飛輪儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)

飛輪儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)飛輪儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)飛輪儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)xxx公司飛輪儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)文件編號(hào)：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計(jì)，管理制度飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析及應(yīng)用現(xiàn)狀摘要：本文從飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理入手，首先介紹了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及其工作模式，然后對(duì)飛輪轉(zhuǎn)子、支承軸承、真空室、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)及電力電子裝置等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了全面的分析，并介紹了關(guān)鍵技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上對(duì)飛輪儲(chǔ)能的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述。關(guān)鍵詞：飛輪儲(chǔ)能；關(guān)鍵技術(shù)；應(yīng)用現(xiàn)狀中圖分類號(hào)：TK02文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0、前言隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源和環(huán)境問(wèn)題成為了中國(guó)快速發(fā)展主要阻礙。然而，在能源如此短缺的情況下，使用目前的耗能設(shè)備和耗能方式卻使得世界上總能量的50%～70%白白的浪費(fèi)了[1]。因此在開發(fā)新能源的同時(shí)，研究如何回收存儲(chǔ)被白白浪費(fèi)的能量也是非常重要的。目前的儲(chǔ)能方式主要有：化學(xué)儲(chǔ)能、物理儲(chǔ)能和超導(dǎo)儲(chǔ)能，在這幾種儲(chǔ)能方式中化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)比較成熟，并已得到廣泛的應(yīng)用，但是它使用壽命短、受外界條件影響顯著、對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。超導(dǎo)儲(chǔ)能對(duì)技術(shù)要求高、對(duì)環(huán)境要求苛刻暫時(shí)還不適合大規(guī)模應(yīng)用。由于物理儲(chǔ)能是利用物理方法將能量春初起來(lái)，所以不存在對(duì)環(huán)境污染問(wèn)題比較適合當(dāng)今的發(fā)展要求。物理儲(chǔ)能方式主要有抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能。在這幾種物理儲(chǔ)能方式中飛輪儲(chǔ)能以其在使用壽命、充電時(shí)間、效率方面的突出特點(diǎn)得到了廣泛的關(guān)注。1、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)基本的結(jié)構(gòu)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)又稱飛輪電池其基本結(jié)構(gòu)是由飛輪、軸承、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、電力電子控制裝置、真空室等五個(gè)部分組成[2]。其中飛輪是飛輪電池的關(guān)鍵部件，一般選用強(qiáng)度高密度相對(duì)較小的復(fù)合材料制作；軸承是支撐飛輪的裝置，由于磁懸浮支承可以降低摩擦損耗提高系統(tǒng)效率而成為了支撐技術(shù)的研究熱點(diǎn)；飛輪電池的電機(jī)是一個(gè)集成部件，可以在電動(dòng)和發(fā)電兩種模式下自由切換，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能的相互轉(zhuǎn)換；電力電子控制裝置主要是對(duì)輸出和回饋的電能進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)電力電子控制裝置的操作可以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛輪電機(jī)的各種工作要求的控制；真空室的功用有兩個(gè)即為飛輪提供真空環(huán)境降低風(fēng)阻損耗和在飛輪高速旋轉(zhuǎn)破裂時(shí)起到保護(hù)周圍人員和設(shè)備的作用。圖1給出了一種飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖1飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將能量以動(dòng)能的形式存儲(chǔ)起來(lái)的裝置。它有三種工作模式即充電模式、保持模式、放電模式。充電模式即飛輪轉(zhuǎn)子從外界吸收能量使飛輪轉(zhuǎn)速升高將能量以動(dòng)能的形式存儲(chǔ)起來(lái)；放電模式即飛輪轉(zhuǎn)子將動(dòng)能傳遞給發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能在經(jīng)過(guò)電力控制裝置輸出適合于用電設(shè)備的電流和電壓，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化；E=12mv（）式中v—飛輪邊緣線速度，m—飛輪的質(zhì)量，J—飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω—飛輪的角速度。