMB）研究方案：采用PMB轴向卸载，一个SMB确保系统稳定，一个AMB提高径向刚度及阻尼[5]。

4.3 能量转换环节技术现状

马里兰大学已开发出“敏捷微处理器电力转换系统”。在电动模块时，“敏捷微处理器电力转换系统”功能为电动机控制器，而发电模块时，其功能为交流转换器。该“电力转换系统”全部为固定部件，由固态开关、过滤器、控制电路及二极管组成，属共振转换器。当电压式电流过零时，使用自然整流控制动力在“共振箱”内的输入、输出。因为电压电流为零开关操作，加之自然整流，所以，动力损耗极小，这样共振频率能大幅提高[8]。美国Beacon动力公司采用脉冲宽度调制转换器，实现从直流母线到三相变频交流的双向能量转换。飞轮系统具有稳速、恒压功能，此功能是运用一个专门算法自动实现，而不需要指定主动或从动元件。

4.4 电动/发电机技术现状

从系统结构及降低功耗出发，国外研究单位一般均采用永磁无刷同步电动/发电互逆式双向电机。电机功耗还取决于电枢电阻、涡流电流和磁滞损耗，因此，无铁静子获得广泛应用，转子选用钕铁硼永磁磁铁[8]。

美国劳伦斯国家实验室应用永磁钕铁硼材料特别排列成静子，产生一旋转偶极区，转子多相缠绕电感低，静子铜损通过冷却加以控制[8]。

西安理工大学与西安永电电气有限责任公司合作研究的是采用无刷直流电机的飞轮储能，对其电动/发电机的控制器进行了改进。由于无刷直流电动机固有的转矩脉动限制了其应用范围，在充电环节，采用升降压斩波电路用来扩大调速范围，在低速时，采用恒转矩控制，在高速时，采用恒功率控制。

4.5 真空室技术现状

AFS公司研制的飞轮用碳纤维环氧树脂复合材料绕制，即使万一高速下破裂，飞轮立即转变为棉絮状结构，且飞轮外有金属外壳，对车内成员不构成威胁。

Beacon动力公司设计一个混凝土结构圆柱型真空室：为了安全，真空室置于地下，这样就不会对地面上的人员造成伤害，而且此结构上端覆盖钢制安全盖，并用螺母锁紧，相当于加了双保险，采用多层结构的容器可以抑制转子破裂所释放出来的热能冲击。

5 飞轮储能关键技术的未来展望

在未来几十年里，作为新一代储能装置，飞轮储能将逐步取代传统储能技术，获得更加广泛的应用，飞轮储能关键技术的发展方向及研究热点有以下几点：

（1）飞轮转子的材料选择、结构设计、制作工艺及装配工艺四个方面的改进都有助于增加飞轮储能系统的储能密度，提高飞轮储能的性能。例如三维编织复合材料有着卓越的力学性能、整体性以及可设计性，随着三维编织技术的日益成熟，应用三维编织技术和 RTM 工艺制作飞轮转子以改善飞轮转子的综合力学性能，提高飞轮的储能密度，将成为今后的研究方向[11]。

（2）无轴承电机具有体积小，能量消耗低，较短的轴长和更高的临界速度等优点，代替传统的飞轮储能支承形式是必然的趋势。由于无轴承电机和传统的电机在结构、控制系统方面有很大的区别；无轴承电机本身产生悬浮力的磁场和电机原有磁场的依存关系错综复杂；飞轮储能的电机本身是电动/发电机双向电机，因此，对其控制要求更高，是飞轮储能下一步值得研究热点。

（3）国内对飞轮储能的研究主要集中在飞轮转子和轴承支承系统，在电力电子控制方面的研究与国外尚有差距，还没有开发出转换控制器，研究工作正在进行当中。随着国内电力电子技术与设备的突飞猛进，学者对飞轮储能的转换控制器的研究也日趋火热，并且结合目前在电机控制方面先进控制思想与方法，提出新的控制方法将会是今后研究的热点[12]。

（4）由于不存在模拟器件的特性漂移和偏差，全数字化集成电动/发电机伺服系统的可靠性要远远高于模拟系统，数字系统的控制逻辑由软件来实现，增加了系统使用与设计的灵活性；另外数字系统在速度和精度方面也要明显优于模拟系统，因此集成电动/发电机伺服系统的全数字化是发展的必然趋势[12]。

（5）随着飞轮储能储存密度逐渐增高，飞轮转速越来越高，其辅助设施安全应该倍加注意，结构装置等应该更巧妙地设计，保证人身及其他设备的安全。

6 结论

飞轮储能具有大储能容量、高效率、无污染、适用广、无噪声、长寿命、维护简单及可实现连续工作等优点，已成为国际能源界研究的热点之一。本文在介绍飞轮储能工作原理的基础上，对飞轮转子、轴承支承系统、能量转换环节、电动/发电机与真空室等关键技术进行了全面的阐述，并对关键技术在国内外的发展现状进行了介绍，在此基础上指出了未来飞轮储能研究发展趋势，为进一步研究飞轮储能技术指明方向。