現(xiàn)代的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)一般是指利用電機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能儲(chǔ)存在飛輪里，在需要的時(shí)候利用飛輪的動(dòng)能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電并向外輸出能量的儲(chǔ)能方式。

　　1 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的原理及組成

人們利用飛輪的慣性闖過(guò)機(jī)械設(shè)備死點(diǎn),使設(shè)備保持勻速旋轉(zhuǎn)，如古代有紡車(chē)、近代的蒸汽機(jī)、現(xiàn)代的汽油柴油發(fā)動(dòng)機(jī)等。飛輪旋轉(zhuǎn)的周期很短，其風(fēng)阻和軸承摩擦等能量消耗都比較小，可以忽略不計(jì)。但是如果要利用飛輪來(lái)儲(chǔ)備較長(zhǎng)時(shí)間的能量，以備后續(xù)的使用，其能耗問(wèn)題就變得突出了。

為了減小能耗，人們通過(guò)改變軸承結(jié)構(gòu)，比如把滑動(dòng)軸承改變?yōu)闈L動(dòng)軸承、液體動(dòng)壓軸承、氣體動(dòng)壓軸承等，并且通過(guò)抽真空的辦法來(lái)減小空氣阻力，滾動(dòng)軸承的摩擦系數(shù)可以達(dá)到10-3，這種情況下，飛輪能量每天也要損失接近一半左右。

若要維持一個(gè)10萬(wàn)千瓦電廠(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，就需要一個(gè)10萬(wàn)噸的鋼制飛輪來(lái)儲(chǔ)能，其機(jī)械能和電能之間的轉(zhuǎn)換，還需要復(fù)雜的轉(zhuǎn)換裝置，所以這種儲(chǔ)能方式幾乎不能實(shí)現(xiàn)。

飛輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能為:

  式中:J為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;

  ω為飛輪旋轉(zhuǎn)角速度.

飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)動(dòng)能與飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成正比。而飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量又正比于飛輪的直徑和飛輪的質(zhì)量,過(guò)于龐大、沉重的飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí),會(huì)受到極大的離心力作用,一般的飛輪是由鋼鐵制成的，由于其抗拉能力有限，如果主要以其質(zhì)量大小來(lái)決定儲(chǔ)能大小，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪得到的離心力往往超過(guò)飛輪材料的極限強(qiáng)度,很不安全。所以要增大飛輪的轉(zhuǎn)速成為解決飛輪儲(chǔ)能的主要手段。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分:

（1）轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，主要指儲(chǔ)能飛輪;

（2）軸承系統(tǒng)，用于支撐轉(zhuǎn)子，比如超導(dǎo)磁懸浮技術(shù);

（3）電動(dòng)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，用于能量轉(zhuǎn)換.

另外還包括真空容器、制冷及控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示：

目前主要的材料是高碳纖維材料來(lái)保障飛輪的強(qiáng)度:

一般的飛輪儲(chǔ)能裝置中有一個(gè)內(nèi)置電機(jī)，在儲(chǔ)能時(shí),它作為電動(dòng)機(jī)給飛輪加速;當(dāng)釋放能量時(shí),它作為發(fā)電機(jī)給外部供電,飛輪的轉(zhuǎn)速不斷下降，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能和其它形式的能量;當(dāng)飛輪空轉(zhuǎn)時(shí),整個(gè)裝置低功耗運(yùn)行。

目前的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)具有效率高、建設(shè)周期短、壽命長(zhǎng)、高儲(chǔ)能、充放電快捷、可以無(wú)限次充放電以及沒(méi)有污染等特點(diǎn)。適用于電網(wǎng)調(diào)頻、電能質(zhì)量保障、UPS。

　　2 當(dāng)前飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要應(yīng)用

飛輪儲(chǔ)能主要應(yīng)用在以下三個(gè)方面：

①高品質(zhì)不間斷電源；

②磁懸浮飛輪儲(chǔ)能發(fā)電車(chē)；

③在新能源中的應(yīng)用

(1)高品質(zhì)不間斷電源。

數(shù)據(jù)顯示，發(fā)達(dá)國(guó)家95%以上的停電都由分秒級(jí)的電網(wǎng)波動(dòng)導(dǎo)致。電網(wǎng)的波動(dòng)使得數(shù)據(jù)機(jī)房不得不采用配備大量的傳統(tǒng)鉛酸電池的UPS，隨著業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的需求，運(yùn)營(yíng)成本也越來(lái)越高，為了給機(jī)房降溫，需配備大量的空調(diào)設(shè)備，數(shù)據(jù)中心及其電源管理系統(tǒng)建設(shè)越來(lái)越面臨巨大的挑戰(zhàn)；另外傳統(tǒng)UPS所使用的鉛酸蓄電池，使用年限短，更換成本高，管理不善會(huì)在生產(chǎn)和使用中產(chǎn)生環(huán)境污染，所以人們逐漸傾向于綠色環(huán)保節(jié)能的UPS系統(tǒng)。

