兆瓦級(jí)飛輪儲(chǔ)能研發(fā)可行性探討

兆瓦級(jí)飛輪儲(chǔ)能研發(fā)可行性探討海油雙帆〔北京〕科技有限責(zé)任公司二O一O年十一月目錄飛輪儲(chǔ)能的概述

ContentTitle五總結(jié)四二三國(guó)內(nèi)外飛輪儲(chǔ)能開(kāi)展現(xiàn)狀與應(yīng)用研發(fā)兆瓦級(jí)飛輪儲(chǔ)能的可行性一1.1各種儲(chǔ)能方式及特點(diǎn)各種儲(chǔ)能方法介紹：1.1各種儲(chǔ)能方式及特點(diǎn)1.2飛輪儲(chǔ)能的原理圖1.1

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理圖根本工作原理：運(yùn)行在儲(chǔ)能模式時(shí)，電能通過(guò)電力電子裝置變換后控制電機(jī)帶動(dòng)飛輪加速旋轉(zhuǎn)，從而將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能儲(chǔ)存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪本體中；之后，電機(jī)維持一個(gè)恒定的轉(zhuǎn)速，直到接收到一個(gè)能量釋放的控制信號(hào)；當(dāng)需要釋放能量時(shí)，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，由飛輪帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)減速發(fā)電，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)電力電子裝置變換后輸送給電網(wǎng)或給負(fù)荷供電。飛輪儲(chǔ)能單元是一種基于機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的儲(chǔ)能裝置，突破了化學(xué)電池的局限，用物理方法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。儲(chǔ)能系統(tǒng)主要組成：包括3個(gè)局部：(1)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)；(2)支撐轉(zhuǎn)子的軸承系統(tǒng)；(3)轉(zhuǎn)換能量和功率的電動(dòng)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。另外還有真空室、外殼和控制系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)。1.2飛輪儲(chǔ)能的原理圖1.2

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1.3飛輪儲(chǔ)能的特點(diǎn)特點(diǎn)特點(diǎn)介紹充電快速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)有較快的充電、放電速度；壽命長(zhǎng)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命較長(zhǎng)，一般比蓄電池的壽命長(zhǎng)5~10倍，

相對(duì)整個(gè)

使用周期來(lái)說(shuō)價(jià)格較低；環(huán)保飛輪儲(chǔ)能過(guò)程干凈、清潔，對(duì)環(huán)境無(wú)任何不良影響；穩(wěn)定飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能十分穩(wěn)定，儲(chǔ)能能力不因外界溫度等因素的變化而波動(dòng)；高效飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有很高的效率，總效率達(dá)到90%以上，而化學(xué)儲(chǔ)能電池一般只

有60%左右；設(shè)計(jì)靈活飛輪儲(chǔ)能單元的容量可根據(jù)負(fù)荷和風(fēng)力機(jī)功率大小的具體情況進(jìn)行靈活的設(shè)計(jì)。它可埋藏在用戶配電裝置的下面，既安全又少占用空間。圖1.3

飛輪儲(chǔ)能的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)1.3飛輪儲(chǔ)能的特點(diǎn)表1.2飛輪儲(chǔ)能與蓄電池儲(chǔ)能的比較項(xiàng)目化學(xué)蓄電池飛輪儲(chǔ)能儲(chǔ)能容量中高循環(huán)壽命幾百次幾百萬(wàn)次使用壽命2～8年＞20年放電深度有限制基本無(wú)限制維護(hù)時(shí)間＜6個(gè)月＞10年環(huán)境污染污染環(huán)境無(wú)污染儲(chǔ)能密度10～20Wh/kg＞20Wh/kg功率密度150W/kg5000W/kg目錄

ContentTitle五總結(jié)四二三國(guó)內(nèi)外飛輪儲(chǔ)能開(kāi)展現(xiàn)狀與應(yīng)用研發(fā)兆瓦級(jí)飛輪儲(chǔ)能的可行性飛輪儲(chǔ)能的概述一2.1國(guó)內(nèi)外飛輪儲(chǔ)能開(kāi)展現(xiàn)狀國(guó)外:

分項(xiàng)單位公司艾泰沃(美國(guó))索克曼(法國(guó))轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)/分770030000材質(zhì)精鋼材質(zhì)碳纖維材質(zhì)2.1國(guó)內(nèi)外飛輪儲(chǔ)能開(kāi)展現(xiàn)狀表2.1國(guó)外實(shí)現(xiàn)飛輪儲(chǔ)能商用的公司注：上海世博會(huì)和廣州亞運(yùn)會(huì)均采用了艾泰沃的飛輪發(fā)電車。2.1國(guó)內(nèi)外飛輪儲(chǔ)能開(kāi)展現(xiàn)狀國(guó)外其它研究機(jī)構(gòu)情況2.1國(guó)內(nèi)外飛輪儲(chǔ)能開(kāi)展現(xiàn)狀單位研究情況保定英利集團(tuán)預(yù)計(jì)2010年底推出第一批風(fēng)輪儲(chǔ)能設(shè)備樣機(jī),功率在20千瓦至60千瓦之間，“十二五”期間生產(chǎn)至少45萬(wàn)臺(tái)。中科院電工所20世紀(jì)80年代初期開(kāi)始飛輪儲(chǔ)能設(shè)備的探索,之后國(guó)內(nèi)沒(méi)有開(kāi)展實(shí)質(zhì)性研究。清華大學(xué)1997年首次實(shí)現(xiàn)0.3千瓦時(shí)飛輪儲(chǔ)能樣機(jī)的充放電實(shí)驗(yàn)。幾年后,該校研究人員完成了0.5千瓦時(shí)飛輪儲(chǔ)能不間斷電源原理樣機(jī),飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到42000轉(zhuǎn)/分。北京航空航天大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所開(kāi)展風(fēng)輪儲(chǔ)能電源的航天應(yīng)用研究，房建成教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)所完成的“衛(wèi)星新型姿控儲(chǔ)能兩用飛輪技術(shù)”項(xiàng)目獲得2007年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。表2.2國(guó)內(nèi)研究飛輪儲(chǔ)能的單位2.2飛輪儲(chǔ)能的應(yīng)用范圍領(lǐng)域應(yīng)用介紹電力系統(tǒng)飛輪儲(chǔ)能可以在很大程度上解決新能源發(fā)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電等新能源的平滑輸出,方便可靠的并入常規(guī)電網(wǎng)。汽車工業(yè)隨著飛輪電池技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,以及其控制技術(shù)的成熟,從而使得飛輪電池在純電動(dòng)車輛和混合電動(dòng)車輛中都有很好的應(yīng)用前景。航空航天采用飛輪系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)能和姿態(tài)控制將使航天器的重量得到較大幅度的減輕,降低系統(tǒng)成本的同時(shí)增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。其他領(lǐng)域飛輪電池還可以做為醫(yī)療設(shè)備、軍事設(shè)備、安全設(shè)備、通訊設(shè)備、電信中基站、核聚變實(shí)驗(yàn)裝置、計(jì)算機(jī)站等場(chǎng)所的不間斷供電備用電源（UPS）。表2.3飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用范圍在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的作用：

當(dāng)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中時(shí)，可以在風(fēng)力波動(dòng)和負(fù)荷擾動(dòng)的情況下，快速地發(fā)出或吸收有功功率，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)出功率和消耗功率的平衡，從而提高風(fēng)能的利用效率和供電的電能質(zhì)量，而將其應(yīng)用在并網(wǎng)型風(fēng)力系統(tǒng)中時(shí)，通過(guò)引入先進(jìn)的電能變換裝置，可實(shí)現(xiàn)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組輸出有功功率和無(wú)功功率的快速、綜合補(bǔ)償，從而有效減少風(fēng)速波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高含并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的電網(wǎng)的電能質(zhì)量。2.2飛輪儲(chǔ)能的應(yīng)用范圍在電力調(diào)峰中的作用：2.2飛輪儲(chǔ)能的應(yīng)用范圍目錄