由式（）可知飛輪具有的能量與飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、飛輪角速度的平方成正比，由此可知提高飛輪儲(chǔ)能量的方法有增大飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和提高飛輪轉(zhuǎn)速。由于可將飛輪看似薄圓盤因此求飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的公式為：J=0rr2dm式中r—飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑。有公式（）可知增加飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法有增加飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)半徑和增加飛輪質(zhì)量，然而在一般設(shè)計(jì)情況下在保證能量容量一定的情況下應(yīng)盡量縮減飛輪的質(zhì)量和體積，所以增加飛輪存儲(chǔ)能量的方法一般為提高飛輪轉(zhuǎn)速和減少飛輪質(zhì)量。圖2給出了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)圖。圖2飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)圖2、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析及研究狀況早在20世紀(jì)50年代飛輪儲(chǔ)能技術(shù)就得到了人們的關(guān)注，并將其應(yīng)用于電動(dòng)汽車中。但是受到當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的限制，未能取得突破性進(jìn)展。直到20世紀(jì)90年代，由于與飛輪電池儲(chǔ)能相關(guān)的技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，才使得飛輪電池儲(chǔ)能進(jìn)入了快速發(fā)展階段。飛輪轉(zhuǎn)子技術(shù)分析與研究現(xiàn)狀飛輪轉(zhuǎn)子技術(shù)分析飛輪電池是依靠飛輪轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)來(lái)存儲(chǔ)能量，從飛輪儲(chǔ)能原理可知飛輪轉(zhuǎn)速越高其存儲(chǔ)的能量就越多，然而隨著飛輪轉(zhuǎn)速的升高，飛輪在離心力作用下使其內(nèi)部所受應(yīng)力不斷增大，受材料許用應(yīng)力的限制使得飛輪轉(zhuǎn)速不可能無(wú)限制的增加。為了保證飛輪能夠安全可靠地運(yùn)行在選擇飛輪材料時(shí)必須進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果仔細(xì)選擇飛輪材料，對(duì)于一個(gè)薄壁圓筒飛輪有[4]：式中：—材料的最大抗拉強(qiáng)度，pa;—材料的密度，；—飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，；—飛輪轉(zhuǎn)子的極限角速度，rad/s；—飛輪的旋轉(zhuǎn)半徑，m。e為飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)引起的應(yīng)力達(dá)到材料抗拉強(qiáng)度極限值時(shí)單位質(zhì)量轉(zhuǎn)子所存儲(chǔ)的能量，即飛輪的極限儲(chǔ)能密度。由公式可知飛輪的儲(chǔ)能密度與材料的抗拉強(qiáng)度成正比，與飛輪材料密度成反比。因此為了增加飛輪的儲(chǔ)能密度應(yīng)該選用高比強(qiáng)度（δ/ρ）的材料制作飛輪。表1給出了不同飛輪材料的物理參數(shù)，其中儲(chǔ)能密度值是計(jì)算的等厚圓盤飛輪的理論值。從表中可以看出高強(qiáng)度鋼和鋁合金在抗拉強(qiáng)度和儲(chǔ)能密度兩個(gè)方面均不及復(fù)合材料，這也是早期飛輪儲(chǔ)能技術(shù)難以取得突破進(jìn)展的原因之一，復(fù)合材料在抗拉強(qiáng)度和儲(chǔ)能密度方面表現(xiàn)出的優(yōu)良特性使得復(fù)合材料成為制造飛輪轉(zhuǎn)子的理想材料。有研究表明，提高飛輪電池儲(chǔ)能密度的先決條件是制作飛輪的材料要有很高的強(qiáng)度，在材料滿足條件的前提下還要考慮飛輪的制作工藝，由于復(fù)合材料的各向異性，導(dǎo)致其沿纖維方向強(qiáng)度很高，而垂直纖維方向表現(xiàn)強(qiáng)度很低，為了最大限度的發(fā)揮復(fù)合材料沿纖維方向強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，一般采用環(huán)向纏繞的多層圓環(huán)結(jié)構(gòu)[5]。飛輪轉(zhuǎn)子技術(shù)現(xiàn)狀美國(guó)ActivePower公司研發(fā)的基于飛輪儲(chǔ)能的電源系統(tǒng)其轉(zhuǎn)子使用的材料是4340鍛鐵，飛輪轉(zhuǎn)速最高可達(dá)到7700r/min,并且該系統(tǒng)已經(jīng)規(guī)?；a(chǎn)[8]。波音公司在2010年設(shè)計(jì)的復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子，采用了環(huán)向纏繞的三層圓環(huán)結(jié)構(gòu)，根據(jù)每一層的受力特點(diǎn)使用了不同規(guī)格的碳纖維，使得飛輪的整體強(qiáng)度和材料利用率都得到了提高[9]。北京航空航天大學(xué)將使用碳纖維材料制造飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)用于航天器的姿態(tài)控制和能量存儲(chǔ)，該飛輪轉(zhuǎn)速可達(dá)500000r/min,儲(chǔ)能密度為·h/kg[10]。2012年7月，清華大學(xué)設(shè)計(jì)的質(zhì)量為1200kg的低速重型合金鋼飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到了3600r/min。該儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了100kW充電/500kW發(fā)電運(yùn)行，并且在儲(chǔ)能量和發(fā)電功率方面已經(jīng)具備了工業(yè)應(yīng)用的條件[11]。支承軸承技術(shù)分析與研究現(xiàn)狀支承軸承技術(shù)分析飛輪轉(zhuǎn)速的大小，可以決定飛輪電池存儲(chǔ)能量的多少，然而飛輪電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中飛輪所能達(dá)到的極限轉(zhuǎn)速除與飛輪本身的屬性有關(guān)外，還與支承軸承的選擇有很大的關(guān)系。因?yàn)轱w輪電池在能量保持模式時(shí)飛輪需要保持高速運(yùn)轉(zhuǎn)，這就需要軸承的摩擦損耗盡量小甚至為零，以減少能量白白地?fù)p耗，從而提高系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率。軸承在承受飛輪本體重量的同時(shí)，還要承受著飛輪轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)引起的離心力，這就要求支承軸承既要損耗少又要強(qiáng)度高。目前的支撐軸承可分為機(jī)械軸承、磁懸浮軸承和組合式軸承等。機(jī)械軸承由于摩擦損耗大、承載的極限轉(zhuǎn)速低不合適單獨(dú)作為高轉(zhuǎn)速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的支撐方式，由于其支撐強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，使得機(jī)械軸承適合于作為保護(hù)軸承或作為短時(shí)間快速充放電飛輪系統(tǒng)的支撐方式使用。由于磁懸浮軸承可以在無(wú)機(jī)械接觸的情況下承載，無(wú)機(jī)械摩擦損耗提高了系統(tǒng)儲(chǔ)能效率延長(zhǎng)了軸承使用壽命，使其成為了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的理想支撐方式。磁懸浮軸承分為永磁軸承、超導(dǎo)磁軸承和電磁軸承。支承軸承技術(shù)研究現(xiàn)狀韓國(guó)電力公司研究所研發(fā)的組合式軸承飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，飛輪轉(zhuǎn)速可達(dá)到12000r/min，該系統(tǒng)的組合式軸承是由一個(gè)高溫超導(dǎo)次軸承、一個(gè)角接觸球軸承和一個(gè)主動(dòng)電磁阻尼器組成[12]。波音公司研制的使用高溫超導(dǎo)磁軸承的小型飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，在全速時(shí)飛輪可以儲(chǔ)存5KW·h的動(dòng)能，它能夠提供3KW的三相208V電源到電力負(fù)載[13]。中國(guó)電力科學(xué)研究院的工程師研制出了一種可作為電動(dòng)汽車輔助動(dòng)力源的五自由度的主動(dòng)磁懸浮軸承飛輪電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，并進(jìn)行了飛輪電池樣機(jī)的30000r/min旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)[14]。西南交通大學(xué)超導(dǎo)技術(shù)研究所研制了一臺(tái)高溫超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲(chǔ)能樣機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了電能、機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換，該系統(tǒng)的飛輪轉(zhuǎn)速可以達(dá)到13000r/min[15]。電動(dòng)/發(fā)電機(jī)技術(shù)分析與發(fā)展現(xiàn)狀電動(dòng)/發(fā)電機(jī)技術(shù)分析在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中機(jī)械能到電能、電能到機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換是依靠集成的電動(dòng)/發(fā)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以電動(dòng)/發(fā)電機(jī)的性能的好壞直接影響著飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在充電時(shí)飛輪轉(zhuǎn)速增加到設(shè)計(jì)的極限轉(zhuǎn)速，在這個(gè)過(guò)程中電動(dòng)/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也在不斷升高；而在放電過(guò)程中隨著飛輪轉(zhuǎn)速的不斷降低，電動(dòng)/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之下降。因此在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電過(guò)程中電動(dòng)/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是在不斷變化的，這就要求飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)選用的電動(dòng)/發(fā)電機(jī)應(yīng)該滿足高轉(zhuǎn)速、高效率、自損耗低，適應(yīng)寬轉(zhuǎn)速范圍等條件。目前條件下可選擇應(yīng)用于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的電機(jī)有開關(guān)磁阻電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)等。表2給出了三種電機(jī)的相關(guān)性能參數(shù)對(duì)比。