飛輪儲能系統的構成及原理

電的儲能方式。該系統采用物理方法進行儲能，并通過電動/發電互逆式雙向電機實現電能與高速運轉飛輪的機械動能之間的相互轉換和儲存。飛輪儲能系統具有功率密度高、儲能密度高、適應性強、應用范圍廣、效率高、長壽命、無污染和維修花費低等優點。

典型的飛輪儲能系統由飛輪本體、軸承、電動／發電機、電力轉換器和真空室5個主要組件構成。在實際應用中，飛輪儲能系統的結構有很多種。圖1是一種飛輪與電機合為一個整體的飛輪儲能系統。

飛輪本體是飛輪儲能系統中的核心部件，作用是力求提高轉子的極限角速度，減輕轉子重量，最大限度地增加飛輪儲能系統的儲能量，目前多采用碳素纖維材料制作。軸承系統的性能直接影響飛輪儲能系統的可靠性、效率和壽命。

目前應用的飛輪儲能系統多采用磁懸浮系統，減少電機轉子旋轉時的摩擦，降低機械損耗，提高儲能效率。飛輪儲能系統的機械能與電能之間的轉換是以電動／發電機及其控制為核心實現的，電動／發電機集成一個部件，在儲能時，作為電動機運行，由外界電能驅動電動機，帶動飛輪轉子加速旋轉至設定的某一轉速；在釋能時，電機又作為發電機運行，向外輸出電能，此時飛輪轉速不斷下降。顯然，低損耗、高效率的電動／發電機是能量高效傳遞的關鍵。

電力轉換裝置是為了提高飛輪儲能系統的靈活性和可控性，并將輸出電能變換（調頻、整流或恒壓等）為滿足負荷供電要求的電能。真空室的主要作用是提供真空環境，降低電機運行時的風阻損耗。

飛輪儲能系統的核心部件是飛輪，它的設計力求提高轉子的極限角速度，減輕轉子重量，以最大限度地增加飛輪儲能系統的儲能量。同時，采用先進的材料如碳素纖維制作飛輪，以提高其性能和安全性。

飛輪儲能器中沒有任何化學活性物質，也沒有任何化學反應發生。旋轉時的飛輪是純粹的機械運動，飛輪在轉動時的動能為：E=1/2Jω2式中：J為飛輪的轉動慣量；ω為飛輪旋轉的角速度。

飛輪轉動時動能與飛輪的轉動慣量成正比。而飛輪的轉動慣量又正比于飛輪的直徑和飛輪的質量，過于龐大、沉重的飛輪在高速旋轉時，會受到極大的離心力作用，往往超過飛輪材料的極限強度，很不安全。因此，用增大飛輪轉動慣量的方法來增加飛輪的動能是有限的。

飛輪儲能裝置中有一個內置電機，它既是電動機也是發電機。在充電時，它作為電動機給飛輪加速；當放電時，它又作為發電機給外設供電，此時飛輪的轉速不斷下降；而當飛輪空閑運轉時，整個裝置則以最小損耗運行。

飛輪儲能是通過電動/發電互逆式雙向電機，電能與高速運轉飛輪的機械動能之間的相互轉換與儲存，并通過調頻、整流、恒壓與不同類型的負載接口。典型的飛輪儲能系統由飛輪本體、軸承、電動/發電機、電力轉換器和真空室5個主要組件構成。在實際應用中，飛輪儲能系統的結構有很多種。

圖1是一種飛輪與電機合為一個整體的飛輪儲能系統。充電時，電動/發電機通過轉換器接外電源作電動機運行，把飛輪轉子快速加速到非常高的轉速，于是電能轉化為動能儲存起來。放電時，電動/發電機作發電機運行，通過電子轉換器向負載輸出電能，轉子轉速下降，動能轉化為電能。

飛輪儲能技術在航空航天、UPS電源、交通運輸、風力發電、核工業等領域都有廣泛的應用前景。與化學儲能相比，飛輪儲能的主要優勢在于支持高頻次充放電、使用壽命長、安全性高，但劣勢在于儲電量低、度電成本高和功耗高。

目前，我國自主研發的飛輪儲能技術已取得重大突破，例如兆瓦級飛輪儲能裝置在軌道交通行業的應用，以及飛輪與鋰電池儲能復合調頻項目的投運。然而，飛輪儲能技術尚不具備規?；a能力，仍需要進一步的技術研發和市場推廣。

審核編輯：黃飛