01前言

人類對飛輪的認(rèn)識可以追溯到2000多年前，當(dāng)時陶工所用的轉(zhuǎn)輪被認(rèn)為是飛輪最早的應(yīng)用。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，飛輪儲能受到了廣泛的重視，并得到了快速發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了很多高性能的產(chǎn)品。美國、日本、法國、英國、德國、荷蘭、俄羅斯、西班牙、韓國、中國、印度、瑞士、加拿大和意大利等國都在進(jìn)行研究和開發(fā)工作，并已經(jīng)開始應(yīng)用于電力系統(tǒng)、備用電源、交通工具、航天航空、軍工等領(lǐng)域。

飛輪蓄電系統(tǒng)可與太陽光和風(fēng)力等的不穩(wěn)定的發(fā)電系統(tǒng)組合，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定化及作為電氣鐵路的再生制動失效時的有效應(yīng)對措施。本文介紹的超導(dǎo)飛輪蓄電儲能系統(tǒng)由日本鐵道綜合技術(shù)研究所設(shè)計，是由高溫超導(dǎo)線圈和高溫超導(dǎo)塊體構(gòu)成的“超導(dǎo)磁軸承”使飛輪非接觸浮起，因此即使使用大型飛輪，損失也很少，是可以長期穩(wěn)定運(yùn)用的實(shí)效性高的系統(tǒng)。通過采用碳纖維復(fù)合材料（CFRP）飛輪轉(zhuǎn)子和超導(dǎo)軸承， 實(shí)現(xiàn)了大容量且維護(hù)性出色的蓄電系統(tǒng)的目標(biāo)。

02飛輪蓄電儲能系統(tǒng)

飛輪儲能系統(tǒng)又稱飛輪電池，其基本結(jié)構(gòu)由飛輪轉(zhuǎn)子、軸承、電動機(jī)/發(fā)電機(jī)、電力電子控制裝置、真空室等五個部分組成。其中飛輪轉(zhuǎn)子作為飛輪電池的關(guān)鍵部件，一般選用強(qiáng)度高密度相對較小的材料制作而成，根據(jù)外形不同可分為圓輪、圓盤或圓柱剛體等類型；軸承是飛輪裝置的軸系支承部件，由于磁懸浮支承軸承和組合式軸承可以降低摩擦損耗，提高系統(tǒng)效率而成為了支承技術(shù)的研究熱點(diǎn)，尤其是組合式軸承結(jié)合了機(jī)械軸承和磁懸浮軸承的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)引起了飛輪儲能系統(tǒng)研究和開發(fā)者的廣泛關(guān)注；電機(jī)作為一個集成部件，具有電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的功能，可以在電動和發(fā)電兩種模式下自由切換，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能的相互轉(zhuǎn)換；電力電子控制裝置主要是對輸入或輸出的電能進(jìn)行變換控制，通過對電力電子控制裝置的操作可以實(shí)現(xiàn)對飛輪電機(jī)各種工作要求的控制；真空室主要作用是為飛輪提供真空環(huán)境以降低風(fēng)阻損耗并在飛輪高速旋轉(zhuǎn)破裂時保護(hù)周圍人員和設(shè)備。

03鐵路系統(tǒng)用超導(dǎo)飛輪蓄電系統(tǒng)

軌道電車剎車時產(chǎn)生的再生電能，通過架線供給其他車輛使用。但是，在同一變電所區(qū)間在沒有其他可利用列車的情況下，需要將該能源儲存在地上設(shè)置的蓄電池中，以備需要時進(jìn)行有效利用。

飛輪儲能系統(tǒng)是將能量以高速旋轉(zhuǎn)飛輪的轉(zhuǎn)動動能的形式來存儲起來的裝置。它有三種模式：充電模式、放電模式、保持模式。充電模式即飛輪轉(zhuǎn)子從外界吸收能量,使飛輪轉(zhuǎn)速升高將能量以動能的形式存儲起來，充電過程飛輪做加速運(yùn)動，直到達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速；放電模式即飛輪轉(zhuǎn)子將動能傳遞給發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)將動能轉(zhuǎn)化為電能,再經(jīng)過電力控制裝置輸出適合于用電設(shè)備的電流和電壓，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化，此時飛輪將做減速運(yùn)動，飛輪轉(zhuǎn)速將不斷降低，直到達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速；保持模式即當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定值時既不再吸收能量也不向外輸出能量，如果忽略自身的能量損耗其能量保持不變。由此，整個飛輪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了能量的輸入、輸出以及存儲。

