兆瓦级飞轮储能研发可行性探讨

《兆瓦级飞轮储能研发可行性探讨》由会员分享，可在线阅读，更多相关《兆瓦级飞轮储能研发可行性探讨（55页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、单击此处编辑副标题单击此处编辑副标题兆瓦级飞轮储能研发可行性探讨兆瓦级飞轮储能研发可行性探讨海油双帆（北京）科技有限责任公司海油双帆（北京）科技有限责任公司 二二OO一一OO年十一月年十一月目目 录录飞轮储能的概述 Content Title五总结四二三国内外飞轮储能发展现状与应用飞轮储能系统的关键技术研发兆瓦级飞轮储能的可行性一（1 1）蓄水储能：）蓄水储能： 技术成熟、低成本、循环水利用技术成熟、低成本、循环水利用； 建设建设需要特殊的地理条件需要特殊的地理条件； 效率仅有效率仅有70%70%左右左右，建设周期长。，建设周期长。（2 2）压缩空气储能压缩空气储能： 安安全系数高，寿命长，高

2、容量和高效率全系数高，寿命长，高容量和高效率； 能量密度低，能量密度低，技术不太成熟；技术不太成熟； 需要需要空气压缩存储的地质空间，占用大面积土地空气压缩存储的地质空间，占用大面积土地，选址困难。，选址困难。（3 3）飞轮储能：）飞轮储能： 安安全系数高，全系数高，性能稳定，高效率，无污染；性能稳定，高效率，无污染； 发展潜力大，具有良好的技术支撑；发展潜力大，具有良好的技术支撑； 辅助技术有待深入开发。辅助技术有待深入开发。1.1 各种储能方式及特点各种储能方式及特点各种储能方法介绍各种储能方法介绍 ：（4 4）蓄电池储能：）蓄电池储能： 技术成熟、技术成熟、应用广泛；应用广泛； 初次投资

3、高、寿命短、对环境有污染初次投资高、寿命短、对环境有污染。（5 5）超导储能超导储能： 可长期无损耗储存能量，能量返回效率很高可长期无损耗储存能量，能量返回效率很高，能量的释放能量的释放速度快速度快； 技术不太成熟，需要时间发展。技术不太成熟，需要时间发展。 （6 6）超级电容器储能超级电容器储能： 能量密度高，充放电循环寿命长能量密度高，充放电循环寿命长，维护工作极少，可靠性维护工作极少，可靠性非常高非常高； 目前目前应用应用范围窄，在范围窄，在小型的分布式发电装置中有一定优势小型的分布式发电装置中有一定优势，更大容量的超级电容还有待研发，应用范围会很广，市场前景也更大容量的超级电容还有待研

4、发，应用范围会很广，市场前景也很好。很好。1.1 各种储能方式及特点各种储能方式及特点1.2 飞轮储能的原理飞轮储能的原理 图图1.1 飞轮储能系统工作原理图飞轮储能系统工作原理图基本工作原理：基本工作原理：运行在储能模式时，电能通过电力电子装置变换后控制电机带动飞轮加速旋转，从而将电能转化为机械能储存在高速旋转的飞轮本体中；之后，电机维持一个恒定的转速，直到接收到一个能量释放的控制信号；当需要释放能量时，电机作为发电机运行，由飞轮带动其转动减速发电，将机械能转换为电能，经电力电子装置变换后输送给电网或给负荷供电。飞轮储能单元是一种基于机电能量转换的储能装置，突破了化学电池的局限，用物理方法实

5、现储能。储能系统主要组成储能系统主要组成：包括3个部分：(1)转子系统；(2)支撑转子的轴承系统；(3)转换能量和功率的电动/发电机系统。另外还有真空室、外壳和控制系统等辅助系统。1.2 飞轮储能的原理飞轮储能的原理图1.2 飞轮储能系统结构示意图1.3 飞轮储能的特点飞轮储能的特点特点特点特点介绍特点介绍充电快速飞轮储能系统有较快的充电、放电速度；寿命长飞轮储能系统的使用寿命较长，一般比蓄电池的寿命长510倍， 相对整个 使用周期来说价格较低；环保飞轮储能过程干净、清洁，对环境无任何不良影响；稳定飞轮储能系统的储能十分稳定，储能能力不因外界温度等因素的变化而波动；高效飞轮储能系统具有很高的效

6、率，总效率达到90%以上，而化学储能电池一般只 有60%左右；设计灵活飞轮储能单元的容量可根据负荷和风力机功率大小的具体情况进行灵活的设计。它可埋藏在用户配电装置的下面，既安全又少占用空间。图1.3 飞轮储能的特点优势1.3 飞轮储能的特点飞轮储能的特点表1.2飞轮储能与蓄电池储能的比较项目项目化学蓄电池化学蓄电池飞轮储能飞轮储能储能容量中高循环寿命几百次几百万次使用寿命28年20年放电深度有限制基本无限制维护时间6个月10年环境污染污染环境无污染储能密度1020Wh/kg20Wh/kg功率密度150W/kg5000W/kg目目 录录 Content Title五总结四二三国内外飞轮储能发展现

7、状与应用飞轮储能系统的关键技术研发兆瓦级飞轮储能的可行性飞轮储能的概述一2.1 国内外飞轮储能发展现状国内外飞轮储能发展现状20世纪世纪50年代，年代，瑞士欧瑞康公司瑞士欧瑞康公司就开发出就开发出飞轮储能巴飞轮储能巴士士，但此后三四十年间，由于高速旋转飞轮驱动、飞轮轴承，但此后三四十年间，由于高速旋转飞轮驱动、飞轮轴承摩擦等问题都难以解决摩擦等问题都难以解决,飞轮储能技术的发展非常缓慢。飞轮储能技术的发展非常缓慢。以以不间断供电备用电源不间断供电备用电源(UPS)为突破点为突破点,飞轮储能设备从飞轮储能设备从2000年开始实现商业示范应用。年开始实现商业示范应用。特别地，特别地，超导技术和高强