ContentTitle五總結(jié)四二三國(guó)內(nèi)外飛輪儲(chǔ)能開(kāi)展現(xiàn)狀與應(yīng)用研發(fā)兆瓦級(jí)飛輪儲(chǔ)能的可行性飛輪儲(chǔ)能的概述一飛輪轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)，一般考慮三個(gè)方面：1、飛輪本身的強(qiáng)度問(wèn)題：它限定了飛輪的最大儲(chǔ)能量；2、飛輪材料的選擇：要求材料具有較高的比強(qiáng)度；3、飛輪的結(jié)構(gòu)形式：好的結(jié)構(gòu)形式能形成更大的儲(chǔ)能電池。薄壁圓環(huán)飛輪，它儲(chǔ)存的能量與材料的許用應(yīng)力的關(guān)系為：注：E-飛輪動(dòng)能；m-薄壁圓環(huán)質(zhì)量；r-圓環(huán)旋轉(zhuǎn)半徑；ω-飛輪旋轉(zhuǎn)角速度；I-飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；[σ]-飛輪材料許用應(yīng)力；ρ-飛輪材料密度。飛輪的旋轉(zhuǎn)速度及結(jié)構(gòu)尺寸〔外徑〕受到飛輪材料強(qiáng)度限制。材料許用應(yīng)力限制了飛輪的轉(zhuǎn)速不能無(wú)限地升高，從而使得飛輪儲(chǔ)存的能量受到限制。因此：材料選擇與形狀設(shè)計(jì)是飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。3.1飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)—設(shè)計(jì)因素設(shè)計(jì)飛輪轉(zhuǎn)子時(shí)，對(duì)于儲(chǔ)能容量一定的飛輪電池來(lái)說(shuō)，應(yīng)盡可能地做到質(zhì)量輕，體積小，造價(jià)低。為此，引入以下三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)：質(zhì)量能量密度：，Ks-飛輪的形狀系數(shù)(Ks≤l)；體積能量密度：，V-飛輪轉(zhuǎn)子體積；價(jià)格能量密度：，C-飛輪轉(zhuǎn)子價(jià)格，c-飛輪轉(zhuǎn)子單位質(zhì)量?jī)r(jià)格。通常人們所說(shuō)的能量密度、儲(chǔ)能密度指的是質(zhì)量能量密度。設(shè)計(jì)飛輪轉(zhuǎn)子時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用確定著重考慮哪種評(píng)價(jià)指標(biāo)。譬如，對(duì)于航天航空應(yīng)用，應(yīng)著重考慮其質(zhì)量與體積能量密度；對(duì)于電網(wǎng)調(diào)峰和電動(dòng)汽車應(yīng)用，性價(jià)比〔價(jià)格能量密度〕就是其主要因素。3.1飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)—設(shè)計(jì)因素

3.1飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)—設(shè)計(jì)因素當(dāng)整個(gè)圓盤轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)體內(nèi)任一點(diǎn)處的環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力都等于材料的最大許用應(yīng)力時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)子的形狀系數(shù)取最大值，這時(shí)飛輪材料得到最充分的應(yīng)用，這種圓盤飛輪稱之為：等應(yīng)力圓盤。圖3.2不同結(jié)構(gòu)形式飛輪的形狀系數(shù)

表3.1不同材料飛輪的最大儲(chǔ)能能力3.1飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)—材料的研究與介紹材料類型抗拉強(qiáng)度σ（Mpa）密度ρ（kg/m3）[σ]/ρ(W·h/kg)

