应用·碳纤维在飞轮储能领域的应用
本文摘要：（由ai生成）
飞轮储能技术通过电动机带动飞轮高速旋转储存电能，实现新能源发电的平滑输出。该技术具有高效、无污染、寿命长等优势，通过碳纤维材料和超导磁悬浮技术减少能耗，净效率可达95%左右，解决了新能源发电的随机性和稳定性问题，有望成为绿色储能装置的重要选择。
传统能源的日益匮乏和环境日趋恶化，极大地促进了新能源的发展，新能源发电的规模也快速攀升。但风电、太阳能发电自身所固有的随机性、间歇性特色，必须要有先进的储能技术作支撑。目前主要靠化学电池，但受到化学蓄电池寿命及效率的制约，至今尚不能广泛应用。以上诸多问题，促使人们寻求一种效率高、寿命长、储能多、使用方便，而且无污染的绿色储能装置。出乎意料，古老的“飞轮”变成了首选对象。
“飞轮”这一储能元件，已被人们利用了数千年，从古老的纺车，到工业革命时的蒸汽机，以往主要是利用它的惯性来均衡转速和闯过“死点”，由于它们的工作周期都很短，每旋转一周时间不足一秒钟，在这样短的时间内，飞轮的能耗是可以忽略的。
现在想利用飞轮来均衡周期长达12～24小时的能量，飞轮本身的能耗就变得非常突出了。能耗主要来自轴承摩擦和空气阻力。人们曾通过改变轴承结构，如变滑动轴承为滚动轴承、液体动压轴承、气体动压轴承等来减小轴承摩擦力，通过抽真空的办法来减小空气阻力，轴承摩擦系数已小到10-3。即使如此微小，飞轮所储的能量在一天之内仍有25％被损失，仍不能满足高效储能的要求。再一个问题是常规的飞轮是由钢（或铸铁）制成的，储能有限。例如，欲使一个发电力为100万千瓦的电厂均衡发电，储能轮需用钢材150万吨！另外要完成电能机械能的转换，还需要一套复杂的电力电子装置，因而飞轮储能方法一直未能得到广泛的应用。
飞轮储能技术在很大程度上解决了新能源发电的随机性、稳定性问题，可以实现新能源发电的平滑输出，能有效调节新能源发电引起的电网电压、频率及相位的变革，使大规模风电及太阳能发电方便可靠地并入通例电网。
飞轮储能装置结构图
飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化成动能储存起来，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。飞轮储能系统主要由转子系统、轴承系统和转换能量系统三个部分构成，另外还有一些支持系统， 如真空、深冷、外壳和控制系统。
飞轮储能装置中有一个内置电机，它既是电动机也是发电机。在充电时，它作为电动机给飞轮加速；当放电时，它又作为发电机给外设供电，此时飞轮的转速不断下降；而当飞轮空闲运转时，整个装置则以最小损耗运行。这种储能方式对电网调频和电能质量保障有重要的意义。
近年来，飞轮储能技术取得突破性进展是基于下述3项技术的飞速发展：一是高能永磁及高温超导技术的出现；二是碳纤维复合材料的问世；三是电力电子技术的飞速发展。为进一步减少轴承损耗，人们曾梦想去掉轴承，用磁铁将转子悬浮起来，但试验结果是一次次失败。后来被一位英国学者从理论上阐明物体不可能被永磁全悬浮（Earnshaw定理），颇使试验者心灰意冷。出乎意料的是物体全悬浮之梦却在超导技术中得以实现，真像是大自然对探索者的慰藉。
当我们将一块永磁体的一个极对准超导体，并接近超导体时，超导体上便产生了感应电流。该电流产生的磁场刚好与永磁的磁场相反，于是二者便产生了斥力。由于超导体的电阻为零，感生电流强度将维持不变。若永磁体沿垂直方向接近超导体，永磁体将悬空停在自身重量等于斥力的位置上，而且对上下左右的干扰都产生抗力，干扰力消除后仍能回到原来位置，从而形成稳定的磁悬浮。若将下面的超导体换成永磁体，则两永磁体之间在水平方向也产生斥力，故永磁悬浮是不稳定的。利用超导这一特性，我们可以把具有一定质量的飞轮放在永磁体上边，飞轮兼作电机转子。当给电机充电时，飞轮增速储能，变电能为机械能；飞轮降速时放能，变机械能为电能。
