新型飞轮储能技术及其应用展望_葛举生
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｂｒｉｅｆｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｆｌｙｗｈｅｅｌ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ （ＦＥＳＳ）． Ｔｈｅ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ＦＥＳＳ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ ｏｆ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｆｌｙｗｈｅｅｌ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ，ａｌｌ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ＦＥＳＳ ｐｒｏｍｉｓｅ ｉｔｓ ａ ｗｉｄｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｌｙｗｈｅｅｌ；ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ；ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ；ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ；ａｅｒｏｓｐａｃｅ
第 ３３ 卷 第 ２ 期 ２０１２ 年 ４ 月
电力与能源
１８１
新型飞轮储能技术及其应用展望
葛举生，王培红
（东南大学 能源与环境学院，南京 ２１００９６）
摘 要 ：简 要 介 绍 了 新 型 飞 轮 储 能 系 统 的 工 作 原 理 和 基 本 结 构 ，并 从 关 键 技 术 发 展 及 应 用 研 究 的 角 度 出 发 ，系 统地介绍了飞轮储能系统的研究情 况 和 今 后 的 发 展 方 向，还 对 飞 轮 储 能 和 其 他 储 能 方 式 的 特 点 进 行 了 详 细 比 较 。 飞 轮 储 能 系 统 具 有 的 诸 多 优 点 ，有 着 广 阔 的 应 用 前 景 。 关 键 词 ：飞 轮 ；储 能 ；电 力 系 统 ；电 动 汽 车 ；航 空 航 天 中 图 分 类 号 ：ＴＫ０２ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：２０９５－１２５６（２０１２）０２－０１８１－０４
从外界输入的电 能 驱 动 电 动 机 转 动，电 动 机 带 动 飞 轮 旋 转 ，将 电 能 转 化 为 飞 轮 的 动 能 储 存 起 来 ；放 电 时 ，用 飞 轮 带 动 发 电 机 旋 转 ，通 过 发 电 机 将 飞 轮 的动能转化为电 能，再 通 过 电 力 转 换 器 转 化 成 外 部负载所需 要 的 各 种 频 率、电 压 等 级 的 电 能。 典 型的 飞 轮 储 能 系 统 包 括 飞 轮、轴 承、电 机、电 力 电 子 变 换 器 和 真 空 容 器 等 ，见 图 ２。
