飞轮储能技术的发展现状摘要:飞轮储能技术已成为国际能源界研究的热点之一。从飞轮储能技术的技术进展(包括飞轮本体、转子支承系统、电动/发电机、电力转换器与真空室)角度出发，系统地介绍了该技术国内外的发展现状。关键词:飞轮储能系统，电动机/发电机，电力转换器，真空室近年来，飞轮储能技术发展非常迅速。国内外都积极地投入大量资金和人力在这项储能技术上，目前已经有了可喜成果，以飞轮储能五大关键技术为出发点，分别对其技术发展现状进行阐述。1飞轮转子技术现状美国休斯顿大学的德克萨斯超导中心致力于纺锤形飞轮开发，这是一种等应力设计，形状系数等于或接近1，材质同样为玻璃纤维复合材料，储能1kWh、重19kg、飞轮外径30.48cm。美国Beacon电力公司推出的Beacon智能化储能系统，其飞轮转子以一种强度高、重量轻的石墨和玻璃纤维复合材料制成，用树脂胶合。美国Satcon技术公司开发的伞状飞轮，这种结构有利于电机的位置安放，对系统稳定性十分有利，转动惯量大，节省材料，轮毂强度设计合理。NASAGlenn中心和美国宾州州立大学高级复合材料制造中心等单位均采用湿法缠绕工艺制备了复合材料飞轮。2飞轮储能的轴承支承系统技术现状2.1机械轴承美国TSI公司应用高级的润滑剂、先进的轴承材料及设计方法和计算机动态分析，成功地开发出内部含有固体润滑剂的陶瓷轴承，最新又研制的基于真空罩的超低损耗轴承，其摩擦系数只有0.00001。2.2被动磁轴承（PMB）目前对永磁轴承的研究较少，目前主要集中在对超导磁轴承（SMB）的研究上。西南交通大学超导技术研究所从20世纪90年代初期开始，就一直致力于高温超导磁悬浮技术的应用基础研究，2000年研制成功了世界首辆载人的高温超导磁悬浮实验车。日本ISTEC正在对10kWh/400kW等级飞轮系统中的SMB进行组装实验，同时加工设计100kWh等级飞轮定子。德国ATZ公司则从2005年开始对5kWh/250kW等级的飞轮进行研究。ATZ公司与L-3MM合作生产高温超导储能，并即将进行工程应用电性能测试。并且两家机构还达成共识，准备为韩国当地UPS市场开发一套15kWh/400kW的高温飞轮储能系统。2.3主动磁轴承（AMB）马里兰大学长期从事电磁悬浮储能飞轮开发，采用差动平衡磁轴承，已完成储能20kWh飞轮研制，系统效率为81%。另外大力开展电磁悬浮飞轮研究的还有劳伦斯国家实验室等。韩国机械和材料学院研制出了5kWh的飞轮储能系统，该系统采用两个径向主动磁轴承和一个止推磁轴承支承，采用PD控制器及陷波滤波器使飞轮到达15000r/min的转速，并且采用主从机通信及利用Matlab实时调整参数的方法，使得频率响应函数计算简便且监控信号容易获得。2.4组合式轴承（1）永磁轴承与机械轴承相混合。美国西雅图的华盛顿大学，正在研制1kWh永磁轴承和宝石轴承混合支承飞轮：永磁轴承用于立式转子上支承，并卸载以降低下支承的摩擦功耗，宝石轴承作为下支承，同时引入径向电磁支承，作为振动的主动控制，以确保系统的稳定性。华北电力大学设计并制作的飞轮储能系统：转子质量334kg，转动惯量10.43kg·m2，轴承采用的是永磁轴承和油浮轴承组成的混合式轴承系统。（2）电磁轴承与机械轴承相混合。美国ActivePower，欧洲Urenco和德国Piper等公司生产的采用飞轮储能技术的小间断电源己经在世界范围内销售，这些产品中飞轮的支承系统采用的都是电磁轴承和机械轴承组合技术。（3）永磁轴承与超导磁轴承相混合。中国科学院电工研究所研制了一台采用永磁轴承卸载，轴向位置确定，超导磁轴承提供稳定的立轴旋转机构，径向刚度大于3N/mm，径向振动小于10μm。还提出了立式永磁有源超导混合磁轴承（PASMB）研究方案：采用PMB轴向卸载，一个SMB确保系统稳定，一个AMB提高径向刚度及阻尼。3能量转换环节技术现状马里兰大学已开发出“敏捷微处理器电力转换系统”。在电动模块时，“敏捷微处理器电力转换系统”功能为电动机控制器，而发电模块时，其功能为交流转换器。该“电力转换系统”全部为固定部件，由固态开关、过滤器、控制电路及二极管组成，属共振转换器。当电压式电流过零时，使用自然整流控制动力在“共振箱”内的输入、输出。因为电压电流为零开关操作，加之自然整流，所以，动力损耗极小，这样共振频率能大幅提高。美国Beacon动力公司采用脉冲宽度调制转换器，实现从直流母线到三相变频交流的双向能量转换。飞轮系统具有稳速、恒压功能，此功能是运用一个专门算法自动实现，而不需要指定主动或从动元件。4电动/发电机技术现状从系统结构及降低功耗出发，国外研究单位一般均采用永磁无刷同步电动/发电互逆式双向电机。电机功耗还取决于电枢电阻、涡流电流和磁滞损耗，因此，无铁静子获得广泛应用，转子选用钕铁硼永磁磁铁。美国劳伦斯国家实验室应用永磁钕铁硼材料特别排列成静子，产生一旋转偶极区，转子多相缠绕电感低，静子铜损通过冷却加以控制。西安理工大学与西安永电电气有限责任公司合作研究的是采用无刷直流电机的飞轮储能，对其电动/发电机的控制器进行了改进。由于无刷直流电动机固有的转矩脉动限制了其应用范围，在充电环节，采用升降压斩波电路用来扩大调速范围，在低速时，采用恒转矩控制，在高速时，采用恒功率控制。5真空室技术现状AFS公司研制的飞轮用碳纤维环氧树脂复合材料绕制，即使万一高速下破裂，飞轮立即转变为棉絮状结构，且飞轮外有金属外壳，对车内成员不构成威胁。Beacon动力公司设计一个混凝土结构圆柱型真空室：为了安全，真空室置于地下，这样就不会对地面上的人员造成伤害，而且此结构上端覆盖钢制安全盖，并用螺母锁紧，相当于加了双保险，采用多层结构的容器可以抑制转子破裂所释放出来的热能冲击。[参考文献][1]汤双清.飞轮电池磁悬浮支承系统理论及应用研究[D].武汉:华中科技大学,2003.[2]GuerreroMA,RomeroE,BarreroF,etal.Overviewofmediumscaleenergystoragesystems[C].CompatibilityandPowerElectronics,2009:93-100.[3]李文超,沈祖培.复合材料飞轮结构与储能密度[J].太阳能学报,2001,22(1):96-101.[4]秦勇,夏源明.复合材料飞轮结构及强度设计研究进展[J].兵工报,2006,27(4):750-756.
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