❶ 飛輪儲能系統構成、核心技術及應用
1 引言
隨著人類對能源的需求越來越大，人們對能源的控制技術，特別是對電能的儲存技術越來越重視。目前常見的電儲能技術有化學電池儲能、蓄水儲能、超導儲能、超級電容儲能和飛輪儲能。
化學電池技術已經很成熟，應用廣泛，但它的效率較低，通常只有（70~85）%,功率密度低，充電很慢，通常是小時級，更重要的是化學電池的循環使用壽命比較短，這樣就增加了電池的使用成本。蓄水儲能的效率也很低，通常只有75%,因為蓄水儲能需要龐大的蓄水裝置，其儲能密度較低，只有約0.27Wh·kg-1,而且受到環境的影響很大，無法便攜使用。超導儲能是新型的高效儲能技術，然而它不具備模塊化特點，而且一般都需要創造低溫環境，適應性不強。超級電容儲能也是新型的高效儲能技術，目前它的儲能密度還比較低，約為（2~10）Wh·kg-1,該技術還在實驗階段。
飛輪儲能系統儲能密度大，功率密度高，對環境的要求低，可模塊化，其充放電的時間可以達到分鍾級，而且容易檢測放電深度，可以應用的場合廣泛，同時飛輪儲能的使用壽命長，維護簡單，大大降低了電能儲備成本[1].隨著電力電子技術、磁懸浮技術、新材料開發研究等技術的不斷發展，飛輪儲能技術變得越來越完善，應用的范圍也遍及交通、供電、軍工、航空航天等領域，成為目前最具有開發前途的儲能技術之一。
2 飛輪儲能系統原理及結構
2.1 飛輪儲能系統原理
飛輪儲能系統又被稱為飛輪電池，是機械能與電能的轉換裝置。飛輪儲能系統原理圖，如圖1所示。從圖1中可以看出能量的轉化過程。飛輪儲能系統的工作模式有三種：充電、放電和能量保持。通常給飛輪充電的能量有電能和機械能兩種，如圖1所示。目前電能充電方式應用較多，機械能充電在汽車制動能量回收、孤島風能儲存等領域都可以應用。放電時，飛輪帶動發電機使發電機發電，輸出的電能經過電力電子設備變成可用的電能。能量保持階段，飛輪儲能系統既不充電也不放電，保持額定轉速運行。
2.2 飛輪儲能的結構及能量存儲
飛輪儲能系統最為常見的結構示意圖，如圖2所示。主要由飛輪、電機、軸承、真空室和電力電子設備組成。
從式（1）和式（2）可以看出，飛輪儲能系統存儲的能量與飛輪的質量、半徑和旋轉角速度呈正相關。因此要增大飛輪存儲能量，主要通過增大飛輪的輪緣質量和飛輪轉速。
3 飛輪儲能關鍵技術分析
飛輪是儲能裝置，所以飛輪儲能關鍵技術中最重要的兩個因素就是儲能和減少損耗。為了提高飛輪轉速，飛輪的材料與高速電機的選擇尤其重要。使用真空室能大大減少飛輪與空氣的摩擦損耗，使用磁軸承能夠大大降低支承摩損並提高使用壽命。
3.1 飛輪材料的選擇
飛輪的儲能密度和飛輪能承受的強度會直接影響飛輪材料的選擇。飛輪的儲能密度e為：
e=ks∕σρ（3）
式中：ks-飛輪形狀系數；ρ-飛輪材料的密度，kg/cm3;σ-飛輪材料的許用應力，MPa.