飞轮储能 系 统 （ＦＥＳＳ）又 称 飞 轮 电 池［１］，早 在 ２０世纪５０年 代 就 有 人 提 出 了 利 用 高 速 旋 转 的 飞 轮来储存能 量 、并 将 其 用 于 电 动 汽 车 的 设 想 ，但 由 于当时技 术 条 件 的 限 制，一 直 未 取 得 突 破 性 的 进 展 。２０ 世 纪 ９０ 年 代 以 来 ，随 着 新 材 料 和 电 力 电 子 技术的飞速进步，飞轮储能及其应用也取得了重要 进展 ，特别是 高 性 能 永 磁 材 料 、高 温 超 导 磁 悬 浮 技 术以及真空技术的进展，极大降低了飞轮转子的摩 擦损耗和风 损 耗 ；高 强 度 碳 纤 维 复 合 材 料 的 运 用 ， 飞轮允许的 线 速 度 可 达 到 １ ０００ ｍ／ｓ，极 大 提 升 了 飞轮储能 系 统 的 储 能 密 度；电 力 电 子 技 术 的 新 发 展，使飞轮电机与电网之间灵活的能量转换成为可 能。作为储 能 技 术 之 一 的 飞 轮 储 能，由 于 其 寿 命 长 、储 能 密 度 大 、能 量 转 换 率 高 、不 受 充 放 电 次 数 限 制、安装维护 方 便 以 及 对 环 境 危 害 小 等 优 点 ，已 经 开始越来越广泛地应用于国内外的许多行业中。
２．２ 轴 承 支 承 装 置
飞轮储能系统无论处于充放电状态还是待机
状态 ，飞轮都 必 须 不 停 地 高 速 旋 转 ，因 此 减 少 轴 承
的摩擦损耗对于飞轮储能系统的效率很重要。传
统的机械轴 承 支 承 摩 擦 损 耗 较 大，采 用 机 械 轴 承
的飞轮储 能 系 统，储 能 过 程 的 能 量 损 失 会 很 大。 采
２ 飞 轮 储 能 与 其 他 储 能 方 式 的 比 较
作为电能储存 的 手 段 之 一，将 飞 轮 储 能 与 其 他 储 能 方 式 相 比 较 ，如 表 ２ 所 示 。
葛 举 生 等 ：新 型 飞 轮 储 能 技 术 及 其 应 用 展 望
１８３
项 目
效 率／％ 使 用 寿 命／年 储 能 密 度／（Ｗ·ｈ·ｋｇ－１） 比 功 率／（Ｗ·ｋｇ－１） 放能深度 充电时间 响应时间 连续放电时间 工作温度 地点可用性 环境影响 维护周期
飞轮 储 能 密度都 远 不 及 高强 度 纤 维 材料 ，所 以 目 前
储能飞轮一般都采用高强度碳纤维复合材料。高
强度碳纤维复合 材 料 以 碳 纤 维 为 主，并 用 用 聚 合
物 母 基 （如 环 氧 树 脂 ）作 为 填 充 物 成 型，美 国
Ｍａｒｙｌａｎｄ大学所研制的２０ｋＷｈ多层圆柱飞 轮 储 能装置，外径 ０．５６４ ｍ，内径 ０．２５４ ｍ，厚０．５５３ｍ， 重１７２．８ｋｇ，最 大 转 速 为４６ ３４５ｒ／ｍｉｎ［３］，飞 轮 就 是 采用这种碳纤维—环氧树脂复合材料。
Ｋｅｖｌａｒ纤 维
３．８ １ ４５０ ２６２ ０６９．０ ４４１．１
光谱纤维
３
９７０ ３０９ ２７８．４ ５２０．６
碳纤维 Ｔ－７００ ７
１ ７８０ ３９３ ２５８．４ ６６２．０
碳纤维 Ｔ－１０００ １０
１ ７８０ ５６１ ７９７．８ ９４５．７
由表１可知，高强度合金钢的比强度和制成的
电子电力转换装置具有调频、整流和恒压等功 能。轮储能系统运行在放电模式时，电子电力转换 装置作为交流转换器把发电机输出的电能转换成 常用的电 源 和 频 率；轮 储 能 系 统 运 行 于 充 电 模 式 时，电子电力转换装置变成电动机的控制器［３］。 ２．４ 真 空 室
真空室的主要作用是为轮储能系统的飞轮和 电 机 提 供 真 空 环 境 ，降 低 储 能 系 统 运 行 的 风 损 ，当 飞轮发生事故时还可以起到屏蔽事故防止事故扩 大的作用。真空度是决定系统效率的主要因素之 一，目前国际上较 先 进 的 飞 轮 仓 真 空 度 一 般 可 达 到１０－５数量级。不过提 高 真 空 度 虽 能 降 低 风 损， 但因为稀薄气体 散 热 功 能 减 弱，导 致 转 子 温 升 较 高 ［７］，因 此 必 须 综 合 考 虑 。
表 ２ 飞 轮 储 能 与 其 他 主 要 储 能 方 式 的 比 较
飞轮 ８５～９５
＞２０ ５～５０ １８０～１ ８００
深 分钟级 毫秒级 １５ｓ～１５ ｍｉｎ －４０～５０℃
极高 几乎无污染
＞１０ 年
物理储能 抽水
６０～７０ ＞２０ － － 深
