飛輪儲能（儲能方式）

飛輪儲能（儲能方式）

飛輪儲能 （儲能方式） 次瀏覽 | 2022.09.21 14:20:14 更新 來源 ：互聯網 精選百科 本文由作者推薦 飛輪儲能儲能方式

飛輪儲能是指利用電動機帶動飛輪高速旋轉，在需要的時候再用飛輪帶動發電機發電的儲能方式。技術特點是高功率密度、長壽命。

飛輪本體是飛輪儲能系統中的核心部件，作用是力求提高轉子的極限角速度，減輕轉子重量，最大限度地增加飛輪儲能系統的儲能量，目前多采用碳素纖維材料制作。

中文名

飛輪儲能

外文名

Flywheel energy storage

定義

將電能轉化成動能儲存起來

技術特點

高功率密度、長壽命

簡介

飛輪儲能思想早在一百年前就有人提出，但是由于當時技術條件的制約，在很長時間內都沒有突破。直到20世紀60~70年代，才由美國宇航局(NASA)Glenn研究中心開始把飛輪作為蓄能電池應用在衛星上。到了90年代后，由于在以下3個方面取得了突破，給飛輪儲能技術帶來了更大的發展空間。

(1)?高強度碳素纖維復合材料(抗拉強度高達8．27GPa)的出現，大大增加了單位質量中的動

能儲量。

(2)?磁懸浮技術和高溫超導技術的研究進展迅速，利用磁懸浮和真空技術，使飛輪轉子的摩

擦損耗和風損耗都降到了最低限度。

(3)?電力電子技術的新進展，如電動/發電機及電力轉換技術的突破，為飛輪儲存的動能與電能之間的交換提供了先進的手段。儲能飛輪是種高科技機電一體化產品，它在航空航天(衛星儲能電池，綜合動力和姿態控制)、軍事(大功率電磁炮)、電力(電力調峰)、通信(UPS)、汽車工業(電動汽車)等領域有廣闊的應用前景。

工作原理

飛輪儲能系統是一種機電能量轉換的儲能裝置，突破了化學電池的局限，用物理方法實現儲能。通過電動/發電互逆式雙向電機，電能與高速運轉飛輪的機械動能之間的相互轉換與儲存，并通過調頻、整流、恒壓與不同類型的負載接口。

在儲能時，電能通過電力轉換器變換后驅動電機運行，電機帶動飛輪加速轉動，飛輪以動能的形式把能量儲存起來，完成電能到機械能轉換的儲存能量過程，能量儲存在高速旋轉的飛輪體中。

之后，電機維持一個恒定的轉速，直到接收到一個能量釋放的控制信號；釋能時，高速旋轉的飛輪拖動電機發電，經電力轉換器輸出適用于負載的電流與電壓，完成機械能到電能轉換的釋放能量過程。

整個飛輪儲能系統實現了電能的輸入、儲存和輸出過程。

組成結構

飛輪本體是飛輪儲能系統中的核心部件，作用是力求提高轉子的極限角速度，減輕轉子重量，最大限度地增加飛輪儲能系統的儲能量，目前多采用碳素纖維材料制作。

軸承系統的性能直接影響飛輪儲能系統的可靠性、效率和壽命。目前應用的飛輪儲能系統多采用磁懸浮系統，減少電機轉子旋轉時的摩擦，降低機械損耗，提高儲能效率。

飛輪儲能系統的機械能與電能之間的轉換是以電動/發電機及其控制為核心實現的，電動、發電機集成一個部件，在儲能時，作為電動機運行，由外界電能驅動電動機，帶動飛輪轉子加速旋轉至設定的某一轉速；在釋能時，電機又作為發電機運行，向外輸出電能，此時飛輪轉速不斷下降。顯然，低損耗、高效率的電動/發電機是能量高效傳遞的關鍵。

電力轉換裝置是為了提高飛輪儲能系統的靈活性和可控性，并將輸出電能變換(調頻、整流或恒壓等)為滿足負荷供電要求的電能。

真空室的主要作用是提供真空環境，降低電機運行時的風阻損耗。

飛輪儲能系統主要包括轉子系統、軸承系統和轉換能量系統三個部分構成。另外還有一些支持系統，如真空、深冷、外殼和控制系統。

1、轉子系統

飛輪轉動時動能與飛輪的轉動慣量成正比。而飛輪的轉動慣量又正比于飛輪直徑的2次方和飛輪的質量（J=(0.5~1)*M*R^2,飛輪質量分布均勻時取0.5，質量完全集中在邊緣時取1）。

當過于龐大、沉重的飛輪在高速旋轉時，會受到極大的離心力作用，往往超過飛輪材料的極限強度，很不安全。因此，用增大飛輪轉動慣量的方法來增加飛輪的動能是有限的。

2、軸承系統

支撐轉子的軸承，支撐轉子運動，降低摩擦阻力，使整個裝置則以最小損耗運行。

3、轉換能量系統

飛輪儲能裝置中有一個內置電機，它既是電動機也是發電機。在充電時，它作為電動機給飛輪加速；當放電時，它又作為發電機給外設供電，此時飛輪的轉速不斷下降；而當飛輪空閑運轉時，整個裝置則以最小損耗運行。

飛輪儲能器中沒有任何化學活性物質，也沒有任何化學反應發生。旋轉時的飛輪是純粹的機械運動，飛輪在轉動時的動能為：

E=1/2Jω/2

式中：J為飛輪的轉動慣量

ω為飛輪旋轉的角速度.

飛輪儲能的技術優勢是技術成熟度高、充放電次數無限以及無污染等特性。

飛輪儲能的劣勢也很明顯：能量密度不夠高、自放電率高，如停止充電，能量在幾到幾十個小時內就會自行耗盡。[1]

發展前景

飛輪儲能的研究主要著力于研發提高能量密度的復合材料技術和超導磁懸浮技術。其中超導磁懸浮是降低損耗的主要方法，而復合材料能夠提高儲能密度，降低系統體積和重量。截止2012年我國還沒有100千瓦、1萬轉以上的飛輪儲能電機。

研究難點

飛輪儲能技術主要結構和運行方法已經基本明確，主要正處于廣泛的實驗階段，小型樣機已經研制成功并有應用于實際的例子，正向發展大型機的趨勢發展，但是卻有非常多的難點，主要集中在以下幾個方面。

(1)轉子的設計：轉子動力學，輪轂一轉緣邊界連接，強度的優化，蠕變壽命；

(2)磁軸承：低功耗，動力設計，高轉速，長壽命；

(3)功率電子電路：高效率，高可靠性，低功耗電動/發電機；

(4)安全及保護特性：不可預期動量傳遞，防止轉子爆炸可能性，安全輕型保護殼設計；

(5)機械備份軸承：磁軸承失效時支撐轉子。飛輪儲能系統優勢突出，應用廣泛，隨著技術的成熟和價格的降低，將會是儲能領域的一項新的革命。我國在飛輪技術上與發達國家差距很大，國家應對這一技術加以重視，加大資金和技術的投入，使這項技術早日走向市場化、商品化。

參考資料