備注E玻纖/環(huán)氧35002540231.9無(wú)堿玻纖S玻纖/環(huán)氧48002520320.6高強(qiáng)玻纖Kevlar纖維/環(huán)氧38001450441.1芳綸纖維F-12/環(huán)氧44141450512.4Spectra纖維/環(huán)氧3000970520.6聚乙烯纖維碳纖維T700/環(huán)氧70001780662.0碳纖維碳纖維T1000/環(huán)氧100001780945.7優(yōu)質(zhì)鋼2700800056.8合金金屬高強(qiáng)鋁600280036.1◆高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料飛輪，不僅密度小、強(qiáng)度高，而且資源豐富，性能價(jià)格比會(huì)不斷提高，更為可貴的是，一旦纖維材料在高速旋轉(zhuǎn)下破壞，會(huì)變成“棉花糖〞樣的絮狀絨毛，因此現(xiàn)代高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料是制作飛輪轉(zhuǎn)子的理想材料?！魮?jù)介紹，中國(guó)航天科工集團(tuán)第六研究院自主研制了F-12高強(qiáng)有機(jī)纖維填補(bǔ)國(guó)家高強(qiáng)有機(jī)纖維材料的空白。該纖維性能到達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)內(nèi)量產(chǎn)的芳綸II纖維，是芳綸纖維類產(chǎn)品的“佼佼者〞，為我國(guó)國(guó)防軍工及高端民用產(chǎn)品的研制提供了強(qiáng)有力的支撐。50噸生產(chǎn)線的啟動(dòng)對(duì)進(jìn)一步提高其批量生產(chǎn)能力，打破我國(guó)在高端芳綸纖維研究制造領(lǐng)域依賴于國(guó)外進(jìn)口的被動(dòng)局面，解決國(guó)外對(duì)我國(guó)此類材料的“卡脖子〞問(wèn)題，形成芳綸纖維的國(guó)內(nèi)自主保障能力，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。3.1飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)—材料的研究與介紹轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速不僅與材料的彈性模量、密度有關(guān)，而且與轉(zhuǎn)子的形狀高徑比〔L/r〕也有關(guān)。對(duì)于圓環(huán)轉(zhuǎn)子而言，它的極限轉(zhuǎn)速受以下兩個(gè)因素控制：強(qiáng)度控制：；臨界轉(zhuǎn)速控制：。

注：1.根據(jù)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算，高徑比一般按照以下形狀尺寸設(shè)計(jì)：；2.強(qiáng)度計(jì)算出來(lái)的轉(zhuǎn)速低于臨界轉(zhuǎn)速，強(qiáng)度因素是關(guān)鍵。3.1飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)—轉(zhuǎn)子極限速度設(shè)計(jì)

表3.2不同材料飛輪的最大極限速度3.1飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)—轉(zhuǎn)子極限速度設(shè)計(jì)材料類型抗拉強(qiáng)度σ（Mpa）FRP[σ]VG=0.6（Mpa）密度ρ（kg/m3）極限線速度（m/s）E玻纖/環(huán)氧35002100（1270）2540900（545）S玻纖/環(huán)氧48002880（1740）25201058（640）Kevlar纖維/環(huán)氧38002280（1376）14501241（750）F-12/環(huán)氧44142648（1600）14501338（808）Spectra纖維/環(huán)氧30001800（1088）9701349（815）碳纖維T700/環(huán)氧70004200（2540）17801520（918）碳纖維T1000/環(huán)氧100006000（3625）17801818（1098）優(yōu)質(zhì)鋼2700（1200）8000575（256）高強(qiáng)鋁6002800458復(fù)合材料是各向異性材料，在沿纖維方向強(qiáng)度很高，在垂直纖維方向強(qiáng)度卻很低。因此要分別通過(guò)環(huán)向強(qiáng)度和徑向強(qiáng)度分別計(jì)算出來(lái)的極限轉(zhuǎn)速，取其中的轉(zhuǎn)速低的為極限轉(zhuǎn)速。

圖3.3圓環(huán)強(qiáng)度控制的極限速度理論計(jì)算公式3.1飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)—轉(zhuǎn)子極限速度設(shè)計(jì)復(fù)合材料的正交可向異性性能導(dǎo)致其設(shè)計(jì)概念與金屬飛輪的設(shè)計(jì)有很大的不同。確定轉(zhuǎn)子性能時(shí)，需要將幾何形狀和材料性能結(jié)合起來(lái)才能使飛輪性能得到提高。

單層圓環(huán)式(single-ring)飛輪形狀設(shè)計(jì)同構(gòu)式

多層圓環(huán)式(multi-ring)

