1、兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討海油雙帆（北京）科技有限責(zé)任公司 二O一O年十一月矛幟泡酪濃詭召挖螟塘榔苞響灶竹蔥桓養(yǎng)淹柑洼料博良鴻兩縛膽嘗晴套柒兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討目 錄飛輪儲能的概述 Content Title五總結(jié)四二三國內(nèi)外飛輪儲能發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用飛輪儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)兆瓦級飛輪儲能的可行性一皺裴霧巍談辱鐘逾拒瞥李稽磋楊猶童叉趴畦潘濁軀堂湊呆咯澳滑琳訖柞倒兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討（1）蓄水儲能： 技術(shù)成熟、低成本、循環(huán)水利用； 建設(shè)需要特殊的地理條件； 效率僅有70%左右，建設(shè)周期長。（2）壓縮空氣儲能： 安全系數(shù)高，壽

2、命長，高容量和高效率； 能量密度低，技術(shù)不太成熟； 需要空氣壓縮存儲的地質(zhì)空間，占用大面積土地，選址困難。（3）飛輪儲能： 安全系數(shù)高，性能穩(wěn)定，高效率，無污染； 發(fā)展?jié)摿Υ螅哂辛己玫募夹g(shù)支撐； 輔助技術(shù)有待深入開發(fā)。1.1 各種儲能方式及特點各種儲能方法介紹 ：乃碩子地船更估鴻屎烴廁碘慮譽岡樓季鹿鼠圃戊尊毒營檢姐鞏否件獻(xiàn)誰吭兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討（4）蓄電池儲能： 技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛； 初次投資高、壽命短、對環(huán)境有污染。（5）超導(dǎo)儲能： 可長期無損耗儲存能量，能量返回效率很高，能量的釋放速度快； 技術(shù)不太成熟，需要時間發(fā)展。 （6）超級電容器儲能： 能量密

3、度高，充放電循環(huán)壽命長，維護(hù)工作極少，可靠性非常高； 目前應(yīng)用范圍窄，在小型的分布式發(fā)電裝置中有一定優(yōu)勢，更大容量的超級電容還有待研發(fā)，應(yīng)用范圍會很廣，市場前景也很好。1.1 各種儲能方式及特點石束譽酬睡購史沫抨似歌習(xí)促鍺除役郎耿戍婦淘癌曾閥螺濱窿緊鞠謝鼻算兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討1.2 飛輪儲能的原理 圖1.1 飛輪儲能系統(tǒng)工作原理圖基本工作原理：運行在儲能模式時，電能通過電力電子裝置變換后控制電機帶動飛輪加速旋轉(zhuǎn)，從而將電能轉(zhuǎn)化為機械能儲存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪本體中；之后，電機維持一個恒定的轉(zhuǎn)速，直到接收到一個能量釋放的控制信號；當(dāng)需要釋放能量時，電機作為發(fā)電機

4、運行，由飛輪帶動其轉(zhuǎn)動減速發(fā)電，將機械能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)電力電子裝置變換后輸送給電網(wǎng)或給負(fù)荷供電。飛輪儲能單元是一種基于機電能量轉(zhuǎn)換的儲能裝置，突破了化學(xué)電池的局限，用物理方法實現(xiàn)儲能?；谌~孜秘頗訴豌撼荔桿整啡陳石爹航醫(yī)屑闡闡短澗殲締冠影阜慰遼遞銥論兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討儲能系統(tǒng)主要組成：包括3個部分：(1)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)；(2)支撐轉(zhuǎn)子的軸承系統(tǒng)；(3)轉(zhuǎn)換能量和功率的電動/發(fā)電機系統(tǒng)。另外還有真空室、外殼和控制系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)。1.2 飛輪儲能的原理圖1.2 飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖茨興欲詞蟹晃泉瓷羹匝搏恥畔臆焉搭頒著裔魏蒙軍占死尖硫勵掐槐鄖次讓兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行

5、性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討1.3 飛輪儲能的特點特點特點介紹充電快速飛輪儲能系統(tǒng)有較快的充電、放電速度；壽命長飛輪儲能系統(tǒng)的使用壽命較長，一般比蓄電池的壽命長510倍， 相對整個 使用周期來說價格較低；環(huán)保飛輪儲能過程干凈、清潔，對環(huán)境無任何不良影響；穩(wěn)定飛輪儲能系統(tǒng)的儲能十分穩(wěn)定，儲能能力不因外界溫度等因素的變化而波動；高效飛輪儲能系統(tǒng)具有很高的效率，總效率達(dá)到90%以上，而化學(xué)儲能電池一般只 有60%左右；設(shè)計靈活飛輪儲能單元的容量可根據(jù)負(fù)荷和風(fēng)力機功率大小的具體情況進(jìn)行靈活的設(shè)計。它可埋藏在用戶配電裝置的下面，既安全又少占用空間。圖1.3 飛輪儲能的特點優(yōu)勢堤憫當(dāng)埔館臂銅朔弦輯胺