小时级 分钟级 ４～１０ｈ １～３５℃
低 几乎无污染
图 １ 飞 轮 储 能 系 统 原 理 图
１ 结 构 和 原 理
飞轮储能系统作为一种机电能量转换和储存 装置，主要包 括 飞 轮、电 动 机／发 电 机 和 电 力 转 换 器３个核心部分，见图１。 飞 轮 储 能 系 统 充 电 时，
图 ２ 飞 轮 储 能 系 统 结 构 示 意 图
１８２
Ｎｅｗ Ｔｙｐｅ ｏｆ Ｆｌｙｗｈｅｅｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｉｔｓ Ｆｏｒｅｃａｓｔ ｏｆ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
Ｇｅ Ｊｕｓｈｅｎｇ，Ｗａｎｇ Ｐｅｉｈｏｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９６，Ｃｈｉｎａ）
葛 举 生 等 ：新 型 飞 轮 储 能 技 术 及 其 应 用 展 望
飞轮是该系统的核心部件，一般由特殊合成材 料制成；采用磁悬浮轴承可以减少飞轮空转时的损 耗、提高飞轮的转速。发电机和电动机采用一台电 机 ，通 过 轴 承 直 接 和 飞 轮 连 接 ，为 了 减 少 风 损 ，电 机 与飞轮都被密封在一个真空容器。为了减小整个 系统的重量 和 外 形 ，提 高 储 能 密 度 ，电 力 转 换 器 通 常采用ＩＧＢＴ（绝 缘 栅 极 场 效 应 晶 体 管）和 ＭＯＳ－ ＦＥＴ（场效应晶体管）组成的双向逆变器。
用磁悬浮轴承支承飞轮［４］，轴承付不直接接触，因此 轴承的运行稳定，运行过程基本上无磨损，轴承的工 作寿命长。由 于 磁 悬 浮 轴 承 没 有 直 接 接 触 面，因 此 也无需润滑和润滑介质，避免了润滑剂泄露环境污 染，省略了传 统 润 滑 系 统 所 需 要 的 泵、管 道、过 滤 器 和密封件等，并能在高温或极低温（－２５３～４５０℃）等 特殊环 境 下 工 作。 飞 轮 储 能 系 统 采 用 磁 悬 浮 轴 承 后，只要飞轮的材料有足够的机械强度，飞轮的转速 就可以大大提高，储能密度也因此得到提高。
量。但是飞轮高 速 旋 转 产 生 的 巨 大 向 心 力，要 求
采 用 比 强 度σ∶ρ，即 材 料 的 许 用 应 力 （σ）与 密 度 （ρ） 的比值高的材料来制作飞轮转子。表１给出了几
种可以用于飞轮 材 料 的 许 用 应 力、密 度 和 等 厚 度
圆 盘 飞 轮 理 论 储 能 密 度ｅ 的 基 本 数 据 。
２ 关 键 技 术
飞轮储能系统 的 关 键 技 术，包 括 飞 轮 采 用 的
复 合 材 料 的 选 择 、轴 承 支 承 系 统 、电 能 转 换 系 统 和
真空室的设计等。
２．１ 飞 轮 采 用 的 复 合 材 料
第 ３３ 卷 第 ２ 期 ２０１２ 年 ４ 月
电力与能源
１８１
新型飞轮储能技术及其应用展望
葛举生，王培红
（东南大学 能源与环境学院，南京 ２１００９６）
摘 要 ：简 要 介 绍 了 新 型 飞 轮 储 能 系 统 的 工 作 原 理 和 基 本 结 构 ，并 从 关 键 技 术 发 展 及 应 用 研 究 的 角 度 出 发 ，系 统地介绍了飞轮储能系统的研究情 况 和 今 后 的 发 展 方 向，还 对 飞 轮 储 能 和 其 他 储 能 方 式 的 特 点 进 行 了 详 细 比 较 。 飞 轮 储 能 系 统 具 有 的 诸 多 优 点 ，有 着 广 阔 的 应 用 前 景 。 关 键 词 ：飞 轮 ；储 能 ；电 力 系 统 ；电 动 汽 车 ；航 空 航 天 中 图 分 类 号 ：ＴＫ０２ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：２０９５－１２５６（２０１２）０２－０１８１－０４