8、度材料超导技术和高强度材料为飞轮储能提供了支撑。为飞轮储能提供了支撑。国外国外: 分项分项单位单位公司公司艾泰沃 (美国)索克曼 (法国)转速转/分770030000材质精钢材质碳纤维材质2.1 国内外飞轮储能发展现状国内外飞轮储能发展现状表2.1国外实现飞轮储能商用的公司注：上海世博会和广州亚运会均采用了艾泰沃的飞轮发电车。注：上海世博会和广州亚运会均采用了艾泰沃的飞轮发电车。2.1 国内外飞轮储能发展现状国内外飞轮储能发展现状国外其它研究机构情况德国德国ATZ公司、美国波音公司、日本新能源产公司、美国波音公司、日本新能源产业技术开发机构业技术开发机构(NEDO)等都在研制容量更大等都在研制

9、容量更大功率功率更高的飞轮系统。更高的飞轮系统。德国琵乐公司德国琵乐公司(Piller)的飞轮储能具备在的飞轮储能具备在15秒内秒内提供提供1.65兆瓦电力的能力兆瓦电力的能力;美国美国Beacon power公司公司(BCON)的的20兆瓦飞轮储能系统已在纽约州史蒂芬兆瓦飞轮储能系统已在纽约州史蒂芬镇开建镇开建,用来配合当地风场用来配合当地风场,建成后可以满足纽约州建成后可以满足纽约州10%的储能需要。的储能需要。2.1 国内外飞轮储能发展现状国内外飞轮储能发展现状单位单位研究情况研究情况保定英利集团预计2010年底推出第一批风轮储能设备样机,功率在20千瓦至60千瓦之间，“十二五”期间生产

10、至少45万台。中科院电工所20世纪80年代初期开始飞轮储能设备的探索,之后国内没有开展实质性研究。清华大学1997年首次实现0.3千瓦时飞轮储能样机的充放电实验。几年后,该校研究人员完成了0.5千瓦时飞轮储能不间断电源原理样机,飞轮转速达到42000转/分。北京航空航天大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所开展风轮储能电源的航天应用研究，房建成教授带领的团队所完成的“卫星新型姿控储能两用飞轮技术”项目获得2007年度国家技术发明一等奖 。表2.2国内研究飞轮储能的单位2.2 飞轮储能的应用范围飞轮储能的应用范围领域领域应用介绍应用介绍电力系统飞轮储能可以在很大程度上解决新能源发电的随机性

11、、波动性问题,实现风电和太阳能发电等新能源的平滑输出,方便可靠的并入常规电网。汽车工业随着飞轮电池技术的进步和发展,以及其控制技术的成熟,从而使得飞轮电池在纯电动车辆和混合电动车辆中都有很好的应用前景。航空航天采用飞轮系统进行储能和姿态控制将使航天器的重量得到较大幅度的减轻,降低系统成本的同时增强了系统的可靠性。其他领域飞轮电池还可以做为医疗设备、军事设备、安全设备、通讯设备、电信中基站、核聚变实验装置、计算机站等场所的不间断供电备用电源 （UPS）。表2.3飞轮储能应用范围在在风力发电系统中的作用：风力发电系统中的作用： 当飞轮储能系统应用于独立运行风力发电系统中时，可以在当飞轮储能系统应用

12、于独立运行风力发电系统中时，可以在风力波动和负荷扰动的情况下，快速地发出或吸收有功功率，实现风力波动和负荷扰动的情况下，快速地发出或吸收有功功率，实现风电系统发出功率和消耗功率的平衡，从而提高风能的利用效率和风电系统发出功率和消耗功率的平衡，从而提高风能的利用效率和供电的电能质量，而将其应用在并网型风力系统中时，通过引入先供电的电能质量，而将其应用在并网型风力系统中时，通过引入先进的电能变换装置，进的电能变换装置，可实现飞轮储能系统对并网风电机组输出有功可实现飞轮储能系统对并网风电机组输出有功功率和无功功率的快速、综合补偿，功率和无功功率的快速、综合补偿，从而有效减少风速波动对电网从而有效减少

13、风速波动对电网的冲击，提高含并网风电机组的电网的电能质量。的冲击，提高含并网风电机组的电网的电能质量。2.2 飞轮储能的应用范围飞轮储能的应用范围在电力调峰在电力调峰中的作用：中的作用： 电力调峰是电力系统必须要充分考虑的重要问题。电力调峰是电力系统必须要充分考虑的重要问题。为了满足为了满足高峰用电与低峰用电时电力负荷超过高峰用电与低峰用电时电力负荷超过10%10%以上的功率差，目前广泛以上的功率差，目前广泛使用抽水蓄能电站进行调峰。这种储能方式具有技术成熟、储能使用抽水蓄能电站进行调峰。这种储能方式具有技术成熟、储能大、储能时间长等优势，但缺点是受地理因素影响大，破坏环境，大、储能时间长等优

14、势，但缺点是受地理因素影响大，破坏环境，有时需远距离输电等。有时需远距离输电等。 由于超高速飞轮储能装置具有能量输入、输出快捷，可就近由于超高速飞轮储能装置具有能量输入、输出快捷，可就近分散放置，不污染、不损害环境等特点，国际上大多数研究机构分散放置，不污染、不损害环境等特点，国际上大多数研究机构都致力于超高速飞轮储能装置在电力调峰上的研究。都致力于超高速飞轮储能装置在电力调峰上的研究。2.2 飞轮储能的应用范围飞轮储能的应用范围目目 录录 Content Title五总结四二三国内外飞轮储能发展现状与应用飞轮储能系统的关键技术研发兆瓦级飞轮储能的可行性飞轮储能的概述一 飞轮储能系统的几个关键

15、技术飞轮储能系统的几个关键技术: :飞轮转子的设计：飞轮转子的设计：转子动力学，转子材料强度与密度的优化；转子动力学，转子材料强度与密度的优化；磁轴承和真空设计：磁轴承和真空设计：低功耗，动力设计，高转速，长寿命；低功耗，动力设计，高转速，长寿命；机械备份轴承：机械备份轴承：磁悬浮轴承失效时，支撑转子。磁悬浮轴承失效时，支撑转子。功率电子电路：功率电子电路：高效率，高可靠性，低功耗的电动机高效率，高可靠性，低功耗的电动机/ /发电机系统；发电机系统；安全及保护特性：安全及保护特性：不可预期的动量传递，防止转子爆炸可能性，安全不可预期的动量传递，防止转子爆炸可能性，安全 轻型保护壳设计；轻型保护

