高温超导飞轮储能技术发展现状

1、高温超导飞轮储能技术发展现状在1986年发现可工作在液氮温区(77K)的高温超导材料后，人们很快就发现利用这种材料制备的块材可以稳定地悬浮(悬挂)在永磁体上方(下方)。并且施加给永磁体一个初始的扭矩后，它就会围绕和块材相互作用力的对称轴旋转起来，这就是高温超导磁悬浮轴承(SMB)最基本的模型。SMB以其具有的无机械接触、自稳定、结构简单等优点，很快博得了众多研究者的青睐。在1990年便有了转速100000rmin的SMB报道，而到1992年更有转速高达520000rmin的报道，这也是迄今为止最高的转速记录。SMB的高转速是传统的机械轴承，甚至主动的电磁悬浮轴承(AMB)所不及的。SMB的诞生

2、为以轴承为基础的系统提供了升级换代的新途径，高温超导飞轮储能系统(HTSFESS)就是在这种背景下应运而生的。HTSFESS利用SMB的高速无机械摩擦旋转，通过一个飞轮转盘把能量以机械旋转能量的形式储存起来。近年来，随着SMB技术的日益成熟，高强度复合纤维材料的问世以及高效率电力电子转换技术的进步使得HTSFESS在储能密度、储能时间、响应时间、转换效率等方面均得到了较大的提高，已达到了工业应用的要求。目前美国波音公司、日本国际超导中心(ISTEC)6-8、德国ATZ公司9-121等均在开展大容量HTSFESS样机的试验研究。美国波音公司在2006年的项目年度总结报告中指出，他们研制的HTSF

3、ESS即将完成最终用户测试，并投入商业运行。HTSFESS作为一种新型电力储能技术，不仅为缓解当前日益严峻的能源问题提供了新的途径，而且在军民两用上都具有巨大的应用前景。在卫星和航天器的能源供给和姿态控制、电磁发射系统的超大功率电源、战车的能量储备以及电力调峰、通信系统、交通系统等领域均可找到它的应用价值。2HTSFESS的基本原理及其特点21基本原理HTSFESS的基本原理是利用电动机将悬浮的飞轮转子驱动到高速旋转状态，电能转变为机械能储存。需要时，飞轮减速，电动机作发电机运行，实现机械能到电能的转换，这样就通过飞轮的加速和减速，完成了电能的存入和释放。图1给出了能量的存储与释放过程。

4、60;                      图1高温超导飞轮储能系统原理示意飞轮是一个作定轴转动的物体，其储存的能量E可以表示为E=1/2J2      （1）式中J-飞轮转子的转动惯量；-角速度。储能密度(单位质量存储的能量)是表征储能装置性能的一个重要指标，对于结构、几何尺寸一定的飞轮储能系统而言，其储能密度e为e=E/m=ks

5、/      （2）式中ks-飞轮形状系数；-飞轮产生的最大周向应力；-飞轮材料的密度；m-飞轮质量。从储存能量的角度来看，E越大越好；而从减轻轴承负荷来看，m越小越好。综合式(1)、式(2)考虑，飞轮转子需要/高的材料。HTSFESS主要由SMB、飞轮转子、电动，发电机、电力电子转换装置和真空安全保护装置构成。211SMBSMB是HTSFESS的核心部件，作用是支撑飞轮转子并保证其无机械摩擦稳定的高速旋转。基本原理是高温超导体和永磁体电磁相互作用的轴对称模型，一般是用高温超导块材(下文简称块材)作定子，常规的永磁体作转子。液氮温度下，块材进入超导混合态

6、后，由于钉扎中心的存在磁通线被其阻滞运动，即被超导体俘获，当超导体俘获了足够的磁通时，便使转子自由悬浮在某一位置上；同时块材特有的磁通钉扎能力阻止俘获磁通运动，保证侧向稳定性，从而实现了转子稳定的悬浮(如图2所示)。研究结果表明，SMB的摩擦系数只有10_，是电磁悬浮轴承的11000，最好的机械轴承的110000。图2具有钉扎效应的高温超导磁悬浮示意图SMB按照块材与永磁体的排放结构，分为轴向和径向两种类型，其结构示意图如图3所示。在轴向型中，块材与永磁体之间的悬浮力指向旋转轴的方向。其优点是结构简单，制作相对容易。缺点是轴承的承载能力依赖于定子的截面尺寸。在径向型中，块材与永磁体之间的悬浮力