从外界输入的电 能 驱 动 电 动 机 转 动，电 动 机 带 动 飞 轮 旋 转 ，将 电 能 转 化 为 飞 轮 的 动 能 储 存 起 来 ；放 电 时 ，用 飞 轮 带 动 发 电 机 旋 转 ，通 过 发 电 机 将 飞 轮 的动能转化为电 能，再 通 过 电 力 转 换 器 转 化 成 外 部负载所需 要 的 各 种 频 率、电 压 等 级 的 电 能。 典 型的 飞 轮 储 能 系 统 包 括 飞 轮、轴 承、电 机、电 力 电 子 变 换 器 和 真 空 容 器 等 ，见 图 ２。
飞轮储能 系 统 （ＦＥＳＳ）又 称 飞 轮 电 池［１］，早 在 ２０世纪５０年 代 就 有 人 提 出 了 利 用 高 速 旋 转 的 飞 轮来储存能 量 、并 将 其 用 于 电 动 汽 车 的 设 想 ，但 由 于当时技 术 条 件 的 限 制，一 直 未 取 得 突 破 性 的 进 展 。２０ 世 纪 ９０ 年 代 以 来 ，随 着 新 材 料 和 电 力 电 子 技术的飞速进步，飞轮储能及其应用也取得了重要 进展 ，特别是 高 性 能 永 磁 材 料 、高 温 超 导 磁 悬 浮 技 术以及真空技术的进展，极大降低了飞轮转子的摩 擦损耗和风 损 耗 ；高 强 度 碳 纤 维 复 合 材 料 的 运 用 ， 飞轮允许的 线 速 度 可 达 到 １ ０００ ｍ／ｓ，极 大 提 升 了 飞轮储能 系 统 的 储 能 密 度；电 力 电 子 技 术 的 新 发 展，使飞轮电机与电网之间灵活的能量转换成为可 能。作为储 能 技 术 之 一 的 飞 轮 储 能，由 于 其 寿 命 长 、储 能 密 度 大 、能 量 转 换 率 高 、不 受 充 放 电 次 数 限 制、安装维护 方 便 以 及 对 环 境 危 害 小 等 优 点 ，已 经 开始越来越广泛地应用于国内外的许多行业中。
２．２ 轴 承 支 承 装 置
飞轮储能系统无论处于充放电状态还是待机
状态 ，飞轮都 必 须 不 停 地 高 速 旋 转 ，因 此 减 少 轴 承
的摩擦损耗对于飞轮储能系统的效率很重要。传
统的机械轴 承 支 承 摩 擦 损 耗 较 大，采 用 机 械 轴 承
的飞轮储 能 系 统，储 能 过 程 的 能 量 损 失 会 很 大。 采
２ 飞 轮 储 能 与 其 他 储 能 方 式 的 比 较
作为电能储存 的 手 段 之 一，将 飞 轮 储 能 与 其 他 储 能 方 式 相 比 较 ，如 表 ２ 所 示 。
葛 举 生 等 ：新 型 飞 轮 储 能 技 术 及 其 应 用 展 望
１８３
项 目
效 率／％ 使 用 寿 命／年 储 能 密 度／（Ｗ·ｈ·ｋｇ－１） 比 功 率／（Ｗ·ｋｇ－１） 放能深度 充电时间 响应时间 连续放电时间 工作温度 地点可用性 环境影响 维护周期
飞轮 储 能 密度都 远 不 及 高强 度 纤 维 材料 ，所 以 目 前
储能飞轮一般都采用高强度碳纤维复合材料。高
强度碳纤维复合 材 料 以 碳 纤 维 为 主，并 用 用 聚 合
物 母 基 （如 环 氧 树 脂 ）作 为 填 充 物 成 型，美 国
Ｍａｒｙｌａｎｄ大学所研制的２０ｋＷｈ多层圆柱飞 轮 储 能装置，外径 ０．５６４ ｍ，内径 ０．２５４ ｍ，厚０．５５３ｍ， 重１７２．８ｋｇ，最 大 转 速 为４６ ３４５ｒ／ｍｉｎ［３］，飞 轮 就 是 采用这种碳纤维—环氧树脂复合材料。
Ｋｅｖｌａｒ纤 维
３．８ １ ４５０ ２６２ ０６９．０ ４４１．１
光谱纤维
３
９７０ ３０９ ２７８．４ ５２０．６
碳纤维 Ｔ－７００ ７
１ ７８０ ３９３ ２５８．４ ６６２．０
碳纤维 Ｔ－１０００ １０
１ ７８０ ５６１ ７９７．８ ９４５．７
由表１可知，高强度合金钢的比强度和制成的