16、壳设计；图图3.13.1 超高速飞轮的结构示意图超高速飞轮的结构示意图3.0 飞轮储能系统的关键技术飞轮储能系统的关键技术飞轮转子的设计，一般考虑三个方面：飞轮转子的设计，一般考虑三个方面： 1 1、飞轮本身的、飞轮本身的强度强度问题：它限定了飞轮的最大储能量；问题：它限定了飞轮的最大储能量； 2 2、飞轮、飞轮材料材料的选择：要求材料具有较高的比强度；的选择：要求材料具有较高的比强度； 3 3、飞轮的、飞轮的结构结构形式：好的结构形式能形成更大的储能电池。形式：好的结构形式能形成更大的储能电池。薄壁圆环飞轮，它储存的能量与材料的许用应力的关系为：薄壁圆环飞轮，它储存的能量与材料的许用应力的关

17、系为： 注：注：E-E-飞轮动能；飞轮动能；m-m-薄壁圆环质量；薄壁圆环质量；r-r-圆环旋转半径；圆环旋转半径；- -飞轮旋转角速度；飞轮旋转角速度； I- I-飞轮转动惯量；飞轮转动惯量； -飞轮材料许用应力；飞轮材料许用应力；- -飞轮材料密度。飞轮材料密度。 飞轮的旋转速度及结构尺寸（外径）受到飞轮材料强度限制。材料许飞轮的旋转速度及结构尺寸（外径）受到飞轮材料强度限制。材料许用应力限制了飞轮的转速不能无限地升高，从而使得飞轮储存的能量受到用应力限制了飞轮的转速不能无限地升高，从而使得飞轮储存的能量受到限制。限制。因此：材料选择与形状设计是飞轮转子设计的关键。因此：材料选择与形状设计

18、是飞轮转子设计的关键。3.1 飞轮转子设计飞轮转子设计设计因素设计因素 设计飞轮转子时，对于储能容量一定的飞轮电池来说，应尽可能地做设计飞轮转子时，对于储能容量一定的飞轮电池来说，应尽可能地做到质量轻，体积小，造价低。为此，引入下列到质量轻，体积小，造价低。为此，引入下列三个评价指标：三个评价指标：质量能量密度：质量能量密度： ，Ks-Ks-飞轮的形状系数飞轮的形状系数(Ks(Ksl)l)；体积能量密度：体积能量密度： ，V-V-飞轮转子体积；飞轮转子体积；价格能量密度：价格能量密度： ，C-C-飞轮转子价格，飞轮转子价格，c-c-飞轮转子单位质量价格。飞轮转子单位质量价格。 通常人们所说的能

19、量密度、储能密度指的是通常人们所说的能量密度、储能密度指的是质量能量密度质量能量密度。设计飞轮。设计飞轮转子时，应根据实际应用确定着重考虑哪种评价指标。譬如，对于航天航转子时，应根据实际应用确定着重考虑哪种评价指标。譬如，对于航天航空应用，应着重考虑其质量与体积能量密度；对于电网调峰和电动汽车应空应用，应着重考虑其质量与体积能量密度；对于电网调峰和电动汽车应用，性价比（价格能量密度）就是其主要因素。用，性价比（价格能量密度）就是其主要因素。3.1 飞轮转子设计飞轮转子设计设计因素设计因素 3.1 飞轮转子设计飞轮转子设计设计因素设计因素当整个圆盘转子当整个圆盘转子旋转体内任一点旋转体内任一点处

20、的环向应力和处的环向应力和径向应力都等于径向应力都等于材料的最大许用材料的最大许用应力时，飞轮转应力时，飞轮转子的形状系数取子的形状系数取最大值，这时飞最大值，这时飞轮材料得到最充轮材料得到最充分的应用，这种分的应用，这种圆盘飞轮称之为：圆盘飞轮称之为：等应力圆盘。等应力圆盘。图图3.2 3.2 不同结构形式飞轮的形状系数不同结构形式飞轮的形状系数表表3.1 3.1 不同材料飞轮的最大储能能力不同材料飞轮的最大储能能力3.1 飞轮转子设计飞轮转子设计材料的研究与介绍材料的研究与介绍材料类型材料类型抗拉强度抗拉强度（Mpa）密度密度（kg/m3）/(Wh/kg) 备注备注E玻纤/环氧350025

21、40231.9无碱玻纤S玻纤/环氧48002520320.6高强玻纤Kevlar纤维/环氧38001450441.1芳纶纤维F-12/环氧44141450512.4Spectra纤维/环氧3000970520.6聚乙烯纤维碳纤维T700/环氧70001780662.0碳纤维碳纤维T1000/环氧100001780945.7优质钢2700800056.8合金金属高强铝600280036.1 高强度纤维复合材料飞轮，不仅密度小、强度高，而且资源丰富，性高强度纤维复合材料飞轮，不仅密度小、强度高，而且资源丰富，性能价格比会不断提高，更为可贵的是，一旦纤维材料在高速旋转下破坏，能价格比会不断提高，更为

22、可贵的是，一旦纤维材料在高速旋转下破坏，会变成会变成“棉花糖棉花糖”样的絮状绒毛，样的絮状绒毛，因此现代高强度纤维复合材料是制作飞因此现代高强度纤维复合材料是制作飞轮转子的理想材料轮转子的理想材料。 据介绍，据介绍，中国航天科工集团第六研究院中国航天科工集团第六研究院自主研制了自主研制了F-12F-12高强有机纤维高强有机纤维填补国家高强有机纤维材料的空白。该纤维性能达到国际先进水平，远远填补国家高强有机纤维材料的空白。该纤维性能达到国际先进水平，远远超过国内量产的芳纶超过国内量产的芳纶IIII纤维，是芳纶纤维类产品的纤维，是芳纶纤维类产品的“佼佼者佼佼者”，为我国国，为我国国防军工及高端民用