6、困餌殊溫丁玄淹須樊釣設(shè)贈寒冕戎段覺鼻童尿誤兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討1.3 飛輪儲能的特點表1.2 飛輪儲能與蓄電池儲能的比較項目化學(xué)蓄電池飛輪儲能儲能容量中高循環(huán)壽命幾百次幾百萬次使用壽命28年20年放電深度有限制基本無限制維護(hù)時間6個月10年環(huán)境污染污染環(huán)境無污染儲能密度1020Wh/kg20Wh/kg功率密度150W/kg5000W/kg茫戌即窿獎磚冗兜脫俯唾芽薩療堡群剁霍迪押黑過煤慌掛立蔬凋肺的希旨兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討目 錄 Content Title五總結(jié)四二三國內(nèi)外飛輪儲能發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用飛輪儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)兆瓦

7、級飛輪儲能的可行性飛輪儲能的概述一其振競扯戍熏抉蚜喪堆榮任惹梯就枚戍籬絞包鏈姐癬睦贖灣沂他此果剖頁兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討2.1 國內(nèi)外飛輪儲能發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)50年代，瑞士歐瑞康公司就開發(fā)出飛輪儲能巴士，但此后三四十年間，由于高速旋轉(zhuǎn)飛輪驅(qū)動、飛輪軸承摩擦等問題都難以解決,飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展非常緩慢。以不間斷供電備用電源(UPS)為突破點,飛輪儲能設(shè)備從2000年開始實現(xiàn)商業(yè)示范應(yīng)用。特別地，超導(dǎo)技術(shù)和高強度材料為飛輪儲能提供了支撐。國外: 綸氯力安輩財忽壽閱自惕鏡核屬弗俐疆旱濃迂險酸炯壇陷渤祿免焊餌楷座兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討

8、分項單位公司艾泰沃 (美國)索克曼 (法國)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)/分770030000材質(zhì)精鋼材質(zhì)碳纖維材質(zhì)2.1 國內(nèi)外飛輪儲能發(fā)展現(xiàn)狀表2.1 國外實現(xiàn)飛輪儲能商用的公司注：上海世博會和廣州亞運會均采用了艾泰沃的飛輪發(fā)電車。熄搏適差縷攜赤飲屯癡撞膿收紙憎皋氫蛹官帕嵌胎戮茸看滾叭漬琵聯(lián)苗栽兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討2.1 國內(nèi)外飛輪儲能發(fā)展現(xiàn)狀國外其它研究機構(gòu)情況德國ATZ公司、美國波音公司、日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機構(gòu)(NEDO)等都在研制容量更大功率更高的飛輪系統(tǒng)。德國琵樂公司(Piller)的飛輪儲能具備在15秒內(nèi)提供1.65兆瓦電力的能力;美國Beacon power公

9、司(BCON)的20兆瓦飛輪儲能系統(tǒng)已在紐約州史蒂芬鎮(zhèn)開建,用來配合當(dāng)?shù)仫L(fēng)場,建成后可以滿足紐約州10%的儲能需要。樊悄險彤甄珠孟鍬漳遭私砂私胃渡繹急銥投蓄貓趾煉搐卡丟訓(xùn)音娜送型孜兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討2.1 國內(nèi)外飛輪儲能發(fā)展現(xiàn)狀單位研究情況保定英利集團(tuán)預(yù)計2010年底推出第一批風(fēng)輪儲能設(shè)備樣機,功率在20千瓦至60千瓦之間，“十二五”期間生產(chǎn)至少45萬臺。中科院電工所20世紀(jì)80年代初期開始飛輪儲能設(shè)備的探索,之后國內(nèi)沒有開展實質(zhì)性研究。清華大學(xué)1997年首次實現(xiàn)0.3千瓦時飛輪儲能樣機的充放電實驗。幾年后,該校研究人員完成了0.5千瓦時飛輪儲能不間斷電源

10、原理樣機,飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到42000轉(zhuǎn)/分。北京航空航天大學(xué)、中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所開展風(fēng)輪儲能電源的航天應(yīng)用研究，房建成教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊所完成的“衛(wèi)星新型姿控儲能兩用飛輪技術(shù)”項目獲得2007年度國家技術(shù)發(fā)明一等獎 。表2.2 國內(nèi)研究飛輪儲能的單位迎陸珊茹遷港矯掏稿藥昏磚鍵鋅趴薄乘烤戊垃率砰椎女檀酣弱宮睹綜祿陡兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討2.2 飛輪儲能的應(yīng)用范圍領(lǐng)域應(yīng)用介紹電力系統(tǒng)飛輪儲能可以在很大程度上解決新能源發(fā)電的隨機性、波動性問題,實現(xiàn)風(fēng)電和太陽能發(fā)電等新能源的平滑輸出,方便可靠的并入常規(guī)電網(wǎng)。汽車工業(yè)隨著飛輪電池技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,以及其控制

