楊萬利YANG Wan-li；張維超ZHANG Wei-chao

（裝甲兵工程學院非線性研究所，北京 100072）

（Institute of Nonlinear Science，Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China）

0 引言

飛輪電池是一種利用機械能進行能量儲存的新型儲能方式，與傳統(tǒng)化學電池相比，飛輪電池具有使用壽命長、無污染的特點，與在電力調峰中廣泛應用的抽水儲能相比，飛輪電池則具有儲能高、功率大、不受地理條件限制、對環(huán)境無影響等優(yōu)點。進入新世紀后，飛輪電池的研究取得了重要突破，新材料的出現、電力電子技術的進步、高溫超導磁懸浮技術的發(fā)展逐步解決了制約飛輪電池發(fā)展的主要因素，它提升了飛輪電池的儲能密度，降低了飛輪軸承系統(tǒng)的摩擦損耗，使電池與負載之間的能量轉換靈活可控[1]。這些新技術的發(fā)展使得飛輪電池的研究具有現實意義。

1 儲能原理

飛輪電池是一種機械能——電能轉化與存儲裝置。其工作的基本原理是通過電機帶動飛輪轉子高速旋轉，將電能轉化為機械能儲存起來，放電時利用飛輪帶動發(fā)電機發(fā)電，再將它轉變成不同頻率、電壓等級的電能，以滿足不同的負載需求，這一切都通過電力電子技術進行控制[2]。圖1所示為飛輪電池的基本工作原理

圖1 飛輪電池系統(tǒng)原理圖

飛輪電池主要由以下五個模塊組成：飛輪轉子、軸承系統(tǒng)、真空容器、可逆電機、電子電力裝置。如圖2 所示。

圖2 飛輪電池結構示意圖

飛輪轉子是飛輪電池的儲能元件，通過調節(jié)飛輪轉速來控制能量的輸入輸出，在待機時，飛輪轉子保持高速旋轉狀態(tài)；軸承系統(tǒng)是支撐并維持整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行的裝置，一般由軸承及阻尼裝置組成，以提供剛度及衰減振動；真空容器主要是用來減少高速旋轉的飛輪與空氣的摩擦并保證飛輪安全運轉；電機是電動/發(fā)電機為一體的裝置，它在飛輪系統(tǒng)中起到能量轉換接口的作用；電子電力裝置是用來控制電機的工作狀態(tài)、輸入輸出電力變換的智能模塊，大多都采用智能數字化微處理器來實現。

在以上五個模塊中，飛輪轉子、電機和軸承系統(tǒng)支配著系統(tǒng)能量的存儲、能量的輸入輸出以及能量的損耗，因此是關系飛輪系統(tǒng)性能指標最重要的關鍵技術。

2 轉子設計

由上面的分析可知，飛輪轉子是飛輪電池系統(tǒng)的核心部件，即儲能部件。它以旋轉動能形式儲存能量，它的運轉狀態(tài)決定了整個電池系統(tǒng)儲能的多少，飛輪在旋轉時儲能的基本公式為：

式中，I 為飛輪轉動慣量；ω 為飛輪旋轉角速度。

高速旋轉的飛輪轉子受到離心力作用，其表達式為：

顯然，可以通過以下兩種方式提高飛輪電池的儲能量：一是增加飛輪的輪緣質量從而增大轉動慣量I，這種情況適用于固定應用的場合；二是提高飛輪的旋轉速度ω，這在對質量體積有嚴格要求的情況下有很好的效果。

對于飛輪電池轉子的材料特性:一個是材料的質量密度，它與飛輪的轉動慣量有關，轉速一定的情況下，密度大的材料可以貯存更多的能量;另一個材料抗拉強度，它與飛輪抵抗離心力引起的破壞有關，對同一種材料，轉子轉速越高儲存的能量就越多。材料的抗拉強度限制了飛輪轉速不能無限的升高，從而使飛輪儲能受到限制。如果材料所受離心力超過其許用應力，轉子將被破壞。因此，飛輪轉子的設計，一般考慮以下兩方面的問題：一是飛輪材料的選擇；二是飛輪轉子的結構形式。

圖3 轉子儲能性能影響因素關系圖

制作飛輪的材料主要有鋁合金、鈦合金、高強度鋼等金屬材料以及和玻璃纖維、碳纖維等纖維增強復合材料?？傮w上看，飛輪材料和應用場合不同，其設計理念和方法也不同。下面將介紹基于不同材料的飛輪電池轉子的設計研究現狀。

