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飞轮储能

一.飞轮储能原理

飞轮储能是通过电动/发电互逆式双向电机，电能与高速运转飞轮的机械动

能之间的相互转换与储存，并通过调频、整流、恒

压与不同类型的负载接口。典型的飞轮储能系统由

飞轮本体、轴承、电动/发电机、电力转换器和真

空室5个主要组件构成。在实际应用中，飞轮储能

系统的结构有很多种。图1是一种飞轮与电机合为

一个整体的飞轮储能系统。充电时，电动/发电机

通过转换器接外电源作电动机运行,把飞轮转子快

速加速到非常高的转速,于是电能转化为动能储存

起来。放电时,电动/发电机作发电机运行,通过电

子转换器向负载输出电能,转子转速下降,动能转

化为电能。

二.飞轮储能的关键技术

飞轮电池的原理简单，主要结构和运行方法已经基本明确，但要实现起来却

并不容易,要突破的关键技术有：(1)飞轮转子的设计：转子动力学，强度和密度

的优化；(2)磁轴承和真空设计：低功耗，动力设计，高转速，长寿命；(3)功

率率电子电电子电路：路：高高效率效率，高，高可靠性可靠性，，低功耗低功耗电动电动发电机；(4)安全及保护特性：不

可预期动量传递，防止转子爆炸可能性，安全轻型保护壳设计；(5)机械备份轴

承：磁轴承失效时支撑转子。

飞轮储能方法一直未能得到广泛的应用，其原因主要有三个：

1.飞轮本身的能耗主要来自轴承摩擦和空气阻力。人们曾通过改变轴承结

构，如变滑动轴承为滚动轴承、液体动压轴承、气体动压轴承等来减小轴承摩擦

力，通过抽真空的办法来减小空气阻力，轴承摩擦系数已小到0.001。即使如此

飞轮所储的能量在一天之内仍有25％被损失，仍不能满足高效储能的要求。

2.常规的飞轮是由钢（或铸铁）制成的，储能有限。例如，欲使一个发电

力为100万千瓦的电厂均衡发电，储能轮需用钢材150万吨！

3.要完成电能机械能的转换，还需要一套复杂的电力电子装置。

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三.飞轮储能技术的进展

近年来，飞轮储能技术取得突破性进展是基于下述三项技术的飞速发展：一

是高能永磁及高温超导技术的出现；二是高强纤维复合材料的问世；三是电力电

子技术的飞速发展。

为进一步减少轴承损耗，人们曾梦想去掉轴承，用磁铁将转子悬浮起来，但

试验结果是一次次失败。后来被一位英国学者从理论上阐明物体不可能被永磁全

悬浮（Earnshaw定理），颇使试验者心灰意冷。出乎意料的是物体全悬浮之梦

却在超导技术中得以实现，真像是大自然对探索者的慰藉。

超导磁悬浮原理是这样的：当我们将一块永磁体的一个极对准超导体，并接

近超导体时，超导体上便产生了感应电流。该电流产生的磁场刚好与永磁的磁场

相反，于是二者便产生了斥力。由于超导体的电阻为零，感生电流强度将维持不

变。若永磁体沿垂直方向接近超导体，永磁体将悬空停在自身重量等于斥力的位

置上，而且对上下左右的干扰都产生抗力，干扰力消除后仍能回到原来位置，从

而形成稳定的磁悬浮。若将下面的超导体换成永磁体，则两永磁体之间在水平方

向也产生斥力，故永磁悬浮是不稳定的。利用超导这一特性，我们可以把具有一

定质量的飞轮放在永磁体上边，飞轮兼作电机转子。当给电机充电时，飞轮增速

储能，变电能为机械能；飞轮降速时放能，变机械能为电能。

飞轮储能大小除与飞轮的质量（重量）有关外，还与飞轮上各点的速度有关，

而且是平方的关系。因此提高飞轮的速度（转速）比增加质量更有效。但飞轮的

转速受飞轮本身材料限制。转速过高，飞轮可能被强大的离心力撕裂。故采用高

强度、低密度的高强复合纤维飞轮，能储存更多的能量。目前选用的碳纤维复合

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材料，其轮缘线速度可达1000米／秒，比子弹速度还要高。正是由于高强复合

材料的问世，飞轮储能才进入实用阶段。

四.有关轴承的研究

1.高温超导悬浮轴承（见文献‘飞轮储能器的新型高温超导悬浮轴承研究’）

基本原理是高温超导体和永磁体相互作用的轴对称模型，一般是用高温超导

块材作定子，常规的永磁体作转子。块材在液氮温度下进入超导混合态后，由于

钉扎中心的存在，磁通线被其阻滞了运动，即被超导体俘获，当超导体俘获了足

够的磁通时，产生一种磁力，克服重力，便使转子自由悬浮在某一位置上而不与

其他物体相接触，并按照设计的要求来运动；同时块材特有的磁通钉扎能力阻止

俘获磁通