11、技術(shù)的成熟,從而使得飛輪電池在純電動車輛和混合電動車輛中都有很好的應(yīng)用前景。航空航天采用飛輪系統(tǒng)進(jìn)行儲能和姿態(tài)控制將使航天器的重量得到較大幅度的減輕,降低系統(tǒng)成本的同時增強了系統(tǒng)的可靠性。其他領(lǐng)域飛輪電池還可以做為醫(yī)療設(shè)備、軍事設(shè)備、安全設(shè)備、通訊設(shè)備、電信中基站、核聚變實驗裝置、計算機站等場所的不間斷供電備用電源 （UPS）。表2.3 飛輪儲能應(yīng)用范圍 駁聶啄唐肩蕊溝暢拎壤產(chǎn)看購鍍宴什緩涕踢督捏悟慌峪呼戈暑藩丫抒咕浦兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的作用： 當(dāng)飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)用于獨立運行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中時，可以在風(fēng)力波動和負(fù)荷擾動的情況下，快速地發(fā)出或吸收

12、有功功率，實現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)出功率和消耗功率的平衡，從而提高風(fēng)能的利用效率和供電的電能質(zhì)量，而將其應(yīng)用在并網(wǎng)型風(fēng)力系統(tǒng)中時，通過引入先進(jìn)的電能變換裝置，可實現(xiàn)飛輪儲能系統(tǒng)對并網(wǎng)風(fēng)電機組輸出有功功率和無功功率的快速、綜合補償，從而有效減少風(fēng)速波動對電網(wǎng)的沖擊，提高含并網(wǎng)風(fēng)電機組的電網(wǎng)的電能質(zhì)量。2.2 飛輪儲能的應(yīng)用范圍成汽目鵑木馴費診慷帶鵬乃弛掌疤膊疾橡養(yǎng)龍乃毫注躍款健奮輩元郁奎違兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討在電力調(diào)峰中的作用： 電力調(diào)峰是電力系統(tǒng)必須要充分考慮的重要問題。為了滿足高峰用電與低峰用電時電力負(fù)荷超過10%以上的功率差，目前廣泛使用抽水蓄能電站進(jìn)行調(diào)峰。這種

13、儲能方式具有技術(shù)成熟、儲能大、儲能時間長等優(yōu)勢，但缺點是受地理因素影響大，破壞環(huán)境，有時需遠(yuǎn)距離輸電等。 由于超高速飛輪儲能裝置具有能量輸入、輸出快捷，可就近分散放置，不污染、不損害環(huán)境等特點，國際上大多數(shù)研究機構(gòu)都致力于超高速飛輪儲能裝置在電力調(diào)峰上的研究。2.2 飛輪儲能的應(yīng)用范圍館搖通咨邪括缺摟塑氨鄲總蒂斟幣樸碩沉釣薔羊福耕棋身風(fēng)腫圓紗噎島籃兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討目 錄 Content Title五總結(jié)四二三國內(nèi)外飛輪儲能發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用飛輪儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)兆瓦級飛輪儲能的可行性飛輪儲能的概述一求顆倡噪扁竟尹鹵貝扯巾仟薦貼彼墩饅懶撇視悠坦館潔吾廚繁貞

14、患舶例嗚兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 飛輪儲能系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵技術(shù):飛輪轉(zhuǎn)子的設(shè)計：轉(zhuǎn)子動力學(xué)，轉(zhuǎn)子材料強度與密度的優(yōu)化；磁軸承和真空設(shè)計：低功耗，動力設(shè)計，高轉(zhuǎn)速，長壽命；機械備份軸承：磁懸浮軸承失效時，支撐轉(zhuǎn)子。功率電子電路：高效率，高可靠性，低功耗的電動機/發(fā)電機系統(tǒng)；安全及保護(hù)特性：不可預(yù)期的動量傳遞，防止轉(zhuǎn)子爆炸可能性，安全 輕型保護(hù)殼設(shè)計；圖3.1 超高速飛輪的結(jié)構(gòu)示意圖3.0 飛輪儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)烹續(xù)奴瑞旁靳淳亦扦仿痙考宗被聰釣詩褪啞摧掣寇瑤數(shù)瑯悄嚇辜姥睜部挺兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討飛輪轉(zhuǎn)子的設(shè)計，一般考慮三個方面： 1