7、指向转子径向。其优点是结构很紧凑，并且可以在不改变主轴大小的情况下通过沿轴向增加定子中块材的数量来提高承载能力。缺点是对块材和永磁体材料性能的均匀性要求高。目前两种类型的轴承均已用于HTSFESS样机的研制中。图3 SMB结构示意图212飞轮转子飞轮转子作为HTSFESS的储能载体，其旋转速度一般都是上万转，因此转子工作时要承受很大的离心力，这样就对转子材料的机械强度提出了很高的要求。从式(2)可知，高强度、低密度的材料将是飞轮转子的理想材料。表1给出了几种常用的飞轮转子材料参数，显然碳素纤维复合材料因其极高的强度密度比是飞轮转子材料的理想选择。理论和实验都证明目前的碳素纤维复合材料做成的飞轮

8、转子承受的最大线速度可超过1000ms。表1飞轮转子材料参数213电动发电机电动，发电机是HTSFESS能量转换的必备环节。飞轮储存能量时，系统处于电动机运行状态，飞轮加速；释放能量时，飞轮处于发电机运行状态，飞轮减速。与其他电机相比，永磁电机具有结构简单、效率高、转速高(已有200O00rmin的报道。在HTSFESS中得到了广泛的应用'】214电力电子转换装置HTSFESS在储存与释放能量的过程中，转速在不断变化，电动机发电机的转速也随之改变。因此，为实现电能稳定的储存与释放，必须在飞轮储能系统(FESS)与电网之间配备一个电力电子转换装置。储能时通过转换装置将电网电能变成电动机需

9、要的电源形式；输出电能时经转换装置调频、整流、恒压之后，供给负载，以满足不同工况下的需要。目前较多采用IGBT功率模块和微处理器技术来控制电动机，发电机以实现能量的快速高效储存与释放，采用变压变频器件完成输入与输出信号的转变。215真空安全保护装置真空罩的作用是为飞轮转子提供一个低压的环境，降低高速旋转下的风阻损耗。另外，飞轮在高离心力作用下存在发生爆裂的可能性，因此真空罩兼起安全保护的作用。为方便观察飞轮的实际运行情况，一般采用透明的高强度玻璃钢真空罩。22HTSFESS特点(1)控制简单。高温超导磁悬浮是一种自稳定的悬浮，与电磁悬浮相比，不需要额外的悬浮、导向控制环节。(2)储能密度大。高

10、储能密度是FESS最突出的优势。从图4对各种储能方式的储能密度比较中可以看出，就目前的技术水平来说，复合材料飞轮储能系统的储能密度已达到230Whkg，明显高于超导磁体储能、超级电容器、燃料电池、铅酸电池和高级电池等方式，并且随着转子材料性能的提高，还具有巨大的开发潜力。预计5年内可用的熔融石英材料，将使飞轮储能密度达到800Whkg，而五年后可使用的碳纳米管材料将使飞轮的储能密度提高到2700Whkg，成为储能密度最高的储能方式。图4储能系统能量密度比较。(3)效率高。与其他储能方式(蓄电池、燃料电池和发电机等)相比，FESS效率最高，可达到9O以上(见表2)。表2飞轮储能系统与其他几种储能

11、形式性能比较(4)寿命长。从表2可以看出，FESS的充放电次数上万次，运行寿命长达2O年以上，与燃料电池相当，远高于蓄电池与发电机。FESS的长寿命以及低维护成本将补偿其购置成本较高的不足，长期运行具有较好的经济性。(5)应用范围广。图5给出了多种储能方式的功率一响应时间图。从图中可以看出，与其他储能方式相比，FESS具有最大的功率和响应时间区间。功率可以从mWMW等级，响应时间从数小时到数毫秒。因此具有良好的环境适应性。图5储能系统功率一响应时间比较另外HTSFESS还具有充放电快捷、绿色环保、占地面积小、可以模块化(几个小型飞轮子模块构成一个大的储能系统)、不受地理环境影响等优点。目前，包

12、括美国、日本、德国、韩国等在内的多国正在大力开展HTSFESS样机的研制工作。代表性研究工作如下：美国波音公司和阿贡实验室合作研制的5kWh100kW等级的飞轮正在进行整机安装调试实验，同时加工设计了10kWh的飞轮转子，预计2007年底完成全部试验；日本ISTEC也正在对1OkWh，4o0kw等级飞轮系统中的SMB进行组装实验，同时加工设计100kWh等级的飞轮定子；德国ATZ公司则从2005年开始对5kwh250kw等级的飞轮进行研究。31美国波音公司研究进展波音公司从1999年开始与阿贡实验室合作研制5kWh100kW等级的HTSFESS，另外还包括AshmanTechnologies、