通過該系統(tǒng)每年可節(jié)能146MWh。而且，即使通過反復(fù)充放電，其性能也不會劣化，因?yàn)槭遣缓泻ξ镔|(zhì)的結(jié)構(gòu)，所以對環(huán)境友好的特征。此外，由于本系統(tǒng)中承受飛輪轉(zhuǎn)子負(fù)荷的軸承采用超導(dǎo)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了非接觸，降低了維護(hù)成本和能量的損失。該超導(dǎo)飛輪蓄電系統(tǒng)在鐵路上的應(yīng)用是尚屬世界首次。

在本系統(tǒng)中，將再生電力能量作為動能儲存在下行坡度行駛的列車中，再向上坡行駛的列車釋放能量。另外，根據(jù)本系統(tǒng)的能量，為了輔助上坡行駛，可以削減從變電站輸電的電力。

圖3 用于軌道交通的CFRP飛輪蓄電儲能系統(tǒng)

04本系統(tǒng)的特點(diǎn)

對于飛輪蓄電儲能系統(tǒng)來說，“更大”“更重”的飛輪“以更快的速度旋轉(zhuǎn)”，可以儲存更大的能量。在本次開發(fā)的“超導(dǎo)CFRP飛輪蓄電系統(tǒng)”中，特別是通過以下技術(shù)的開發(fā)，使得大直徑、重量大的飛輪以高速且低損耗旋轉(zhuǎn)。

以往提出的碳纖維復(fù)合材料（CFRP）飛輪，在兼顧高強(qiáng)度的制造方法和成本兩因素的基礎(chǔ)上，直徑1m左右已經(jīng)是極限，在本項(xiàng)目中，通過在創(chuàng)新碳纖維的編織方法，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度、高可靠性，成功實(shí)現(xiàn)了直徑2m的大直徑化。此外，本飛輪是由CFRP轉(zhuǎn)子（外徑2m、內(nèi)徑1.4m、厚度10cm）9枚層疊而成的，根據(jù)層疊張數(shù)可以制作各種蓄電容量的飛輪。

本系統(tǒng)的超導(dǎo)磁軸承，使用了包含釔的第2代高溫超導(dǎo)線材的高強(qiáng)度的高溫超導(dǎo)磁鐵，旋轉(zhuǎn)軸側(cè)使用高溫超導(dǎo)巴爾克體。將該軸承冷卻到50K（-223℃）以下，產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場，成功實(shí)現(xiàn)了非接觸支撐約4噸的飛輪。這允許飛輪以高速和低損耗旋轉(zhuǎn)。另外，與冷卻到以往的20K（-253℃）的高溫超導(dǎo)線圈相比，可以在大幅提高的溫度50K（-223℃）下運(yùn)行，降低了冷卻成本。

05實(shí)地試驗(yàn)

為了充分利用上下坡行駛的列車所產(chǎn)生的能量，將本系統(tǒng)設(shè)置在與中央本線穴山站相鄰的穴山變電站。從2022年6月開始，針對在穴山站附近行駛的列車實(shí)施行駛時的充放電，以將來的規(guī)模化應(yīng)用為目標(biāo)，驗(yàn)證充放電特性和系統(tǒng)的有效性。

圖6 試驗(yàn)行駛路線起伏

此次完成的系統(tǒng)，通過直徑2m重約4噸的CFRP飛輪以最高轉(zhuǎn)速6000pm轉(zhuǎn)動，成功實(shí)現(xiàn)輸出300kW，蓄電容量100kWh的世界最大級別的飛輪蓄電儲能系統(tǒng)。

07參考文獻(xiàn)