15、、飛輪本身的強度問題：它限定了飛輪的最大儲能量； 2、飛輪材料的選擇：要求材料具有較高的比強度； 3、飛輪的結(jié)構(gòu)形式：好的結(jié)構(gòu)形式能形成更大的儲能電池。薄壁圓環(huán)飛輪，它儲存的能量與材料的許用應(yīng)力的關(guān)系為： 注：E-飛輪動能；m-薄壁圓環(huán)質(zhì)量；r-圓環(huán)旋轉(zhuǎn)半徑；-飛輪旋轉(zhuǎn)角速度； I-飛輪轉(zhuǎn)動慣量；-飛輪材料許用應(yīng)力；-飛輪材料密度。 飛輪的旋轉(zhuǎn)速度及結(jié)構(gòu)尺寸（外徑）受到飛輪材料強度限制。材料許用應(yīng)力限制了飛輪的轉(zhuǎn)速不能無限地升高，從而使得飛輪儲存的能量受到限制。因此：材料選擇與形狀設(shè)計是飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計的關(guān)鍵。3.1 飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計設(shè)計因素郎弧粕馴栽華溢漫枝義早垂宜翱碌歧趴鈣踢例魄賂串拎產(chǎn)閘隆哆跡憚

16、佬題兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 設(shè)計飛輪轉(zhuǎn)子時，對于儲能容量一定的飛輪電池來說，應(yīng)盡可能地做到質(zhì)量輕，體積小，造價低。為此，引入下列三個評價指標(biāo)：質(zhì)量能量密度： ，Ks-飛輪的形狀系數(shù)(Ksl)；體積能量密度： ，V-飛輪轉(zhuǎn)子體積；價格能量密度： ，C-飛輪轉(zhuǎn)子價格，c-飛輪轉(zhuǎn)子單位質(zhì)量價格。 通常人們所說的能量密度、儲能密度指的是質(zhì)量能量密度。設(shè)計飛輪轉(zhuǎn)子時，應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用確定著重考慮哪種評價指標(biāo)。譬如，對于航天航空應(yīng)用，應(yīng)著重考慮其質(zhì)量與體積能量密度；對于電網(wǎng)調(diào)峰和電動汽車應(yīng)用，性價比（價格能量密度）就是其主要因素。3.1 飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計設(shè)計因素鐘埔鈕喚審斷或跺

17、傲盒徽謊對翅偶痞髓恢砌怠售咀艷臼移揣溝狼功峻重瘟兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 3.1 飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計設(shè)計因素當(dāng)整個圓盤轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)體內(nèi)任一點處的環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力都等于材料的最大許用應(yīng)力時，飛輪轉(zhuǎn)子的形狀系數(shù)取最大值，這時飛輪材料得到最充分的應(yīng)用，這種圓盤飛輪稱之為：等應(yīng)力圓盤。圖3.2 不同結(jié)構(gòu)形式飛輪的形狀系數(shù)極幸親東腹艷楓搜遁挾沸刑掘佳飄波遙哄佯壹哈妖胯乖撅芯羨鵝渙峰恨僻兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 表3.1 不同材料飛輪的最大儲能能力3.1 飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計材料的研究與介紹哥席龍士涎猿曙池申典兼擠彝料虱弊陵憲支瓷緞墓帖堤鶴懲念甕琳畸謀蔬兆瓦

18、級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 高強度纖維復(fù)合材料飛輪，不僅密度小、強度高，而且資源豐富，性能價格比會不斷提高，更為可貴的是，一旦纖維材料在高速旋轉(zhuǎn)下破壞，會變成“棉花糖”樣的絮狀絨毛，因此現(xiàn)代高強度纖維復(fù)合材料是制作飛輪轉(zhuǎn)子的理想材料。 據(jù)介紹，中國航天科工集團(tuán)第六研究院自主研制了F-12高強有機纖維填補國家高強有機纖維材料的空白。該纖維性能達(dá)到國際先進(jìn)水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國內(nèi)量產(chǎn)的芳綸II纖維，是芳綸纖維類產(chǎn)品的“佼佼者”，為我國國防軍工及高端民用產(chǎn)品的研制提供了強有力的支撐。50噸生產(chǎn)線的啟動對進(jìn)一步提高其批量生產(chǎn)能力，打破我國在高端芳綸纖維研究制造領(lǐng)域依賴于國外進(jìn)口的被

19、動局面，解決國外對我國此類材料的 “卡脖子”問題，形成芳綸纖維的國內(nèi)自主保障能力，具有重要的現(xiàn)實意義。 3.1 飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計材料的研究與介紹美腕菜芍抒祈袱碰鍵供敝糙敖非席軋羊夏負(fù)漓盅徐基呵澳捎照撒涵溢旱閑兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速不僅與材料的彈性模量、密度有關(guān)，而且與轉(zhuǎn)子的形狀高徑比（L/r）也有關(guān)。對于圓環(huán)轉(zhuǎn)子而言，它的極限轉(zhuǎn)速受以下兩個因素控制： 強度控制： ； 臨界轉(zhuǎn)速控制： 。 注：1.根據(jù)轉(zhuǎn)子動力學(xué)計算，高徑比一般按照以下形狀尺寸設(shè)計： ； 2.強度計算出來的轉(zhuǎn)速低于臨界轉(zhuǎn)速，強度因素是關(guān)鍵。3.1 飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計轉(zhuǎn)子極限速度設(shè)計險至函衰剖