而磁懸浮式飛輪儲(chǔ)能UPS系統(tǒng)則無(wú)需空調(diào)來(lái)制冷,節(jié)省了運(yùn)營(yíng)電費(fèi)成本;而且,其占用的空間也大幅減小;維護(hù)成本低,更不需更換電池;壽命長(zhǎng)達(dá)20年。圖2是一款柜式磁懸浮飛輪儲(chǔ)能型UPS的外觀(guān)：

在傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)中,當(dāng)電力發(fā)生中斷時(shí),蓄電池會(huì)支撐系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn),與此同時(shí),柴油發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始啟動(dòng),以此保證數(shù)據(jù)中心主機(jī)正常工作、空調(diào)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。蓄電池型UPS在此過(guò)程中,提供了“分鐘級(jí)”的電力供電。而飛輪儲(chǔ)能型UPS受制于機(jī)械儲(chǔ)能,僅僅能夠提供30s到1min電力供電,這也是飛輪UPS被詬病的主要原因。然而,專(zhuān)家指出,如今,市電電源的可靠性達(dá)到99.9%,有些重要的負(fù)載都采用雙路市電供電,市電的可靠性可以說(shuō)已經(jīng)達(dá)到了99.99%。萬(wàn)一市電中斷,后備電源的可靠性也可以達(dá)到99.9%,從市電到后備電源的切換,在技術(shù)上只需要10s的時(shí)間,這是一個(gè)公開(kāi)的標(biāo)準(zhǔn)。目前,歐洲可做到8s?？梢詳喽?飛輪儲(chǔ)能型UPS能提供30s的電力完全能夠滿(mǎn)足從市電到后備電源的可靠切換的要求。圖3給出了柜式磁懸浮飛輪儲(chǔ)能型UPS的運(yùn)行示意圖。

(2)磁懸浮飛輪儲(chǔ)能發(fā)電車(chē)

目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出磁懸浮飛輪儲(chǔ)能移動(dòng)電源設(shè)備，其容量可以達(dá)到200~500kVA）。多項(xiàng)專(zhuān)利填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，使我國(guó)電源車(chē)制造能力達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。使用該種車(chē)可以顯著提升企業(yè)的應(yīng)急反應(yīng)能力及供電質(zhì)量，增強(qiáng)機(jī)動(dòng)性能，提高效益，是城市應(yīng)急機(jī)制中的核心硬件設(shè)備之一。電源車(chē)外形美觀(guān)，功率、重量配置合理，使用方便靈活，具有極大實(shí)用性，更能提升企業(yè)形象。

傳統(tǒng)的發(fā)電車(chē)在保供電作業(yè)的時(shí)候，無(wú)法做到市電斷電時(shí)，發(fā)電車(chē)立即投入到送電狀態(tài)，在這之間需要至少3~10s的時(shí)間來(lái)起動(dòng)發(fā)電機(jī)組再切換。存在這個(gè)問(wèn)題的發(fā)電車(chē)在實(shí)際使用的時(shí)候是一個(gè)不完美的發(fā)電車(chē)。在這個(gè)市電斷電的3~10s時(shí)間里很重要，特別是在重要會(huì)議、執(zhí)行政治任務(wù)或是用電設(shè)備對(duì)電源要求高的時(shí)候。而磁懸浮飛輪儲(chǔ)能發(fā)電車(chē)在這種情況下就可以起到關(guān)鍵作用，在市電斷電的瞬間由磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)（UPS）提供電能，同時(shí)啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組。機(jī)組啟動(dòng)成功運(yùn)行穩(wěn)定后，由機(jī)組經(jīng)過(guò)磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)（UPS）向負(fù)載供電。這樣來(lái)達(dá)到市電與發(fā)電機(jī)組供電之間的零秒切換。

