磁懸浮儲能飛輪

磁懸浮儲能飛輪是指使用磁懸浮軸承支撐的儲能飛輪。傳統的機械軸承支承摩擦損耗比較大，採用機械軸承的飛輪儲能系統，儲能過程的能量損失會很大。採用磁懸浮軸承支承飛輪，軸承副不直接接觸，因此軸承的運行穩定，運行過程基本上無磨損，軸承的工作壽命長。由於磁懸浮軸承沒有直接接觸面，因此也無需潤滑和潤滑介質，避免了潤滑劑泄露環境污染，省略了傳統潤滑系統所需要的泵、管道、過濾器和密封件等，並能在高溫或極低溫等特殊環境下工作。飛輪儲能系統採用磁懸浮軸承後，只要飛輪的材料有足夠的機械強度，飛輪的轉速就可以大大提高，儲能密度也因此得到提高。

基本介紹

• 中文名：磁懸浮儲能飛輪
• 外文名：Magnetic suspension energy storage flywheel
• 學科：電氣工程
• 能量轉換：動能轉換為電能
• 優點：無摩擦、損耗低
• 套用：UPS等

儲能原理

在儲能時，外界電能通過電力轉換器變換後驅動電機運行，電機帶動飛輪轉子加速旋轉，直至達到設定的某一轉速。在飛輪加速旋轉的過程中，飛輪以動能的形式把能量儲存起來，完成電能到機械動能轉換的儲存能量過程，能量儲存在高速旋轉的飛輪體中。之後，飛輪以設定的那一轉速旋轉，直到接受到一個能量釋放的控制信號。釋能時，電機作為發電機使用，高速旋轉的飛輪拖動電機發電，經電力轉換器輸出適用於負載的電流和電壓，完成機械動能到電能轉換的釋放能量過程。在釋能的過程中，飛輪的轉速不斷的下降。整個飛輪儲能系統實現了電能的輸入、儲存和輸出。

磁懸浮軸承

飛輪蓄能發電設備的旋轉摩擦損耗較大，為了減少旋轉摩擦損耗，所以現在一般都採用磁懸浮軸承。磁懸浮軸承是飛輪儲能系統的關鍵部件。磁軸承根據磁場性質的不同主要分為被動磁懸浮軸承(PMB)和主動磁懸
浮軸承(AMB)兩種：

(a)被動磁懸浮軸承

目前被動磁懸浮軸承有代表性的是高溫超導磁懸浮軸承。無源磁懸浮軸承磁場通常是不可控的。傳統的超導體無法滿足磁軸承的要求，但是自從高溫超導體Y(釔)系發現以來，製造高溫超導磁軸承成為可能。永久磁鐵安裝在飛輪上，高溫超導體安裝在底座上並用液氮冷卻，利用超導體的特性之一的Meissier效應(超導抗磁性)。永久磁鐵的磁通被超導體阻擋而產生排斥力，使飛輪處於懸浮狀態。

(b)主動磁懸浮軸承

主動磁懸浮系統主要是電磁懸浮系統。電磁懸浮軸承系統主要由轉子、電磁鐵、感測器、控制系統、功率放大器組合而成。轉子位移變化的信號由感測器測出，傳到控制器中，控制器計算後，輸出信號，經過功率放大器的放大，輸入到電磁鐵，產生電磁力，從而保證轉子的穩定懸浮。

優點

相比傳統機械式軸承，電磁懸浮軸承具備以下優點：

（1）無接觸、無需滴滑及無磨損；由於沒有摩擦損耗，不但維護成本較低而且使用壽命更長，對於減少飛輪儲能系統靜態損轉非常有利。

（2）轉子可W高速運轉，軸承的轉速僅僅受限於轉子的材料。

（3）低功耗；軸承的系統功耗較低，如輔助真空設備，則功耗進一步降低。

（4）高精度控制系統。目前轉子的控制精度已經達到級甚至更高。

（5）承載力可設計。可根據軸承的橫截面積，設計出不同重量等級的磁懸浮轉子。

市場分析

上海航天803所，30多年來，主要從事衛星姿控系統及與之配套的慣‘性器件的研究，具備成熟的慣性平台技術、飛輪技術、控制力矩陀螺研製基礎。先後研製成功從0.08 Nms到65 Nms動量輪的全系列產品，為10餘個型號較好的完成了飛行任務。研製的近100多個飛輪產品中，單台最長在軌運行超過7年，地面壽命試驗單台無故障運行7年以上，地面壽命試驗累積無故障運行24年以上。

