孟憲雄 李斌 莊光法

摘 要：如今世界現(xiàn)存的儲能技術中，飛輪由于儲能具有成熟的轉換技術，還可以和低損耗支撐技術和高強高模等復合材料相結合，已經(jīng)在各種競爭中占據(jù)了重要的位置。相較于其他的儲能方式，它具有無污染、對環(huán)境的要求低、使用壽命長等優(yōu)點。簡單來說，飛輪儲能系統(tǒng)屬于機械蓄電池，目前飛輪研究受到的制約主要是轉子的徑向強度無法提升。

關鍵詞：儲能飛輪；現(xiàn)狀；創(chuàng)新

飛輪電池的運行階段主要有3個——能量輸入、能量儲存、能量輸出。能量輸入過程中，通過電子轉換器將電能轉換成動能，并將能量以動能的形式儲存起來。在能量儲存的過程中，飛輪轉子一直保持著恒定的轉速，來等待著能量釋放這個控制信號的發(fā)出。能量輸出的過程中，飛輪轉子就相當于一個發(fā)電機，將動能再次轉化為電能向負載供電。相比較于其他的儲能方式，飛輪儲能系統(tǒng)具有儲能密度高、充電速度快、電量易測量以及對溫度變化不敏感、使用壽命長、綠色環(huán)保等優(yōu)點。飛輪儲能應用廣泛，是由于它具有相當成熟的恁倆轉換技術，而且它還可以與低損耗支承技術以及高強高模復合材料相結合，目前被廣泛應用于各種領域，如電磁炮、汽車功能、空間能源等領域，因此對高儲能密度飛輪結構設計的探討非常有必要。

1 飛輪研究的現(xiàn)在和存在的問題

1.1 國內現(xiàn)狀

我國對于飛輪的研究已經(jīng)有17年，最開始是由中科院電工所和清華大學開始著手研究，到2012年，清華大學已經(jīng)在真空度為8Pa的真空室中成功實驗了應用主動次選股軸承的飛輪轉子，在實驗中，設計的最大儲能量為340Wh，在充電100min之后，飛輪的出能量達到了160Wh，這已經(jīng)是不小的實驗。但是由于飛輪電池的工程比較龐大復雜，我國現(xiàn)在的研究還處在初級的實驗研究階段，只是理論的模型還沒有實際的產(chǎn)品，因此還沒有投入商業(yè)使用。而低速飛輪的儲能已經(jīng)得到了充分成熟的研究，在10年前已經(jīng)投入了商用。

1.2 國外現(xiàn)狀

國外的研究技術已經(jīng)取得了實質性的進展，如日本的NEDO所設計的飛輪，已經(jīng)投入了使用。目前美國SATCON技術公司開發(fā)的傘狀飛輪轉子具有節(jié)省材料和轉動慣性大、易于電機的安放等有點；機械軸承方面美國TSI公司利用新技術制造出的陶瓷軸承只有0.00001的摩擦系數(shù)，大大減低了軸承的損耗；主動磁軸承方面，馬德里大學已經(jīng)研制出能儲能20KWh的飛輪，而且具有81%的系統(tǒng)效率；組合式軸承有3種研究方向，機械軸承和永磁軸承相混合方面，美國的華盛頓大學正在研制的是1KWh的寶石軸承和永磁軸承相混合的支承飛輪；在能量轉換這個環(huán)節(jié)，“敏捷微處理器電力轉換系統(tǒng)”已經(jīng)由馬德里大學研發(fā)出；發(fā)電機技術國外的研究水平一般，和國內一樣，都是采用的互逆式雙向電機；真空室方面BEACON動力公司用混凝土為材料設計出形狀為圓柱體的真空室，不僅安全而且占地少，這是由于此裝置沒有被放在地面上而是被置于地下，并且采用多種保險方式來加強其安全程度。

2 高速飛輪的設計

飛輪中所儲存的能量主要來源于飛輪的轉速和慣性矩，而且最大儲存量受到兩方面原因的限制——材料的結構以及應力的大小。我們的設計目標就是在質量確定不變的條件下，使飛輪的體積和儲存的能量成反比，主要指體積越小而儲能越高。

通常情況下，高速儲能飛輪的設計是由一個較小質量的輪轂搭載一個較大質量的輪緣這種結構模型，輪轂能進行兩個方向扭矩的傳遞。因此，輪轂的外徑要大于輪緣的內徑，以便在飛輪停止轉動的同時，輪轂和輪緣能夠存在過盈配合。通過輪轂的中心孔、飛輪和輪軸相連接。并且，為了保證安全以及便于飛輪在輪軸上的固定，要使得輪轂中心孔周圍的設計要足夠的寬。下圖給出了設計概念圖：

之后再應用拉格朗日乘子法求得最優(yōu)解，來實現(xiàn)高速飛輪的最優(yōu)化。

飛輪儲能運用的技術比較復雜，有磁懸浮技術、電子電路技術、控制技術以及復合材料力學方面的技術，多種技術的融合使得研究更加復雜，但是對于這些技術的應用又是必須的。現(xiàn)如今對于高速飛輪已經(jīng)有了不少的研究，但存在的最主要問題有材料的強度不夠，在不同轉速下轉子平穩(wěn)運行的問題、磁懸浮軸承和溫度的關系，以及控制一體化問題，因此 除了上述的策略之外，還可以從飛輪材料、飛輪穩(wěn)定性、平衡性、傳動系統(tǒng)的陀羅效應等方面進行策略的研究，來克服現(xiàn)如今高速飛輪儲能系統(tǒng)中存在的問題，克服瓶頸。

3 結束語

高速飛輪儲能的研究具有很大的應用價值，而且是世界性的，關乎全人類的生存。地球的能源是有限的，雖然人們已經(jīng)意識到了這一點，但是在某些國家和某些地區(qū)還是存在著能源浪費的問題。針對這一情況，雖然人們已經(jīng)開始尋找代替能源，但是這個方法在短時期是很難實現(xiàn)的，而且成果還未知。因此，能源的儲存至關重要。低速飛輪儲能系統(tǒng)已經(jīng)得到成熟的研究并投入了使用中。在理論上，高速飛輪的儲能系統(tǒng)要比低速飛輪儲能系統(tǒng)不管是在消耗資源還是在儲存能量上都要優(yōu)化得多，但是對其研究沒有達到成熟的地步，還不能投入使用，不過，通過科學工作者的不懈努力，相信在未來的不久，高速飛輪儲能系統(tǒng)會給人們的生活帶來便利。

參考文獻

[1]王江波，趙國亮，蔣曉春，等.高速飛輪儲能系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].電氣傳動，2014，1（5）：26-30.

[2]里卡多研發(fā)全新高速飛輪儲能技術[J].汽車與配件，2015，2（3）：19.

（作者單位：核工業(yè)理化工程研究院）