飛輪儲能的歷史淵源

飛輪作為一種儲能手段，作為最早的機械式儲能系統(tǒng)之一，已經(jīng)存在了數(shù)千年。例如，陶工的轉(zhuǎn)輪被用作一個旋轉(zhuǎn)的物體，利用飛輪效應在其自身慣性下保持其能量。

“飛輪”一詞出現(xiàn)在工業(yè)革命初期(即1784年)。當時，飛輪被用在蒸汽機、輪船和火車上，在工廠里用作能量收集器。隨著時間的推移，已經(jīng)實現(xiàn)了幾種形狀和設計，但主要的發(fā)展是在20世紀初，當時轉(zhuǎn)子形狀和旋轉(zhuǎn)應力被徹底分析，飛輪被認為是潛在的能量存儲系統(tǒng)。

在20世紀60年代和70年代，飛輪儲能系統(tǒng)被提出用于電動汽車、固定電源備份和太空任務。在接下來的幾年里，纖維復合材料轉(zhuǎn)子被制造和測試。在20世紀80年代，相對低速的磁性軸承開始出現(xiàn)。

盡管在其早期階段有重大發(fā)展，但飛輪的利用率并不顯著，并隨著電網(wǎng)的發(fā)展而下降。然而，由于近年來材料、磁性軸承、電力電子設備的改進以及高速電機的引入，飛輪儲能已被確定為儲能應用的可靠選擇。

飛輪儲能的工作機制是怎樣的？

飛輪儲存的能量基于旋轉(zhuǎn)質(zhì)量原理。它是一種機械儲存裝置，通過電動/發(fā)電互逆式雙向電機，實現(xiàn)電能與高速旋轉(zhuǎn)飛輪的機械動能之間的相互轉(zhuǎn)換與儲存。飛輪中的能量以旋轉(zhuǎn)動能的形式儲存。飛輪儲能系統(tǒng)的輸入能量通常來自電網(wǎng)或任何其他電能來源。飛輪與電機同軸連接，表明控制電機可以控制飛輪。旋轉(zhuǎn)的飛輪由電機驅(qū)動，實現(xiàn)電能與機械能的交換，反之亦然。飛輪在儲存能量時由電機驅(qū)動飛輪加速，電能轉(zhuǎn)換為動能；在釋放能量時由飛輪驅(qū)動電機發(fā)電，飛輪減速，動能轉(zhuǎn)換為電能。

飛輪儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

飛輪儲能系統(tǒng)由飛輪轉(zhuǎn)子、電機、軸承、電力電子接口和外殼組成。

飛輪轉(zhuǎn)子

飛輪中儲存的能量由轉(zhuǎn)子的形狀和材料決定。能量與慣性矩及其角速度的平方成線性比例，因此可以通過提高轉(zhuǎn)速或增加慣性矩來優(yōu)化飛輪的存儲能量。這就為飛輪儲能系統(tǒng)提供了兩種選擇：低速飛輪儲能系統(tǒng)(通常高達10,000 rpm)和高速飛輪儲能系統(tǒng)(高達100,000 rpm)。低速飛輪通常由較重的金屬材料制成，由機械軸承或磁軸承支承。高速飛輪一般使用較輕但較強的復合材料，通常需要磁軸承。高速飛輪的成本通?？筛哌_低速飛輪成本的5倍。

電機

電動/發(fā)電互逆式雙向電機與飛輪耦合，以實現(xiàn)飛輪的能量轉(zhuǎn)換和充電過程。這臺機器可為馬達，通過加速飛輪并從電源中汲取電能來給飛輪儲存動能。飛輪上存儲的能量由作為發(fā)電機的的同一電機提取，因此，飛輪在將動能轉(zhuǎn)化為電能的過程中減速。飛輪儲能系統(tǒng)中常用的電機有感應電機(IM)、永磁電機(PM)和可變磁阻電機(VRM)。

由于其堅固耐用、高扭矩和低成本，感應電機被用于高功率應用。速度限制、復雜的控制和更高的維護要求是感應電機的主要問題。雙饋感應電機（DFIM）由于其靈活的控制和較低的功率轉(zhuǎn)換額定值，目前已在飛輪儲能系統(tǒng)應用中使用，從而減少了電力電子設備的尺寸。

可變磁阻電機具有性能穩(wěn)定、怠速損耗低、調(diào)速范圍寬等特點。對于高速操作，可變磁阻電機的控制機制比感應電機更簡單。它的缺點是功率因數(shù)低，功率密度低，扭矩波動大。開關磁阻和同步磁阻兩種磁阻類型均適用于高速飛輪儲能系統(tǒng)。

