飛輪儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)分析及運(yùn)作原理

飛輪儲(chǔ)能是一種機(jī)械儲(chǔ)能方式，是一種電能到動(dòng)能再到電能的裝置。典型的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)由飛輪本體、軸承、電機(jī)、電力轉(zhuǎn)換器和真空室5個(gè)主要組件構(gòu)成。

飛輪：一般由高強(qiáng)度復(fù)合纖維材料組成，通過(guò)一定的繞線(xiàn)方式纏繞在與電機(jī)轉(zhuǎn)子一體的金屬輪轂上；

軸承：利用永磁軸承、電磁軸承、超導(dǎo)懸浮軸承或其他低摩擦功耗軸承支承飛輪，軸承的性能直接影響飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性、效率和壽命；

電機(jī)：一般為直流永磁無(wú)刷同步（電動(dòng)發(fā)電）互逆式雙向電機(jī)；

電力轉(zhuǎn)換器：提高飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的靈活性和可控性，并將輸出電能通過(guò)調(diào)頻、整流或恒壓等變換為滿(mǎn)足負(fù)荷供電要求的電能；

真空室：主要作用是提供真空環(huán)境，降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)的風(fēng)阻損耗。

飛輪儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)分析

1.參數(shù)性能

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)，特別是高速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，具有功率密度高、壽命長(zhǎng)、可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)荷電狀態(tài)，對(duì)環(huán)境溫度不敏感等優(yōu)點(diǎn)，但也不可避免地存在嚴(yán)重的自放電現(xiàn)象。在能量型應(yīng)用時(shí)，飛輪儲(chǔ)能價(jià)格昂貴，在一定程度上限制了其在能量型應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。高速飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的性能參數(shù)見(jiàn)表。

表。 高速飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的性能參數(shù)表

2.技術(shù)優(yōu)勢(shì)

目前大規(guī)模電儲(chǔ)能以抽水儲(chǔ)能為主，各種正在研發(fā)的新型儲(chǔ)能技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景，如飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、鋰離子電池、液流電池和鈉硫電池儲(chǔ)能等。

電能存儲(chǔ)按容量可分為長(zhǎng)時(shí)大能量、短時(shí)高功率兩種，長(zhǎng)時(shí)大容量的抽水儲(chǔ)能電站可以在電網(wǎng)規(guī)模上提供數(shù)小時(shí)的電能供給；而短時(shí)高功率的飛輪儲(chǔ)能可為高端用戶(hù)端提供高品質(zhì)不間斷電能供給。高品質(zhì)電能供給、過(guò)渡電源、能源管理對(duì)儲(chǔ)能時(shí)間尺度分別為秒分、分時(shí)和數(shù)小時(shí)。

各種儲(chǔ)能方式的技術(shù)對(duì)比如表3所示。從中可以看出，飛輪儲(chǔ)能具有效率高（達(dá) 90%）、瞬時(shí)功率大（單臺(tái)兆瓦級(jí)）、響應(yīng)速度快（數(shù)毫秒）、使用壽命長(zhǎng)（10 萬(wàn)次循環(huán)和 15 年以上）、環(huán)境影響小等諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前最有發(fā)展前途的短時(shí)大功率儲(chǔ)能技術(shù)之一。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)作原理

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)作原理主要基于物理學(xué)的能量轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存機(jī)制。當(dāng)系統(tǒng)處于儲(chǔ)能模式時(shí)，電能通過(guò)電力轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，電機(jī)則帶動(dòng)飛輪加速旋轉(zhuǎn)。在這一過(guò)程中，電能被轉(zhuǎn)換為飛輪的機(jī)械動(dòng)能，并以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪體中。當(dāng)系統(tǒng)需要釋放能量時(shí)，飛輪減速，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，將飛輪的機(jī)械動(dòng)能再次轉(zhuǎn)換為電能，供用戶(hù)使用。

具體來(lái)說(shuō)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)電動(dòng)/發(fā)電互逆式雙向電機(jī)實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。在儲(chǔ)能階段，電能經(jīng)過(guò)調(diào)頻、整流、恒壓處理后，通過(guò)電力轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使飛輪逐漸加速到最大速度。在這一階段，電能被有效地儲(chǔ)存為飛輪轉(zhuǎn)子的動(dòng)能。當(dāng)系統(tǒng)接收到能量釋放的控制信號(hào)時(shí)，飛輪開(kāi)始減速，電機(jī)則作為發(fā)電機(jī)工作，將飛輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，并通過(guò)電力轉(zhuǎn)換器輸出適用于負(fù)載的電流與電壓。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有多種優(yōu)勢(shì)，如快速響應(yīng)、長(zhǎng)壽命、低損耗、可調(diào)節(jié)性和環(huán)保節(jié)能等。通過(guò)提高飛輪的轉(zhuǎn)速和質(zhì)量，可以實(shí)現(xiàn)更高的儲(chǔ)能密度，使單位體積或質(zhì)量的設(shè)備能夠儲(chǔ)存更多的能量。此外，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)還具有較長(zhǎng)的使用壽命，可以經(jīng)受大量的充放電循環(huán)，且不會(huì)產(chǎn)生容量衰減和記憶效應(yīng)。

審核編輯：黃飛