2.1 同性材料

材料的（各向）同性是指材料的物理、化學等方面的性能不因內部方向不同而變化的特性，亦稱均質性。常用作飛輪轉子的同性材料主要是指各種金屬材料。金屬材料飛輪成本低、加工方便，技術成熟，盡管金屬材料的強度不如復合材料，達不到復合材料的極限轉速，但是金屬密度大，它主要依靠大質量、大轉動慣量來進行能量的存儲[3]，因此，金屬材料飛輪常用于對質量體積無嚴格限制的場合。

表1 金屬材料參數

金屬材料由于其可加工性強，因此可以被設計為不同的形狀，常用的飛輪截面形狀有圓錐、橢圓形、菱形、矩形等。對于用給定的材料制作加工成不同的截面形狀的飛輪點轉子，可以用形狀系數Ks來衡量飛輪轉子材料得到有效利用的程度[4]，其數值表達式為：

式中h，hθ，hr為轉子的軸向厚度、環(huán)向厚度、徑向厚度，且h=hθ+hr；

σθL，σrL為轉子環(huán)向層，徑向層的縱向應力；

σθL，σrT為轉子環(huán)向層，徑向層的橫向應力；

r1，r0為轉子的內徑和外徑。

下面給出幾種基本形狀的飛輪及其形狀系數值[5]（表2）。

材料充分利用的理想情況是，各部分的材料應力相等，同時達到強度極限（材料的許用應力），即等應力設計。

表2 飛輪截面形狀與形狀系數

對于變厚度均勻材質的飛輪，假設飛輪的軸向厚度h是半徑r 的函數，由彈性力學理論可得轉子高速旋轉時的平衡方程[6]：

等應力優(yōu)化設計的條件即為當整個飛輪轉子在高速旋轉時，轉子體內任一點處的徑向與環(huán)向應力都達到材料的許用應力，即：

結合式（4）和式（5），可得厚度h（r）關于r 的微分函數:

求解此微分方程，得：

其中，C 為積分所產生的積分常數。

上式的含義為，當選定了飛輪材料，即材料的許用應力[σ]確定之后，飛輪轉子的軸向厚度應為h，才能滿足使材料充分利用的等應力設計條件。

實際上，根據(7)式，設計h 的函數以實現飛輪電池轉子的等應力設計是非常復雜，甚至是不可能的。此外，等應力設計的飛輪轉子，為了達到極限轉速，轉子的質量集中在軸心附近，這樣提高了轉速w 卻使得轉子的轉動慣量變小，不適用對儲能密度要求較高的飛輪轉子。因此，在實際應用中，都以等應力設計為基礎，很據不同的應用場合對轉子形狀進行再優(yōu)化。

2.2 纖維增強復合材料

纖維增強復合材料因其強度高、質量輕的特點在工業(yè)領域具有非常廣泛的應用，它主要依靠高轉速而不是大質量（轉動慣量）來存儲能量。因此，在對儲能密度要求較高的場合通常使用復合材料飛輪（表3）。

表3 纖維增強復合材料參數

復合材料的特性是各向異性的，材料強度沿纖維方向很高，但在垂直纖維方向卻很低（取決于環(huán)氧樹脂的強度），所以復合材料飛輪設計方法與金屬材料飛輪有很大的不同。鑒于復合材料的特點，在制備飛輪轉子的過程中主要采用纏繞成型法。其中，濕法纏繞氣密性好且成本低，因此復合材料飛輪通常采用濕法纏繞工藝。圖4 給出了工藝的纖維導向示意圖。

圖4 濕法纏繞纖維導向示意圖

如圖4 所示，由于纏繞工藝比較復雜，飛輪不易制作成復雜形狀，所以通常環(huán)向纏繞并將其固化成等厚度圓環(huán)狀[7]。結構為單層復合材料圓環(huán)的飛輪往往因其徑向強度低而產生徑向拉裂。采用多環(huán)過盈裝配的方法，可以有效提高飛輪的徑向強度，從而提高飛輪轉速及儲能性能。多層圓環(huán)飛輪是將幾組環(huán)向纏繞的單層圓環(huán)飛輪經過盈裝配而形成的，每層飛輪可以選用不同的復合材料，兩環(huán)之間因為過盈裝配而產生了一定的預應力，圖5 為第k 層圓環(huán)與第k+1 層圓環(huán)的裝配示意圖。