圖4為移動(dòng)式飛輪儲(chǔ)能應(yīng)急電源車(chē)的實(shí)物照片。

(4)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在新能源中的應(yīng)用

太陽(yáng)能、風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源,越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。僅以風(fēng)能為例,中國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)量很大、分布面廣,僅陸地上的風(fēng)能儲(chǔ)量就有約2.53億千瓦。近幾年來(lái),中國(guó)的并網(wǎng)風(fēng)電迅速發(fā)展,截至2011年3月中旬,我國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)4450萬(wàn)千瓦,風(fēng)電建設(shè)的規(guī)模居全球之首。這也意味著中國(guó)已進(jìn)入可再生能源大國(guó)行列。中國(guó)風(fēng)力等新能源發(fā)電行業(yè)的發(fā)展前景十分廣闊,預(yù)計(jì)未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間都將保持高速發(fā)展。

在我國(guó)風(fēng)電建設(shè)規(guī)模高居世界第一的同時(shí),風(fēng)電并網(wǎng)問(wèn)題卻始終制約著我國(guó)風(fēng)電的發(fā)展。我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量中仍然有近三成風(fēng)電沒(méi)有并網(wǎng)。這是由于風(fēng)能隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn),造成風(fēng)電機(jī)組的出力頻繁波動(dòng),從而風(fēng)電場(chǎng)的出力可靠性也差,風(fēng)電比重過(guò)大,會(huì)使電網(wǎng)的調(diào)頻、調(diào)峰壓力加大,因此,風(fēng)電場(chǎng)大規(guī)模的并網(wǎng)接入對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)一些新問(wèn)題。光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等綠色新能源自身所固有的隨機(jī)性、間歇性、不可控性的特點(diǎn),使得可再生能源電廠(chǎng)不可能像其它傳統(tǒng)電源一樣制定和實(shí)施準(zhǔn)確的發(fā)電計(jì)劃,這給電網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)度帶來(lái)巨大壓力。同時(shí),可再生能源的大規(guī)模接入所帶來(lái)的局部電網(wǎng)無(wú)功功率和頻率問(wèn)題,電能質(zhì)量問(wèn)題不容忽視,會(huì)對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰和系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來(lái)不利影響。研究表明,如果風(fēng)電裝機(jī)占裝機(jī)總量的比例在10%以?xún)?nèi),依靠傳統(tǒng)電網(wǎng)技術(shù)以及增加水電、燃?xì)鈾C(jī)組等手段基本可以保證電網(wǎng)安全;但如果所占比例達(dá)到20%甚至更高,電網(wǎng)的調(diào)峰能力和安全運(yùn)行將面臨巨大挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能技術(shù)在很大程度上解決了新能源發(fā)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性問(wèn)題,可以實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電的平滑輸出,能有效調(diào)節(jié)新能源發(fā)電引起的電網(wǎng)電壓、頻率及相位的變化,使大規(guī)模風(fēng)電及太陽(yáng)能發(fā)電方便可靠地并入傳統(tǒng)電網(wǎng)。高速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在瞬間釋放出巨大電力以穩(wěn)定電網(wǎng)波動(dòng)?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的調(diào)峰功能,從而替代水力、燃?xì)獍l(fā)電廠(chǎng),為電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商創(chuàng)造更可靠的供電系統(tǒng)。由此可見(jiàn),飛輪儲(chǔ)能技術(shù)能夠提高電網(wǎng)對(duì)可再生能源的接納能力。