电子电力转换装置具有调频、整流和恒压等功 能。轮储能系统运行在放电模式时，电子电力转换 装置作为交流转换器把发电机输出的电能转换成 常用的电 源 和 频 率；轮 储 能 系 统 运 行 于 充 电 模 式 时，电子电力转换装置变成电动机的控制器［３］。 ２．４ 真 空 室
真空室的主要作用是为轮储能系统的飞轮和 电 机 提 供 真 空 环 境 ，降 低 储 能 系 统 运 行 的 风 损 ，当 飞轮发生事故时还可以起到屏蔽事故防止事故扩 大的作用。真空度是决定系统效率的主要因素之 一，目前国际上较 先 进 的 飞 轮 仓 真 空 度 一 般 可 达 到１０－５数量级。不过提 高 真 空 度 虽 能 降 低 风 损， 但因为稀薄气体 散 热 功 能 减 弱，导 致 转 子 温 升 较 高 ［７］，因 此 必 须 综 合 考 虑 。
表 ２ 飞 轮 储 能 与 其 他 主 要 储 能 方 式 的 比 较
飞轮 ８５～９５
＞２０ ５～５０ １８０～１ ８００
深 分钟级 毫秒级 １５ｓ～１５ ｍｉｎ －４０～５０℃
极高 几乎无污染
＞１０ 年
物理储能 抽水
６０～７０ ＞２０ － － 深
小时级 分钟级 ４～１０ｈ １～３５℃
低 几乎无污染
图 １ 飞 轮 储 能 系 统 原 理 图
１ 结 构 和 原 理
飞轮储能系统作为一种机电能量转换和储存 装置，主要包 括 飞 轮、电 动 机／发 电 机 和 电 力 转 换 器３个核心部分，见图１。 飞 轮 储 能 系 统 充 电 时，
图 ２ 飞 轮 储 能 系 统 结 构 示 意 图
１８２
Ｎｅｗ Ｔｙｐｅ ｏｆ Ｆｌｙｗｈｅｅｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｉｔｓ Ｆｏｒｅｃａｓｔ ｏｆ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
Ｇｅ Ｊｕｓｈｅｎｇ，Ｗａｎｇ Ｐｅｉｈｏｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９６，Ｃｈｉｎａ）
葛 举 生 等 ：新 型 飞 轮 储 能 技 术 及 其 应 用 展 望
飞轮是该系统的核心部件，一般由特殊合成材 料制成；采用磁悬浮轴承可以减少飞轮空转时的损 耗、提高飞轮的转速。发电机和电动机采用一台电 机 ，通 过 轴 承 直 接 和 飞 轮 连 接 ，为 了 减 少 风 损 ，电 机 与飞轮都被密封在一个真空容器。为了减小整个 系统的重量 和 外 形 ，提 高 储 能 密 度 ，电 力 转 换 器 通 常采用ＩＧＢＴ（绝 缘 栅 极 场 效 应 晶 体 管）和 ＭＯＳ－ ＦＥＴ（场效应晶体管）组成的双向逆变器。
用磁悬浮轴承支承飞轮［４］，轴承付不直接接触，因此 轴承的运行稳定，运行过程基本上无磨损，轴承的工 作寿命长。由 于 磁 悬 浮 轴 承 没 有 直 接 接 触 面，因 此 也无需润滑和润滑介质，避免了润滑剂泄露环境污 染，省略了传 统 润 滑 系 统 所 需 要 的 泵、管 道、过 滤 器 和密封件等，并能在高温或极低温（－２５３～４５０℃）等 特殊环 境 下 工 作。 飞 轮 储 能 系 统 采 用 磁 悬 浮 轴 承 后，只要飞轮的材料有足够的机械强度，飞轮的转速 就可以大大提高，储能密度也因此得到提高。
量。但是飞轮高 速 旋 转 产 生 的 巨 大 向 心 力，要 求
采 用 比 强 度σ∶ρ，即 材 料 的 许 用 应 力 （σ）与 密 度 （ρ） 的比值高的材料来制作飞轮转子。表１给出了几
种可以用于飞轮 材 料 的 许 用 应 力、密 度 和 等 厚 度
圆 盘 飞 轮 理 论 储 能 密 度ｅ 的 基 本 数 据 。
２ 关 键 技 术
飞轮储能系统 的 关 键 技 术，包 括 飞 轮 采 用 的
复 合 材 料 的 选 择 、轴 承 支 承 系 统 、电 能 转 换 系 统 和
真空室的设计等。
２．１ 飞 轮 采 用 的 复 合 材 料
