導(dǎo)讀：分析了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)能量、功率參數(shù)特性。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)單機(jī)可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能0.5～100 kW?h、功率2～3000kW。提出了儲(chǔ)能100kW?h級(jí)飛輪的方案，采用中低轉(zhuǎn)速合金鋼飛輪轉(zhuǎn)子，儲(chǔ)能密度13～18 W?h/kg，計(jì)算許用應(yīng)力為800MPa。尺寸為米級(jí)的飛輪轉(zhuǎn)子整體鍛造難度較高，可采用多圓盤軸向聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用3層或4層纖維纏繞復(fù)合材料高速飛輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行了徑向等應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，計(jì)算表明9000r/min三層纖維纏繞復(fù)合材料飛輪和15000r/min四層纖維纏繞復(fù)合材料飛輪均能夠滿足工作轉(zhuǎn)速下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，儲(chǔ)能密度50～70 W?h/kg。

研究?jī)?nèi)容

抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能以及電化學(xué)儲(chǔ)能等技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)剛性電力系統(tǒng)的柔性調(diào)節(jié)，解決高比例新能源接入引起電網(wǎng)穩(wěn)定性問(wèn)題，保障高敏感負(fù)荷供電質(zhì)量。電力系統(tǒng)要求儲(chǔ)能裝備具備大容量、高效率、高可靠和長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。飛輪儲(chǔ)能是將能量?jī)?chǔ)存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子中，并實(shí)現(xiàn)電能與動(dòng)能的雙向轉(zhuǎn)換。如圖所示，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)由高速轉(zhuǎn)子、支承飛輪及電機(jī)轉(zhuǎn)子的軸承、高速電動(dòng)/發(fā)電機(jī)、充放電控制系統(tǒng)以及輔助設(shè)備等組成。它具有效率高、功率大、響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單、環(huán)境特性友好等特點(diǎn)，已經(jīng)在航天、電動(dòng)車輛、不間斷電源、電網(wǎng)調(diào)頻、新能源并網(wǎng)調(diào)控等多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

在中低速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中，主要采用高強(qiáng)度鋼合金飛輪轉(zhuǎn)子，比如德國(guó)Piller公司的Powerbridge系列3MW/60MJ電勵(lì)磁電機(jī)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，結(jié)合柴油發(fā)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)重要場(chǎng)合高可靠不間斷供電保障。清華大學(xué)與中原石油工程公司聯(lián)合開發(fā)的1MW/60MJ飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，應(yīng)用于石油鉆機(jī)動(dòng)力調(diào)峰和能量回收。


在高速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中，采用中小型復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子。美國(guó)Beacon Power公司研發(fā)的高速碳纖維復(fù)合材料飛輪儲(chǔ)能單機(jī)，轉(zhuǎn)速16000r/min，功率160kW，儲(chǔ)能量達(dá)108MJ。

航天飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率需求約為1～50kW，動(dòng)態(tài)UPS 系統(tǒng)的單機(jī)功率為100～3000kW，通過(guò)數(shù)百臺(tái)飛輪儲(chǔ)能單機(jī)并聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)10～100MW的飛輪儲(chǔ)能陣列，應(yīng)用于電網(wǎng)10kW?h以下的儲(chǔ)能量對(duì)于車輛混合動(dòng)力系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)UPS發(fā)電系統(tǒng)、電能質(zhì)量調(diào)控系統(tǒng)是基本滿足的，而對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用，則應(yīng)發(fā)展到10～100kW?h，本文討論飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量、功率參數(shù)特性，并提出儲(chǔ)能100kW?h飛輪方案設(shè)計(jì)。

研究結(jié)論

本文分析了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)能量、功率參數(shù)特性。提出了100kW?h級(jí)大儲(chǔ)能容量飛輪的概念設(shè)計(jì)，按放電深度0.75計(jì)算，應(yīng)實(shí)現(xiàn)總儲(chǔ)能140kW?h。

采用合金鋼飛輪方案，工作轉(zhuǎn)速6000～9000r/min，飛輪重達(dá)8300～11400 kg，儲(chǔ)能密度13～18W?h/kg，結(jié)構(gòu)尺寸達(dá)到米級(jí)，最高許用應(yīng)力水平為800MPa，大型鍛件制造難度大，可以將飛輪沿軸向分解為多個(gè)薄圓盤、在飛輪本體與飛輪芯軸之間設(shè)置過(guò)渡段聯(lián)接。

采用多層纖維復(fù)合材料飛輪方案，工作轉(zhuǎn)速9000～15000r/min，飛輪重量2030～2830kg，儲(chǔ)能密度50～70W?h/kg，采用3層或4層復(fù)合材料纏繞設(shè)計(jì)，分別進(jìn)行了徑向等應(yīng)力優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。計(jì)算表明9000r/min三層纏繞飛輪和15000r/min四層纏繞飛輪均能夠滿足工作轉(zhuǎn)速下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力要求，并且充分利用材料徑向強(qiáng)度。