刘春娜

飞轮储能电池应用展望

刘春娜

飞轮储能电池是一种机电能量转换的储能装置，是一种新兴的电能存储技术。它与超导储能技术、燃料电池技术等一样，都是近年来出现的具有很大发展前景的储能技术。

1 结构及原理

典型的飞轮储能系统由飞轮本体、轴承、电动/发电机、电子电路控制装置及相关辅助系统等组件构成。图1是一种飞轮储能电池结构图。其工作原理是：电子电路控制装置从外部输入电能驱动电动机旋转，电动机带动飞轮旋转，飞轮储存动能，当外部负载需要能量时，用飞轮带动发电机旋转，将动能转化为电能，再通过电子电路控制装置变成负载所需要的各种频率、电压等级的电能，以满足不同的需求。

2 优点及应用

飞轮储能电池的优点体现在：比能量比氢镍电池大2～3倍；比功率高于一般化学蓄电池和内燃机，其快速充电可在18分钟内完成且能量储存时间长；寿命远长于各种化学蓄电池；飞轮为纯机械结构，不会像内燃机产生排气污染。表1是飞轮储能电池与化学电池的比较。

飞轮储能电池的应用十分广泛：

(1)交通运输。车辆在正常行使和刹车制动时，给飞轮储能电池充电，在加速或爬坡时，电池则给车辆提供动力，保证车辆运行在一种平稳、最优的状态下的转速，可减少燃料消耗，降低空气和噪声污染，有利于延长发动机的使用寿命。

(2)工业。在不间断电源(UPS)领域，市电正常时，由市电给负载供电，同时使发电机带动两百公斤重的飞轮在真空中旋转；市电中断，由飞轮利用其惯性能量带动发电机发电，这个时间完全可以使柴油发电机起动并达到稳定运行，从而实现了不间断供电。在风力发电领域，因风速不稳定，给用户在使用上带来了困难，飞轮储能电池可提供高可靠的稳定电源，提供几秒到几分钟的电能，足已保证工厂进行电源切换。高速飞轮储能系统可以在瞬间释放出巨大电力以稳定电网波动，实现对电网的调峰功能，为电网运营商创造更可靠的供电系统。

(3)太空。包括人造卫星、飞船、空间站，飞轮储能电池一次充电可以提供同质量化学电池两倍的功率，同负载的使用时间为化学电池的3～10倍。同时，因为它的转速可测可控，可以随时查看电能的多少。

(4)军事。美国国防部预测未来的战斗车辆在通信、武器和防护系统等方面都广泛需要电能，飞轮储能电池由于具有充放电快、能量输出稳定、质量轻、能使车辆工作处于最优状态、减少车辆的噪声、提高车辆的加速性能等优点，已成为美国军方首要考虑的储能装置。美国已经开始在军用设备上尝试使用飞轮装置，尤其是大型混能牵引机车上。

3 国外飞轮储能电池发展状况美国

美国飞轮储能研发的代表性企业Active Power，其研制的飞轮储能电池因自身结构紧凑、高效节能、无蓄电池储能原件等特点，在日常运营电耗、占地成本、制冷投入及维护成本上，大大低于传统蓄电池系统；在整个生命周期内，整体拥有成本(TCO)较传统蓄电池系统节省60%以上。电池占地面积小，仅相当于同容量传统UPS系统的50%以下；且因为无蓄电池储能单元，大大节省了维护人工及成本。公司生产的飞轮储能电源系统，飞轮材料为4340锻铁，其飞轮转子与电动/发电机、磁轴承整合在一起。用磁铁卸去80%的质量以延长飞轮轴承的寿命和减小损耗，飞轮的工作转速在7 000～7700 r/m in，工作维持时间为几十秒到几分钟。其研发的PowerHouse模块化电源系统，采用真空磁悬浮飞轮储能技术，由机械飞轮提供高效后备能源，完全无需化学蓄电池，通过电能和机械能之间的转换，可以将能量转换效率提高至98%，同时占地面积却只有传统电源的25%，符合数据中心向高密度、小空间的发展方向。Power House能够以极高的效率支持数据中心中I T设备的关键负载，有着非常显著的节能效果。它的功率从200～800 kW不等，是完全可以扩展的结构。传统备用电源需单个部件现场组装,而P o werH o use系统设计、质量控制、测试、建设和验证都可在工厂组装完成，确保了集成飞轮UPS、开关柜、备用发电机和冷却设备之间的相互操作性，因此可被快速装配及应用。

图1 飞轮储能电池结构图

表1 飞轮储能电池与化学电池的比较

劳伦斯国家实验室研制出了1 kWh/ 200 kW的飞轮储能电池，电机采用“Halbach”磁路分布设计，飞轮转子采用多环组合结构，采用被动磁轴承。实验室还研制出了870Wh的飞轮储能实验系统，飞轮边缘线速度可达到480m/s，实验转速20000～10000 r/m in，飞轮释放能量650Wh，放电效率96%。

美国阿贡(A N L)国家实验室则用碳纤维试制一个储能飞轮：直径38cm，质量为11kg，采用超导磁悬浮，飞轮线速度达1000 m/s。它储存的能量可将10个100W灯泡点燃2～5 h。该实验室还开发了储能为50kWh的储能飞轮，最终目标是使其储能达5000 kWh。