異構(gòu)式

圖3.4多層異構(gòu)式飛輪剖面示意圖3.1飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)—飛輪形狀設(shè)計(jì)多層異構(gòu)式結(jié)構(gòu)主要有以下優(yōu)點(diǎn):◆每個(gè)單獨(dú)飛輪環(huán)比較容易用連續(xù)纖維纏繞工藝?yán)硐胫圃?；◆由于各飛輪環(huán)使用不同的材料,可以降低復(fù)合材料飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體造價(jià),節(jié)約制造本錢,同時(shí)充分發(fā)揮復(fù)合材料特有的可設(shè)計(jì)性?！魞?nèi)層環(huán)強(qiáng)度低的材料比外層環(huán)強(qiáng)度高的材料沿徑向膨脹要快，產(chǎn)生徑向壓應(yīng)力，調(diào)節(jié)裝配過(guò)盈量，從而可有效地改善各層圓環(huán)徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力的分布。1.選擇最正確的分層徑向厚度與半徑比；2.選擇適宜的材料，從內(nèi)層到外層材料的模質(zhì)比滿足：

3.不同圓環(huán)間用一層柔軟樹脂分割開(kāi)來(lái),以阻止拉伸應(yīng)力的傳遞〔有待研究〕；3.1飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)—飛輪形狀設(shè)計(jì)異構(gòu)式需要注意的幾點(diǎn)

表3.3復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子材料性能注：M-Mandrel(metal),A-glass/epoxy,B-T300/2500,C-T800H/25003.1飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)—復(fù)材飛輪設(shè)計(jì)實(shí)例材料參數(shù)MABC環(huán)向楊氏模量Eθ（GPa）20238.6130155徑向楊氏模量Er（GPa）2028.2799環(huán)向拉伸強(qiáng)度（MPa）700102618002900環(huán)向壓縮強(qiáng)度（MPa）70061014001600徑向拉伸強(qiáng)度（MPa）700318070徑向壓縮強(qiáng)度（MPa）700118168168泊松比（μθr/μθz/μrz）0.280.26/0.25/0.250.3/0.25/0.250.3/0.25/0.25剪切強(qiáng)度Gθr/Gθz/Grz（GPa）2/2/52/2/52/2/5密度7800180016001600

表3.4不同環(huán)間混雜復(fù)合材料飛輪的分析結(jié)果注：1.空心/實(shí)心圓盤尺寸：R內(nèi)=30mm，R外=120mm，L=100mm，d=30mm；2.M/A/B/C分別對(duì)應(yīng)上表的四種材料。3.1飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)—復(fù)材飛輪設(shè)計(jì)實(shí)例形狀序號(hào)材料組合極限轉(zhuǎn)速（rmp）極限線速度（m/s）質(zhì)量（kg）能量密度（J/kg）空心圓盤1C+C+C65153.6818.76.781.78E52A+B+C61357.87716.951.55E5實(shí)心圓盤3M+C+C+C65070817.78.991.36E54M+A+B+C36393457.39.164.22E45M+B+A+C25887325.39.382.24E46M+B+C+A313513949.273.17E4從表3.4可以看出：(1)無(wú)論單一纖維或混雜的復(fù)合材料飛輪,空心結(jié)構(gòu)的初始極限轉(zhuǎn)速均高于相應(yīng)的實(shí)心結(jié)構(gòu)的初始極限轉(zhuǎn)速,儲(chǔ)能密度亦如此。(2)對(duì)于實(shí)心的混雜復(fù)合材料飛輪,采用低模量的纖維混雜后,均導(dǎo)致初始極限轉(zhuǎn)速有明顯的不同程度的降低。這是由于低模量的纖維而引起的,因此不宜采用低模量的纖維來(lái)制造實(shí)心的混雜復(fù)合材料飛輪。3.1飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)—復(fù)材飛輪設(shè)計(jì)實(shí)例

圖3.5空心飛輪的離心應(yīng)力曲線3.1飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)—復(fù)材飛輪設(shè)計(jì)實(shí)例