永磁電機具有較高的效率、較高的功率密度和較低的轉(zhuǎn)子損耗，是飛輪儲能系統(tǒng)最常用的電機。它被廣泛應用于高速應用中。永磁電機的主要問題是定子渦流損耗導致的空轉(zhuǎn)損耗、高價格和低抗拉強度。無刷直流電動機(BLDCM)、永磁同步電機(PMSM)和哈爾巴赫陣列機(HAM)是飛輪儲能系統(tǒng)應用中使用的主要永磁電機類型。

軸承

需要軸承以非常低的摩擦將轉(zhuǎn)子保持在適當位置，同時為飛輪提供支撐機構(gòu)。軸承系統(tǒng)可以是機械或磁性的，取決于重量、壽命和較低的損耗。傳統(tǒng)上使用機械球軸承，但與磁性軸承相比，機械球軸承具有更高的摩擦，并且由于潤滑劑劣化，需要更高的維護成本。這些不足可以通過使用磁性和機械軸承的混合系統(tǒng)來緩解。磁性軸承沒有摩擦損失，不需要任何潤滑。

永久（被動）磁軸承（PMB）、主動磁軸承（AMB）和超導磁軸承（SMB）是磁軸承系統(tǒng)的主要類型。

PMB具有高剛度、低成本和低損耗。然而，PMB在提供穩(wěn)定性方面存在局限性，通常被視為輔助軸承系統(tǒng)。

AMB是由控制轉(zhuǎn)子位置的載流線圈產(chǎn)生的磁場驅(qū)動的。AMB成本高，控制系統(tǒng)復雜，運行時消耗能量，進而增加系統(tǒng)損耗。為了確保整個系統(tǒng)的良好效率，必須在速度和損耗之間進行折衷。

SMB提供高速、無摩擦、長壽命、緊湊和穩(wěn)定的操作。它是高速運行的最佳磁性軸承，因為它可以在沒有電力或定位系統(tǒng)的情況下穩(wěn)定飛輪。然而，SMB需要低溫冷卻系統(tǒng)，因為它在非常低的溫度下工作；但近些年，通過使用高溫超導體（HTS）對其進行了改進。SMB系統(tǒng)的主要缺點是成本非常高。

飛輪儲能系統(tǒng)的應用場景有哪些？

飛輪應用范圍從電網(wǎng)層面的大規(guī)模到客戶層面的小規(guī)模。飛輪的最佳和最合適的應用是在短時間內(nèi)的高功率區(qū)域（例如，100s的kW/10s的秒），其中涉及頻繁的能量充放循環(huán)。最常見的應用是電能質(zhì)量如頻率和電壓調(diào)節(jié)、軍用脈沖功率應用、航天器姿態(tài)控制、負載均衡、混合動力和電動車輛以及能量存儲應用。

頻率調(diào)節(jié)

頻率波動是負荷和電源之間變化的結(jié)果，當需求超過供應時，發(fā)電廠因額外負荷而減速，從而降低系統(tǒng)頻率。另一方面，當發(fā)電量超過要求負荷時，發(fā)電機加速，頻率增加。隨著需求的變化和發(fā)電機的啟動和關閉，頻率每秒鐘都會波動。為了避免這種情況的發(fā)生，采用了頻率調(diào)節(jié)的方法，這就要求發(fā)電機進行容量儲備，以保持發(fā)電和用電的穩(wěn)定。

飛輪在幾秒鐘內(nèi)從完全輸出切換到完全吸收的能力使其與燃氣發(fā)電廠產(chǎn)生的即時能量不相上下。飛輪儲能系統(tǒng)產(chǎn)生的每兆瓦電力可以提供兩倍的頻率調(diào)節(jié)，同時將碳排放量減少一半。

電壓暫降控制

由于電網(wǎng)中的負載不平衡或故障導致電壓暫降問題，從而導致電壓幅值降低。當短期內(nèi)大量電力被負載吸收時，會出現(xiàn)由于不平衡負載引起的電壓暫降，這將降低電壓并引起電壓降問題。

電壓暫降已成為影響敏感負載的主要電能質(zhì)量問題之一，如半導體生產(chǎn)、食品加工和造紙等現(xiàn)代工業(yè)制造、敏感微處理器和高頻電力電子設備。大約92%的電能質(zhì)量問題是電壓驟降造成的，其中80%的情況僅持續(xù)20-50毫秒。