波音公司研制了高温超导轴承悬浮的5 kWh/100kW飞轮储能系统，质量164 kg的飞轮在高温超导磁轴承中运转到15000 r/m in。控制器可实现三相480V AC-600V DC-480V AC的充电、放电电力转换。

马里兰大学研究出用于电力调峰的24 kWh的电磁悬浮飞轮系统，其飞轮重172.8 kg，工作转速范围11610～46 345 r/m in，破坏转速为48 784 r/m in，系统输出恒压110～240V，全程效率为81%。

Beacon Power公司开创了飞轮储能系统与电力公司合作的先例：其20 MW的飞轮储能电池用于电厂储能调频，能做到15 m in的储能规模，而一般应用于UPS的飞轮储能时间都不超过100s。Beacon Power推出的2 kWh飞轮储能电池，飞轮转速30000 r/m in，采用永磁/电磁混合轴承，永磁无刷电机效率高达96%。

TEXAS大学研制出了汽车用飞轮储能电池，电池在车辆需要时，可提供150kW的能量，能加速满载车辆到100km/h。

美国飞轮系统公司(A F S)生产出了以克莱斯勒LHS轿车为原形的飞轮储能电池轿车AFS20。这种汽车是靠内燃机和电机两种方式共同提供推动力的，在汽车正常行驶和制动的时候给飞轮储能电池充电，汽车爬坡和加速，需要功率大的时候让飞轮储能电池放电，这样可以大幅度提高汽车的性能。

LitMotors公司2012年展示的C-1电动概念汽车，应用了F1赛车上使用的动能回收系统，并使用飞轮储能电池技术储存自身制动能量，让汽车更有效率。该车速度可以达到每小时约193km，充满电后大约可行驶321km。

美国太空总署已在空间站安装了48个飞轮储能电池，联合在一起可提供超过150kW的电能。据估计相比于化学电池，可节约200万美元左右。

美国宇航局(NASA)Glenn研究中心及其合作单位研制的飞轮储能电池主要应用于航空航天以及军用装甲车辆上，用途主要是能量储存、动力和姿态控制以及峰值功率调节等。设计储能量360～840 kWh，比能量44Wh/kg，转速60 000 r/m in，线速度不小于880 m/s。其目标是建立和测试大型飞轮储能系统：比能量大于100Wh/kg，线速度不小于1 260 m/s，放电深度90%，运行转速内无临界模态。

为了使运载火箭能反复使用，美国正在研究一种磁悬浮直线电动机托架来发射航天飞机，这需要功率巨大、但放电时间非常短促的电源，所以飞轮储能电池也许是实现这一目标的最佳选择。

德国

德国Forschungszen trumkarlsruhe Gmbh公司设计的5MWh/100 MW超导飞轮储能电站，由10个飞轮模块组成，每个模块储能0.5 MWh，功率10 MW，直径3.5 m，高6.5 m，用同步电动/发电机进行电能输入输出。每个模块包括一个电动/发电机子模块、4个碳纤维复合材料制成的转子模块和6个SMB子模块。每个飞轮转子储能125 kWh，比能量42 Wh/kg，运行转速 2 250～4 500 r/m in，最大外缘线速度600 m/s，最大拉应力810 M Pa，系统效率96%。西门子公司已研制出长1.5m，宽0.75 m的飞轮储能电池并将其应用于火车方面，可提供3 MW的功率，同时可储存30%的刹车能。ATZ与MM开发了5 kWh/250 kW 的大容量高功率飞轮UPS，质量450 kg飞轮由高温超导磁体轴承完全悬浮。GmbH公司制造了一种使用飞轮储能电池的UPS，在5s内可提供或吸收5 MW的电能。

日本

日本已投资3 500万美元进行高温超导磁悬浮轴承飞轮储能研究，由三菱、日立、精工等公司和多个研究所、高校组成研究组来承担这项任务，并已研制出3种实验模型机，进行了储能8 MWh的飞轮储能机组的设计。日本原子能研究所一座大型核融合实验炉采用了飞轮储能发电装置，其主要参数为：功率235 MVA，电压18 k V，电流6 898 A，飞轮转速420～600 r/m in，可释放能量20 MJ，转子为碳素钢锻造的实心圆盘。NED O飞轮项目资助建立了10 kWh级超导磁轴承飞轮系统，实验系统的转速达11 250 r/m in，储能5 kWh。长冈技术大学与国立仙台工学院联合研制了230 Wh/5 kW的飞轮不间断电源实验装置，钢质飞轮重30 kg，最高转速 30 000 r/m in，20 000～30 000 r/m in升速充电效率88.3%，30 000～20 000 r/m in降速放电效率88.5%。日本还利用飞轮电池比功率高的特性设计了一个引发可控热核聚变的装置。该装置的飞轮直径达6.45 m，高1 m，重255吨。它所储存的能量与挂有150个车厢的列车以100 k m/h的速度行驶时所具有的能量相当。

4 展望

飞轮储能电池与传统电池相比，拥有无可比拟的优势，其理论论证已经比较成熟，技术特点非常符合未来能源储存技术的发展方向。目前，因其价格相对较高，在小型场合还无法体现其优势，但在一些需大型储能装置的场合，飞轮储能电池已得到逐步应用，包括航天航空领域，而且人们也正在为飞轮储能电池开发更多的应用领域。飞轮储能电池也正在向小型化、低廉化的方向发展。伴随着技术和材料学的进步，飞轮储能电池将在各行各业中发挥重要的作用。CJPS