3  國(guó)內(nèi)外飛輪儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

(1) 大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)呈多元化發(fā)展

全球儲(chǔ)能技術(shù)主要有化學(xué)儲(chǔ)能(如鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池、鎳鎘電池、超級(jí)電容器等)、物理儲(chǔ)能(如抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等)和電磁儲(chǔ)能(如超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能等)三大類(lèi)。目前技術(shù)進(jìn)步最快的是化學(xué)儲(chǔ)能，其中鈉硫、液流及鋰離子電池技術(shù)在安全性、能量轉(zhuǎn)換效率和經(jīng)濟(jì)性等方面取得重大突破，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的條件日趨成熟。鈉硫電池的充電效率已可達(dá)到80%，能量密度是鉛酸蓄電池的3倍，循環(huán)壽命更長(zhǎng)。日本在此項(xiàng)技術(shù)上處于國(guó)際領(lǐng)先地位，2004年日本在本國(guó)Hitachi自動(dòng)化工廠(chǎng)安裝了當(dāng)時(shí)世界上最大的鈉硫電池系統(tǒng)，容量是9.6MW/57.6MWh。液流釩電池的基礎(chǔ)材料是釩，該電池具有能量效率高、蓄電容量大、能夠100%深度放電、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已進(jìn)入商業(yè)化階段。鋰離子電池的基礎(chǔ)材料是鋰，已開(kāi)始在電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域應(yīng)用，近年來(lái)由于磷酸亞鐵鋰、納米磷酸鐵鋰等新材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，大大改善了鋰離子電池的安全性能和循環(huán)壽命，大容量鋰電池儲(chǔ)能電站正逐漸興起。

物理儲(chǔ)能中最成熟也是世界應(yīng)用最普遍的是抽水蓄能，主要用于電力系統(tǒng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用等。其能量轉(zhuǎn)換效率在70%~75%。目前世界范圍內(nèi)抽水蓄能電站總裝機(jī)容量9000萬(wàn)千瓦，約占全球發(fā)電裝機(jī)容量的3%。壓縮空氣技術(shù)早在1978年就實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，但由于受地形、地質(zhì)條件制約，沒(méi)有大規(guī)模推廣。飛輪蓄能的特點(diǎn)是壽命長(zhǎng)、無(wú)污染，動(dòng)態(tài)特性好，但超大容量的飛輪，目前技術(shù)尚不成熟。電磁儲(chǔ)能技術(shù)現(xiàn)在仍很昂貴，還沒(méi)有商業(yè)化。

(2)  國(guó)外飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展處于領(lǐng)先地位

美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展處于領(lǐng)先地位。日本已經(jīng)制造出容量26.5MVA、系統(tǒng)輸出電壓1100V,轉(zhuǎn)速510690r/min的變頻調(diào)速飛輪蓄能發(fā)電系統(tǒng)。美國(guó)馬里蘭大學(xué)也已研究出用于電力調(diào)峰的24kWh的電磁懸浮飛輪系統(tǒng),其飛輪重172.8kg,工作轉(zhuǎn)速范圍11,610—46,345rpm,破壞轉(zhuǎn)速為48,784rpm,系統(tǒng)輸出恒壓110～240V,全程效率為81%。經(jīng)濟(jì)分析表明,運(yùn)行3年時(shí)間可收回全部成本。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在美國(guó)發(fā)展得很成熟,已制造出一種裝置,在空轉(zhuǎn)時(shí)的能量損耗達(dá)到每小時(shí)0.1%。歐洲的法國(guó)國(guó)家科研中心、德國(guó)的物理高技術(shù)研究所、意大利的SISE均正開(kāi)展高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研究。2011年10月30日,全球大規(guī)模飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用先驅(qū)BeaconPower申請(qǐng)破產(chǎn)保護(hù)。BeaconPower開(kāi)創(chuàng)了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)與電力公司合作的先例,使電力市場(chǎng)開(kāi)始接受飛輪儲(chǔ)能技術(shù)。從這個(gè)角度講,在飛輪儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的歷史上,甚至于儲(chǔ)能發(fā)展的歷史上,BeaconPower的成就無(wú)人可以替代。盡管公司面臨破產(chǎn),但去年6月在紐約Stephen鎮(zhèn),仍為20MW的飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目舉行一個(gè)建成投運(yùn)儀式。該飛輪儲(chǔ)能電源系統(tǒng)用于電廠(chǎng)儲(chǔ)能調(diào)頻,能做到15min的儲(chǔ)能規(guī)模。而一般應(yīng)用于UPS的飛輪儲(chǔ)能時(shí)間都不超過(guò)100s。可以說(shuō)這是美國(guó)目前最先進(jìn)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。這也說(shuō)明美國(guó)的很多項(xiàng)目還處在示范階段。

表1給出了美國(guó)、西歐和日本幾個(gè)著名的飛輪儲(chǔ)能電源系統(tǒng)的廠(chǎng)商。

(3) 我國(guó)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的現(xiàn)狀落后國(guó)外十年

