飛輪儲能介紹

飛輪儲能思想早在一百年前就有人提出，但是由于當時技術條件的制約，在很長時間內都沒有突破。直到20世紀60~70年代，才由美國宇航局（NASA）Glenn研究中心開始把飛輪作為蓄能電池應用在衛星上。到了90年代后，由于在以下3個方面取得了突破，給飛輪儲能技術帶來了更大的發展空間。

（1） 高強度碳素纖維復合材料（抗拉強度高達8．27GPa）的出現，大大增加了單位質量中的動能儲量。

（2） 磁懸浮技術和高溫超導技術的研究進展迅速，利用磁懸浮和真空技術，使飛輪轉子的摩擦損耗和風損耗都降到了最低限度。

（3） 電力電子技術的新進展，如電動／發電機及電力轉換技術的突破，為飛輪儲存的動能與電能之間的交換提供了先進的手段。儲能飛輪是種高科技機電一體化產品，它在航空航天（衛星儲能電池，綜合動力和姿態控制）、軍事（大功率電磁炮）、電力（電力調峰）、通信（UPS）、汽車工業（電動汽車）等領域有廣闊的應用前景。

飛輪儲能的工作原理

飛輪儲能系統是一種機電能量轉換的儲能裝置，突破了化學電池的局限，用物理方法實現儲能。通過電動／發電互逆式雙向電機，電能與高速運轉飛輪的機械動能之間的相互轉換與儲存，并通過調頻、整流、恒壓與不同類型的負載接口。

在儲能時，電能通過電力轉換器變換后驅動電機運行，電機帶動飛輪加速轉動，飛輪以動能的形式把能量儲存起來，完成電能到機械能轉換的儲存能量過程，能量儲存在高速旋轉的飛輪體中；之后，電機維持一個恒定的轉速，直到接收到一個能量釋放的控制信號；釋能時，高速旋轉的飛輪拖動電機發電，經電力轉換器輸出適用于負載的電流與電壓，完成機械能到電能轉換的釋放能量過程。整個飛輪儲能系統實現了電能的輸入、儲存和輸出過程。

飛輪儲能的優缺點

飛輪儲能就是在需要能量時，飛輪減速運行，將存儲的能量釋放出來。飛輪儲能其中的單項技術國內基本都有了（但和國外差距在10年以上），難點在于根據不同的用途開發不同功能的新產品，因此飛輪儲能電源是一種高技術產品但原始創新性并不足，這使得它較難獲得國家的科研經費支持。

不足之處：能量密度不夠高、自放電率高，如停止充電，能量在幾到幾十個小時內就會自行耗盡。只適合于一些細分市場，比如高品質不間斷電源等。

輪儲能系統的基本結構

典型的飛輪儲能系統由飛輪本體、軸承、電動/發電機、電力轉換器和真空室5個主要組件構成。在實際應用中，飛輪儲能系統的結構有很多種。圖1是一種飛輪與電機合為一個整體的飛輪儲能系統。飛輪貯能系統是由高速飛輪轉子磁軸承系統、電動／發電機、電力變換系統和真空罩等部分組成。圖1為飛輪儲能系統模塊示意圖。

飛輪本體是飛輪儲能系統中的核心部件，作用是力求提高轉子的極限角速度，減輕轉子重量，最大限度地增加飛輪儲能系統的儲能量，目前多采用碳素纖維材料制作。

軸承系統的性能直接影響飛輪儲能系統的可靠性、效率和壽命。目前應用的飛輪儲能系統多采用磁懸浮系統，減少電機轉子旋轉時的摩擦，降低機械損耗，提高儲能效率。

飛輪儲能系統的機械能與電能之間的轉換是以電動/發電機及其控制為核心實現的，電動/發電機集成一個部件，在儲能時，作為電動機運行，由外界電能驅動電動機，帶動飛輪轉子加速旋轉至設定的某一轉速；在釋能時，電機又作為發電機運行，向外輸出電能，此時飛輪轉速不斷下降。顯然，低損耗、高效率的電動/發電機是能量高效傳遞的關鍵。

電力轉換裝置是為了提高飛輪儲能系統的靈活性和可控性，并將輸出電能變換（調頻、整流或恒壓等）為滿足負荷供電要求的電能。

真空室的主要作用是提供真空環境，降低電機運行時的風阻損耗。

飛輪儲能系統的應用

1、蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS

（1）在市電輸入正常，或者在市電輸入偏低或偏高（一定范圍內）的情況下，UPS通過其內部的有源動態濾波器對市電進行穩壓和濾波，保證向負載設備提供高品質的電力保障，同時對飛輪儲能裝置進行充電，UPS利用內置的飛輪儲能裝置儲存能量。

（2）在市電輸入質量無法滿足UPS正常運行要求，或者在市電輸入中斷的情況下，UPS將儲存在飛輪儲能裝置里的機械能轉化為電能，繼續向負載設備提供高品質并且不間斷的電力保障。

（3）在UPS內部出現問題影響工作的情況下，UPS通過其內部的靜態開關切換到旁路模式，由市電直接向負載設備提供不問斷的電力保障。

（4）在市電輸入恢復供電，或者在市電輸入質量恢復到滿足UPS正常運行要求的情況下，則立即切換到市電通過UPS供電的模式，繼續向負載設備提供高品質并且不間斷的電力保障，并且繼續對飛輪儲能裝置進行充電。

2、動汽車電池

目前隨著環境保護意識的提高以及全球能源的供需矛盾，開發節能及采用替代能源的環保型汽車，以減少對環境的污染，是當今世界汽車產業發展的一個重要趨勢。汽車制造行業紛紛把目光轉向電動汽車的研制。能找到儲能密度大、充電時間短、價格適宜的新型電池，是電動汽車能否擁有更大的機動性并與汽油車一爭高下的關鍵，而飛輪電池具有清潔、高效、充放電迅捷、不污染環境等特點而受到汽車行業的廣泛重視。預計21世紀飛輪電池將會是電動汽車行業的研究熱點。

3、間斷電源

不間斷電源由于能確保不間斷供電和保證供電質量而在通訊樞紐、國防指揮中心、工業生產控制中心等地方得到廣泛使用目前不問斷電源由整流器、逆變器、靜態開關和蓄電池組等組成。但目前蓄電池通常都存在對工作溫度、工作濕度、輸入電壓、以及放電深度等條件要求．同時蓄電池也不允許頻繁的關閉和開啟。而飛輪具有大儲能量、高儲能密度、充電快捷、充放電次數無限等優點，因此在不間斷電源系統領域有良好的應用前景。

4、風力發電系統不間斷供電

風力發電由于風速不穩定，給風力發電用戶在使用上帶來了困難。傳統的做法是安裝柴油發電機，但由于柴油機本身的特殊要求，在啟動后30分鐘內才能停止。而風力常常間斷數秒，數分鐘。不僅柴油機組頻繁啟動，影響使用壽命；而且風機重啟動后柴油機同時作用，會造成電能過剩。考慮到飛輪儲能的能量大。充電快捷，因此，國外不少科研機構已將儲能飛輪引入風力發電系統。美國將飛輪引入風力發電系統，實現全程調峰，飛輪機組的發電功率為300KW，大容量儲能飛輪的儲能為277KW每小時。