飞轮储能装置的结构设计

飞轮储能装置的结构设计

摘要

飞轮储能是一种研究价值高的能量转换及存储装置，它是一种可以将电能、风能、太阳能等转化成飞轮旋转动能的一种高效的机械储能技术，具有储能密度大、能量转换效率高、设备使用寿命长、环保无污染、应用领域广、可实现持续工作等优点，已经受到国际众多科研机构及众多企业的密切关注，成为能源领域研究的热点之一。本文围绕飞轮储能装置设计的几个主要问题，包括飞轮转子材料的选择、飞轮转子结构的设计、装置在工作过程中的损耗及飞轮最佳转速的确定进行说明，并阐述飞轮储能的基本原理、飞轮储能发展的五大关键技术（飞轮转子、轴承支承系统、能量转换、电动 / 发电机、真空室），此外以飞轮储能典型应用为例，介绍飞轮储能的工程应用实例。

关键词：飞轮储能；储能密度；复合材料

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1 课题背景 1

1.1.1 研究意义 1

1.1.2 国内外飞轮储能工程应用现状分析 2

1.2 论文研究的主要内容 4

第2章飞轮储能的基本结构和原理 5

2.1 基本结构 5

2.1.1 原理分析 6

2.1.2 技术特点 6

2.1.3 应用场景 6

2.2 本章小结 7

第3章 100MW.h级飞轮储能装置结构方案设计 8

3.1 飞轮转子与储能密度 8

3.1.1 材料与储能密度 8

3.1.2 线速度与储能密度 9

3.1.3 飞轮整体规模 10

3.1.4 在不同转速下飞轮的尺寸 11

3.2 轴承系统 12

3.2.1 飞轮储能常用轴承 12

3.2.2 电磁/永磁混合轴承 13

3.3 电动/发电机 14

3.3.1 电机的选择 14

3.3.2 电机主要材料选择 14

3.3.3 15

3.3.4 15

3.4 能量转换环节 15

3.5 真空室 15

3.6 本章小结 16

结论 17

致谢 18

参考文献 19

第1章绪论

1.1课题背景

能源储存问题是21世纪人类所面临的意义重大的课题之一，为更高效的利用能源，发展先进的节能技术和储能技术刻不容缓，现今科学研究者已经研发出多种储能技术，包括抽水储能、燃气轮机、电池、超导储能、飞轮储能，其中飞轮储能由于其功率密度高，充放电响应速度快、使用寿命长、是电能与机械能的相互转化无环境污染、运行时对周围环境要求低、运营成本低、安全风险小等优点备受关注[1]，早在50年代就有人提出将飞轮储能用于电动汽车，但由于当时的材料限制，飞轮的外径线速度被限制在150m/s左右，单位质量储能量仅约5J/g，且飞轮旋转磨损大，能量转换和传递系统复杂，使其一直未取得突破进展[2],20世纪90年代以来，得利于高强度纤维材料、低磨损磁轴承及电力电子学三方面高新技术的发展，飞轮储能得到世界各国的高度重视，成为能源领域研究热点，飞轮储能技术因此迅速发展。目前飞轮的边缘速度已超过 1000 m/s，储能密度达100Wh/kg以上，已可投入工程实际应用。

1.1.1研究意义

在“双碳”目标背景下，我国未来将以发展新能源发电为主要发电支撑，光电，风电作为新能源的代表，具有发电随机性、波动性的特点，在目前众多可大规模应用的储能方式中，唯有飞轮储能具有可实现大功率快速充放电，循环寿命长，对地理环境要求低的独特优势，可以弥补新能源发电的随机性、波动性，并实现新能源发电的平滑输出，使大规模风电及太阳能发电更安全更可靠地并入常规电网，在电力系统快速负荷调节方面具有独特优势，可以广泛应用于电网独立调频、辅助火电和新能源（风光）调频、微电网及综合能源等场景。飞轮储能的应用场景绝不止于此，只要涉及到电能与机械能的互相转化，都可以应用飞轮储能系统储存或节省能源，如应用在地铁列车进出站，列车进站刹车时多余的能量存储于飞轮，列车出站提速需要能量时，飞轮输出能量，达到节省能源的目的；又如将其应用于卫星装备和太空空间站，作为太阳能存储电池使用，维持它们的电力供应稳定。综上可见，飞轮储能随着智能电网、分布式供电等新技术的推广应用，它的作用进一步突现出来，其发展和应用将不仅对新能源乃至整个电力系统带来革命性的影响，而且可应用于人们日常的出行（地铁）、通信（卫星导航），给人们的生活质量带来间接的提升。

1.1.2国内外飞轮储能工程应用现状分析

1.1.2.1飞轮储能应用领域

飞轮储能的应用领域十分广泛，但主要分为两大类型：作为峰值动力用如分布式发电系统中电网电力的波动调节、电力系统峰值负载的调节；作为储能用如各种重要设备如（计算机、通信系统、医疗设备等）的不间断电源(UPS)等。随着飞轮储能技术的迅速发展，国内外均已将该项技术具体应用，下面将结合上述两大类型具体介绍飞轮储能在国内外的应用。

1.1.2.2国外飞轮储能工程应用

（1）美国的 Beacon Power 公司拥有尖端的飞轮储能系统技术，其生产的飞轮电池产品用以满足迅速增长的可靠的、分布式电源需求。建立为通讯应用提供后备电源的商业基础，为电信/ 电缆设备提供备用电力供应的20C1000飞轮储能系统为主。工作转速：30000-100000rpm，飞轮最高线速度为700m/s，放电深度:90%，电机效率:96%,输出可用储量2000wh。