表2幾種電機(jī)的相關(guān)性能參數(shù)對(duì)比[16]電機(jī)類型永磁無(wú)刷直流電機(jī)感應(yīng)電機(jī)開關(guān)磁阻電機(jī)峰值效率/%95～9791～949010%負(fù)載效率/%90～9593～9480～87最高轉(zhuǎn)速/(r/min)>30000900～15000>15000控制其相對(duì)成本11～～4電機(jī)牢固性良好優(yōu)優(yōu)永磁電機(jī)以其效率高、能量密度大、維護(hù)方便、可在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)高效率運(yùn)行等特點(diǎn)使得在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。電動(dòng)/發(fā)電機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀韓國(guó)忠南大學(xué)的學(xué)者對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)使用的高速永磁同步電機(jī)進(jìn)行了研究，并于2009年設(shè)計(jì)了一臺(tái)高速雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)，該電機(jī)的功率為30KW/20000（r/min），在6000—13084r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)其效率均在99%以上[17]。美國(guó)宇航局在2012年設(shè)計(jì)的由兩臺(tái)錐型永磁同步電機(jī)組成的磁懸浮永磁電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子五自由度主動(dòng)控制，省去了磁軸承，進(jìn)而減小了系統(tǒng)的功率損耗，提高了系統(tǒng)效率，轉(zhuǎn)子的極限轉(zhuǎn)速也有所增加[18]。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)研制的由磁懸浮軸承支撐的75KW/60000（r/min）高速永磁電動(dòng)/發(fā)電機(jī)，其采用的定子環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)既可以提高冷卻效率又可以增加轉(zhuǎn)子剛度[19]。電力電子裝置技術(shù)分析電機(jī)選定之后，電力電子裝置的性能直接影響著飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的中動(dòng)能和電能之間的轉(zhuǎn)換是電動(dòng)/發(fā)電機(jī)在電力電子裝置的控制下實(shí)現(xiàn)的，輸入電能時(shí)將交流轉(zhuǎn)化為直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使飛輪轉(zhuǎn)速升高，存儲(chǔ)能量；輸出電能時(shí)將直流轉(zhuǎn)化為交流并經(jīng)過(guò)有整流、調(diào)頻、穩(wěn)壓后供給負(fù)載。而且電力電子裝置的使用壽命也決定了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命。美國(guó)BeaconPower公司使用脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了能量從直流母線到三相變頻交流的雙向轉(zhuǎn)換，并且可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)飛輪系統(tǒng)穩(wěn)速、恒壓的功能。真空室技術(shù)分析要提高飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率除了要減少摩擦損耗外盡量減低風(fēng)阻損耗也是非常必要的，對(duì)于高速飛輪減少風(fēng)阻的有效方法是將飛輪置于真空室內(nèi)，這樣既可以有效降低風(fēng)阻損耗又可以對(duì)事故進(jìn)行屏蔽。以目前的技術(shù)制造這樣的真空條件并不難，但是如何長(zhǎng)時(shí)間保持這種狀態(tài)才是問(wèn)題的難點(diǎn)，要想解決這個(gè)問(wèn)題就必須解決密封問(wèn)題和真空室內(nèi)材料逸出氣體問(wèn)題。真空度對(duì)系統(tǒng)效率起著主要的決定作用，目前國(guó)際上的真空度可以達(dá)到10-5量級(jí)。隨著真空度的增加風(fēng)阻損耗明顯下降，但是在此環(huán)境下散熱性能減弱，飛輪本體溫度升高較快。英國(guó)研究人員已經(jīng)驗(yàn)證了在低速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，氦氣環(huán)境可以減少風(fēng)阻損耗。3、飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀隨著磁懸浮技術(shù)、復(fù)合材料技術(shù)和電力電子轉(zhuǎn)換技術(shù)取得突破性進(jìn)展，飛輪儲(chǔ)能作為一種新的儲(chǔ)能方式得到了各國(guó)的普遍關(guān)注，并且已經(jīng)成功應(yīng)用于許多領(lǐng)域。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)汽車隨著能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的日益凸顯，開發(fā)節(jié)能環(huán)保型汽車已成為了未來(lái)汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，各個(gè)制造商紛紛把目光投向了混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和純電動(dòng)車，由于飛輪儲(chǔ)能與化學(xué)蓄電池相比具有儲(chǔ)能密度大、能量轉(zhuǎn)換效率高、充電速度快、使用壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)，因此可以將飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用在電動(dòng)汽車中，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)即可作為獨(dú)立的能量源驅(qū)動(dòng)汽車也可以作為輔助能源驅(qū)動(dòng)汽車，同時(shí)加入了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的汽車其再生制動(dòng)效率也比較高。