飞轮储能能量回收型缓速器研究背景

飞轮储能式能量回收型缓速器作为一种高科技机-电-磁一体化产品，将其用于汽车的设想始于20世纪50年代。由于受当时科技发展水平的限制，飞轮的边缘速度被限制在150m/s左右，飞轮单位质量的储能低、损耗大，能量传递和转换系统也非常复杂，所以飞轮储能技术一直未取得突破性进展。近年来，与飞轮储能技术密切相关的三项技术取得了重要突破：一是磁悬浮技术的研究进展很快，磁悬浮配合真空技术，可把轴承的摩擦损耗和风损耗降到人们所期望的限度；二是高强度碳素纤维和玻璃纤维的出现，允许飞轮的边缘速度达到1000m/s以上，大大增加了飞轮单位质量的动能储量；三是现代电力电子技术的发展，给飞轮电机与系统之间的能量交换提供了灵活的桥梁。这三项技术的新进展使飞轮储能技术也取得了突破性的进展，并在许多领域中获得成功的应用，飞轮储能技术的潜在价值和优越性逐渐体现出来，飞轮储能技术的研究更加引起人们的重视，各个发达国家相继投入巨资进行研究。

1950年初，瑞士Oerlikon工程公司成功研制出第一辆完全由飞轮供能的公共汽车。该飞轮直径为1.63m，质量为15t，在氢气环境中以3000r/min运行可以降低风损。该车可载乘客70名，行驶里程约0.8km，在每靠一站停车时，飞轮将需要充电2min。

1992年，美国西雅图市美洲飞轮系统公司获得了飞轮电池的专利，于1995年完成样机的研制，由哈尼韦尔公司生产，应用于豪华型AFS20汽车。该车采用20节飞轮电池驱动，电池直径为0.229m，每节电池质量约为13.6kg。与通用汽车公司生产的“GM冲击3”型电动汽车相比，该车的各项指标均令人鼓舞：“GM冲击3”型电动汽车用的铅酸蓄电池每充电一次，“GM冲击3”型电动汽车可以行驶129km，而新型飞轮电池每充电一次，该车可以行驶560km；该车的加速性能十分优越，时速从0增至96km/h只需6s；飞轮电池的使用寿命为25年，一次充电约需15min。

1994年，美国飞轮系统公司（America Flywheel Sys tems Inc.，简称AFS）称他们将在1995年末研制成尺寸为ϕ230mm×180mm的飞轮电池，20节飞轮电池可使电动汽车行驶480km，并可用8s加速到100km/h，电池总质量为273kg。

1996年，美国Lawerence Livemore National Laboratory（LLNL）研制出高性能、廉价的磁力轴承飞轮电池，使用抗拉强度为7.0GPa的碳素纤维作为飞轮材料，转速为60000r/min，飞轮单位质量的所储能为3.6MJ（1kW·h），可用作电动汽车或混合动力汽车、公交车、货车、火车机车的电源。

2001年，德克萨斯州立大学的M.A.Pichot、北卡莱罗州立大学的GD.Buchner等人在美国国防部的资助下，进行了主动磁力轴承飞轮电池在战斗车辆上的应用研究。该飞轮电池在20000r/min的转速下运行，能够提供5MW的峰值功率用于战斗车辆武器系统、350kW的持续功率用于战斗车辆驱动系统。

美国、英国、德国、日本、瑞士、加拿大、意大利等工业强国在大力开展车载飞轮电池的研究与开发，并取得了很大进展，开始由实验室研究转向试运行与实际应用，并向产业化、市场化方向发展。

我国在飞轮储能技术方面的研究刚刚起步，近几年来从事飞轮电池研究的单位有清华大学、中科院电工研究所、北京飞轮储能柔性研究所、华北电力大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学、东南大学、西安交通大学、合肥工业大学等，其中：清华大学工程物理系储能飞轮实验室在1999年设计出一套复合材料飞轮，质量为15kg，转速为48000 r/min。(www.xing528.com)

随着飞轮储能技术的发展和飞轮储能式能量回收型缓速器性价比的提高，飞轮储能式能量回收型缓速器性能参数都达到了令人们可以接受的水平，而且其应用领域也越来越广阔。目前已有一些公司生产的飞轮储能式能量回收型缓速器已经投入使用，除汽车工业外，还应用到以下行业。

1）在电力系统中的应用。目前主要是用抽水储能进行电力调峰，而飞轮储能系统充放电快、占地面积小、不污染环境，因此用飞轮储能来进行电力调峰也是一个研究热点。美国马里兰大学在1991年提出86.4MJ（24kW·h）磁力轴承支承飞轮用于电力调峰，具有稳恒110/240V、72MJ（20kW·h）的释放能力，效率为81%。德国联邦物理技术研究所在1997年提出了18MJ（5MW·h）/100MW的电站模型，飞轮单位质量储能1.8MJ（0.5MW·h），功率为10MW，质量为30t；每个飞轮模块由四个飞轮组成，采用碳素纤维复合材料、超导磁力轴承，最大储能450MJ（125kW·h），效率为96%。

2）在航天航空领域的应用。目前，现代航天器大多采用太阳电池阵和蓄电池组联合供电系统。蓄电池组的主要用途是在航天器进入地球阴影区时，当太阳电池阵不能供电给负载时供电，或当负载需求功率超过太阳电池阵功率时供电。这种蓄电池系统存在比能小、可靠性低、充放电深度难以准确估量及使用寿命等问题，制约了现代航天器的发展。

采用飞轮储能不但能克服这些缺点完成能量供给，还可以来实现姿态控制，将使航天器的质量得到较大程度的减轻，降低成本的同时增强了系统的可靠性。因此储能和姿态控制两用飞轮系统的研究已成为当前国内、外卫星飞轮系统的研究热点。美国Satcon技术公司、NASA Lewis研究中心、马里兰大学都在开发卫星姿态控制作用的飞轮储能系统，NASA还进行了太空运行试验。国内一些航天科研院所也在进行这方面的研究工作。

3）在风力发电中的应用。风能是新型可再生的清净能源，有广阔的应用前景。但由于风速因季节、时刻、能量的变化而随时发生变化，而且其变化频率快、变化幅度大，通常是随机的。这给风力发电用户在使用上带来困难。

为充分发挥飞轮储能式能量回收型缓速器响应速度快的优点，国外有许多科研机构将飞轮电池应用到风力发电中。当风力发电机的输出功率大于负荷功率时，多余的功率供给飞轮转子，此时飞轮储能系统中的电动机/发电机处于电动机运行状态，电能转化为动能储存起来；当风力发电机的输出功率大于或等于零但小于负荷功率时，此时飞轮储能系统中的电动机/发电机处于发电机运行状态，动能释放出来并转化为电能。飞轮电池可根据风力发电机的负荷和功率大小等具体情况进行设计，其容量可大可小。

4）在其他领域的应用。除了上述应用领域外，飞轮电池还可以作为医疗设备、军事设备、安全设备、通信设备、电信中继站、核聚变实验装置、计算机站等场所的不间断供电的备用电源（UPS）。