?分析了飛輪儲能系統(tǒng)能量、功率參數(shù)特性。飛輪儲能系統(tǒng)單機可實現(xiàn)儲能0.5～100 kW?h、功率2～3000kW。提出了儲能100kW?h級飛輪的方案，采用中低轉速合金鋼飛輪轉子，儲能密度13～18 W?h/kg，計算許用應力為800MPa。尺寸為米級的飛輪轉子整體鍛造難度較高，可采用多圓盤軸向聯(lián)接的結構設計。采用3層或4層纖維纏繞復合材料高速飛輪轉子結構，分別進行了徑向等應力結構設計，計算表明9000r/min三層纖維纏繞復合材料飛輪和15000r/min四層纖維纏繞復合材料飛輪均能夠滿足工作轉速下的結構強度要求，儲能密度50～70 W?h/kg。

研究內容

抽水儲能、壓縮空氣儲能以及電化學儲能等技術能夠實現(xiàn)傳統(tǒng)剛性電力系統(tǒng)的柔性調節(jié)，解決高比例新能源接入引起電網(wǎng)穩(wěn)定性問題，保障高敏感負荷供電質量。電力系統(tǒng)要求儲能裝備具備大容量、高效率、高可靠和長壽命等特點。飛輪儲能是將能量儲存在高速旋轉的飛輪轉子中，并實現(xiàn)電能與動能的雙向轉換。如圖所示，飛輪儲能系統(tǒng)由高速轉子、支承飛輪及電機轉子的軸承、高速電動/發(fā)電機、充放電控制系統(tǒng)以及輔助設備等組成。它具有效率高、功率大、響應快、壽命長、維護簡單、環(huán)境特性友好等特點，已經(jīng)在航天、電動車輛、不間斷電源、電網(wǎng)調頻、新能源并網(wǎng)調控等多個領域得到應用。

在中低速飛輪儲能系統(tǒng)中，主要采用高強度鋼合金飛輪轉子，比如德國Piller公司的Powerbridge系列3MW/60MJ電勵磁電機飛輪儲能系統(tǒng)，結合柴油發(fā)電機組，實現(xiàn)重要場合高可靠不間斷供電保障。清華大學與中原石油工程公司聯(lián)合開發(fā)的1MW/60MJ飛輪儲能系統(tǒng)，應用于石油鉆機動力調峰和能量回收。

飛輪儲能系統(tǒng)結構示意圖

在高速飛輪儲能系統(tǒng)中，采用中小型復合材料飛輪轉子。美國Beacon Power公司研發(fā)的高速碳纖維復合材料飛輪儲能單機，轉速16000r/min，功率160kW，儲能量達108MJ。

航天飛輪儲能系統(tǒng)的功率需求約為1～50kW，動態(tài)UPS 系統(tǒng)的單機功率為100～3000kW，通過數(shù)百臺飛輪儲能單機并聯(lián)，可以實現(xiàn)10～100MW的飛輪儲能陣列，應用于電網(wǎng)10kW?h以下的儲能量對于車輛混合動力系統(tǒng)、動態(tài)UPS發(fā)電系統(tǒng)、電能質量調控系統(tǒng)是基本滿足的，而對于電網(wǎng)系統(tǒng)應用，則應發(fā)展到10～100kW?h，本文討論飛輪儲能系統(tǒng)的能量、功率參數(shù)特性，并提出儲能100kW?h飛輪方案設計。

研究結論

本文分析了飛輪儲能系統(tǒng)能量、功率參數(shù)特性。提出了100kW?h級大儲能容量飛輪的概念設計，按放電深度0.75計算，應實現(xiàn)總儲能140kW?h。

采用合金鋼飛輪方案，工作轉速6000～9000r/min，飛輪重達8300～11400 kg，儲能密度13～18W?h/kg，結構尺寸達到米級，最高許用應力水平為800MPa，大型鍛件制造難度大，可以將飛輪沿軸向分解為多個薄圓盤、在飛輪本體與飛輪芯軸之間設置過渡段聯(lián)接。

采用多層纖維復合材料飛輪方案，工作轉速9000～15000r/min，飛輪重量2030～2830kg，儲能密度50～70W?h/kg，采用3層或4層復合材料纏繞設計，分別進行了徑向等應力優(yōu)化結構設計。計算表明9000r/min三層纏繞飛輪和15000r/min四層纏繞飛輪均能夠滿足工作轉速下的結構應力要求，并且充分利用材料徑向強度。