美國(guó)飛輪系統(tǒng)公司（AFS）研制出的復(fù)合材料制作飛輪，成功將一輛克萊斯勒轎車改裝成純電動(dòng)汽車AFS20，該車由20節(jié)質(zhì)量為的飛輪電池驅(qū)動(dòng)。改裝后的電動(dòng)汽車性能良好，僅需秒就可以從零加速到96km/h，充電一次可行使里程為600km[5]。美國(guó)羅森公司研發(fā)的由飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力汽車，經(jīng)過(guò)道路測(cè)試其百公里加速時(shí)間僅為6s，且在長(zhǎng)時(shí)間不用的情況下，飛輪也能在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，在2min內(nèi)達(dá)到正常工作轉(zhuǎn)速。日本研制出的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)36000r/min的飛輪電池，將其應(yīng)用于電動(dòng)車中可對(duì)制動(dòng)時(shí)的能量進(jìn)行回收，這樣可以提高汽車的能源利用率，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)其機(jī)械能——電能轉(zhuǎn)化率可達(dá)85%[20]。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中由于其不穩(wěn)定性使得系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓、頻率隨時(shí)間不斷變化，這就需要這風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中引入一個(gè)即可以在能量過(guò)剩時(shí)吸收存儲(chǔ)多余的能量，又能在能量不足時(shí)快速為系統(tǒng)補(bǔ)充能量以穩(wěn)定系統(tǒng)電力輸出的裝置。目前一般使用蓄電池或柴油機(jī)來(lái)穩(wěn)定系統(tǒng)的電力輸出，但是這兩種方式都存在著一定的弊端，比如瞬間啟動(dòng)時(shí)蓄電能不能馬上為系統(tǒng)提供足夠的功率，且蓄電池本身也存在著對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題，然而柴油機(jī)組存在著必須啟動(dòng)30min后才能停機(jī)的特殊要求，對(duì)于時(shí)大時(shí)小的風(fēng)能來(lái)說(shuō)就存在著系統(tǒng)電能過(guò)剩問(wèn)題且頻繁的啟停影響柴油機(jī)的壽命[9]。美國(guó)的BeaconPower公司在紐約州史蒂芬鎮(zhèn)建設(shè)了20MW飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目，該項(xiàng)目既可以為紐約州的智能電網(wǎng)進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，又能將該地區(qū)風(fēng)力發(fā)電的過(guò)剩電能進(jìn)行緩存，并在用電高峰期將電力注入電網(wǎng)。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于不間斷電源（UPS）由于不間斷電源可以在提供不間斷供電、確保供電質(zhì)量使其在醫(yī)院、金融機(jī)構(gòu)、國(guó)防指揮中心、大型數(shù)據(jù)中心、政府重要部門以及大型生產(chǎn)企業(yè)等地方被廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的不間斷電源使用的是價(jià)格低廉、技術(shù)相對(duì)比較成熟的化學(xué)蓄電池作為儲(chǔ)能單元，但是其使用壽命短、充電時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)工作環(huán)境有特定要求、對(duì)環(huán)境還有污染。由于飛輪儲(chǔ)能具有充電時(shí)間短、反應(yīng)速度快、儲(chǔ)能密度大、對(duì)工作環(huán)境無(wú)特定要求、對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)使其成為替代化學(xué)電池應(yīng)用于不間斷電源的理想選擇。美國(guó)的ActivePower公司致力于使用飛輪儲(chǔ)能替代化學(xué)蓄電池儲(chǔ)能的全新不間斷電源系統(tǒng)的研究，該公司研制的飛輪不間斷電源可以提供最長(zhǎng)維持時(shí)間為幾分鐘的持續(xù)供電，并且系統(tǒng)效率高達(dá)98%[21]。加拿大礦物與能源研究中心（CANMET）開發(fā)的用于不間斷電源的飛輪電池，其功率為，質(zhì)量65kg，轉(zhuǎn)速15000～45000r/min，可存儲(chǔ)·h的能量[22]。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)其他應(yīng)用應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，美國(guó)的馬里蘭大學(xué)已開發(fā)出了用于航天器姿態(tài)控制的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，美國(guó)太空總署也已經(jīng)做過(guò)了太空運(yùn)行試驗(yàn)并已在空間站安裝了48個(gè)飛輪電池，可以提供超過(guò)150KW的能量[22,23]。應(yīng)用于軌道交通中，在列車制動(dòng)時(shí)將能量回收存儲(chǔ)到高速旋轉(zhuǎn)的飛輪中，當(dāng)列車牽引時(shí)將回收的能量在回饋給列車使回收的能量得以有效利用，這樣就可以極大地提高系統(tǒng)節(jié)能的效果，西門子公司研制的功率為3MW的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以回收30%的制動(dòng)能量[23]。