飞轮电池转子设计研究现状及应用展望
时间：2020-12-08 16:03:15 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要： 作为国际能源界研究的热点之一，飞轮电池具有效率高、储能大、无污染、寿命长，维护简单、可持续工作等特点。本文介绍了飞轮电池的储能原理，阐述了当前基于不同材料飞轮转子设计研究现状，对飞轮电池与其他储能方式优缺点进行了比较并且给出了飞轮电池三个典型应用方面，指出飞轮电池有着广泛的应用前景。
Abstract： As one of the research focus in the international energy sector， the flywheel energy storage battery has the advantages of high efficiency， high energy storage， pollution-well， long service life， easy maintenance， sustainable work and so on. This paper introduces the operation principle of flywheel battery， describes the current development status of the flywheel rotor design based on different materials in detail， then the flywheel battery and other energy storage are compared to point out the flywheel battery"s advantages. At last three typical applications of the flywheel battery are given and noted that the flywheel battery has vast potential for future application.
关键词： 飞轮电池；转子；设计；电力调峰
Key words： flywheel battery；rotor；design；power peaking
中图分类号：U463.63 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）08-0057-04
0 引言
飞轮电池是一种利用机械能进行能量储存的新型储能方式，与传统化学电池相比，飞轮电池具有使用寿命长、无污染的特点，与在电力调峰中广泛应用的抽水储能相比，飞轮电池则具有储能高、功率大、不受地理条件限制、对环境无影响等优点。进入新世纪后，飞轮电池的研究取得了重要突破，新材料的出现、电力电子技术的进步、高温超导磁悬浮技术的发展逐步解决了制约飞轮电池发展的主要因素，它提升了飞轮电池的储能密度，降低了飞轮轴承系统的摩擦损耗，使电池与负载之间的能量转换灵活可控[1]。这些新技术的发展使得飞轮电池的研究具有现实意义。
1 储能原理
飞轮电池是一种机械能——电能转化与存储装置。其工作的基本原理是通过电机带动飞轮转子高速旋转，将电能转化为机械能储存起来，放电时利用飞轮带动发电机发电，再将它转变成不同频率、电压等级的电能，以满足不同的负载需求，这一切都通过电力电子技术进行控制[2]。图1所示为飞轮电池的基本工作原理。
飞轮电池主要由以下五个模块组成：飞轮转子、轴承系统、真空容器、可逆电机、电子电力装置。如图2所示。
飞轮转子是飞轮电池的储能元件，通过调节飞轮转速来控制能量的输入输出，在待机时，飞轮转子保持高速旋转状态；轴承系统是支撑并维持整个系统稳定运行的装置，一般由轴承及阻尼装置组成，以提供刚度及衰减振动；真空容器主要是用来减少高速旋转的飞轮与空气的摩擦并保证飞轮安全运转；电机是电动/发电机为一体的装置，它在飞轮系统中起到能量转换接口的作用；电子电力装置是用来控制电机的工作状态、输入输出电力变换的智能模块，大多都采用智能数字化微处理器来实现。
在以上五个模块中，飞轮转子、电机和轴承系统支配着系统能量的存储、能量的输入输出以及能量的损耗，因此是关系飞轮系统性能指标最重要的关键技术。
2 转子设计
由上面的分析可知，飞轮转子是飞轮电池系统的核心部件，即储能部件。它以旋转动能形式储存能量，它的运转状态决定了整个电池系统储能的多少，飞轮在旋转时储能的基本公式为：E=■I？棕2（1）
式中，I为飞轮转动惯量；？棕为飞轮旋转角速度。
高速旋转的飞轮转子受到离心力作用，其表达式为：
F=mr？棕2（2）
显然，可以通过以下两种方式提高飞轮电池的储能量：一是增加飞轮的轮缘质量从而增大转动惯量I，这种情况适用于固定应用的场合；二是提高飞轮的旋转速度？棕，这在对质量体积有严格要求的情况下有很好的效果。
对于飞轮电池转子的材料特性：一个是材料的质量密度，它与飞轮的转动惯量有关，转速一定的情况下，密度大的材料可以贮存更多的能量；另一个材料抗拉强度，它与飞轮抵抗离心力引起的破坏有关，对同一种材料，转子转速越高储存的能量就越多。材料的抗拉强度限制了飞轮转速不能无限的升高，从而使飞轮储能受到限制。如果材料所受离心力超过其许用应力，转子将被破坏。因此，飞轮转子的设计，一般考虑以下两方面的问题：一是飞轮材料的选择；二是飞轮转子的结构形式。
制作飞轮的材料主要有铝合金、钛合金、高强度钢等金属材料以及和玻璃纤维、碳纤维等纤维增强复合材料。总体上看，飞轮材料和应用场合不同，其设计理念和方法也不同。下面将介绍基于不同材料的飞轮电池转子的设计研究现状。
2.1 同性材料
材料的（各向）同性是指材料的物理、化学等方面的性能不因内部方向不同而变化的特性，亦称均质性。常用作飞轮转子的同性材料主要是指各种金属材料。金属材料飞轮成本低、加工方便，技术成熟，尽管金属材料的强度不如复合材料，达不到复合材料的极限转速，但是金属密度大，它主要依靠大质量、大转动惯量来进行能量的存储[3]，因此，金属材料飞轮常用于对质量体积无严格限制的场合。