飞轮采用采用高强度复合材料轮缘，高速、长寿命、无需维护、低损耗永磁偏置主动/被动磁轴承，直流永磁无刷高效率、低损耗电动/发电机，正弦波脉宽调制实现驱动电压、电流一体化控制的双向换流器，真空密封，埋入地下，运行状况可以通过互联网进行监视。

（2）Active Power 公司主要生产作为不间断电源(UPS) 的飞轮电池系统,以取代传统的铅- 酸电池,解决当今对于电力品质的高要求。公司产品的应用对象主要是广大工业用户,比如:先进的数据中心、工业设备和广播站等。目前,公司拥有29 项发明专利,主要产品有Cat UPS 系列和Cleansource DC 系列。ActivePower 的飞轮材料为4340 锻铁,其飞轮转子与电动/ 发电机、磁轴承整合在一起。用磁铁卸去80 %的重量以延长飞轮轴承的寿命和减小损耗。飞轮的工作转速在7000～7700rpm。工作维持时间为几十秒到几分钟。

（3）德国Forschungszentrum karlsruhe Gmbh 公司1997年着手设计5MWh/100MW超导飞轮储能电站的概念设计。电站由10个飞轮模块组成，每个模块储能0.5MWh，功率10MW，重30t，直径3.5m、高6.5m，用同步电动/发电机进行电能输入输出。每个模块包括一个电动/发电机子模块、4个碳纤维复合材料制成的转子模块和6个SMB子模块。每个飞轮转子储能125kwh，重3t，能量密度42wh/kg,运行转速为2250-4500rpm，最大外缘线速度600m/s，最大拉应力810Mpa。SMB由YBCO块材料和稀土铁棚型高强度永磁材料构成，耗用10t的YBCO块材和5t的永磁材料。系统效率96%。

（4）日本已投资3500 万美元进行高温超导磁悬浮轴承飞轮储能研究, 由三菱、日立、精工等公司和多个研究所、高校组成3 个研究组合作承担。已研制出3 种试验模型机, 并进行了储能8MW.h 容量1000kW 的飞轮储能机组的概念设计。日本原子能研究所一座大型核融合实验炉采用了飞轮储能发电装置，其主要参数为：功率235MVA、电压18kv、电流6898A、飞轮转速420-600rpm、可释放能量为020MJ，转子为碳素钢锻造的实心圆盘，重1000t。

1.1.2.3国内飞轮储能工程应用

我国对飞轮储能的研究起步晚，在飞轮储能研究阶段主要是各大学或研究所在研究，具体有清华大学工程物理系飞轮储能实验室、华北电力大学、北京飞轮储能柔性研究所(由中科院电工所、天津核工业理化工程研究院等组成) 、北京航空航天大学、南京航空航天大学、中国科大、中科院力学所、东南大学、合肥工业大学等,主要集中在小容量系列，目前已有多次工程实地运用。

（1）清华大学工程物理系飞轮储能实验室2016年3月份研制1MW.h，60MJ的飞轮储能系统，主要用在石油行业。飞轮储能系统只是这个大系统的一个小的点，是储能的。2016年11月份到12月份这套装置真正的去打了一口3500米的井，运行了7200多次，无任何问题，运行稳定。

（2）二重德阳储能科技有限公司的飞轮储能器盘式电机系统采取真空磁悬浮飞轮旋转储能方式，放电功率大，功率密度高，满足用电方对瞬时高功率的需求；无限次充放电，使用年限长达20年；高效节能，能效高达96%；机械结构下转速可以精确地反应电量，充放电过程精确可控，可靠性极高。应用案例：广州某疗养基地一套200kW飞轮储能不间断电源系统于2021年1月投入运行。机械工业第六设计研究院有限公司高科技信息园数据中心是郑州市最大的企业级数据中心，两台200kW飞轮储能装置于2020年11月正式投入运行。中国重型机械研究院股份公司新建数据机房一台100kW飞轮储能装置于2021年1月投入运行。二重（德阳）重型装备有限公司信息中心一台100kW飞轮储能装置于2019年3月投入运行。

（3）2021年11月10日，国家能源集团宁夏电力灵武公司光火储耦合22MW/4.5MW.h飞轮储能工程开工。该项目是国内第一个全容量飞轮储能-火电联合调频工程，也是全球单体储电量最大、单体功率最大的飞轮储能，突破500kW级大功率飞轮单体的技术瓶颈，实现大功率飞轮单体工程应用。

综上所述，国内外飞轮储能技术的应用集中在电网电力调节和数据信息中心的不间断电源，是当今飞轮储能技术应用的热点，虽然我国的飞轮储能技术虽起步较欧美发达国家晚，但我国紧跟其后，并且伴随着近年来碳达峰、碳中和 “双碳”战略的实施，更多的资金投入飞轮储能等储能技术的研发，我国飞轮储能技术在未来将会取得更大进步。

1.2论文研究的主要内容

我国100kW.h级飞轮储能系统应用最为广泛，本文将针对电力系统100kW.h级飞轮储能系统的大规模应用，进行100 kW∙h 级飞轮储能装置结构方案设计。

工程应用中100 kW∙h 级飞轮储能系统单机可配置电机功率100～400kW，考虑到轴承、轴系动力学、变流器工作频率因素，最高工作转速可设置为 6000、9000、15000 r/min 三种情形，满足 1 h～15 min 用途。电机转速越高则功率参数应降低，以降低电机转子热失控风险。

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