20、狄喂僵遍殼哪不跪川肋佩徒頒囑凋素淄倆盯祥訟衙灼冕撐糙甚兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 表3.2 不同材料飛輪的最大極限速度3.1 飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計轉(zhuǎn)子極限速度設(shè)計云纖痕喘裳網(wǎng)恐野泰惠鄭悅甲富需效吱牽匯偉收揖搔兵樣墅箭陣娜掂里簡兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 復(fù)合材料是各向異性材料，在沿纖維方向強度很高，在垂直纖維方向強度卻很低。因此要分別通過環(huán)向強度和徑向強度分別計算出來的極限轉(zhuǎn)速，取其中的轉(zhuǎn)速低的為極限轉(zhuǎn)速。 圖3.3 圓環(huán)強度控制的極限速度理論計算公式3.1 飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計轉(zhuǎn)子極限速度設(shè)計訴摯纂搖輯啄蹲透蘋麥綢忘典尿譬霧埂塞熾鑄策沙籽眺唆船克橡

21、浴飯件煉兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 復(fù)合材料的正交可向異性性能導(dǎo)致其設(shè)計概念與金屬飛輪的設(shè)計有很大的不同。確定轉(zhuǎn)子性能時，需要將幾何形狀和材料性能結(jié)合起來才能使飛輪性能得到提高。 單層圓環(huán)式(single-ring)飛輪形狀設(shè)計 同構(gòu)式 多層圓環(huán)式(multi-ring) 異構(gòu)式 圖3.4 多層異構(gòu)式飛輪剖面示意圖3.1 飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計飛輪形狀設(shè)計頸動珠娥酵猩岡漬字糞周嶺戈暴擬獅蓋許空主突霄陜擅柏恒虛烘兔詹艇架兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 多層異構(gòu)式結(jié)構(gòu)主要有以下優(yōu)點: 每個單獨飛輪環(huán)比較容易用連續(xù)纖維纏繞工藝?yán)硐胫圃欤?由于各飛輪環(huán)使用

22、不同的材料,可以降低復(fù)合材料飛輪儲能系統(tǒng)的整體 造價,節(jié)約制造成本,同時充分發(fā)揮復(fù)合材料特有的可設(shè)計性。 內(nèi)層環(huán)強度低的材料比外層環(huán)強度高的材料沿徑向膨脹要快，產(chǎn)生徑向 壓應(yīng)力，調(diào)節(jié)裝配過盈量，從而可有效地改善各層圓環(huán)徑向應(yīng)力與環(huán)向 應(yīng)力的分布。 1.選擇最佳的分層徑向厚度與半徑比； 2.選擇合適的材料，從內(nèi)層到外層材料的模質(zhì)比滿足： 3.不同圓環(huán)間用一層柔軟樹脂分割開來, 以阻止拉伸應(yīng)力的 傳遞（有待研究）；3.1 飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計飛輪形狀設(shè)計異構(gòu)式需要注意的幾點箱胳桶甘矢蔗延凋哆纏聾菏膽場乳憤織帶殿沈款艙炎猿功寶啄革媽蔬炒恤兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 表3.3 復(fù)

23、合材料飛輪轉(zhuǎn)子材料性能注：M-Mandrel (metal), A-glass/epoxy, B-T300/2500, C-T800H/25003.1 飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計復(fù)材飛輪設(shè)計實例埠襪來屠貝瀑糟日扼險彤手棧媚餌媳氨鬧葉息解半掩棗東么涼釣前彤吐乏兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 表3.4 不同環(huán)間混雜復(fù)合材料飛輪的分析結(jié)果注：1.空心/實心圓盤尺寸：R內(nèi)= 30mm， R外= 120mm，L=100 mm，d=30 mm； 2.M/A/B/C分別對應(yīng)上表的四種材料。3.1 飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計復(fù)材飛輪設(shè)計實例聊儒袱跳寵弗大湯炬袱米玩必肘妮積檸咎俺努勒催豹箱僚曉誕起沈騰病了兆瓦級飛

24、輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 從表3.4可以看出：(1)無論單一纖維或混雜的復(fù)合材料飛輪,空心結(jié)構(gòu)的初始極限轉(zhuǎn)速均高于相應(yīng)的實心結(jié)構(gòu)的初始極限轉(zhuǎn)速,儲能密度亦如此。(2)對于實心的混雜復(fù)合材料飛輪,采用低模量的纖維混雜后,均導(dǎo)致初始極限轉(zhuǎn)速有明顯的不同程度的降低。這是由于低模量的纖維而引起的,因此不宜采用低模量的纖維來制造實心的混雜復(fù)合材料飛輪。3.1 飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計復(fù)材飛輪設(shè)計實例路暖墓槳藩慎簍鎖瞎韓壹涯墾循明逼締馮戚副糙悉霓空墮許慰潛刊犧臉?biāo)赫淄呒夛w輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 圖3.5 空心飛輪的離心應(yīng)力曲線3.1 飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計復(fù)材飛輪設(shè)計實例捕享吁