目前國(guó)內(nèi)從事與飛輪研究相關(guān)的單位有清華大學(xué)工程物理系飛輪儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)室、華北電力大學(xué)、北京飛輪儲(chǔ)能柔性研究所(由中國(guó)科學(xué)院電工研究所、天津核工業(yè)理化工程研究院等組成)、北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、中國(guó)科大、中科院力學(xué)所、東南大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等,主要集中在小容量系列。其中,北航針對(duì)航天領(lǐng)域研制的“姿控/儲(chǔ)能兩用磁懸浮飛輪”已獲得2007年國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。華北電力大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院電工研究所、河北省電力局合作,已經(jīng)開(kāi)始就電力系統(tǒng)調(diào)峰用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的課題進(jìn)行研究，預(yù)計(jì)能夠取得可喜的成果。從總體上來(lái)看，國(guó)內(nèi)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀落后國(guó)外十年，許多成果尚處于研究階段，在推廣應(yīng)用上還會(huì)有一段路要走。

隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展和高強(qiáng)度復(fù)合材料的出現(xiàn)以及電力電子技術(shù)的新進(jìn)展,開(kāi)發(fā)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)成為可能。從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)角度看,飛輪儲(chǔ)能機(jī)組作為一種重要的調(diào)峰手段分散接入電網(wǎng)是可行的。由于飛輪機(jī)組運(yùn)行控制的靈活性,可使電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性得到提高。

飛輪的發(fā)展方向及研究熱點(diǎn)：

①超大儲(chǔ)能量、大功率飛輪的研制;

②進(jìn)一步降低儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)的能耗;

③系統(tǒng)的安全性、可靠性分析;

④機(jī)電參數(shù)匹配問(wèn)題;

⑤ 強(qiáng)力充放電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在現(xiàn)代汽車(chē)中的應(yīng)用

目前隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高以及全球能源的供需矛盾,研發(fā)環(huán)保型汽車(chē)成為當(dāng)今世界汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。汽車(chē)制造行業(yè)紛紛把目光轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車(chē)的研制。能找到儲(chǔ)能密度大、充電時(shí)間短、循環(huán)壽命長(zhǎng)的新型儲(chǔ)能電源系統(tǒng),是電動(dòng)汽車(chē)與汽油車(chē)比拼的關(guān)鍵。而飛輪儲(chǔ)能電源系統(tǒng),因具有清潔、高效、充放電快速、可無(wú)限制的充放電、不污染環(huán)境等特點(diǎn)而受到汽車(chē)行業(yè)的廣泛重視。預(yù)計(jì)21世紀(jì)飛輪電池將會(huì)是電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的研究熱點(diǎn)。

4.1 電動(dòng)汽車(chē)的飛輪電池儲(chǔ)能技術(shù)

開(kāi)發(fā)節(jié)能及采用替代能源的環(huán)保型汽車(chē)-電動(dòng)汽車(chē)飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用技術(shù)得到支持，圖5是其原理圖。

飛輪電池電動(dòng)汽車(chē)?yán)脙?chǔ)存在隨車(chē)飛輪中的機(jī)械能驅(qū)動(dòng)汽車(chē)前進(jìn)。它的推進(jìn)系統(tǒng)由飛輪電池、電機(jī)控制器、電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)等組成。

飛輪電池能量比鎳氫電池大2~3倍，飛輪電池的功率也高于一般化學(xué)蓄電池和內(nèi)燃機(jī)，其快速充電可在18min內(nèi)完成,且能量?jī)?chǔ)存時(shí)間長(zhǎng),能超快速充電而無(wú)化學(xué)電池的損壽問(wèn)題，整個(gè)電池的使用壽命遠(yuǎn)長(zhǎng)于各種化學(xué)蓄電池。更重要的是，飛輪為純機(jī)械結(jié)構(gòu)，不會(huì)像內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生排氣污染，同時(shí)也沒(méi)有化學(xué)蓄電池的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，不會(huì)引起腐蝕，也無(wú)廢料的處理回收問(wèn)題。

一輛用二十節(jié)直徑為230mm，質(zhì)量為13.64kg的飛輪電池的汽車(chē)，用市電充電需要6h，快速充電只需15min，一次充電行駛里程可達(dá)560km。電機(jī)有雙重功能,充電時(shí)飛輪中的電機(jī)以電動(dòng)機(jī)的形式運(yùn)行，在外接電源的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，達(dá)到極高的轉(zhuǎn)速，從而完成電能－機(jī)械能轉(zhuǎn)換的儲(chǔ)能過(guò)程；放電時(shí)，飛輪中的電機(jī)以發(fā)電機(jī)的狀態(tài)運(yùn)行，在飛輪的帶動(dòng)下對(duì)外輸出電能，完成機(jī)械能－電能轉(zhuǎn)換的釋放過(guò)程。