圖5 多層復合材料飛輪裝配過程示意圖

由于復合材料纖維方向可以承受的應力遠大于垂直纖維方向，采用過盈裝配提高了飛輪徑向強度，但是隨著飛輪轉速的極限增大，復合材料纖維沿徑向被拉裂，仍然是多層過盈裝配復合材料飛輪最常見的失效形式[7]。此外飛輪環(huán)向拉應力達到材料縱向拉伸強度導致復合材料纖維沿環(huán)向被拉斷、靜態(tài)情況下過盈量過大導致材料沿徑向被壓壞、過盈裝配產生層間壓力在離心力的作用下逐漸減小，當多層飛輪的某一層層間壓力為零時，該層以外的圓環(huán)將可能會脫落，這些是復合材料飛輪失效的另外幾種形式。

當前復合材料飛輪轉子研究主要集中在多層圓環(huán)各層材料的選取、裝配加工工藝優(yōu)化和飛輪轉子的失效分析，對于復合材料飛輪轉子的形狀，則只是默認為等厚度圓盤，并沒有給出優(yōu)化的方案。隨著三維編織技術的逐漸成熟，這一現狀將會改變。

三維編織是將長短纖維相互交織而獲得的三維無縫合的完整結構，其工藝特點是能夠利用編制技術將纖維材料制作成具有多層整體特性的規(guī)則形狀物件。它的編制原理是由許多按同一方向排列的纖維卷通過紗線運載器精確地沿著預先確定的軌跡在平面上移動，使各纖維相互交織或交叉構成網絡狀結構，最后打緊交織面而形成各種形態(tài)增強結構的三維織物[8]。三維編制技術主要有以下優(yōu)點，首先，異型件通過一次編織即可整體成型，使人們可以直接對纖維材料進行形狀設計；其次，編制構件的層間強度高、結構不分層，克服了纖維材料沿垂直纖維方向易損壞的不足，使其具有良好的綜合力學性能。

利用三維編制技術不僅可以織造出截面為矩形或圓筒型的圓盤狀飛輪，其它形狀的制件如：橢圓、圓柱、圓錐以及橫截面規(guī)則變化的圓盤狀飛輪都能通過三維編制技術一次成型。通過三維編織技術，可以極大提升纖維增強復合材料力學特性，使之具有相當于金屬材料各向同性的特點，從而可以參照同性材料飛輪轉子形狀優(yōu)化對纖維復合材料轉子截面形狀進行優(yōu)化，從而提升飛輪電池的儲能密度或儲能量。

3 應用展望

作為電能儲存的手段之一，飛輪電池與其他儲能裝置相比較（表4），有以下特點：

①工作效率高。飛輪在接近真空條件下，采用磁懸浮軸承支撐，損耗??；

②儲能密度高，瞬時功率大；

③工作溫度范圍廣。-40℃-70℃都可以正常工作；

④可以快速充放電，一般在幾分鐘內就可將電池充滿；

⑤循環(huán)壽命長（＞90000 次充放電），且無容量衰減問題；⑥儲能狀態(tài)監(jiān)測方便，僅由轉速決定；

⑦低維護成本，且無污染。

表4 常見儲能技術的比較

正是因為飛輪電池具有其它儲能方式無法比擬的優(yōu)勢，飛輪儲能技術受到了國內外越來越多的重視，在電力調峰、航天器應用、汽車工業(yè)等領域擁有非常廣泛的應用前景。

3.1 電力調峰

在電力系統(tǒng)中，隨著季節(jié)的變化，人們的用電需求是不斷變化的，且用電高峰與低谷相差較大，達到10%左右，這導致了我國每年損失發(fā)電量達千億度。如何提高電力系統(tǒng)的利用率，協調電網負荷的波動成為擺在我國電力行業(yè)面前的一道難題。為了解決這個問題，目前應用比較廣泛的是利用抽水儲能對電網進行調峰。采用抽水儲能電站進行電力調峰雖然技術比較成熟，儲能大而且儲存時間長，但抽水儲能電站的建設受地理、氣候條件限制較多，還可能對環(huán)境造成一定破壞。而采用飛輪電池儲能的形式，則不受地理環(huán)境約束，對環(huán)境無破壞，而且飛輪電池的特點使其在能量的短時間保存和快速釋放方面極具優(yōu)勢。在電網需求處于低谷時，將電網多余的電能通過飛輪電池存儲起來；在用電高峰將存儲的能量以電能的形式釋放出去。