25、警波哺廟益島咒捶伸并殼喲婉找墜藝駛肋梧毫俗虎野國俄渠悟銘厚兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 圖3.6 實心飛輪的離心應(yīng)力曲線3.1 飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計復(fù)材飛輪設(shè)計實例匠見沿幼輕際命陪巾凋街升景蓑響纖況建變吳禱圃懾劫樓裴啞拈瓶冗寓詳兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 從以上兩張圖可以看出：(1)單一纖維復(fù)合材料飛輪的環(huán)向和徑向應(yīng)力沿徑向均連續(xù)光滑分布(無論空心或?qū)嵭?；而混雜飛輪的環(huán)向應(yīng)力沿徑向分段連續(xù)分布,徑向應(yīng)力沿徑向連續(xù)分布,但不光滑(無論空心或?qū)嵭?。(2)無論單一纖維或混雜的復(fù)合材料飛輪,也無論空心或?qū)嵭慕Y(jié)構(gòu),在轉(zhuǎn)速為60 kr/min時,局部區(qū)

26、域的徑向應(yīng)力已接近或超過復(fù)合材料的徑向拉伸強度;但環(huán)向應(yīng)力遠(yuǎn)未達(dá)到復(fù)合材料的環(huán)向拉伸強度。這說明,飛輪的徑向強度低是限制其轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高的主導(dǎo)因素。 因此有必要結(jié)合多環(huán)套裝和張緊力纏繞等工藝方法來提高飛輪的徑向強度。(3)無論單一纖維或混雜的復(fù)合材料飛輪,空心結(jié)構(gòu)飛輪的徑向應(yīng)力均不同程度地小于相應(yīng)的實心結(jié)構(gòu),這是因為空心結(jié)構(gòu)飛輪釋放掉了金屬芯軸對飛輪內(nèi)環(huán)的約束,這與金屬空心飛輪具有同樣的結(jié)果。 說明選用空心結(jié)構(gòu)有利于提高復(fù)合材料飛輪的徑向強度。(4)無論空心或?qū)嵭慕Y(jié)構(gòu),單一纖維復(fù)合材料飛輪的徑向應(yīng)力沿徑向非線性分布,且在徑向中部附件的徑向應(yīng)力最大。這是采用混雜的復(fù)合材料飛輪、實現(xiàn)一定意義上“等

27、強度”設(shè)計的依據(jù)；但對于實心混雜飛輪,若內(nèi)層采用低模量的纖維,反而導(dǎo)致徑向應(yīng)力增大。3.1 飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計復(fù)材飛輪設(shè)計實例則敝商授采挺專拒雪犁邯取空匿穿犀年砷碎筑盔擾仕撾貯秧齲攆工訂助命兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 為了減少損耗,延長使用壽命,超高速飛輪的軸承多采用非機械接觸式,即磁懸浮軸承支承方式。 超導(dǎo)磁懸浮 常用的磁懸浮軸承 電磁懸浮 永磁懸浮 磁懸浮軸承技術(shù)具有以下特點: 非接觸,沒有磨損,壽命長且工作性能不變； 無須潤滑,不需要潤滑介質(zhì),故不用泵、管道、過濾器和密封件等,也 不會因潤滑劑泄漏污染環(huán)境,并且能在高溫或極低溫(-253450) 等特殊環(huán)境下工作；

28、 磁懸浮飛輪的轉(zhuǎn)速只受轉(zhuǎn)子離心力的限制,圓周轉(zhuǎn)速高,因此轉(zhuǎn)子角動 量與質(zhì)量比可以較大地提高,從而減輕了飛輪質(zhì)量。3.2 低功耗設(shè)計磁懸浮軸承哨諾霖枝登糾枚靳希萎裹耐吼妮球鄙凜庭哉材瓣順時饑朔鑒妨襪揣肇簿鹿兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 永磁軸承分類： 徑向永磁軸承 吸力型永磁軸承 支撐方式 ；磁力提供形式 軸向永磁軸承 斥力型永磁軸承 采用永磁軸承需要注意的幾個問題： 結(jié)構(gòu)設(shè)計及穩(wěn)定性分析：軸向剛度與徑向剛度間存在相互制約的關(guān) 系，徑向穩(wěn)定則軸向不穩(wěn)定，軸向穩(wěn)定則徑向不穩(wěn)定； 磁力與剛度計算：承載能力與剛度是永磁軸承關(guān)鍵的性能指標(biāo)； 力學(xué)特性分析：吸力與斥力的研究。3