13、PraxairCorporation、BallardPowerSystems、TorayComposites和SouthernCaliforniaEdison等五家直接参与的公司刚。整个项目分成四期完成，原定于2006年完成最终测试，但由于资金和技术难题，整个项目推迟到了2007年底。目前已经完成了5kWh100kW等级的HTSFESS整机实验，测试速度达到了15000rmin，将在2007年完成整个飞轮储能系统的最终用户测试。目前完成了10kWh等级飞轮系统的转子设计和制作，其测试速度将达到22500rmin。在此期间，该小组2002年也提出了面向UPS应用的储能等级为35kWh50kW的飞

14、轮方案，预算经费1580万美元，其中49来源于美国能源部，51私人投资。目前看来，最先将HTSFESS商业应用的国家应该是美国，且其面向的最初对象是UPS用户。图6为波音公司飞轮系统的结构图。该系统利用永磁轴承(PMB)承载，利用轴向SMB提供稳图6美国波音公司5kWh100kW等级UPS飞轮系统定。GM制冷机提供低温环境。SMB定子由正六边形的YBCO块材拼接而成的空心圆盘，其直径约220mm；转子由3个半径不同的同心永磁环组成，为聚集磁场，环与环之间为铁环2刚。在轴向间距为32mm时，SMB轴向刚度为144Nmm，径向刚度为69Nmm，近似满足2：1的关系。实验证实永磁轴承和电机产生的负刚

15、度均小于上述值，在临界转速之外，SMB完全可以稳定飞轮转子【4。波音公司飞轮主要设计参数如表3所示。32日本ISTEC研究进展日本非常重视HTSFESS的研发，主要有三家研究单位，Chubu电力公司引、中央铁路公司】和ISTEC都在开展10kWh等级及以上的飞轮储能系统的样机研制。其中ISTEC最具有代表性，已在进行10kWh400kW等级飞轮样机组装试验，并且开始设计储能100kWh等级的飞轮样机。ISTEC对HTSFESS的研究可追溯到1995年，当时主要受日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)的资助，至今已经有长达12年的研究历史，经历了两个阶段的发展后，目前已处于第三阶段。

16、0;  日本ISTEC的HTSFESS采用SMB承载，AMB提供稳定，整个结构如图7所示。块材采用液氮循环冷却，电动发电机采用内嵌式永磁电机。径向SMB的定子由一系列瓦片形的YBCO块材拼接而成，定子单元外径1232mm，内径932mm，高度60mm。转子与波音公司的结构相同，不同之处在于永磁体环沿轴向充磁，转子单元外径160mm，内径126mm，高度60mm。SMB最终由5组单元重叠构成，高度为300mm，定子和转子间只有04mm的悬浮间隙，如此小的间隙是用AMB进行控制和保证的。为降低旋转损失，这种径向SMB对块材和磁体的均匀性、加工精度具有很高的要求。最初的方案中为保障系统具有

17、足够的稳定性，引入了AMB，导致系统的控制单元比较复杂。ISTEC下一步的方案全部采用SMB，真正体现HTSFESS自稳定，无需控制的优点。ISTEC飞轮主要设计参数见表3所示。图7日本ISTEC10kWh400kW等级飞轮系统3德国ATZ研究进展德国对HTSFESS的研究几乎与美国和日本同步“，近几年研究进展显著。ATZ公司在前期对SMB研究的基础上，2005年与MagnetMotor公司合作提出了5kWh250kW等级的HTSFESS设计方案。另外，不伦瑞克工业大学与Nexans超导公司提出了10kWh2MW等级的HTSFESS设计方案。2002"2005年期间，德国政府资助AT

18、Z有限公司140万美元用于SMB研究。他们制作的径向SMB总重量55kg，其中YBCO重5kg，轴承直径205mm，高度120mm，定子和转子之间间距15mm。SMB定子用方形的多籽晶熔融织构YBCO块材拼接成环，再经打磨加工而成，外径230mm、内径205mm、高度120mm。转子结构与日本ISTEC相似，外径200mm、内径150mm、高度120mm。实验测试结果表明，在轴向位移33mm，温度722K时，轴承的轴向最大承载重量高达1000kg，径向承载重量高达470kg。轴向刚度45kNmm，径向刚度18kNmm。该SMB用5kg的块材悬浮起了1000kg的重量，意味着目前YBCO块材的悬