由式（3）可以看出，飛輪材料密度成反比，與飛輪材料的許用應力成正比。幾種常見的用於飛輪的材料[2],如表1所示。從數據中可以看出碳素纖維密度小，強度高，是其中最好的選擇。同時，使用碳素纖維製成的飛輪一旦發生解體，飛輪本身會變成絮狀物飛出，降低了事故帶來的危害。
3.2 真空室
當前真空室的真空度達到了10-5Pa級，用於減少飛輪旋轉過程中與空氣的摩擦，同時也防止外力影響飛輪正常運行。真空室可以使用透明的高強度玻璃鋼，這樣方便觀測飛輪的運行狀況。同等氣壓下氦氣的導熱性是空氣的七倍，與飛輪的摩擦損耗大約只有空氣的七分之一，並且充入氦氣的工藝更簡單，因此選擇氦氣作為真空室的介質氣體具有一定優勢。
3.3 支承技術
在飛輪儲能系統的眾多損耗中，軸承的損耗占據了很大的比例，隨著各種先進軸承技術的問世，這部分損耗可以被大大的減少。下面將介紹幾種用於飛輪儲能系統的軸承。
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3.3.1 機械軸承
較為普遍的機械軸承有滾動軸承、滑動軸承、擠壓油膜阻尼軸承和陶瓷軸承等，由於滾動軸承和滑動軸承的摩擦損耗相對較大，所以在高速飛輪儲能系統中一般只用做輔助軸承，擠壓油膜阻尼軸承和陶瓷軸承在飛輪儲能中有所應用[3].
3.3.2 被動磁軸承
（1）永磁軸承是被動磁軸承的一種，是利用永磁體使兩個或多個磁環在軸向或是徑向懸浮。隨著這幾年永磁體的不斷發展，其承載力也大大提高，應用的越來越廣泛。然而根據Earnshaw定理，僅依靠永磁體無法使物體在空間六個自由度都達到穩定懸浮，穩定懸浮至少需要其中一個自由的上的主動控制[4].
（2）超導磁軸承也是被動磁軸承的一種。超導體在超導環境下具有邁斯納效應，當超導體處於磁場中時，其內部的磁場恆等於零，即超導體在磁場中表現出完全抗磁性。超導體在磁場作用下其表面產生無損的感應電流，該電流在超導體中沒有損耗，同時形成了一個和原磁場大小相等、方向相反的鏡像磁場，如圖3所示。這種磁場可以使物體穩定懸浮。
3.3.3 主動磁軸承
主動磁軸承又稱電磁軸承，是通過改變控制電路中電流的通斷和大小來控制磁場的變化，同時通過實時反饋位置信號與輸出電流信號及時調整控制電流，從而使軸承定子、轉子之間能夠穩定懸浮，主動磁軸承控制策略框圖，如圖4所示。
3.3.4 混合軸承
在實際應用中，通常將上述幾種軸承結合起來使用達到優勢互補。
（1）機械軸承與永磁軸承結合。機械軸承主要的缺點是摩擦損耗較大，永磁軸承可以幫助克服重力到來的定子、轉子之間的壓力，從而減少摩擦損耗。
（2）超導體與永磁體混合軸承。超導體作為定子，永磁體做轉子，轉子能夠懸浮在某一位置。同時超導體中俘獲的磁通由於釘扎力的存在不會隨便運動，保證了軸向穩定性，使得轉子穩定懸浮[5].
（3）電磁與永磁體混合軸承。為了減少功耗，利用永磁體產生偏置磁場，電流產生控制磁場，圖三極混合磁軸承[6],如圖5所示。
4 飛輪儲能系統的應用
由於飛輪儲能系統具有能量密度大、效率高、無污染等優點，技術水平也日益完善，已經在越來越多的領域中得到應用。
4.1 在電力系統中的應用
4.1.1 電力調峰
飛輪儲能系統用於電力調峰具有儲能、釋能速度快，效率高，同時不受地理環境影響的優點。當用電低谷時，將產生的多餘電力用於驅動飛輪儲能；當用電高峰時，飛輪帶動發電機運行，通過電力電力設備將機械能轉化為與電網匹配的電能。2008年，美國Beacon Power公司在馬薩諸塞州的Tyngsboro建設的一座5MW飛輪儲能調峰、調頻電廠投入商業使用，電廠總效率達到85%,該系統響應時間為4s,相比較於需要5min響應時間的傳統發電機調節來說優勢很明顯[7].
