飞轮储能
1飞轮储能的工作原理和基本结构
1.1飞轮储能的工作原理
飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置。该系统采用物理方法进行储能，并通过电动/发电互逆式双向电机实现电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换和储存。
在储能时，外界电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电机带动飞轮转子加速旋转，直至达到设定的某一转速。在飞轮加速旋转的过程中，飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械动能转换的储存能量过程，能量储存在高速旋转的飞轮体中。之后，飞轮以设定的那一转速旋转，直到接受到一个能量释放的控制信号。释能时，电机作为发电机使用，高速旋转的飞轮拖动电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流和电压，完成机械动能到电能转换的释放能量过程。在释能的过程中，飞轮的转速不断的下降。整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出。
作为电能存储的手段之一，它与其它形式的储能方式相比，优缺点列于下表。
储能技术的比较
项目 效率(%) 飞轮储 能 ~90 电池 ~70 中 是 几百 时 中 抽水蓄能 ~60 高 否 几千 时 低 压缩空小型超超导储燃气轮气/气体 导储能 <50 高 否 几千 时 低 ~90 极低 是 无限 分 高 能 ~90 高 否 无限 时 很低 机 ~50 无 >30MW 几千 无 中 储能容量 高 模块性 是 循环寿命 无限 充电时间 分 地点可用极高 性 储能测定 极好 建设时间 以周计 环境影响 良好 事故后果 低 差 月 大 中 极好 年 极大 高 极好 年 极大 中 极好 周 良好 低 极好 年 很好 高 无 月 大 中
环境控制 无 可用性 显著 一些 一些 无 无 一些 正在开 发，少量现在 已用 现在，地理现在，地正在开正在开 限制 理限制 发 发 现在 1.2飞轮储能的基本结构
典型的飞轮储能系统由飞轮本体、轴承、电机/发电机、电力转换器和真空室5个主要组件构成。在实际应用中，飞轮储能系统的结构有很多种。图1所示是一种飞轮与电机合为一个整体的飞轮储能系统结构示意图。
飞轮本体是飞轮储能系统的核心部件，作用是力求提高转子的极限角速度，减轻转子重量，最大限度地增加飞轮储能系统的储能量。目前多采用碳素纤维材料制作。
轴承的性能直接影响飞轮储能系统的可靠性、效率和寿命。目前应用的飞轮储能系统多采用磁悬浮系统，减少电机转子旋转时的摩擦，降低机械损耗，提高储能效率。
飞轮储能系统的机械动能与电能之间的转换是以电动/发电机及其控制为核心实现的。电动/发电机集成一个部件，在储能时，作为电动机运行，由外界电能驱动电动机，带动飞轮转子加速旋转至设定的某一转速；在释能时，电机又作为发电机运行，向外输出电能，此时飞轮转速不断下降。显然，低损耗、高效率的电动/发电机是能量高效传递的关键。
电力转换器是为了提高飞轮储能系统的灵活性和可控性，并将输出电能通过调频、整流或恒压等变换为满足负荷供电要求的电能。
真空室的主要作用是提供真空环境，降低电机运行时的风阻损耗。
2国内外飞轮储能技术发展现状
2.1国外飞轮储能技术发展现状
美国、德国、日本等发达国家对飞轮储能技术的开发和应用比较多。日本已经制造出世界上容量最大的变频调速飞轮储能发电系统(容量26.5MVA ,电压1100V ,转速510690r/min ,转动惯量710t·m2) 。美国马里兰大学也已研究出用于电力调峰的24kwh的电磁悬浮飞轮系统。飞轮重172.8kg, 工作转速范围为11610—46345rpm,转速为48784rpm, 系统输出恒压110-240V , 全程效率为81%。经济分析表明, 运行3 年时间可收回全部成本。飞轮储能技术在美国发展得很成熟,他们制造出一种装置,在空转时的能量损耗达到0. 1 %每小时。欧洲的法国国家科研中心、德国的物理高技术研究所、意大利的SISE均正开展高温超导磁悬浮轴承的飞轮储能系统研究。
(1)、美国宇航局（NASA）Glenn 研究中心及其合作单位
NASA飞轮主要应用于航空航天，以及军用装甲车辆。用途主要是：能量储存；动力和姿态控制；峰值功率调节等。设计储能量为300-700Ws；储能密度44wh/kg；转速为60000rpm；线速度不小于880m/s。NASA的目标是建立和测试大型飞轮储能系统，预期目标：储能密度大于100wh/kg；线速度不小于1260m/s；工作高低转速比3：1；放电深度90%；运行转速内无临界模态。 (2)、Bescon Power 公司
Bescon Power 公司生产的飞轮电池用以满足迅速增长的、可靠的、分布式电源需求。建立为通讯应用提供后备电源的商业基础，估计每年拥有10000套飞轮系统需求，为电信/ 电缆设备提供备用电力供应的20C1000飞轮储能系统为主。
该飞轮电池采用高强度复合材料轮缘；高速、长寿命、无需维护、低损耗永磁偏置主动/被动磁轴承；直流永磁无刷、高效率、低损耗电动/发电机；正弦波脉宽调制实现驱动电压、电流一体化控制的双向换流器；真空密封，埋入地下，运行状况可以通过互联网进行监视。
飞轮电池的指标：工作转速30000-100000rpm，最高线速度700m/s，放电深度90%，电机效率96%,输出可用储量2000wh；输出电压为直流36V、48V 或96V，额定输出功率1kw；输入电压120/240 DC，50/60HZ，最大输入功率kw；