19、浮性能达到1：200。上述数据打破了以往对SMB承载能力与刚度低的一贯看法，进一步增加了研发SMB的信心，对SMB的发展具有里程碑式的意义。2005年该公司又提出了5kWh250kW等级的HTSFESS的设计方案(如图8所示)，最终的目标是用两套5kWh的子飞轮模块构成一套lOkWh的FESS。图8德国ATZ5kWh250kW等级飞轮系统德国ATZ的HTSFESS同时利用径向和轴向的SMB承受轴向载荷，辅助以径向的PMB提供径向稳定。采用永磁同步电机驱动，电机与轴承实现了集成。利用GM制冷机提供低温环境。整个结构非常紧凑，系统体积小。基于提高系统动态稳定性的考虑，设计了一个涡流阻尼器，即在两个

20、旋转的永磁环之间安装一块铝片，阻止飞轮转子的偏心运动。ATZ应用瞄准的是UPS和电力品质调节领域。ATZ公司飞轮主要设计参数见表3。表3美、B、德HTSFESS设计参数注：“”表明具体情况未见报道。表3综合比较了美国、日本和德国HTSFESS样机设计参数，可以看出目前国际上的技术发展水平特征是：(1)储能10kWh等级。(2)旋转速度均高于10000fmin。(3)采用碳素纤维复合材料制作飞轮转子。(4)内嵌入式永磁电机。(5)采用以径向的SMB为主，另外辅助PMB或者AMB的轴承结构。(6)真空度01Pa以下。(7)主要面向UPS和电力品质调节。34国内研究进展相比国外研究小组，国内对HTS

21、FESS研究起步较晚，尚处于理论研究和概念设计阶段。们，与发达国家差距较大。其中中科院电工所制作了一台混合SMB样机，转轴采用轴向型SMB、永磁轴承和电磁悬浮轴承共同支撑悬浮，最高转速达到了9600rmin；其中SMB定子由七块直径30mm、高度13mm的YBCO超导块材拼成，而对应转子由一直径75mm的永磁圆环和直径20mm的永磁圆柱体组成。上述样机中选用的SMB结构简单、制作容易，广泛用于其他小组的基础研究中。西南交通大学超导技术研究所从20世纪9O年代初期开始，就一直致力于高温超导磁悬浮技术的应用基础研究，2000年研制成功了世界首辆载人的高温超导磁悬浮实验车3引，“开拓了在磁悬浮技术上

22、实现创新跨越发展的可能性，为高温超导磁悬浮技术在交通及其他领域的应用奠定了基础”391。同时研制出系列高温超导磁悬浮测试系统，特别是新研制出的高温超导磁悬浮动态测试系统将实验研究运动速度在0300kmh以内的高温超导磁悬浮特性，这将为SMB的设计和研制提供必需的实验数据。在这些已有的高温超导磁悬浮理论和实验研究的基础上，正在制作一台全高温超导磁悬浮轴承形式的飞轮储能系统原理演示样机。35HTSFESS应用亟待解决的关键技术从现有的HTSFESS的研究现状可以看出，目前SMB的性能还不能满足大容量FESS的需求，主要是存在以下技术问题：(1)承载能力和刚度。与机械轴承、PMB及AMB相比，SMB

23、承载能力和刚度相对较低。提高高温超导材料的性能、优化块材的充磁磁场和永磁转子的外磁场都是有效提高块材的承载能力和刚度的方法。(2)旋转损失。SMB的旋转损失主要包括三部分，即永磁转子的不均匀性导致块材的磁滞损失、定子上的涡流损失(如不锈钢杜瓦)、块材捕获磁通不均匀导致的转子中聚磁铁环的涡流损失。造成不均匀性的原因有二：一是无论块材之间还是永磁体之间都存在材料性能的差异，二是材料拼接处缝隙的存在。解决的办法主要有两种：一是使用整块永磁体和块材构成转子与定子(难度较大，近期难以实现)，二是利用特殊的焊接技术实现永磁体(或块材)之间的互连。(3)悬浮力降低转子下降。高温超导磁悬浮的力磁滞(与运动过程

24、有关且随运动过程逐渐减小)和力弛豫(与悬浮时间有关且随时问近似成对数衰减并最终趋于稳定)行为导致块材提供的悬浮力变化，进而影响到转子的平衡位置，出现转子下降的现象。前文指出的过冷和预载两种方法均有助于抑制转子的下降，但仍需大量深入的研究。(4)动态稳定性。主要指SMB高速旋转时的自身稳定性(特别是共振频率处)和外界干扰下的稳定性(抗干扰能力)。动态稳定性与系统的动态刚度和阻尼系数有关。问题(1)和(3)中的改进方法均可以提高系统的刚度和阻尼系数，另外还可以引入涡流阻尼器，进一步增加系统的阻尼系数，增加其抗干扰的能力。对于HTSFESS而言，除了上述SMB的涉及高温超导磁悬浮的四个问题以外，还需