4、結(jié)語(yǔ)飛輪儲(chǔ)能作為一種新型能源儲(chǔ)備方式以其儲(chǔ)能密度高、使用壽命長(zhǎng)、能量轉(zhuǎn)換效率高、充電時(shí)間短、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)受到了人們的廣泛重視，成為了能源界的研究熱點(diǎn)之一。隨著新型特殊材料技術(shù)、磁懸浮軸承技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)等取得突破性進(jìn)展，使得飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)越性得以充分展現(xiàn)，這使得飛輪儲(chǔ)能的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣許多科技企業(yè)也加入到了飛輪儲(chǔ)能的研發(fā)隊(duì)伍之中。隨著飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展，在不久的將來(lái)飛輪儲(chǔ)能將會(huì)像蓄電池和燃料電池一樣，作為獨(dú)立能源向系統(tǒng)提供電力。參考文獻(xiàn)：[1]張健.車輛高速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造與研究，2007,36（4）:52-54.[2]何瑞金.飛輪儲(chǔ)能控制系統(tǒng)及能量回饋技術(shù)的研究[D].上海：東華大學(xué)，2004.[3],Flywheelrotormanufactureforruralenergystorageinsub-SaharanAfrica.Energy,2011,36:6138-6145.[4]劉春和，張俊，潘龍飛.飛輪一新的儲(chǔ)能方式[J].微特電機(jī).2003，5:38-40[5]楊志秩.飛輪電池儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)研究[D].合肥:合肥工業(yè)學(xué),2002.[6]PostRF,FowlerTK.,Post,SF.Ahigh-efficiencyelectromechanicalbattery.ProceedingsoftheIEEE,1993,81(3):462--474.[7]NagyG,RosenwasserS.Theevaluationofadvancedcompositematerialperformanceinhighspeedpulsedpowerrotorapplications.IEEETransactionsonMagnetics,2001,37(1):314-317.[8]墨柯.飛輪儲(chǔ)能技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況[J].新材料產(chǎn)業(yè).2013，7:37-42[9]StrasikM,HullJR，MittleiderJA，etal.AnoverviewofBoeingflywheelenergystoragesystemswithhightemperaturesuperconductingbearings[J].SuperconductorScienceandTechnology，2010，23(3):21-23.[10]TangJ,ZhangY.High-speedcarbonfiberrotorforsuperconductingattitudecontrolandenergystorageflywheel[C].2012ThirdinternationalConferenceonDigitalManufacturingandAutomation(ICDMA),2012,477-481[11]戴興建，張小章，姜新建，王善銘，沈祖培，孫旭東.清華大學(xué)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)研究概況[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2012,1（1）:64-68.[12]周紅凱，謝振宇，王曉.車載飛輪電池的關(guān)鍵技術(shù)分析及其研究現(xiàn)狀[J].機(jī)械與電子,2014,1:3-7.[13]StrasikM,HullJR,MittleiderJA,etal.AnoverviewofBoeingflywheelenergystoragesystemswithhigh-temperaturesuperconductingbearings[J].SuperconductorScienceandTechnology,2010,23(31):1-6.[14]高輝，李懷良，翟長(zhǎng)國(guó)，陳良亮.電動(dòng)汽車磁懸浮飛輪電池儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2013,37（1）:186-190.[15]鄧自剛，林群煦，王家素，等.高溫超導(dǎo)磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)樣機(jī)[J].低溫物理學(xué)報(bào),2009,31（4）:311-314.[16]崔薇薇.車用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2012.[17]JangSM,YouDJ,KoKJ,etal.Designandexperimentalevaluationofsynchronousmachinewithoutironlossusingdouble-sidedHalbachmagnetizedPMrotorinhighpowerFESS[J].Magnetics,IEEETransactionson,2008,44(11):4337-4340.[18]PeterKascak,RalphJansen,TimothyDever,etal.MotoringPerformanceofaConicalPole-PairSeparatedBearinglessElectricMachine[J].IEEEEnergytechnology,2011:1-6.[19]鮑海靜，梁培鑫，柴鳳.飛輪儲(chǔ)能用高速永磁同步電機(jī)技術(shù)