圖3.6實(shí)心飛輪的離心應(yīng)力曲線3.1飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)—復(fù)材飛輪設(shè)計(jì)實(shí)例從以上兩張圖可以看出：(1)單一纖維復(fù)合材料飛輪的環(huán)向和徑向應(yīng)力沿徑向均連續(xù)光滑分布(無(wú)論空心或?qū)嵭?；而混雜飛輪的環(huán)向應(yīng)力沿徑向分段連續(xù)分布,徑向應(yīng)力沿徑向連續(xù)分布,但不光滑(無(wú)論空心或?qū)嵭?。(2)無(wú)論單一纖維或混雜的復(fù)合材料飛輪,也無(wú)論空心或?qū)嵭慕Y(jié)構(gòu),在轉(zhuǎn)速為60kr/min時(shí),局部區(qū)域的徑向應(yīng)力已接近或超過(guò)復(fù)合材料的徑向拉伸強(qiáng)度;但環(huán)向應(yīng)力遠(yuǎn)未到達(dá)復(fù)合材料的環(huán)向拉伸強(qiáng)度。這說(shuō)明,飛輪的徑向強(qiáng)度低是限制其轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高的主導(dǎo)因素。因此有必要結(jié)合多環(huán)套裝和張緊力纏繞等工藝方法來(lái)提高飛輪的徑向強(qiáng)度。(3)無(wú)論單一纖維或混雜的復(fù)合材料飛輪,空心結(jié)構(gòu)飛輪的徑向應(yīng)力均不同程度地小于相應(yīng)的實(shí)心結(jié)構(gòu),這是因?yàn)榭招慕Y(jié)構(gòu)飛輪釋放掉了金屬芯軸對(duì)飛輪內(nèi)環(huán)的約束,這與金屬空心飛輪具有同樣的結(jié)果。說(shuō)明選用空心結(jié)構(gòu)有利于提高復(fù)合材料飛輪的徑向強(qiáng)度。(4)無(wú)論空心或?qū)嵭慕Y(jié)構(gòu),單一纖維復(fù)合材料飛輪的徑向應(yīng)力沿徑向非線性分布,且在徑向中部附件的徑向應(yīng)力最大。這是采用混雜的復(fù)合材料飛輪、實(shí)現(xiàn)一定意義上“等強(qiáng)度〞設(shè)計(jì)的依據(jù)；但對(duì)于實(shí)心混雜飛輪,假設(shè)內(nèi)層采用低模量的纖維,反而導(dǎo)致徑向應(yīng)力增大。3.1飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)—復(fù)材飛輪設(shè)計(jì)實(shí)例3.2低功耗設(shè)計(jì)—磁懸浮軸承永磁軸承分類：徑向永磁軸承吸力型永磁軸承支撐方式；磁力提供形式軸向永磁軸承斥力型永磁軸承采用永磁軸承需要注意的幾個(gè)問(wèn)題：◆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析：軸向剛度與徑向剛度間存在相互制約的關(guān)系，徑向穩(wěn)定那么軸向不穩(wěn)定，軸向穩(wěn)定那么徑向不穩(wěn)定；◆磁力與剛度計(jì)算：承載能力與剛度是永磁軸承關(guān)鍵的性能指標(biāo)；◆力學(xué)特性分析：吸力與斥力的研究。3.2低功耗設(shè)計(jì)—磁懸浮軸承