23、产品的研制提供了强有力的支撑。防军工及高端民用产品的研制提供了强有力的支撑。5050吨生产线吨生产线的启动对的启动对进一步提高其批量生产能力，打破我国在高端芳纶纤维研究制造领域依赖进一步提高其批量生产能力，打破我国在高端芳纶纤维研究制造领域依赖于国外进口的被动局面，解决国外对我国此类材料的于国外进口的被动局面，解决国外对我国此类材料的 “卡脖子卡脖子”问题，问题，形成芳纶纤维的国内自主保障能力，具有重要的现实意义。形成芳纶纤维的国内自主保障能力，具有重要的现实意义。 3.1 飞轮转子设计飞轮转子设计材料的研究与介绍材料的研究与介绍 转子的临界转速不仅与材料的弹性模量、密度有关，而且与转子的形转

24、子的临界转速不仅与材料的弹性模量、密度有关，而且与转子的形状高径比（状高径比（L/rL/r）也有关。对于圆环转子而言，它的极限转速受以下两个因）也有关。对于圆环转子而言，它的极限转速受以下两个因素控制：素控制： 强度控制：强度控制： ； 临界转速控制：临界转速控制： 。 注：注：1.1.根据转子动力学计算，高径比一般按照以下形状尺寸设计：根据转子动力学计算，高径比一般按照以下形状尺寸设计： ； 2. 2.强度计算出来的转速低于临界转速，强度因素是关键。强度计算出来的转速低于临界转速，强度因素是关键。3.1 飞轮转子设计飞轮转子设计转子极限速度设计转子极限速度设计表表3.2 3.2 不同材料飞轮

25、的最大极限速度不同材料飞轮的最大极限速度3.1 飞轮转子设计飞轮转子设计转子极限速度设计转子极限速度设计材料类型材料类型抗拉强度抗拉强度（Mpa）FRPVG=0.6（Mpa）密度密度（kg/m3）极限线速度极限线速度（m/s）E玻纤/环氧35002100（1270）2540900（545）S玻纤/环氧48002880（1740）25201058（640）Kevlar纤维/环氧38002280（1376）14501241（750）F-12/环氧44142648（1600）14501338（808）Spectra纤维/环氧30001800（1088）9701349（815）碳纤维T700/环氧70

26、004200（2540）17801520（918）碳纤维T1000/环氧100006000（3625）17801818（1098）优质钢2700（1200）8000575（256）高强铝6002800458 复合材料是各向异性材料，在沿纤维方向强度很高，在垂直纤维方向复合材料是各向异性材料，在沿纤维方向强度很高，在垂直纤维方向强度却很低。因此要分别通过环向强度和径向强度分别计算出来的极限转强度却很低。因此要分别通过环向强度和径向强度分别计算出来的极限转速，取其中的转速低的为极限转速。速，取其中的转速低的为极限转速。 图图3.3 3.3 圆环强度控制的极限速度理论计算公式圆环强度控制的极限速度理

27、论计算公式3.1 飞轮转子设计飞轮转子设计转子极限速度设计转子极限速度设计 复合材料的正交可向异性性能导致其设计概念与金属飞轮的设计有复合材料的正交可向异性性能导致其设计概念与金属飞轮的设计有很大的不同。确定转子性能时，需要将几何形状和材料性能结合起来才很大的不同。确定转子性能时，需要将几何形状和材料性能结合起来才能使飞轮性能得到提高。能使飞轮性能得到提高。 单层圆环式单层圆环式(single-ring)(single-ring)飞轮形状设计飞轮形状设计 同构式同构式 多层圆环式多层圆环式(multi-ring)(multi-ring) 异构式异构式 图图3.4 3.4 多层异构式飞轮剖面示意

28、图多层异构式飞轮剖面示意图3.1 飞轮转子设计飞轮转子设计飞轮形状设计飞轮形状设计 多层异构式结构主要有以下多层异构式结构主要有以下优点优点: : 每个单独飞轮环比较容易用连续纤维缠绕工艺理想制造；每个单独飞轮环比较容易用连续纤维缠绕工艺理想制造； 由于各飞轮环使用不同的材料由于各飞轮环使用不同的材料, ,可以降低复合材料飞轮储能系统的整体可以降低复合材料飞轮储能系统的整体 造价造价, ,节约制造成本节约制造成本, ,同时充分发挥复合材料特有的可设计性。同时充分发挥复合材料特有的可设计性。 内层环强度低的材料比外层环强度高的材料沿径向膨胀要快，产生径向内层环强度低的材料比外层环强度高的材料沿径

29、向膨胀要快，产生径向 压应力，调节装配过盈量，从而可有效地改善各层圆环径向应力与环向压应力，调节装配过盈量，从而可有效地改善各层圆环径向应力与环向 应力的分布。应力的分布。 1.1.选择最佳的分层径向厚度与半径比；选择最佳的分层径向厚度与半径比； 2. 2.选择合适的材料，从内层到外层材料的模质比满足：选择合适的材料，从内层到外层材料的模质比满足： 3. 3.不同圆环间用一层柔软树脂分割开来不同圆环间用一层柔软树脂分割开来, , 以阻止拉伸应力的以阻止拉伸应力的 传递（有待研究）；传递（有待研究）；3.1 飞轮转子设计飞轮转子设计飞轮形状设计飞轮形状设计异异构构式式需需要要注注意意的的几几点点

30、表表3.3 3.3 复合材料飞轮转子材料性能复合材料飞轮转子材料性能注：注：M-Mandrel (metal), A-glass/epoxy, B-T300/2500, C-T800H/2500M-Mandrel (metal), A-glass/epoxy, B-T300/2500, C-T800H/25003.1 飞轮转子设计飞轮转子设计复材飞轮设计实例复材飞轮设计实例材料参数材料参数MABC环向杨氏模量E（GPa）20238.6130155径向杨氏模量Er（GPa）2028.2799环向拉伸强度（MPa）700102618002900环向压缩强度（MPa）70061014001600径向

31、拉伸强度（MPa）700318070径向压缩强度（MPa）700118168168泊松比（r/z/rz）0.280.26/0.25/0.250.3/0.25/0.250.3/0.25/0.25剪切强度Gr/Gz/Grz（GPa）2/2/52/2/52/2/5密度7800180016001600表表3.4 3.4 不同环间混杂复合材料飞轮的分析结果不同环间混杂复合材料飞轮的分析结果注：注：1.1.空心空心/ /实心圆盘尺寸：实心圆盘尺寸：R R内内= 30mm= 30mm， R R外外= 120mm= 120mm，L=100 mmL=100 mm，d=30 mmd=30 mm； 2.M/A/B/

