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电机与电器专题课报告 ——飞轮储能系统研究

哈尔滨工业大学 2014年6月

飞轮储能系统研究

摘要：飞轮储能系统(FESS)又称飞轮电池或机电电池，由于它与化学电池相比所具有的巨大优势和未来市场的巨大潜力，引起了人们的密切关注。它结合了当今最新的磁悬浮技术、高速电机技术、电力电子技术和新材料技术，使得飞轮储存的能量有了质的飞跃，再加上真空技术的应用，使得各种损耗也非常小。本文针对该领域近年来的研究成果，对飞轮储能系统的几大关键部件全面的论述。 引言：

飞轮电池是一种高科技机电一体化产品，它在国防工业、汽车工业、电力工业、电信业等领域具有广阔的应用前景。作为电池家族的成员，这种新型的电池与化学电池相比具有以下几方面突出的优点。

(1) 储能密度高。转子转速大于60000r/min的飞轮电池，在75%放电深度下产生大于20Whr/lb的比能量(此值还不是最高的)，而镍氢电池只有5～6Whr/lb的比能量，其放电深度一般限制在30%～40%的范围内。 (2) 无过充电、过放电问题。化学电池一般不能深度放电，也不能过充电，否则其寿命会急剧下降。而飞轮电池在深度放电时，其性能完全不受影响，而且在电力电子协助下，非常容易防止过充电(实际上是限制转子的最高转速)。飞轮电池的寿命主要取决于其电力电子的寿命，故一般可达到20年左右。

(3) 容易测量放电深度，充电时间较短。飞轮电池只要测出转子的转速，就能确切知道其放电深度，而化学电池就没有这么容易了。另外，飞轮电池的充电一般在几分钟之内即可完成，而化学电池则需要几个小时，常见的需要七八个小时。

(4) 对温度不敏感。化学电池在高温或低温时其性能会急剧下降，而飞轮电池则不然。

(5) 对环境友好。化学电池在报废后会对环境产生恶劣影响，而且回收成本较高。飞轮电池是一种绿色电池，它不会对环境产生任何影响，故它在电动汽车方面的应用极具潜力。

飞轮电池的发展开始于20世纪70年代，当时正处于石油禁运和天然气危机时期。此时，美国能量研究发展署(ERDA)及其后的美国能源部(DoE)资助飞轮系统的应用开发，包括电动汽车的超级飞轮的研究Lewis研究中心(LeRC)在ERDA的协助和美国航空航天局(NASA)的资助下专门研究用于真空下的机械轴承和用于复合车辆的飞轮系统的传动系统。NASA同时也资助Goddard空间飞行中心(GSFC)研究适用于飞行器动量飞轮的电磁轴承。80年代，DoE削减了飞轮储能研究的资助，但NASA继续资助GSFC研究卫星飞轮系统的电磁轴承，同时还资助了

Langley研究中心(LaRC)及Marshall空间飞行中心(MSFC)关于组合能量储存和姿态控制的动量飞轮构形的研究。

近10年来，一大批新型复合材料和新技术的诞生和发展，如高强度的碳素纤维复合材料(抗拉强度高达8。27GPa)、磁悬浮技术和高温超导技术、高速电机/发电机技术以及电力电子技术等，使得飞轮能够储存大量的能量，给飞轮的应用带来了新的活力。它可应用于国防工业(如卫星、电磁炮和电热化学枪、作战侦察车辆等)、汽车工业(电动汽车)、电力行业(如电力质量和电力负载调节等)、医疗和电信业(作UPS用)等。NASA的应用有航天器(宇宙飞船)、发射装置、飞行器动力系统、不间断电源(UPS)和宇宙漫步者。

典型的飞轮电池一般由5个部分组成:①高速储能飞轮；②集成驱动的电动机-发电机；③磁悬浮轴承及控制系统；④电力电子；⑤辅件和应用接口。其结构参见图1。从应用的角度看，飞轮电池的潜力尚未得到应有的发掘。就发展状况而言，它本身也远未达到替代其他电池的水平。原因除造价昂贵及设计理论尚未成熟外，还在于高速电机及磁轴承系统的控制方面仍有许多课题亟待研究和解决。本文将近年来国内外的研究热点归纳为以下几个方面。

图1飞轮储能系统结构简图

从应用的角度看，飞轮电池的潜力尚未得到应有的发掘。就发展状况而言，它本身也远未达到替代其他电池的水平。原因除造价昂贵及设计理论尚未成熟外，还在于高速电机及磁轴承系统的控制方面仍有许多课题亟待研究和解决。本文将近年来国内外的研究热点归纳为以下几个方面。

1复合材料飞轮

选用高抗拉强度的飞轮材料是飞轮电池能够储存较多能量的先决条件，其次才是飞轮的结构设计。飞轮储存的能量跟它的旋转速度的平方成正比，和它的转