由于在实际工作中，飞轮的转速可达40000～500000r/min，一般金属制成的飞轮无法承受这样高的转速，所以飞轮一般都采用碳纤维制成，既轻又强，进一步减少了整个系统的重量，同时，为了减少充放电过程中的能量损耗（主要是摩擦力损耗），电机和飞轮都使用磁轴承，使其悬浮，以减少机械摩擦；同时将飞轮和电机放置在真空容器中，以减少空气摩擦。这样飞轮电池的净效率（输入输出）可以达到95%左右。
储能电池在生产或是回收过程中通常会存在严重的环境污染问题，就目前的使用情况来说，储能电池必将对人类的生存环境造成极大的伤害。相对于目前市场上的各类储能电池来说，飞轮储能无任何污染（包括电磁污染），它只是将电能转换为高转速的碳纤维飞轮，该机械能在需要的时候，通过发电机转换为需要的电能，不需要时飞轮仍做高速运转，因此，在使用和维护过程中，也不会产生任何化学材料垃圾。
一般的储能电池充放电次数有限，与之相比，飞轮储能具有无可比拟的优势，它可以无数次充放电，使用寿命十分长。除非轮子破坏了无法使用，否则它将一直不停的运转下去，就算机器有损耗，损耗的也只是部分配件，维护成本十分有限。
众所周知，当飞轮以一定角速度旋转时，它就具有一定的动能。飞轮电池正是以其动能转换成电能的。高技术型的飞轮用于储存电能，就很像标准电池。飞轮电池中有一个电机，充电时该电机以电动机形式运转；放电时，电机则以发电机状态运转，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能（动能）到电能的转换。当飞轮电池输出电的时，飞轮转速逐渐下降，飞轮电他的飞轮是在真空环境下运转的，转速极高（高达200000r/min），使用的轴承为非接触式磁轴承。据称，飞轮电池比能量可达150W·h／kg，比功率达5000-10000W／kg，使用寿命长达25年，可供电动汽车行驶500万公里。
飞轮储能技术是一种新兴的电能存储技术，它与超导储能技术、燃料电池技术等一样，都是近年来出现的有很大发展前景的储能技术。虽然目前化学电池储能技术已经发展得非常成熟，但是，化学电池储能技术存在着诸如充放电次数的限制、对环境的污染严重以及对工作温度要求高等问题。这样就使新兴的储能技术越来越受到人们的重视。尤其是飞轮储能技术，已经开始越来越广泛地应用于国内外的许多行业中。
截至目前，飞轮储能做为新型绿色储能技术，在国外已有较大的发展，特别是在美国，已大量使用于风电行业，它可以解决由风电转速不稳定带来的电压不稳定、送电质量差等问题，通过储能飞轮，能将不稳定的风电转换为正常的标准电，从而从根本上解决风电的问题。
1994年，美国阿贡（ANL）国家实验室用碳纤维试制一个储能飞轮：直径38厘米，质量为 11千克，采用超导磁悬浮，飞轮线速度达1000米／秒。它储的能量可将10个100瓦灯泡点燃2～5小时。该实验室目前正在开发储能为50千瓦小时的储能轮，最终目标是使其储能达5000千瓦小时的储能飞轮。一个发电功率为100万千瓦的电厂，约需这样的储能轮200个。
飞轮储能技术在美国发展得很成熟，他们根据飞轮的运行特性制造出一种装置，使之在空转时能量每小时损耗仅为0.1 %。美国马里兰大学研究出用于电力调峰的24kwh的电磁悬浮飞轮系统，其飞轮重172.8kg, 工作转速范围11610—46345rpm, 破坏转速为48784rpm, 系统输出恒压110-240V，全程效率为81%。投资前景非常可观，根据预算，对飞轮储能的投资只要3年的运行时间就可收回全部成本。
日本曾利用飞轮“比功率”高的特性设计了一个引发可控热核聚变的装置，如图2所示。该装置的飞轮直径达6.45米，高1米，重255吨。它所储存的能量与挂有150个车厢的列车以100千米／小时的速度行驶时所具有的能量相当。故将这些能量在极短时间释放出来足以引发核聚变。
德国STORNETIC公司的EnWheel飞轮产品采用碳纤维增强塑料制成，可使转子达到每分钟45,000转的速度。据该公司介绍，这是通过将摩擦损失降至最低来实现的。整个转子在非接触式轴承的真空中运行，飞轮可以快速提供有功和无功功率，这对平衡由传统负载或可再生能源引起的功率波动至关重要。也使得飞轮非常适合平衡风力或太阳能发电场产生的可变功率，提高电网电能质量，并稳定当地分布的电压水平。