在上海市科委的資助下，完成了軍民兩用混合型磁軸承技術研究。此外，已研製成功儲能量為1.3 kWh磁懸浮儲能飛輪樣機，飛輪採用永磁直流無刷電動/發電互逆式雙向電機，磁懸浮軸承支撐，飛輪轉速可達30 000 r/min，可在15s內維持發電功率300 kW，效率可達到95%，目前已在實驗室運行，儲能飛輪試驗樣機如圖所示。

電源系統

工業套用中，因其往往規模大、產值高、連續性生產需求高，因此電力中斷會帶來巨大的經濟損失及無可挽回的結果。美國電力研究所(EPRI )有關美國再發性電力問題的研究表明，有超過90%的生產設備將遭受市電電壓超過20%驟降情況的影響。研究中也統計了電壓驟降幅度超過10%的發生次數，大約每年會發生30次。現今的工業套用設備，大量引入了智慧型化輔助設備，對電力供應品質提出了更高的要求。多元化的電力來源，比如:電網、廢熱發電、柴油發電機、小型電廠等等，為現代工業企業提供更經濟的能源，同時也帶來了供電品質的參差不齊。工業套用中品種繁多的負載類型(感性、容性、阻性負載等)，給本來就不純淨的電網帶來更大的污染。

磁懸浮儲能飛輪在UPS領域的套用主要解決關鍵負荷的安全供電問題，在半導體行業、數據中心、醫院、銀行、電信等行業都有套用。磁懸浮飛輪UPS工作模式如圖2所示，市電正常輸入後，經穩壓電路，一方而為負載提供電能，另一方而經兩個雙向變換器為飛輪提供儲能電源。市電停電或發生故障時，飛輪儲能器件作為臨時交流電源，經兩次變換並穩壓操作後，為負載提供臨時可靠的電能。

國外市場已經全面啟動，美國Active Power公司專門生產和銷售UPS飛輪電池，年銷售額已經達到7 000萬美元左右;據ICT統計，UPS電源全球市場規模2014年已達62.2億美元，且處於高速發展階段，2020年預測為100億美元。目前仍是以鉛酸電池為主，急需新一代可靠、高效、綠色的飛輪UPS。國內市場剛剛起步，尚無自主智慧財產權的飛輪UPS產品，潛力巨大。

能量循環

軌道交通中使用的捷運都存在電機制動的問題。目前多採用電氣制動為主，空氣制動為輔的互補制動形式。雖然電阻制動成本低，原理簡單，但是機車頻繁進出站帶來的制動能量會浪費在電阻上，而把制動能量回收的再生制動方法節能環保。利用飛輪陣列儲能系統來吸收機車進站剎車時產生的能量，然後在機車出站需要大功率能量加速時，由飛輪陣列儲能系統提供這部分能量的支撐，從而可節約能源。安裝在美國紐約捷運的飛輪陣列儲能系統即被用來吸收列車制動能量和啟動支撐。

捷運公司最大的運營成本是牽引動力用電，一般占到總用電量的50%以上，而制動能量一般占牽引用電的30%~ 40%。可見，合理回收利用制動能量將很大程度影響到捷運運營成本。

智慧型電網分散式飛輪儲能調頻電站

電力調峰是電力系統須解決的重要問題，因為電網頻率的變動和偏差，對用戶和原動機的危害很大。電網頻率的穩定性和準確性，是供電質量的重要指標。飛輪儲能技術能在電網負荷處於低谷時，發電機/電動機作為電動機拖動飛輪，把電能轉換為動能。當在用電高峰時，發電機/電動機作為發電機把儲存在飛輪中的動能轉化為電能。與目前常用的抽水蓄能相比，飛輪儲能技術具有能量輸入輸出快捷、轉換效率高、成本低、充放電快捷等特點，在電力行業有廣泛的套用前景。

在電網調頻方面也有商業產品在一些工程中套用，美國Beacon Power公司負責建造的20 MW的飛輪儲能工程於2011年7月12日在美國紐約正式投入運行，該工程能夠承擔該州10%的電網調頻的任務。