32、C 2.M/A/B/C分别对应上表的四种材料。分别对应上表的四种材料。3.1 飞轮转子设计飞轮转子设计复材飞轮设计实例复材飞轮设计实例形状形状序号序号材料组合材料组合极限转速极限转速（rmp）极限线速度极限线速度（ m/s）质量质量（kg）能量密度能量密度（J/kg）空心圆盘1C+C+C65153.6818.76.781.78E52A+B+C61357.87716.951.55E5实心圆盘3M+C+C+C65070817.78.991.36E54M+A+B+C36393457.39.164.22E45M+B+A+C25887325.39.382.24E46M+B+C+A313513949.27

33、3.17E4 从表从表3.43.4可以看出：可以看出：(1)(1)无论单一纤维或混杂的复合材料飞轮无论单一纤维或混杂的复合材料飞轮, ,空心结构的初始极空心结构的初始极限转速均高于相应的实心结构的初始极限转速限转速均高于相应的实心结构的初始极限转速, ,储能密度储能密度亦如此。亦如此。(2)(2)对于实心的混杂复合材料飞轮对于实心的混杂复合材料飞轮, ,采用低模量的纤维混杂后采用低模量的纤维混杂后, ,均导致初始极限转速有明显的不同程度的降低。这是由于均导致初始极限转速有明显的不同程度的降低。这是由于低模量的纤维而引起的低模量的纤维而引起的, ,因此不宜采用低模量的纤维来制因此不宜采用低模量的

34、纤维来制造实心的混杂复合材料飞轮。造实心的混杂复合材料飞轮。3.1 飞轮转子设计飞轮转子设计复材飞轮设计实例复材飞轮设计实例 图图3.5 3.5 空心飞轮的离心应力曲线空心飞轮的离心应力曲线3.1 飞轮转子设计飞轮转子设计复材飞轮设计实例复材飞轮设计实例 图图3.6 3.6 实心飞轮的离心应力曲线实心飞轮的离心应力曲线3.1 飞轮转子设计飞轮转子设计复材飞轮设计实例复材飞轮设计实例 从以上两张图可以看出：从以上两张图可以看出：(1)(1)单一纤维复合材料飞轮的环向和径向应力沿径向均连续光滑分布单一纤维复合材料飞轮的环向和径向应力沿径向均连续光滑分布( (无论空心或实心无论空心或实心) )；而混

35、杂飞轮的环向应力沿径向分段连续分布；而混杂飞轮的环向应力沿径向分段连续分布, ,径向应力沿径向连续分布径向应力沿径向连续分布, ,但不光滑但不光滑( (无论空心或实心无论空心或实心) )。(2)(2)无论单一纤维或混杂的复合材料飞轮无论单一纤维或混杂的复合材料飞轮, ,也无论空心或实心结构也无论空心或实心结构, ,在转速为在转速为60 kr/min60 kr/min时时, ,局部区域的径向应力已接近或超过复合材料的径向拉伸强度局部区域的径向应力已接近或超过复合材料的径向拉伸强度; ;但环向应力远未达但环向应力远未达到复合材料的环向拉伸强度。这说明到复合材料的环向拉伸强度。这说明, ,飞轮的径向

36、强度低是限制其转速进一步提高飞轮的径向强度低是限制其转速进一步提高的主导因素。的主导因素。 因此有必要结合多环套装和张紧力缠绕等工艺方法来提高飞轮的径因此有必要结合多环套装和张紧力缠绕等工艺方法来提高飞轮的径向强度。向强度。(3)(3)无论单一纤维或混杂的复合材料飞轮无论单一纤维或混杂的复合材料飞轮, ,空心结构飞轮的径向应力均不同程度地小于空心结构飞轮的径向应力均不同程度地小于相应的实心结构相应的实心结构, ,这是因为空心结构飞轮释放掉了金属芯轴对飞轮内环的约束这是因为空心结构飞轮释放掉了金属芯轴对飞轮内环的约束, ,这与这与金属空心飞轮具有同样的结果。金属空心飞轮具有同样的结果。 说明选用

37、空心结构有利于提高复合材料飞轮的径说明选用空心结构有利于提高复合材料飞轮的径向强度。向强度。(4)(4)无论空心或实心结构无论空心或实心结构, ,单一纤维复合材料飞轮的径向应力沿径向非线性分布单一纤维复合材料飞轮的径向应力沿径向非线性分布, ,且在径且在径向中部附件的径向应力最大。这是采用混杂的复合材料飞轮、实现一定意义上向中部附件的径向应力最大。这是采用混杂的复合材料飞轮、实现一定意义上“等等强度强度”设计的依据；但对于实心混杂飞轮设计的依据；但对于实心混杂飞轮, ,若内层采用低模量的纤维若内层采用低模量的纤维, ,反而导致径向反而导致径向应力增大。应力增大。3.1 飞轮转子设计飞轮转子设计

38、复材飞轮设计实例复材飞轮设计实例 为了减少损耗为了减少损耗, ,延长使用寿命延长使用寿命, ,超高速飞轮的轴承多采用非机械接触式超高速飞轮的轴承多采用非机械接触式, ,即磁悬浮轴承支承方式。即磁悬浮轴承支承方式。 超导磁悬浮超导磁悬浮 常用的磁悬浮轴承常用的磁悬浮轴承 电磁悬浮电磁悬浮 永磁悬浮永磁悬浮 磁悬浮轴承技术具有以下特点磁悬浮轴承技术具有以下特点: : 非接触非接触, ,没有磨损没有磨损, ,寿命长且工作性能不变；寿命长且工作性能不变； 无须润滑无须润滑, ,不需要润滑介质不需要润滑介质, ,故不用泵、管道、过滤器和密封件等故不用泵、管道、过滤器和密封件等, ,也也 不会因润滑剂泄漏

