飞轮储能系统容量分析与设计

导读：分析了飞轮储能系统能量、功率参数特性。飞轮储能系统单机可实现储能0.5～100 kW∙h、功率2～3000kW。提出了储能100kW∙h级飞轮的方案，采用中低转速合金钢飞轮转子，储能密度13～18 W∙h/kg，计算许用应力为800MPa。尺寸为米级的飞轮转子整体锻造难度较高，可采用多圆盘轴向联接的结构设计。采用3层或4层纤维缠绕复合材料高速飞轮转子结构，分别进行了径向等应力结构设计，计算表明9000r/min三层纤维缠绕复合材料飞轮和15000r/min四层纤维缠绕复合材料飞轮均能够满足工作转速下的结构强度要求，储能密度50～70 W∙h/kg。

研究内容

抽水储能、压缩空气储能以及电化学储能等技术能够实现传统刚性电力系统的柔性调节，解决高比例新能源接入引起电网稳定性问题，保障高敏感负荷供电质量。电力系统要求储能装备具备大容量、高效率、高可靠和长寿命等特点。飞轮储能是将能量储存在高速旋转的飞轮转子中，并实现电能与动能的双向转换。如图所示，飞轮储能系统由高速转子、支承飞轮及电机转子的轴承、高速电动/发电机、充放电控制系统以及辅助设备等组成。它具有效率高、功率大、响应快、寿命长、维护简单、环境特性友好等特点，已经在航天、电动车辆、不间断电源、电网调频、新能源并网调控等多个领域得到应用。

在中低速飞轮储能系统中，主要采用高强度钢合金飞轮转子，比如德国Piller公司的Powerbridge系列3MW/60MJ电励磁电机飞轮储能系统，结合柴油发电机组，实现重要场合高可靠不间断供电保障。清华大学与中原石油工程公司联合开发的1MW/60MJ飞轮储能系统，应用于石油钻机动力调峰和能量回收。


在高速飞轮储能系统中，采用中小型复合材料飞轮转子。美国Beacon Power公司研发的高速碳纤维复合材料飞轮储能单机，转速16000r/min，功率160kW，储能量达108MJ。

航天飞轮储能系统的功率需求约为1～50kW，动态UPS 系统的单机功率为100～3000kW，通过数百台飞轮储能单机并联，可以实现10～100MW的飞轮储能阵列，应用于电网10kW∙h以下的储能量对于车辆混合动力系统、动态UPS发电系统、电能质量调控系统是基本满足的，而对于电网系统应用，则应发展到10～100kW∙h，本文讨论飞轮储能系统的能量、功率参数特性，并提出储能100kW∙h飞轮方案设计。

研究结论

本文分析了飞轮储能系统能量、功率参数特性。提出了100kW∙h级大储能容量飞轮的概念设计，按放电深度0.75计算，应实现总储能140kW∙h。

采用合金钢飞轮方案，工作转速6000～9000r/min，飞轮重达8300～11400 kg，储能密度13～18W∙h/kg，结构尺寸达到米级，最高许用应力水平为800MPa，大型锻件制造难度大，可以将飞轮沿轴向分解为多个薄圆盘、在飞轮本体与飞轮芯轴之间设置过渡段联接。

采用多层纤维复合材料飞轮方案，工作转速9000～15000r/min，飞轮重量2030～2830kg，储能密度50～70W∙h/kg，采用3层或4层复合材料缠绕设计，分别进行了径向等应力优化结构设计。计算表明9000r/min三层缠绕飞轮和15000r/min四层缠绕飞轮均能够满足工作转速下的结构应力要求，并且充分利用材料径向强度。