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編者按：飛輪儲能是利用電動機(jī)帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將能量儲存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子中，并實(shí)現(xiàn)電能與動能雙向轉(zhuǎn)換的儲能方式。飛輪儲能的研究主要著力于研發(fā)提高能量密度的復(fù)合材料技術(shù)和超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)。分析飛輪儲能系統(tǒng)能量、功率參數(shù)特性，利用多種材料的飛輪方案設(shè)計(jì)概念化大儲能容量飛輪。

導(dǎo)讀：分析了飛輪儲能系統(tǒng)能量、功率參數(shù)特性。飛輪儲能系統(tǒng)單機(jī)可實(shí)現(xiàn)儲能0.5～100 kW?h、功率2～3000kW。提出了儲能100kW?h級飛輪的方案，采用中低轉(zhuǎn)速合金鋼飛輪轉(zhuǎn)子，儲能密度13～18 W?h/kg，計(jì)算許用應(yīng)力為800MPa。尺寸為米級的飛輪轉(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，儲能密度50～70 W?h/kg。

 

 

抽水儲能、壓縮空氣儲能以及電化學(xué)儲能等技術(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)定性問題，保障高敏感負(fù)荷供電質(zhì)量。電力系統(tǒng)要求儲能裝備具備大容量、高效率、高可靠和長壽命等特點(diǎn)。飛輪儲能是將能量儲存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子中，并實(shí)現(xiàn)電能與動能的雙向轉(zhuǎn)換。如圖所示，飛輪儲能系統(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/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、維護(hù)簡單、環(huán)境特性友好等特點(diǎn)，已經(jīng)在航天、電動車輛、不間斷電源、電網(wǎng)調(diào)頻、新能源并網(wǎng)調(diào)控等多個領(lǐng)域得到應(yīng)用。

 

在中低速飛輪儲能系統(tǒng)中，主要采用高強(qiáng)度鋼合金飛輪轉(zhuǎn)子，比如德國Piller公司的Powerbridge系列3MW/60MJ電勵磁電機(jī)飛輪儲能系統(tǒng)，結(jié)合柴油發(fā)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)重要場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飛輪儲能系統(tǒng)，應(yīng)用于石油鉆機(jī)動力調(diào)峰和能量回收。

 

飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

 

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

 

航天飛輪儲能系統(tǒng)的功率需求約為1～50kW，動態(tài)UPS 系統(tǒng)的單機(jī)功率為100～3000kW，通過數(shù)百臺飛輪儲能單機(jī)并聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)10～100MW的飛輪儲能陣列，應(yīng)用于電網(wǎng)10kW?h以下的儲能量對于車輛混合動力系統(tǒng)、動態(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，本文討論飛輪儲能系統(tǒng)的能量、功率參數(shù)特性，并提出儲能100kW?h飛輪方案設(shè)計(jì)。

 

 

本文分析了飛輪儲能系統(tǒng)能量、功率參數(shù)特性。提出了100kW?h級大儲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，儲能密度13～18W?h/kg，結(jié)構(gòu)尺寸達(dá)到米級，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薄圓盤、在飛輪本體與飛輪芯軸之間設(shè)置過渡段聯(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。

 

原標(biāo)題:飛輪儲能系統(tǒng)容量分析與設(shè)計(jì)