39、污染环境不会因润滑剂泄漏污染环境, ,并且能在高温或极低温并且能在高温或极低温(-253(-253450) 450) 等特殊环境下工作；等特殊环境下工作； 磁悬浮飞轮的转速只受转子离心力的限制磁悬浮飞轮的转速只受转子离心力的限制, ,圆周转速高圆周转速高, ,因此转子角动因此转子角动 量与质量比可以较大地提高量与质量比可以较大地提高, ,从而减轻了飞轮质量。从而减轻了飞轮质量。3.2 低功耗设计低功耗设计磁悬浮轴承磁悬浮轴承 永磁轴承分类：永磁轴承分类： 径向永磁轴承径向永磁轴承 吸力型永磁轴承吸力型永磁轴承 支撑方式支撑方式 ；磁力提供形式；磁力提供形式 轴向永磁轴承轴向永磁轴承 斥力型永磁

40、轴承斥力型永磁轴承 采用永磁轴承需要注意的几个问题：采用永磁轴承需要注意的几个问题： 结构设计及稳定性分析：结构设计及稳定性分析：轴向刚度与径向刚度间存在相互制约的关轴向刚度与径向刚度间存在相互制约的关 系，径向稳定则轴向不稳定，轴向稳定则径向不稳定；系，径向稳定则轴向不稳定，轴向稳定则径向不稳定； 磁力与刚度计算：磁力与刚度计算：承载能力与刚度是永磁轴承关键的性能指标；承载能力与刚度是永磁轴承关键的性能指标； 力学特性分析：力学特性分析：吸力与斥力的研究。吸力与斥力的研究。3.2 低功耗设计低功耗设计磁悬浮轴承磁悬浮轴承 图图3.73.7 永磁轴承基本磁路结构永磁轴承基本磁路结构3.2 低功

41、耗设计低功耗设计磁悬浮轴承磁悬浮轴承 图图3.83.8 混合磁轴承系统结构简图混合磁轴承系统结构简图3.2 低功耗设计低功耗设计磁悬浮轴承磁悬浮轴承 混合轴承系统原理介绍：混合轴承系统原理介绍：永磁轴承：永磁轴承：由于径向永磁轴承在径向方向是稳定的，而轴向方向上是不稳定由于径向永磁轴承在径向方向是稳定的，而轴向方向上是不稳定的，故在转轴中部采轴向电磁轴承来主动控制飞轮转子的轴向位置。的，故在转轴中部采轴向电磁轴承来主动控制飞轮转子的轴向位置。电磁轴承：电磁轴承：轴向电磁轴承有双边差动和单边两种类型工作方式，在这里电磁轴向电磁轴承有双边差动和单边两种类型工作方式，在这里电磁轴承主要是承受部分转子

42、重量，属于静态载荷，动态载荷相对较小，所轴承主要是承受部分转子重量，属于静态载荷，动态载荷相对较小，所以在这里采用单边工作方式。由于永磁轴承的卸载作用，电磁轴承的轴以在这里采用单边工作方式。由于永磁轴承的卸载作用，电磁轴承的轴向承载力较小，其功耗很低，因此这种混合磁轴承系统结构非常适用于向承载力较小，其功耗很低，因此这种混合磁轴承系统结构非常适用于对能耗有特别要求的飞轮储能装置中。对能耗有特别要求的飞轮储能装置中。辅助轴承：辅助轴承：是一对向心推力轴承，系统工作时，辅助轴承不与飞轮转轴接触。是一对向心推力轴承，系统工作时，辅助轴承不与飞轮转轴接触。系统不工作系统不工作( (如突然断电或磁悬浮失

43、控如突然断电或磁悬浮失控) )时，转轴支承在辅助轴承上，避时，转轴支承在辅助轴承上，避免磁轴承转子与定子间的固体接触造成损坏。对于径向永磁轴承与轴向免磁轴承转子与定子间的固体接触造成损坏。对于径向永磁轴承与轴向电磁轴承结构下文有详细讨论和分析。电磁轴承结构下文有详细讨论和分析。3.2 低功耗设计低功耗设计磁悬浮轴承磁悬浮轴承 在在200 000 r/min200 000 r/min的超高转速条件下转动时的超高转速条件下转动时, ,飞轮周围的空气会形成飞轮周围的空气会形成强烈的涡流强烈的涡流, ,造成巨大的空气阻力造成巨大的空气阻力, ,会损耗飞轮的能量会损耗飞轮的能量, ,这对转子的运动非这对

44、转子的运动非常不利。为了减少飞轮室风力损耗常不利。为了减少飞轮室风力损耗, ,现代高速飞轮储能器是在高度密封的现代高速飞轮储能器是在高度密封的真空环境中运转的。真空环境中运转的。 真空容器的真空度：真空容器的真空度：1010-3 -3 1010-4-4PaPa以下。以下。 真空容器的密封真空容器的密封, ,防止外部气体渗入真空容器中；防止外部气体渗入真空容器中； 关键注意点关键注意点 飞轮系统材料逸出气体飞轮系统材料逸出气体, ,会破坏真空容器的真空度。会破坏真空容器的真空度。3.2 低功耗设计低功耗设计真空环境真空环境 常用电动机分类：常用电动机分类： 三相无刷直流电机；三相无刷直流电机；

45、磁阻电机；磁阻电机； 感应电机；感应电机； 永磁无刷电机：应用在转速永磁无刷电机：应用在转速30 000 r/min30 000 r/min以上的飞轮系统中。永磁电以上的飞轮系统中。永磁电 机结构简单机结构简单, ,成本低成本低, ,恒功率调速范围宽恒功率调速范围宽, ,在各种条件下都有较高的效率。在各种条件下都有较高的效率。目前永磁电机的转速可以达到目前永磁电机的转速可以达到200 000 r/min,200 000 r/min,且调速较容易。且调速较容易。 美国美国IndigoIndigo能源公司的飞轮电池采用了三相高效永磁无刷电机能源公司的飞轮电池采用了三相高效永磁无刷电机, ,其其能量

46、转换效率大于能量转换效率大于95%95%。3.3 功率电子电路功率电子电路电动电动/ /发电机发电机 功率变换器必须能够实现双向功率流动功率变换器必须能够实现双向功率流动, ,既可以向永磁无刷电动机既可以向永磁无刷电动机供能供能, ,又可以从永磁无刷电动机吸收能量又可以从永磁无刷电动机吸收能量, ,并且功率变换器还应具有较并且功率变换器还应具有较高的功率密度和能量转换效率。高的功率密度和能量转换效率。 美国马里兰大学美国马里兰大学开发出的开发出的“敏捷微处理电力转换系统敏捷微处理电力转换系统”, ,在飞轮运行在在飞轮运行在电动模块时电动模块时, ,其功能为电动机控制器；而运行于发电模块时其功能