圖3.7永磁軸承根本磁路結(jié)構(gòu)3.2低功耗設(shè)計(jì)—磁懸浮軸承

圖3.8混合磁軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖3.2低功耗設(shè)計(jì)—磁懸浮軸承混合軸承系統(tǒng)原理介紹：永磁軸承：由于徑向永磁軸承在徑向方向是穩(wěn)定的，而軸向方向上是不穩(wěn)定的，故在轉(zhuǎn)軸中部采軸向電磁軸承來(lái)主動(dòng)控制飛輪轉(zhuǎn)子的軸向位置。電磁軸承：軸向電磁軸承有雙邊差動(dòng)和單邊兩種類型工作方式，在這里電磁軸承主要是承受局部轉(zhuǎn)子重量，屬于靜態(tài)載荷，動(dòng)態(tài)載荷相對(duì)較小，所以在這里采用單邊工作方式。由于永磁軸承的卸載作用，電磁軸承的軸向承載力較小，其功耗很低，因此這種混合磁軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常適用于對(duì)能耗有特別要求的飛輪儲(chǔ)能裝置中。輔助軸承：是一對(duì)向心推力軸承，系統(tǒng)工作時(shí)，輔助軸承不與飛輪轉(zhuǎn)軸接觸。系統(tǒng)不工作(如突然斷電或磁懸浮失控)時(shí)，轉(zhuǎn)軸支承在輔助軸承上，防止磁軸承轉(zhuǎn)子與定子間的固體接觸造成損壞。對(duì)于徑向永磁軸承與軸向電磁軸承結(jié)構(gòu)下文有詳細(xì)討論和分析。3.2低功耗設(shè)計(jì)—磁懸浮軸承在200000r/min的超高轉(zhuǎn)速條件下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),飛輪周圍的空氣會(huì)形成強(qiáng)烈的渦流,造成巨大的空氣阻力,會(huì)損耗飛輪的能量,這對(duì)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)非常不利。為了減少飛輪室風(fēng)力損耗,現(xiàn)代高速飛輪儲(chǔ)能器是在高度密封的真空環(huán)境中運(yùn)轉(zhuǎn)的。

真空容器的真空度：10-3～10-4Pa以下。真空容器的密封,防止外部氣體滲入真空容器中；關(guān)鍵注意點(diǎn)

飛輪系統(tǒng)材料逸出氣體,會(huì)破壞真空容器的真空度。3.2低功耗設(shè)計(jì)—真空環(huán)境常用電動(dòng)機(jī)分類：◆三相無(wú)刷直流電機(jī)；◆磁阻電機(jī)；◆感應(yīng)電機(jī)；◆永磁無(wú)刷電機(jī)：應(yīng)用在轉(zhuǎn)速30000r/min以上的飛輪系統(tǒng)中。永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,本錢低,恒功率調(diào)速范圍寬,在各種條件下都有較高的效率。目前永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以到達(dá)200000r/min,且調(diào)速較容易。

美國(guó)Indigo能源公司的飛輪電池采用了三相高效永磁無(wú)刷電機(jī),其能量轉(zhuǎn)換效率大于95%。3.3功率電子電路—電動(dòng)/發(fā)電機(jī)功率變換器必須能夠?qū)崿F(xiàn)雙向功率流動(dòng),既可以向永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)供能,又可以從永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)吸收能量,并且功率變換器還應(yīng)具有較高的功率密度和能量轉(zhuǎn)換效率?！裘绹?guó)馬里蘭大學(xué)開(kāi)發(fā)出的“敏捷微處理電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)〞,在飛輪運(yùn)行在電動(dòng)模塊時(shí),其功能為電動(dòng)機(jī)控制器；而運(yùn)行于發(fā)電模塊時(shí),功能為交流轉(zhuǎn)換器；◆美國(guó)Beacon動(dòng)力公司采用脈沖寬度調(diào)制轉(zhuǎn)換器,實(shí)現(xiàn)從直流母線到三相變頻交流的雙向能量轉(zhuǎn)換,飛輪系統(tǒng)具有穩(wěn)速恒壓功能；◆中科院電工研究所采用感應(yīng)電機(jī)調(diào)速控制,實(shí)現(xiàn)了飛輪中機(jī)械能的存儲(chǔ)和釋放,在飛輪能量釋放過(guò)程中,利用電壓反響控制負(fù)載能獲得恒定的電功率。3.3功率電子電路—雙向功率轉(zhuǎn)換器目錄

ContentTitle五總結(jié)四二三國(guó)內(nèi)外飛輪儲(chǔ)能開(kāi)展現(xiàn)狀與應(yīng)用研發(fā)兆瓦級(jí)飛輪儲(chǔ)能的可行性飛輪儲(chǔ)能的概述一