有效的方法是利用能量存儲系統(tǒng)來緩解電網(wǎng)中的電壓問題。能量存儲系統(tǒng)用于在需要過大功率時存儲能量，以保持電網(wǎng)電壓固定。這降低了成本并消除了對超大發(fā)電機組的需求。

飛輪儲能具有優(yōu)良的特性，可作為其他存儲系統(tǒng)的可行替代品。特別是，快速響應、高功率密度和頻繁充放電循環(huán)能力是飛輪在電壓補償應用中的最佳屬性。

UPS

具有控制電子設備的短期（秒到分鐘）能量存儲裝置被稱為不間斷電源（UPS）。UPS是現(xiàn)有市場之一，也是大功率飛輪最成功的應用，為通常不超過15秒的場合供電。80%以上的停電持續(xù)時間不到1秒，97%的停電持續(xù)不到3秒；然而，這會導致電壓和頻率問題以及電源中斷。在這些應用中，UPS作為備用存儲，在中斷期間彌補電網(wǎng)損失和備用電源啟動之間的空隙。

UPS應用中最發(fā)達和最廣泛使用的存儲介質(zhì)是電池。飛輪儲能系統(tǒng)可用作UPS系統(tǒng)中電池的替代品或與電池組合使用。在僅使用飛輪作為備用存儲器的情況下，飛輪提供足夠的功率以運行系統(tǒng)，直到電源恢復或備用電源聯(lián)機。

飛輪與需要更長持續(xù)時間的UPS系統(tǒng)中的電池結(jié)合使用。飛輪可以處理更短的中斷，而電池可以專門應對更長的中斷時間。這將使電池免于頻繁充電和放電，從而進一步延長其壽命。

運輸

在交通運輸中，飛輪用于混合動力和電動車輛中，在車輛減速過程中再生制動產(chǎn)生的能量儲存在飛輪中，并在需要劇烈加速或車輛爬坡過程中為車輛提供動力。

此外，飛輪被開發(fā)用于鐵路應用。在列車能量回收系統(tǒng)中，飛輪安裝在車站或變電站，通過再生制動回收能量，并將其供應回系統(tǒng)用于牽引目的。飛輪非常適合這種需要高速率的充放電循環(huán)的應用。

可再生能源

飛輪可以通過提高系統(tǒng)穩(wěn)定性來幫助風能和太陽能在電力系統(tǒng)中的滲透。飛輪的快速響應特性使其適用于涉及電網(wǎng)頻率平衡的RES應用。太陽能和風能產(chǎn)生的電力振蕩通過在晴天或有風期間儲存能量來補償，并在需要時提供回來。飛輪可用于校正風振并提高系統(tǒng)頻率；然而，在太陽能系統(tǒng)中，它們可以與電池集成，以提高系統(tǒng)輸出并延長電池的使用壽命。

關于飛輪儲能方面的系統(tǒng)專業(yè)知識，可參閱《飛輪儲能系統(tǒng)技術與工程應用》，該書全面地論述飛輪儲能系統(tǒng)技術特征、部件設計理論與方法,并通過飛輪儲能系統(tǒng)案例研究論證飛輪儲能技術的先進性和工程實用價值。內(nèi)容主要包括飛輪儲能系統(tǒng)原理、結(jié)構(gòu)、關鍵技術與應用，分析了飛輪儲能系統(tǒng)總體特性，提出了飛輪結(jié)構(gòu)、永磁電機、微損耗軸承、變流器、輔助設備的設計方法,通過實驗系統(tǒng)、動態(tài)UPS樣機研制、油井鉆機工程示范應用的研究案例檢驗設計理論與方法，展示飛輪儲能系統(tǒng)技術的特性。

相關知識

區(qū)塊鏈+共享儲能=？
智能醫(yī)療器械，智能家用醫(yī)療器械有哪些
養(yǎng)老康復器械的轉(zhuǎn)型之路
電火花加工機床安全防護技術要求
探究腦機接口技術：如何幫助殘疾人恢復運動和交流能力？
先進技術！齒輪的激光熱處理技術
運動心肺功能測試
儲能產(chǎn)業(yè)報告
飛利浦轉(zhuǎn)型三年，聚焦4個領域，向醫(yī)療健康技術供應商轉(zhuǎn)變
?？谒兔蠙C電設備取得電火花加工用快速檢測機構(gòu)專利，防止檢測中物件位移并避免電火花飛濺傷害

網(wǎng)址: 飛輪儲能——實現(xiàn)電能和機械動能快速互相轉(zhuǎn)換的技術 http://m.u1s5d6.cn/newsview730111.html