47、为电动机控制器；而运行于发电模块时, ,功能为交功能为交流转换器；流转换器； 美国美国BeaconBeacon动力公司动力公司采用脉冲宽度调制转换器采用脉冲宽度调制转换器, ,实现从直流母线到三相实现从直流母线到三相变频交流的双向能量转换变频交流的双向能量转换, ,飞轮系统具有稳速恒压功能；飞轮系统具有稳速恒压功能； 中科院电工研究所中科院电工研究所采用感应电机调速控制采用感应电机调速控制, ,实现了飞轮中机械能的存储实现了飞轮中机械能的存储和释放和释放, ,在飞轮能量释放过程中在飞轮能量释放过程中, ,利用电压反馈控制负载能获得恒定的利用电压反馈控制负载能获得恒定的电功率。电功率。3.3 功

48、率电子电路功率电子电路双向功率转换器双向功率转换器目目 录录 Content Title五总结四二三国内外飞轮储能发展现状与应用飞轮储能系统的关键技术研发兆瓦级飞轮储能的可行性飞轮储能的概述一表表4.1 4.1 不同国家的用电峰谷比不同国家的用电峰谷比 表表4.2 4.2 国家电网峰谷时间段国家电网峰谷时间段 注：中国国家电网面临的调峰任务也非常严峻。注：中国国家电网面临的调峰任务也非常严峻。4.1 兆瓦级飞轮研发必要性兆瓦级飞轮研发必要性调峰压力调峰压力国家国家峰谷比峰谷比中国1：0.56美国1：0.25日本1：0.4德国1：0.2英国1：0.35法国1：0.35俄罗斯1：0.52一般发展中

49、国家1：0.63峰谷峰谷时间段时间段高峰9：0012：0017：0022：00平段8：009：0012：0017：0022：0023：00低谷23：00次日8：00 4.1 兆瓦级飞轮研发必要性兆瓦级飞轮研发必要性调峰压力调峰压力类类 别别功率（功率（kW）发电比例（发电比例（%）发电量发电量（kWh）全国总装机量8.74亿100%36812亿火电装机量6.52亿81.81%30115.9亿水电发电量1.97亿15.83%5827.3亿风、核电装机量0.25亿2.55%938.7亿调调 峰峰调峰比例调峰比例调峰电量调峰电量（kWh）需要的调峰电量总电量的40%14724.8亿火电内部自调电量火

50、电的30%9034.8亿水电内部自调电量水电的70%4079.1亿目前未调的电量总电量的4.38%1610.9亿表表4.3 4.3 国家电网目前需要调峰的电量（国家电网目前需要调峰的电量（20092009年数据）年数据）注：注：1.1.上表调峰电量是按照峰谷比上表调峰电量是按照峰谷比1 1：0.60.6计算；计算； 2. 2.随着风电装机比例增加，需要调峰的电量也会显著的增加。随着风电装机比例增加，需要调峰的电量也会显著的增加。 从装机量来说：从装机量来说：年年1610.91610.9亿亿kWkWh h的电力调峰量，则每天需要调峰的电力调峰量，则每天需要调峰4.4134.413亿亿kWkWh

51、h。如按单台储能。如按单台储能100 kW100 kWh h （几十千瓦级）计算每天储（几十千瓦级）计算每天储能能3 3次，则需要次，则需要147147万台，装机量太大，对于电力调峰来说，单机容量万台，装机量太大，对于电力调峰来说，单机容量小解决不了实际问题；如按每台储能小解决不了实际问题；如按每台储能2000 kW2000 kWh h （兆瓦级）计算，则（兆瓦级）计算，则需要需要7.367.36万台万台装机量。对于一些关键区域的变电站，装上百台调峰也装机量。对于一些关键区域的变电站，装上百台调峰也很现实。可见电力调峰系统迫切需要兆瓦级以上飞轮电池的出现。很现实。可见电力调峰系统迫切需要兆瓦级

52、以上飞轮电池的出现。 从装机成本来说：从装机成本来说：目前抽水蓄能系统总成本达到目前抽水蓄能系统总成本达到4000400050005000元元/kW/kW，系，系统效率在统效率在75%75%左右。从度电成本来说，几十千瓦功率的飞轮电池成本在左右。从度电成本来说，几十千瓦功率的飞轮电池成本在1000010000元元/kW/kW以上，根本无法和抽水蓄能竞争，只有飞轮储能的功率达以上，根本无法和抽水蓄能竞争，只有飞轮储能的功率达到兆瓦级以上，成本会降到到兆瓦级以上，成本会降到50005000元元/kW /kW 左右左右，虽比抽水蓄能略高些，虽比抽水蓄能略高些，但是其系统效率可达到但是其系统效率可达到

53、90% 90% 以上。以上。 综上两点，无论从装机量要求还是度电成本的性价比要求，考虑综上两点，无论从装机量要求还是度电成本的性价比要求，考虑环境因素等方面，兆瓦级以上飞轮储能都具备很大的竞争优势，发展环境因素等方面，兆瓦级以上飞轮储能都具备很大的竞争优势，发展潜力非常巨大。潜力非常巨大。4.1 兆瓦级飞轮研发必要性兆瓦级飞轮研发必要性电力调峰电力调峰国外飞轮储能系统电力调峰实例分析： 美国马里兰大学美国马里兰大学已于已于19911991年开发明了用于电力调峰的年开发明了用于电力调峰的24 kW24 kWh h电磁悬电磁悬浮飞轮系统浮飞轮系统, ,飞轮重飞轮重172. 8 kg,172. 8

54、kg,工作转速范围在工作转速范围在11610 11610 46345 46345 r/minr/min之间之间, ,破坏转速为破坏转速为48 784 r/min,48 784 r/min,系统输出电压系统输出电压110 V/240 V,110 V/240 V,全全程效率为程效率为81%81%。 德国：德国：在在19961996年着手研究储能年着手研究储能5MW5MWh h的超导磁悬浮储能飞轮电站的超导磁悬浮储能飞轮电站, ,电电站由站由1010个飞轮模块组成，每个模块重个飞轮模块组成，每个模块重30t30t、直径、直径3.5m3.5m、高、高6.5m6.5m，转子，转子运行转速为运行转速为22