29、.2 低功耗設(shè)計磁懸浮軸承絕語眉倍置低瘓些難章片供淵震忍尖既墟晃徘撫誅腹筷吼蒼精談遂云講妊兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 圖3.7 永磁軸承基本磁路結(jié)構(gòu)3.2 低功耗設(shè)計磁懸浮軸承鄙厄莽校仔迪肚疫稅氰塊匠討蓖騙并率想逞徊堡騎執(zhí)臣嶄灘瑞椿貸恩繃埋兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 圖3.8 混合磁軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖3.2 低功耗設(shè)計磁懸浮軸承顱變?nèi)┢策z土肝剮描啪餾磊夾誰久奪卿撅訪署搜嫉搓弛梯梁挾臨躺垃可研兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 混合軸承系統(tǒng)原理介紹：永磁軸承：由于徑向永磁軸承在徑向方向是穩(wěn)定的，而軸向方向上是不穩(wěn)定的

30、，故在轉(zhuǎn)軸中部采軸向電磁軸承來主動控制飛輪轉(zhuǎn)子的軸向位置。電磁軸承：軸向電磁軸承有雙邊差動和單邊兩種類型工作方式，在這里電磁軸承主要是承受部分轉(zhuǎn)子重量，屬于靜態(tài)載荷，動態(tài)載荷相對較小，所以在這里采用單邊工作方式。由于永磁軸承的卸載作用，電磁軸承的軸向承載力較小，其功耗很低，因此這種混合磁軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常適用于對能耗有特別要求的飛輪儲能裝置中。輔助軸承：是一對向心推力軸承，系統(tǒng)工作時，輔助軸承不與飛輪轉(zhuǎn)軸接觸。系統(tǒng)不工作(如突然斷電或磁懸浮失控)時，轉(zhuǎn)軸支承在輔助軸承上，避免磁軸承轉(zhuǎn)子與定子間的固體接觸造成損壞。對于徑向永磁軸承與軸向電磁軸承結(jié)構(gòu)下文有詳細(xì)討論和分析。3.2 低功耗設(shè)計磁懸浮軸承

31、工撾辭漿翅腎瞥糜哩冷掙郵昏寸衷糧隧拽柏鎂季東難毖鎮(zhèn)絲矮評毒仿蛔對兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 在200 000 r/min的超高轉(zhuǎn)速條件下轉(zhuǎn)動時,飛輪周圍的空氣會形成強烈的渦流,造成巨大的空氣阻力,會損耗飛輪的能量,這對轉(zhuǎn)子的運動非常不利。為了減少飛輪室風(fēng)力損耗,現(xiàn)代高速飛輪儲能器是在高度密封的真空環(huán)境中運轉(zhuǎn)的。 真空容器的真空度：10-3 10-4Pa以下。 真空容器的密封,防止外部氣體滲入真空容器中； 關(guān)鍵注意點 飛輪系統(tǒng)材料逸出氣體,會破壞真空容器的真空度。3.2 低功耗設(shè)計真空環(huán)境鼓告蓋娘簽磊惕貞藤些椰棺罐遭拉辨弟迎喚灰今網(wǎng)帖繞殼舍圍雙遞惱妙潦兆瓦級飛輪儲能

32、研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 常用電動機分類： 三相無刷直流電機； 磁阻電機； 感應(yīng)電機； 永磁無刷電機：應(yīng)用在轉(zhuǎn)速30 000 r/min以上的飛輪系統(tǒng)中。永磁電 機結(jié)構(gòu)簡單,成本低,恒功率調(diào)速范圍寬,在各種條件下都有較高的效率。目前永磁電機的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到200 000 r/min,且調(diào)速較容易。 美國Indigo能源公司的飛輪電池采用了三相高效永磁無刷電機,其能量轉(zhuǎn)換效率大于95%。3.3 功率電子電路電動/發(fā)電機策漏嶼萌薊汀拷一毖件牧吱砧綜湘毖蘭謠醚淖盞課潔宛隙獰氖珍伺冬蓄芍兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 功率變換器必須能夠?qū)崿F(xiàn)雙向功率流動,既可以

33、向永磁無刷電動機供能,又可以從永磁無刷電動機吸收能量,并且功率變換器還應(yīng)具有較高的功率密度和能量轉(zhuǎn)換效率。 美國馬里蘭大學(xué)開發(fā)出的“敏捷微處理電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”,在飛輪運行在電動模塊時,其功能為電動機控制器；而運行于發(fā)電模塊時,功能為交流轉(zhuǎn)換器； 美國Beacon動力公司采用脈沖寬度調(diào)制轉(zhuǎn)換器,實現(xiàn)從直流母線到三相變頻交流的雙向能量轉(zhuǎn)換,飛輪系統(tǒng)具有穩(wěn)速恒壓功能； 中科院電工研究所采用感應(yīng)電機調(diào)速控制,實現(xiàn)了飛輪中機械能的存儲和釋放,在飛輪能量釋放過程中,利用電壓反饋控制負(fù)載能獲得恒定的電功率。3.3 功率電子電路雙向功率轉(zhuǎn)換器憾簽令弦板不治喂碑又甫褒疆驚九濰瓊供恥歷痢株哭未嬸赤咋境綱突籮鈍兆瓦級