25、要考虑以下两个问题：(1)飞轮转子的机械强度。飞轮高速旋转起来之后，转子受到的切向应力显著大于径向应力，而飞轮转子常采用的高强度比碳素纤维复合材料具有典型的各向异性，为了充分发挥其纤维方向强度高的特点，同时避免其垂直纤维方向强度低的局限性，还需对飞轮转子的最佳结构和缠绕技术进行研究。(2)飞轮系统的整体效率。HTSFESS的整体效率取决于SMB的效率，电动，发电机的效率，电力电子器件的效率。例如要使HTSFESS的总体效率达到90，则上述三部分的平均效率应不低于965。这对现有的电机技术、电力电子技术已经是个不低的要求了。4HTSFESS的应用基于HTSFESS具有的突出优势，在军民两个领域都

26、有巨大的开发前景。41军事应用(1)军事卫星的供能和姿态控制。面向太阳时，将太阳能电池的能量以飞轮动能形成储存起来，背对太阳时将自身的机械能以电能的形式供给负载。同时可以利用飞轮的高速旋转来控制卫星的姿态。太空的低温环境大大简化了SMB的低温部分，提高了HTSFESS系统的可靠性，因此特别适合于太空应用。(2)军用高品质电源。战车驱动、通信、武器、防御系统都需要响应快，高可靠性的电源，飞轮储能系统可以达到要求。(3)电磁发射武器的高功率脉冲电源。目前可以采用几个子飞轮模块作为一个完整的飞轮电源，不仅占用空间小，而且响应时间快、放电效率高-。因此科学家断言，哪个国家先掌握了高温超导磁悬浮技术，就

27、相当于掌握了未来战争的主动权。42民事应用(1)电网调峰。电网负荷位于低谷时储存电能，高峰时释放电能。比如对于大城市，可在晚上将电能储存起来，白天释放，缓解电网的供电压力。(2)不间断电源(UPS)。HTSFESS具有大储能量、高储能密度、充电快捷、充放电次数万次以上等优点，在UPS领域有良好的应用前景。(3)电动汽车电池。飞轮电池具有储能容量大、清洁环保、高效、充放电快速和寿命长等特点成为未来电动汽车电池的一个重要的发展方向。(4)混合动力汽车。汽车加速时飞轮提供附加能量，刹车时发动机给飞轮补充能量，汽车始终以恒定的功率工作，这样无疑将改善发动机的工作环境，延长发动机的寿命。(5)铁路客车或

28、者地铁电力系统。西门子公司在德国科隆的一条轻轨上的实验表明FESS可以吸收大约30的刹车能量。(6)航空航天。应用到飞行器、国际空间站、卫星等上不仅简化了卫星储能装置而且延长了卫星使用寿命引。表4给出了上述不同应用领域飞轮设计指标。HTSFESS作为一种新型的储能方式，尚处于技术攻关阶段。尽管受当前的高温超导体材料性能限制，SMB的性能还暂时不能满足大容量FESS的要求，但是随着高温超导体材料性能的不断提升，FESS的发展趋势必将是全SMB形式的FESS。其展现出来的控制简单、高储能密度、高效率、快响应、长寿命、低维护、绿色环保等优点是其他任何储能方式都无法比拟的，尽管一次性购置成本相对较高，

29、但是后期运行维护成本非常低，是未来储能方式的一个重要发展方向。开展HTSFESS研究不仅可以提高我国的国防实力，还可以应用到能源、交通、通信和宇航等民用领域中，提高现有设备的性能。转自电工技术学报文章收稿于2007年，下面是一些最新资料。我国飞轮储能技术“十二五”有望实现量产由英利集团投资研究的飞轮储能技术，目前已经取得了阶段性成果，并且有望在十二五期间实现量产。2011年1月，英利自主研发出1kWh储能飞轮样机。同年9月，国内首台20kWh磁悬浮飞轮储能样机也在英利下线。此后，由英利投资的北京奇峰聚能科技有限公司经过国家科技部审批，在国家高技术研究发展计划（863）高性能物理储能项目中承担了磁悬浮储能飞轮技术研究课题研究工作。“飞轮磁悬浮储能装备是英利集团驾驭新能源产业发展，培育新的经济增长点、提升整体竞争力的战略选择。”北京奇峰聚能科技有限公司总经理蒋涛表示，英利集团在“十二五”期间将重点投入大容量储能飞轮研发，争取实现大储能装置的规模化生产。飞轮磁悬浮储能是一种先进的物理储