(2)飛輪動(dòng)能回收系統(tǒng)在F1賽車(chē)中的應(yīng)用

熟悉F1的人對(duì)動(dòng)能回收系統(tǒng)（KERS）應(yīng)該不會(huì)陌生。這是國(guó)際汽聯(lián)為了順應(yīng)低碳這一國(guó)際形勢(shì)而采取的重大舉措。KERS系統(tǒng)能將車(chē)身制動(dòng)能量存儲(chǔ)起來(lái)，并在賽車(chē)加速過(guò)程中作為輔助動(dòng)力釋放利用?，F(xiàn)在已經(jīng)面世的KERS系統(tǒng)就是采用飛輪回收。國(guó)際汽聯(lián)主席莫斯利曾表示，鋰電池適合于長(zhǎng)期的能量?jī)?chǔ)存，而飛輪則更適合吸收汽車(chē)大力制動(dòng)下短時(shí)間內(nèi)釋放的巨大能量。

保時(shí)捷918Spyder概念車(chē)(見(jiàn)圖7)上前衛(wèi)且符合人體工程學(xué)的中控臺(tái)及觸摸式用戶(hù)界面均被取消，918RSR駕駛室采用了充分體現(xiàn)簡(jiǎn)約主義的控制臺(tái)及蹺板開(kāi)關(guān)。在控制臺(tái)右側(cè)，第二個(gè)座椅的位置被飛輪儲(chǔ)能裝置所取代。飛輪儲(chǔ)能裝置相當(dāng)于一個(gè)電動(dòng)馬達(dá)，其轉(zhuǎn)子的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)36,000rpm，用以?xún)?chǔ)存能量。

在車(chē)輛制動(dòng)時(shí)，充電在前橋上的兩個(gè)電動(dòng)馬達(dá)以逆向原理進(jìn)行工作時(shí)，與發(fā)電機(jī)工作方式相似。只要按下按鈕，駕駛者就可以調(diào)用飛輪儲(chǔ)能裝置中儲(chǔ)存的能量，用于車(chē)輛加速或超車(chē)。此時(shí)，飛輪會(huì)被電磁制動(dòng)，以便通過(guò)前橋上的兩個(gè)電動(dòng)馬達(dá)提供2×75kW的額外動(dòng)力。當(dāng)系統(tǒng)能量?jī)?chǔ)存充沛時(shí)，這些附加動(dòng)力的提供可以持續(xù)約8s。

(3) 港口、地鐵等特殊場(chǎng)合的電制動(dòng)能量再生。

除了F1賽車(chē)，制動(dòng)能量巨大的港口起重機(jī)、地鐵列車(chē)等都可以配備類(lèi)似的動(dòng)能回收系統(tǒng)。

據(jù)悉，國(guó)內(nèi)的很多港口起重機(jī)的動(dòng)能回收方式已經(jīng)從早期的電池轉(zhuǎn)變?yōu)轱w輪。Vycon公司更是將飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)納入港口起重機(jī)的制造，成為其中一個(gè)部件。預(yù)計(jì)市場(chǎng)需求量很大。

(4) 儲(chǔ)能飛輪在現(xiàn)代城市公交車(chē)上的應(yīng)用的預(yù)期

機(jī)械式儲(chǔ)能飛輪可回收公交汽車(chē)在制動(dòng)時(shí)所浪費(fèi)的制動(dòng)能量，并將其用于汽車(chē)的再次起步過(guò)程，這樣既能回收制動(dòng)能量，也能避免汽車(chē)起步時(shí)的巨大油耗，還可以減少汽車(chē)的尾氣排放。