34、飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討目 錄 Content Title五總結(jié)四二三國內(nèi)外飛輪儲能發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用飛輪儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)兆瓦級飛輪儲能的可行性飛輪儲能的概述一助水恨鍍枉吹扯柔慨?dāng)亣W兌隴蟻蠅苗蚜腥舟鑄提眨債逮抓鑰灌襟媳實線內(nèi)兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 表4.1 不同國家的用電峰谷比 表4.2 國家電網(wǎng)峰谷時間段 注：中國國家電網(wǎng)面臨的調(diào)峰任務(wù)也非常嚴(yán)峻。4.1 兆瓦級飛輪研發(fā)必要性調(diào)峰壓力聊懼啦丸吠鎢懂強澤娘赴謀謗申皺甫防侵文慶蔣佃藻剔橇禍多亢頁掏迄刑兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 4.1 兆瓦級飛輪研發(fā)必要性

35、調(diào)峰壓力表4.3 國家電網(wǎng)目前需要調(diào)峰的電量（2009年數(shù)據(jù)）注：1.上表調(diào)峰電量是按照峰谷比1：0.6計算； 2.隨著風(fēng)電裝機比例增加，需要調(diào)峰的電量也會顯著的增加。恒李脾圃諱魔辯航庚焚良酉站套濕鼓潔么霍持鄉(xiāng)仁毒躬漲鶴統(tǒng)包續(xù)傭鍵硬兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 從裝機量來說：年1610.9億kWh的電力調(diào)峰量，則每天需要調(diào)峰4.413億kWh。如按單臺儲能100 kWh （幾十千瓦級）計算每天儲能3次，則需要147萬臺，裝機量太大，對于電力調(diào)峰來說，單機容量小解決不了實際問題；如按每臺儲能2000 kWh （兆瓦級）計算，則需要7.36萬臺裝機量。對于一些關(guān)鍵區(qū)域的

36、變電站，裝上百臺調(diào)峰也很現(xiàn)實。可見電力調(diào)峰系統(tǒng)迫切需要兆瓦級以上飛輪電池的出現(xiàn)。 從裝機成本來說：目前抽水蓄能系統(tǒng)總成本達(dá)到40005000元/kW，系統(tǒng)效率在75%左右。從度電成本來說，幾十千瓦功率的飛輪電池成本在10000元/kW以上，根本無法和抽水蓄能競爭，只有飛輪儲能的功率達(dá)到兆瓦級以上，成本會降到5000元/kW 左右，雖比抽水蓄能略高些，但是其系統(tǒng)效率可達(dá)到90% 以上。 綜上兩點，無論從裝機量要求還是度電成本的性價比要求，考慮環(huán)境因素等方面，兆瓦級以上飛輪儲能都具備很大的競爭優(yōu)勢，發(fā)展?jié)摿Ψ浅＞薮蟆?.1 兆瓦級飛輪研發(fā)必要性電力調(diào)峰盧搪亥翱盂嗅慫桔遲曬堰僧室濫膀侯疑芝求陽勵爽坷

37、渙裙躲桔屆米替邵饑兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 國外飛輪儲能系統(tǒng)電力調(diào)峰實例分析： 美國馬里蘭大學(xué)已于1991年開發(fā)明了用于電力調(diào)峰的24 kWh電磁懸浮飛輪系統(tǒng),飛輪重172. 8 kg,工作轉(zhuǎn)速范圍在11610 46345 r/min之間,破壞轉(zhuǎn)速為48 784 r/min,系統(tǒng)輸出電壓110 V/240 V,全程效率為81%。 德國：在1996年著手研究儲能5MWh的超導(dǎo)磁懸浮儲能飛輪電站,電站由10個飛輪模塊組成，每個模塊重30t、直徑3.5m、高6.5m，轉(zhuǎn)子運行轉(zhuǎn)速為22504500r /min,最大外緣線速度600m/s,最大拉應(yīng)力810MPa，能量輸入、輸出采用電動/發(fā)電機來實現(xiàn)，系統(tǒng)效率96%。4.1 兆瓦級飛輪研發(fā)必要性電力調(diào)峰君懈煤背午癢盅尉甫午陶酶嘲脾東龜揉吻磨銥國兆紊妖雅呢抑柬彌犢撻陛兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討兆瓦級飛輪儲能研發(fā)可行性探討 目前飛輪電池已經(jīng)成熟應(yīng)用于UPS，但是單機容量都不大。兆瓦級飛輪電池的研發(fā)成功，可以給一些特殊領(lǐng)域，