表4.1不同國(guó)家的用電峰谷比表4.2國(guó)家電網(wǎng)峰谷時(shí)間段注：中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)面臨的調(diào)峰任務(wù)也非常嚴(yán)峻。4.1兆瓦級(jí)飛輪研發(fā)必要性—調(diào)峰壓力國(guó)家峰谷比中國(guó)1：0.56美國(guó)1：0.25日本1：0.4德國(guó)1：0.2英國(guó)1：0.35法國(guó)1：0.35俄羅斯1：0.52一般發(fā)展中國(guó)家1：0.63峰谷時(shí)間段高峰9：00—12：0017：00—22：00平段8：00—9：0012：00—17：0022：00—23：00低谷23：00—次日8：00

4.1兆瓦級(jí)飛輪研發(fā)必要性—調(diào)峰壓力類別功率（kW）發(fā)電比例（%）發(fā)電量（kW·h）全國(guó)總裝機(jī)量8.74億100%36812億火電裝機(jī)量6.52億81.81%30115.9億水電發(fā)電量1.97億15.83%5827.3億風(fēng)、核電裝機(jī)量0.25億2.55%938.7億調(diào)峰調(diào)峰比例調(diào)峰電量（kW·h）需要的調(diào)峰電量總電量的40%14724.8億火電內(nèi)部自調(diào)電量火電的30%9034.8億水電內(nèi)部自調(diào)電量水電的70%4079.1億目前未調(diào)的電量總電量的4.38%1610.9億表4.3國(guó)家電網(wǎng)目前需要調(diào)峰的電量〔2021年數(shù)據(jù)〕注：1.上表調(diào)峰電量是按照峰谷比1：0.6計(jì)算；2.隨著風(fēng)電裝機(jī)比例增加，需要調(diào)峰的電量也會(huì)顯著的增加?！魪难b機(jī)量來(lái)說(shuō)：年1610.9億kW·h的電力調(diào)峰量，那么每天需要調(diào)峰4.413億kW·h。如按單臺(tái)儲(chǔ)能100kW·h〔幾十千瓦級(jí)〕計(jì)算每天儲(chǔ)能3次，那么需要147萬(wàn)臺(tái)，裝機(jī)量太大，對(duì)于電力調(diào)峰來(lái)說(shuō)，單機(jī)容量小解決不了實(shí)際問(wèn)題；如按每臺(tái)儲(chǔ)能2000kW·h〔兆瓦級(jí)〕計(jì)算，那么需要7.36萬(wàn)臺(tái)裝機(jī)量。對(duì)于一些關(guān)鍵區(qū)域的變電站，裝上百臺(tái)調(diào)峰也很現(xiàn)實(shí)?？梢?jiàn)電力調(diào)峰系統(tǒng)迫切需要兆瓦級(jí)以上飛輪電池的出現(xiàn)。◆從裝機(jī)本錢來(lái)說(shuō)：目前抽水蓄能系統(tǒng)總本錢到達(dá)4000～5000元/kW，系統(tǒng)效率在75%左右。從度電本錢來(lái)說(shuō)，幾十千瓦功率的飛輪電池本錢在10000元/kW以上，根本無(wú)法和抽水蓄能競(jìng)爭(zhēng)，只有飛輪儲(chǔ)能的功率到達(dá)兆瓦級(jí)以上，本錢會(huì)降到5000元/kW左右，雖比抽水蓄能略高些，但是其系統(tǒng)效率可到達(dá)90%以上。綜上兩點(diǎn)，無(wú)論從裝機(jī)量要求還是度電本錢的性價(jià)比要求，考慮環(huán)境因素等方面，兆瓦級(jí)以上飛輪儲(chǔ)能都具備很大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展?jié)摿Ψ浅＞薮蟆?.1兆瓦級(jí)飛輪研發(fā)必要性—電力調(diào)峰國(guó)外飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)電力調(diào)峰實(shí)例分析：◆美國(guó)馬里蘭大學(xué)已于1991年開(kāi)創(chuàng)造了用于電力調(diào)峰的24kW·h電磁懸浮飛