飞轮电池储能技术分析

2018-01-26赵志芳

通信电源技术 2018年2期

赵志芳

（晋中职业技术学院车辆工程系，山西晋中 030600）

0 引言

目前，常用的储能方式主要有物理储能、化学储能以及超导储能。其中，化学储能技术已经比较成熟，并得到了广泛应用。但是，化学储能技术很容易受到环境的影响，使用周期较短，且电池废弃后对环境污染严重。超导储能技术对技术条件要求较高，在运行过程中需要的能量较少，不会污染环境。然而，由于超导线圈必须在低温条件下运行，所以超导储能技术无法大规模运用。物理储能技术通过物理储能方式将能量储能起来。在当前全球环境恶化、资源危机的情况下，物理储能技术得到了广泛关注。目前，物理储能技术主要有抽水储能、压缩空气储能以及飞轮储能技术。其中，飞轮储能技术由于在储能效率、时间等方面优势明显，具有广阔的应用前景。

1 飞轮电池储能系统的结构和工作原理

1.1 飞轮电池储能结构

飞轮、轴承、电动机、电力电子控制装置等元件构成了飞轮电池储能系统。其中，飞轮整个系统的关键元件，直接影响飞轮电池储能的效果。因此，一般选择强度高、密度小的复合材料。轴承是支撑飞轮的装置；飞轮电池电机是一个集成装置，可以确保飞轮电池在电动和发电两种模式下实现机械能和电能的互换；真空室的主要作用是为飞轮提供一个真空环境，确保飞轮在一个损耗低、飞轮高速运转的工作环境下工作时不会对设备和人员造成损害；电子电力控制装置则是对储能系统的输出和回馈电能进行控制，以确保飞轮电机的各种工作要求。

1.2 飞轮储能系统的工作原理

飞轮储能系统是通过高速运转飞轮将能量从动能转化为电能并存储起来的装置，具有充电、放电、储能功能。其中，电力电子变换装置为电能驱动电动机提供旋转动力，在电能驱动机的带动下飞轮旋转，并将动能储存起来[1]。当电动机外部需要电能时，飞轮带动发动机旋转，将存储的动能转化为电能，并通过电力电子变换装置转换为符合外部装置需要的电压和频率的电能。飞轮储能系统与其他电池储能系统不同，它的输入、输出结构相互独立，因此不需要设置两台发动机，减少了整个发电系统的重量。但是，飞轮储能系统在运行过程中速度非常快，可以达到50 000 r/min，普通的材料无法达到转动要求。因此，一般用碳纤维制作飞轮。碳纤维重量轻、强度大，可以进一步减轻整个储能结构的重量和充放电过程中的能量损耗，从而达到节能目的。飞轮是整个飞轮储能系统的关键部分，飞轮的重量对储能效果具有决定性作用。飞轮储能能量公式是E=mv2=Jω2，其中m表示飞轮质量，v表示飞轮边缘线的速度，J表示飞轮的转动惯性力，ω表示飞轮的角速度。可以看出，飞轮的能量和转动惯性、飞轮的角速度平方呈正比。所以，如果要提高飞轮的储能能量，可以采用增大飞轮的转动惯性或者提高飞轮转速。由此，得到飞轮转动惯性公式J=mr2，其中m表示飞轮质量，r表示飞轮转动的半径。从上述内容可以得到，如果想要提高电池储能效果，必须缩小飞轮的质量和体积[2]。

2 飞轮电池储能技术分析

2.1 飞轮转子技术

根据飞轮电池储能系统的工作原理可以得出，飞轮转速越快，电池储存的能量越多。但是，飞轮在离心力作用下，飞轮系统承受的额应力不断增加，这对飞轮材料的要求较高。在选择飞轮材料时，要充分考虑飞轮承受的应力。所以，需使用高强度、低密度的复合纤维飞轮。目前，选择的碳纤维复合材料的轮缘线速度可以达到1 000 m/s，超过了子弹速度，完全能够满足飞轮电池的转速要求。因此，要促进飞轮电池的大范围应用，只有等到碳纤维复合材料的诞生[3]。