由于飛輪電池在電力調峰中有很好的發(fā)展?jié)摿Γ瑖鴥韧庠S多學者都將飛輪電池開發(fā)的首要應用目標定為電力調峰。1991年美國馬里蘭大學成功開發(fā)出用于電力系統(tǒng)調峰的磁軸承飛輪電池，系統(tǒng)重172kg，總效率約為81%，具有240/110V、20kWh 的穩(wěn)定釋放能力[9]。德國在1997 開始設計商用飛輪儲能電池，采用高溫超導磁懸浮系統(tǒng)，其實驗電站每四個飛輪構成一個電池模塊，單機儲能0.5MWh，整個機組最大儲能為125kWh，系統(tǒng)效率高達96%。

3.2 航空航天

飛輪電池儲能密度高，使用壽命長，且無需經常維護，這使得飛輪電池具有足夠的優(yōu)勢取代航天器上的蓄電池成為新一代儲能裝置。白天飛輪電池吸收太陽能儲存能量，晚上作為動力裝置為航天器提供電能。目前航天器上使用的化學電池能量密度低、使用壽命有限且存在容量衰減問題，如果使用飛輪電池代替國際空間站的NiH2 電池組，則在飛輪電池的一個壽命周期內，估計可節(jié)省約5 億美元的費用。此外還可以利用飛輪電池在工作狀態(tài)下轉子轉動產生的動量矩來對衛(wèi)星、空間站的軌道或姿態(tài)進行調整，飛輪電池這種獨特的雙重功能對于人造衛(wèi)星、空間站等航天器來說，有著非常特殊的意義[11]。美國的Maryland大學、NASA Leqis 研究中心都已開發(fā)了具有衛(wèi)星姿態(tài)調整功能的飛輪電池，且后者已經對此進行了太空運行試驗。

3.3 汽車工業(yè)

在環(huán)保與節(jié)能為主題的時代背景下，電動汽車將是汽車產業(yè)發(fā)展的必然趨勢，但受技術條件及成本的限制，目前清潔的儲能設備的工作性能，還遠不能與傳統(tǒng)燃油發(fā)動機相比，因此，當前最有市場前景的應是混合型電動汽車，即使用清潔的儲能設備和燃油發(fā)動機一起驅動車輛，飛輪電池由于功率大、儲能密度高且環(huán)保無污染，因此非常適合用作混合電動汽車。早在上世紀50年代，第一輛完全由飛輪電池提供能量的客車就在瑞士的Oerlikon Energy 公司生產下線，飛輪重1500kg，轉速為500r/s，可以載客70人正常行程0.5km，這次試驗為電動汽車的發(fā)展提供了實踐上的依據[11]。

1987年德國緊隨其后首次開發(fā)出由飛輪電池和內燃機共同驅動的全新型混合動力轎車，飛輪電池在汽車正常行駛制動時，可以吸收其的90%的能量，并且在爬坡、加速時釋放電能，這樣可以避免內燃機短時間高負荷運轉，既降低了能耗又提高了機器的使用壽命，實驗表明，合理地配置飛輪電池，能夠使燃油效率提高30%，并能減少75%的廢氣排放。隨著飛輪電池技術的逐漸成熟和成本的下降，搭載飛輪電池的混合動力汽車將逐漸走上產業(yè)化的道路，為我國的環(huán)保事業(yè)做出大的貢獻。

3.4 其他方面

除了上述的應用領域之外，飛輪電池瞬時大功率特性可以用于軍事。如Texas 大學電動力學研究中心為軍事車輛研發(fā)了調節(jié)脈沖負載和運行負載的飛輪電池系統(tǒng)，該電池能儲存25MJ 的能量，并提供5MW 的瞬時功率，可以滿足大型軍用車輛脈動動力要求。美國的Kaman 公司在研制電化學炮、電磁炮時均采用飛輪電池實現強力放電，在短時間產生強電流[12]。

此外，飛輪電池系統(tǒng)還能用作不間斷電源（UPS），保護供電突然中斷時的重要敏感設備，如醫(yī)療設備，銀行系統(tǒng)服務器，軍事通信設備等。

4 結論

飛輪電池儲能容量大、儲能密度高、壽命長且高效無污染，已經成為能源領域的研究熱點之一，本文在介紹飛輪電池儲能基本原理的基礎上，對飛輪電池轉子設計研究進行了全面闡述，介紹了基于不同材料的飛輪轉子設計研究現狀，給出了基于同性材料的等應力轉子設計，分析了當前復合材料飛輪轉子的設計方法，指出了三維編制技術在復合材料飛輪應用中的巨大前景，最后對飛輪電池的應用做出總結，為飛輪儲能技術的進一步研究指明了方向。

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