由于城市中公交運(yùn)輸團(tuán)體的龐大，決定了它的能源消耗一直是城市能源消耗的主體之一。所以公交汽車(chē)的節(jié)能運(yùn)行越來(lái)越受到社會(huì)的關(guān)注。在現(xiàn)代城市公交的運(yùn)行工況下，公交車(chē)難免走走停停。在這樣的運(yùn)行狀態(tài)下，汽車(chē)的很大一部分能量被浪費(fèi)在汽車(chē)的剎車(chē)過(guò)程中，而且汽車(chē)在起步過(guò)程中的油耗也相當(dāng)高。設(shè)計(jì)儲(chǔ)能飛輪制動(dòng)能量再生系統(tǒng)回收制動(dòng)能量并用于汽車(chē)再次起步加速過(guò)程，這樣既能使浪費(fèi)能量回收再利用，又起到降低油耗、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的目的。而且，與傳統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車(chē)相比，該儲(chǔ)能飛輪制動(dòng)能量回收系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中并不需要儲(chǔ)能電池及充放電機(jī)構(gòu)，這樣就延長(zhǎng)了系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)周期性，降低了廢舊電池的處理壓力。所以該系統(tǒng)是一種能夠較好的降低公交運(yùn)行成本的節(jié)能系統(tǒng)。

可以在類(lèi)似的交通工具上進(jìn)行大范圍推廣，如地鐵、輕軌以及無(wú)軌電車(chē)等。制動(dòng)能量再生是混合動(dòng)力汽車(chē)節(jié)油最有效的途徑之一，通過(guò)Advisor2002以及AMESin-Sinulink仿真結(jié)果表明，制動(dòng)能量再生可節(jié)油5%~8%甚至更高。在北京的循環(huán)工況下，傳統(tǒng)客車(chē)燃油消耗為56.4L/100km。根據(jù)以上信息可大概估算：汽車(chē)每運(yùn)行100km可節(jié)約4L左右燃油，假設(shè)每輛汽車(chē)每天運(yùn)行的總里程數(shù)為200km，那么每天每一輛車(chē)將節(jié)油8L。一座中型城市按1000輛公交汽車(chē)來(lái)計(jì)算，節(jié)油總量為8000L，一年將節(jié)油2880000L，減少CO2排放約為10000噸。

5  用于可再生能源并網(wǎng)的分秒級(jí)儲(chǔ)能電源

風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)很大，為了穩(wěn)定輸出往往會(huì)為風(fēng)機(jī)配備柴油機(jī)組，但柴油機(jī)并不適合頻繁啟動(dòng)，而這恰恰是飛輪的強(qiáng)項(xiàng)。國(guó)外現(xiàn)在采用的一種解決方案是同時(shí)配備飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)用于分秒級(jí)的儲(chǔ)能，減少柴油機(jī)啟動(dòng)次數(shù)。跟UPS只有幾百千瓦到幾兆瓦的容量相比，風(fēng)力發(fā)電的容量大、規(guī)模大，因此市場(chǎng)也更大。百兆瓦級(jí)別的風(fēng)電場(chǎng)配備供電容量20%~50%的飛輪儲(chǔ)能就能解決柴油機(jī)頻繁啟動(dòng)問(wèn)題并保障輸出穩(wěn)定問(wèn)題。

　　6  家庭化的飛輪儲(chǔ)能模式

對(duì)于普通家庭，儲(chǔ)能式飛輪也有廣闊的應(yīng)用前景。家庭用電系統(tǒng)可以采用電力公司供電、太陽(yáng)能電池組、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及微型汽油發(fā)電機(jī)來(lái)保障家庭的電源的不間斷供應(yīng)。而平時(shí)多余的太陽(yáng)能和風(fēng)能首先可以給后備的飛輪儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)以及電池組充電，其次也可以用來(lái)給室內(nèi)加熱取暖，再次可以通過(guò)逆變器給電網(wǎng)反饋，并取得收益。圖7為家庭用飛輪輪能機(jī)構(gòu)的示意圖。

7 結(jié)束語(yǔ)

飛輪儲(chǔ)能電源系統(tǒng)所具有的高效、節(jié)能、建設(shè)短周期、使用長(zhǎng)壽命、存取方便快捷以及充放無(wú)限次并且沒(méi)有污染碳排放的優(yōu)點(diǎn)，必將得到社會(huì)的認(rèn)可和迅速發(fā)展以及推廣應(yīng)用。

作者簡(jiǎn)介

馬李紅,電力工程師,就業(yè)于北寧電力電子(北京)有限公司,從事電源行業(yè)20多年,曾發(fā)表多篇綠色節(jié)能技術(shù)文章,參與多項(xiàng)中石油、中石化、中國(guó)核電、中廣核電國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)。

編輯：Harris

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