55、5022504500r /min,4500r /min,最大外缘线速度最大外缘线速度600m/s,600m/s,最大拉应力最大拉应力810MPa810MPa，能量输入、输出采用电动，能量输入、输出采用电动/ /发电机来实现，系统效率发电机来实现，系统效率96%96%。4.1 兆瓦级飞轮研发必要性兆瓦级飞轮研发必要性电力调峰电力调峰 目前飞轮电池已经成熟应用于目前飞轮电池已经成熟应用于UPSUPS，但是单机容量都不大。兆瓦级飞轮，但是单机容量都不大。兆瓦级飞轮电池的研发成功，可以给一些特殊领域，如大功率的工作站等提供电池的研发成功，可以给一些特殊领域，如大功率的工作站等提供兆兆瓦级的瓦级的UPS

56、UPS。 为太阳能、风能等间歇式电源提供大功率的为太阳能、风能等间歇式电源提供大功率的无功补偿无功补偿，为它们的并网，为它们的并网“瓶颈瓶颈”问题，提供保障和贡献力量，因此也会间接提高可再生能源问题，提供保障和贡献力量，因此也会间接提高可再生能源占整个能源的比例。占整个能源的比例。4.1 兆瓦级飞轮研发必要性兆瓦级飞轮研发必要性其它优势其它优势 大容量飞轮电池研发阶段：大容量飞轮电池研发阶段： 第一阶段：第一阶段：研发研发50kW 50kW h h（20kW20kW级别）的飞轮储能电池，验证飞轮级别）的飞轮储能电池，验证飞轮储能系统的整体可行性，包括飞轮转子的极限转速、磁悬浮轴承是否储能系统的

57、整体可行性，包括飞轮转子的极限转速、磁悬浮轴承是否稳定可行、整个系统的效率等方面。研发成功后，此类型产品可以直稳定可行、整个系统的效率等方面。研发成功后，此类型产品可以直接应用于目前比较成熟的小储能的接应用于目前比较成熟的小储能的UPSUPS电源市场。电源市场。 第二阶段：第二阶段：待小储能量的飞轮电池技术成熟以后，总结经验，优化设待小储能量的飞轮电池技术成熟以后，总结经验，优化设计原理，研发计原理，研发2000kW 2000kW h h（兆瓦级）以上的飞轮储能电池。（兆瓦级）以上的飞轮储能电池。4.2 兆瓦级飞轮研发方案兆瓦级飞轮研发方案研发阶段研发阶段4.2 兆瓦级飞轮研发方案兆瓦级飞轮研

58、发方案研发阶段研发阶段分分 类类技术参数技术参数电池容量E = 54.8kWh转子材质外环：F-12芳纶环氧玻璃钢轮毂：高强铝合金转子几何尺寸外径：D外=1.1m；内径：D内=0.77m；高：h=1.1m转子质量m = 492kg转子转动惯量J = 110.8m4转子转速范围636619100rmp外缘最大线速度1100m/s能量密度111.3Wh/kg轴承支撑方式磁悬浮轴承电动/发电机三相永磁无刷发电机表表4.4 4.4 第一阶段研发的飞轮电池技术参数第一阶段研发的飞轮电池技术参数4.2 兆瓦级飞轮研发方案兆瓦级飞轮研发方案研发阶段研发阶段分分 类类技术参数技术参数电池容量E = 2219k

59、Wh转子材质外环：F-12芳纶环氧玻璃钢轮毂：高强铝合金转子几何尺寸外径：D外=4m；内径：D内=2.8m；高：h=2.4m转子质量m = 22303kg转子转动惯量J = 66463m4转子转速范围16554966rmp外缘最大线速度1040m/s能量密度99.4Wh/kg轴承支撑方式磁悬浮轴承电动/发电机三相永磁无刷发电机表表4.5 4.5 第二阶段研发的飞轮电池技术参数第二阶段研发的飞轮电池技术参数4.2 兆瓦级飞轮研发方案兆瓦级飞轮研发方案技术支撑技术支撑分分 类类技术来源技术来源飞轮转子公司自己研制磁悬浮轴承兰州大学功率转化器控制系统许继电气三相永磁电动/发电机深圳安托山特种机电有限

60、公司真空系统及其它辅助配件公司自己研制表表4.6 4.6 飞轮电池技术支撑与协助单位飞轮电池技术支撑与协助单位 目前研发兆瓦级飞轮的技术壁垒：目前研发兆瓦级飞轮的技术壁垒： 复合材料转子复合材料转子 ：对于一定几何形状尺寸的转子，它的储能量受制于：对于一定几何形状尺寸的转子，它的储能量受制于转子的外缘极限速度。强质比越高的材料，极限转速越高，但是价格转子的外缘极限速度。强质比越高的材料，极限转速越高，但是价格也更加昂贵，因此要选用最佳性价比的高强复合材料。同时高强复材也更加昂贵，因此要选用最佳性价比的高强复合材料。同时高强复材生产加工一直受制于国外，目前航天六院具备批量生产芳纶生产加工一直受制

61、于国外，目前航天六院具备批量生产芳纶F-12F-12的能的能力，为兆瓦级飞轮转子的研发提供了后盾。力，为兆瓦级飞轮转子的研发提供了后盾。 磁悬浮轴承：磁悬浮轴承：目前小型磁悬浮轴承设计原理、生产制造都比较成熟了，目前小型磁悬浮轴承设计原理、生产制造都比较成熟了，但是飞轮转子做大以后，磁悬浮轴承也都要相应的增大，设计原理依但是飞轮转子做大以后，磁悬浮轴承也都要相应的增大，设计原理依然是否可行，需要试验验证。这也是限制大容量飞轮电池能否成功的然是否可行，需要试验验证。这也是限制大容量飞轮电池能否成功的一个关键技术。一个关键技术。4.3 兆瓦级飞轮研发的技术瓶颈兆瓦级飞轮研发的技术瓶颈目目 录录飞轮储能的概述 Content Title五总结四二三国内外飞轮储能发展现状与应用飞轮储能系统的关键技术研发兆瓦级飞轮储能的可行性一谢谢 谢谢 ！