2.2 支撑轴轮技术

支撑轴轮不仅要承受飞轮自身的质量，而且要承受飞轮在高速旋转过程中造成的离心力，所以对支撑轴轮的强度要求较高。支撑轴承分为机械轴承、组合式轴承和磁悬浮轴承等。机械轴承的摩擦小、承载转速能力低，所以无法作为高速飞轮支撑系统；磁悬浮轴承在没有机械接触的情况下承载，不会出现机械摩擦损耗，从而提高了飞轮电池储能系统的运行效率，延长了轴承使用时间。韩国电力公司研发的组合轴承飞轮转速达到了12 000 r/min，美国波音公司研制的高温超导磁轴承小型飞轮储能电池，在全速飞轮时可以存储5 kW/h的动能，并能提供3 kW三相208 V的电源电力负载[4]。我国西安交通大学研制的高温超导磁悬浮飞轮储能样机，能够实现机械能、电能的相互转换，飞轮转速达到了13 000 r/min。

2.3 电动/发电机技术

在飞轮电池储能系统中，动能和电能的转换依靠电动/发电技术完成的。所以，电动/发电机技术性能的优劣直接影响飞轮电池的储能效率[5]。飞轮储能系统充电过程中，飞轮转速必须增加到设计的极限，才能满足电动/发电机的转速要求。放电过程中，飞轮转速下降，电动/发电机的转速也逐步下降，对电动/发电机的要求较高。目前，能够达到高转速、高效率的电机有永磁电机、感应电机等。2009年，韩国忠南大学设计出一台高速双转子永磁电机，电机功率可达30 kW/20 000 r·min-1，并确保电机在6 000～13 804 r/min转速范围内的效率在99%以上。沈阳工业大学研制的磁悬浮轴承支撑系统，采用钉子换组绕组结构的高速永磁电机/发电机，转速为75 kW/60 000 r·min-1，不仅可以提高发电机的冷却效率，而且增加了转子的刚度。

2.4 飞轮储能技术

近年来，随着环境问题和能源危机问题的突出，环保节能电动汽车成为汽车工业未来发展的方向。美国特拉斯、日本丰田以及中国的比亚迪也纷纷开始研发纯电动汽车和混合动力汽车。与传统的化学蓄电池相比[6]，飞轮储能电池密度大、充电速度快、转换效率高、电池使用时间长等，所以将其应用于新能源汽车，可以提高汽车的制动效率。

3 飞轮电池储能技术发展方向

1994年，美国阿贡国家实验室用碳纤维制作了一个储能飞轮。它使用超导磁悬浮，飞轮直径为38 cm，重11 kg，飞轮线转速可达到1 000 m/s。它的储存能量能同时将10个100 W的灯泡点燃2～5个小时。1995年，美国得轮系统公司研发了一种可用于汽车的机电电池，电池直径23 cm、长度18 cm，重量为23 kg。这种机电电池使用20万转/分旋转的碳纤飞轮，每个电池的储电可达到1 kW/h。将12个机电电池安装在IMPACT轿车上，能使该车以100 km/h的速度行驶480 km。此外，这种机电电池的储能电能是铅酸电池的2.5倍，使用寿命是铅酸电池的8倍，但比功率是铅酸电池的25倍，所以储能效果十分明显。随后，日本科学家根据飞轮电池比功率高的特性，设置了引发可控热核聚变装置。这种装置的飞轮直径可达6.4 m，高度达1 m，重量达255 t，储能的电能可供具有150个车厢的列车以100 km/h的速度行驶。近年来，我国的飞轮电池储能技术也得到了很大进步。英利集团在2011年1月研发了1 kWh储能飞轮机。受材料和技术的限制[7]，目前飞轮电池价格非常昂贵，小场合的场地应用优势并不明显，但一些大型储能装置的节能效果非常好。

目前，在太空领域的飞船、空间站、人造卫星等领域，飞轮电池一次可以提供同质量化学电池2倍的功率。美国的太空总署空间站就安装了48个飞轮电池，一起可以持续供电超过150 kW的电能。与化学电池相比，飞轮电池每年可以节省200万美金的电能。此外，飞轮电池在火车、汽车等交通运输领域广泛应用。尤其是在当前新能源汽车领域[8]，采用内燃机和电机混合动力的飞轮电池，充电快，放电完全。汽车在正常行驶或者刹车过程中，飞轮电池自动对电池充电，当汽车在上坡或者加速过程中，飞轮电池释放电力给汽车提供动力，确保汽车在一个比较平稳的状态下运行，从而达到减小消耗、延长发动机使用时间的作用。美国TEXAS大学研制了一款汽车飞轮电池，电池可以为汽车提供150 kW·h的能量，确保汽车达到100 km/h的运行速度。德国西门子公司对火车领域进行研究，研发了一种长1.5 m、宽0.75 m的飞轮电池，可提供3 MW的功率。