我国对飞轮的研究始于1993年，在理论分析及模型试验方面也已取得不小的进展。以飞轮作储能装置，其可行性目前已无人怀疑。大规模的工业应用虽然还存在不少技术问题需要解决，但这只是时间问题。
2016年11月，中国石化中原石油工程公司与清华大学联合研制的我国首台MW级飞轮储能新型能源石油钻机在中原钻井三公司投用，填补了我国钻井行业绿色储能的一项空白。据测算，钻机月节约柴油40吨左右，节能效果30%以上，可减少二氧化碳等排污40%。
飞轮的储能机理是将电能转换为高达几万转的飞轮机械能，因为转速非常高，所以对材料强度要求也非常高，否则难以保证轮体的安全运转，但是目前还没有哪一种金属材料能在如此高的转速下运转而不产生撕裂现象的。在此情况下，高强度复合材料就能体现出成为比金属材料更加优越的性能。
碳纤维复合材料的密度仅为1.6g/cm3，强度却能达到2000MPa以上，相对于高性能钢，可减重60％以上，碳纤维复合材料能在很大程度地地减轻轮体重量，尤其是高强高模碳纤维材料可以在保证轮子具有高抗拉强度的同时，又可保持尺寸稳定及高抗形变，进而实现长期使用不变形。但碳纤维飞轮的制造与碳纤维复合材料的成型技术密切相关，只要对飞轮的结构进行适当优化，使现有的碳纤维复合材料生产能满足其技术需求，那么使用碳纤维复合材料必将成为飞轮储能应用发展最强劲的推动力之一。
碳纤维复合飞轮储能系统是利用碳纤维复合飞轮转子的高速旋转存储或释放能量 , 与传统的金属飞轮及蓄电池相比 , 具有储能密度高 、使用寿命长等一系列优点 。 在石油机械中可替代金属飞轮用作游梁式抽油机节能器中的能量存储部件， 也可用于卫星等航天器以及电动汽车中替代蓄电池用作能量存储装置。 在碳纤维复合飞轮储能系统中 , 最重要的储能部件是碳纤维复合飞轮转子 , 通常希望它能以尽可能小的质量来存储尽可能多的能量 , 即要有高的储能密度 , 以 满足现代航天器轻量化的需求 。因此如何实现飞轮转子储能密度的最大化 , 是碳纤维复合飞轮储能系统设计中的重要课题 。
飞轮转子的储能密度是旋转角速度和结构外形的函数 , 若旋转角速度固定 ,那么通过对飞轮转子几何外形的优化 , 将有可能达到飞轮转子储能密度的最大化 。早在2003年李松松等通过对飞轮转子外形和工艺参数进行优化，采用拉伸模量为455GPa碳纤维（略低于日本东丽M50J级高模碳纤维475GPa），并利用纤维铺设角和层间过盈等参数的遗传优化算法，设计出储能密度高达500Wh/kg飞轮（文献碳纤维复合飞轮转子储能密度的优化研究 ）。那500Wh/kg储能密度是什么概念？按《促进汽车动力电池产业发展行动方案》中提出，到2020年，新型锂离子动力电池单体比能量要超过300wh／Kg，到2025年，要实现新体系动力电池单体比能量达500 wh／Kg。
由于当时国内还缺少自主研发的国产M50J级高强高模碳纤维，后来在戴兴建等撰写综述文章中《复合材料储能飞轮结构强度技术研究进展》也指出，受高技术进口限制，拉伸模量超过400GPa的高模量纤维碳纤维在国内无法买到，所以他们采用455GPa碳纤维设计出的储能密度高达500Wh/kg的飞轮在国内无法实现。目前，宁波材料所已经实现吨级规模国产M50J级高强高模碳纤维稳定化生产，总算是解决了基础研究所需的原材料保障，飞轮储能会否成为国产高强高模碳纤维应用另一关注点？未来将拭目以待，同时也热诚希望能与飞轮储能研究领域相关单位开展联合攻关。
飞轮储能是90年代才提出的新概念技术，它突破了化学储电的局限，用物理方法实现储能。飞轮储能电池最初只是想将其应用在电动汽车上，但限于当时的技术水平，并没有得到发展。直到上世纪90年代由于电路拓扑思想的发展，碳纤维材料的广泛应用，以及全世界范围对污染的重视，这种新型电池又得到了高速发展，并且伴随着磁轴承技术的发展，这种电池显示出更加广阔的应用前景，现正迅速地从实验室走向社会。
来源：中科院宁波材料所特种纤维事业部
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