4.1.2 不間斷供電
為了避免政府重要部門、軍事指揮中心、醫院手術樓、計算中心等重要用電場合停電或者電能質量不穩定，都會使用不間斷供電系統（UPS）。過去常使用化學電池，雖然其技術成熟，但使用壽命較短，不支持頻繁的開關操作，據業界統計，UPS系統的故障70%都是由化學電池引起的。美國Active Power公司於2007年將飛輪儲能技術運用在中國網通山西省通信公司太原第二樞紐樓的UPS中[8].在市電正常時，飛輪相當於一台低耗空載電動機，轉速維持在7700r/min;當市電異常或停電時，飛輪系統能夠瞬間供電。
4.2 在交通工具中的應用
4.2.1 車載飛輪電池
隨著能源日益短缺和對環境保護的重視，世界各地都在研究汽車的新動力，而用飛輪儲能系統代替內燃機具有很好的前景，稱之為車載飛輪電池。車載飛輪電池具有清潔無污染、充電快捷等優點。上世紀80年代，瑞士研究出第一輛飛輪電池汽車的充電時間控制在2min中內；90年代末，美國Texas大學將飛輪儲能系統應用於軍用車輛中，該系統可以間歇性的提供5MW的輸出脈沖，連續輸出功率為350k W,最小的空載損耗小於1000W,可以滿足14-ton的軍用偵查車輛的脈沖電力需求[9].
4.2.2 飛輪混合電池
飛輪儲能系統也可以與內燃機或者化學電池並用於汽車中，當汽車下坡或是剎車時，將汽車的動能轉化為飛輪的機械能儲存；當汽車加速、上坡等需要短時間大功率輸出時，飛輪再將能量釋放出來。這樣可以使汽車節約大約30%的能量，也使加速度更大[10].由於軌道交通制動比公路汽車更有規律性，飛輪在其中能夠在回收巨大能量。
4.3 在航空航天中的應用
飛輪儲能系統使用壽命長，非常適合對衛星供電。同時，利用飛輪的動量矩可以有效地對衛星的姿態進行控制，代替原來的化學電池可以減少了衛星的重量。1986年2月，法國發射「SPOT」衛星，首次將飛輪技術運用於航天器，上面的3個反作用飛輪使衛星對地球的指向控制精度為0.15°，的姿態穩定達到0. 0001°/s.
5 飛輪儲能關鍵技術發展趨勢
隨著技術的不斷進步，飛輪儲能向大容量、高效率、無污染、高安全性、適應性強的方向發展，飛輪儲能技術未來的研究重點應該包括以下幾個方面：
（1）新材料的應用。使用新型的復合材料可以有效地增加飛輪的強度與儲能密度，高溫超導材料的突破也將為超導飛輪贏得更大的優勢。
（2）磁軸承的研究。磁軸承的使用將使飛輪儲能系統的損耗大大減少，同時增加其使用壽命，對飛輪速度的提升也大有幫助。
（3）高速電機的研究。高速電機的研究將提供足夠的動力使飛輪能夠攜帶更大的能量，增大飛輪電池的續航能力。
（4）使用先進的控制方法。先進的控制方法能使系統效率高，響應速度快，飛輪的高速問題和損耗問題也能有效解決。現代控制方法向著智能控制的方向發展，常見的有模糊控制、神經網路控制、自適應控制等。
（5）模塊化建設。將多個飛輪列陣式的運行，實現飛輪單元的模塊化。這樣就可以大大擴充儲能的規模，同時也增大了負載能力。
6 結論
目前飛輪儲能還不是主流的儲能方式，但其表現出來的潛質讓人們寄予厚望，尤其是它儲能密度大、效率高、充放電快捷、清潔無污染等特點得到人們認可。這里對飛輪儲能系統的結構原理、關鍵技術、應用和發展趨勢都做了介紹與分析，並指出了飛輪儲能存在的局限性，通過這些不足分析了它的關鍵技術所需要解決的問題。由於飛輪儲能在能源領域具有很多優勢，因此對其研究具有重大意義。
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