導讀：分析了飛輪儲能系統能量、功率參數特性。飛輪儲能系統單機可實現儲能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傳統剛性電力系統的柔性調節，解決高比例新能源接入引起電網穩定性問題，保障高敏感負荷供電質量。電力系統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，并實現電能與動能的雙向轉換。如圖所示，飛輪儲能系統由高速轉子、支承飛輪及電機轉子的軸承、高速電動/發電機、充放電控制系統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、環境特性友好等特點，已經在航天、電動車輛、不間斷電源、電網調頻、新能源并網調控等多個領域得到應用。

在中低速飛輪儲能系統中，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，結合柴油發電機組，實現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合開發的1MW/60MJ飛輪儲能系統，應用于石油鉆機動力調峰和能量回收。


在高速飛輪儲能系統中，采用中小型復合材料飛輪轉子。美國Beacon Power公司研發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。

航天飛輪儲能系統的功率需求約為1～50kW，動態UPS 系統的單機功率為100～3000kW，通過數百臺飛輪儲能單機并聯，可以實現10～100MW的飛輪儲能陣列，應用于電網10kW?h以下的儲能量對于車輛混合動力系統、動態UPS發電系統、電能質量調控系統是基本滿足的，而對于電網系統應用，則應發展到10～100kW?h，本文討論飛輪儲能系統的能量、功率參數特性，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能量、功率參數特性。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。