飞轮储能系统能量损失研究现状分析

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10 杨立平等：飞轮储能系统能量损失研究现状分析 第 5期环等辅助系统的能量损失，根据飞轮储能系统各组成部分的功能，将飞轮储能系统能量损失分为飞轮运行系统能量损失和辅助系统能量损失，如图2所示。

图2飞轮储能系统能量损失结构Fig.2 Slrueture of Energy lass of the Flywheel Energy Storage System由于执行元件较多，按学科将飞轮运行系统再分为机械损失和电磁损失，电磁损失子单元包括磁轴承、电机、电力变换器的损失，它们都与电磁利用率有关，电能损失或磁消耗主要以热量形式散发出去。机械损失子单元包括机械保护轴承损失和飞轮风损，角接触轴承、陶瓷轴承等机械保护轴承会与被支撑件产生摩擦，飞轮高速旋转过程中还会与周围介质产生摩擦[31，因此 ，将这部分摩擦损失的能量归类为机械损失。辅助系统能量损失主要有真空保持系统，冷却系统的能量损失，它们都被用于辅助和保证电机 、轴承、电力变换器等运行单元正常工作。

3飞轮运行系统机械损失研究现状3.1储能飞轮风阻损失高速旋转的储能 轮与真空室内的稀薄气体因摩擦而产生的能量损失即风阻损失，简称风损 。国内某大学对飞轮风损做了深入研究，将储能飞轮风损分为飞轮转子外壁的摩擦损失和端面与气体的摩擦损失 ，飞轮转子外壁的摩擦损失功率P 为：p - 2叮TR 尺 (cJ(16/R ) r1、6(1-I2R )j I2AKn( r 丽1 )J式中： -气体的内摩擦因数，txA 。； -气体的外摩擦因数 ；Kn-克努森数，等于A ；A-平均值自由程，单位In ； -真空壳体内半径与转子外半径 之差 ；A-滑动系数；nr-转子转动角速度； -转子高度。储能飞轮端面与气体的摩擦损失功率 P2为：4 2 f 1 1 ]"r/2R t-w i i )式中：6.-转子上表面与真空壳体上内壁间距离；6厂转子下表面与真空壳体下内壁间距离；Kn， -转子下端面克努森数，等长春某研究所对风损与真空度及飞轮转子转速间关系进行了实验研究，发现飞轮转子的风阻损失随着转速的升高而逐渐变大，认为由于要达到高真空度并将其保持下去需要很高的技术成本，飞轮需要的真空环境不是真空度越高越好，达到-个合适的真空度就可以了16t。笔者认为，真空度可根据制造成本、技术难易程度 、能量损失的大小择优而定。沈阳某大学进行了电机空气摩擦损失研究，认为该损失与电机转速、气隙结构及转子表面粗糙度等多种凶素有关 。

基于上述研究可知，影响飞轮风损的主要因素在于转子的转速和真空壳体内的真空度，其次转子与侧壁间距离 ，转子上、下表面与真空壳体上 ，、 下内壁间距离、及转子表面粗糙度也都会影响风损的大校3.2机械轴承摩擦损失飞轮储能系统利用高转速飞轮的动能存储能量，在需要时将其转换为电能、高转速飞轮在磁轴承出现故障或磁轴承未启动阶段需要有机械保护轴承支撑，某些系统则利用机械轴承和磁轴承联合支撑飞轮旋转，当机械轴承工作时，其能量损失主要是摩擦损失。论述常用的角接触球轴承和陶瓷轴承的摩擦损失研究现状。

3.2.1角接触球轴承摩擦损失飞轮储能系统的机械保护轴承要选用既能承受径向力，又能承受轴向力，而且在能承受高转速的同时摩擦阻力小，基于以上条件，角接触球轴承便成为优先选择的机械轴承了[81，如图 3所示。此类轴承的能量损失同内外有少量文献进行了分析论述，土耳其加济大学研究者分析了滚动体和保持架内部摩擦及振动力学模型 。国外某大学的学者考虑润滑参数，液体阻尼建立了准动态模型，结合模拟与实验分析，得出最主要的轴承能量损失是内外环问不匹配所导致能量损失的结论 浙江大学研究者进行了详细的能量损失及摩擦力矩特性分析，指出主要影响角接触球轴承摩擦力矩的因素包括滚动体与滚道之间弹性滞后 、滚动体 与滚道之间差动滑动、滚动体与保持架之间的摩擦等，认为单个滚动体与滚道接触处的能量损失及滚动体与滚道之间差动滑动摩擦所肖耗能量，主要与滚动体的自旋分量和滚动体与滚道问的自旋摩擦因数有 J。此分析对角接触球轴承在飞轮储能转子支撑中的应用设计具有直接指导意义。

3.2.2陶瓷轴承摩擦损失陶瓷轴承具有高转速、耐高温、耐磨 、耐腐蚀、抗磁电绝缘、无油自润滑等优点，如图4所示∩用于很多恶劣环境和特殊]-况，储能飞轮需高速长期旋转，因此，经常采用陶瓷轴承作为支撑轴承。长春光学精密机械与物理研究所对应用于卫星姿控飞轮的高速精密陶瓷球轴承温升及损失进行了实验研究，给出了相同型号的钢制球轴承与陶瓷球轴承的摩擦功耗对比曲线 ，得出随着转速的升高，陶瓷球轴承的摩擦功耗会更加明显地小于刚制球轴承的结论，并认为其原因在于陶瓷球轴承的材料密度比钢要孝而且陶瓷球的离心力及轴承的自旋滑动摩擦也相对较/]sl 1。陶瓷轴承损失研究主要处于实验阶段，其理论模型的建立还需大量的研究工作。

4飞轮运行系统电磁损失研究现状对于磁悬浮飞轮储能系统，电磁损失是磁悬浮转子产生温升的主要原因 这部分的相关研究也最为广泛和深人。

4.1磁轴承的能量损失飞轮的磁轴承支撑方式主要有电磁悬浮轴承、永磁悬浮轴承、超导磁悬浮轴承三种类型。其中，同内外学者对电磁轴承和超导磁轴承能量损失的研究较多。

5飞轮辅助系统能量损失研究现状5.1真空保持系统的能量损失长时间真空保持技术-直是难以突破的-项飞轮储能系统关键技术，真空保持系统能量需求量与真空舱室内密封性能有直接关系，对于-般真空保持系统，要求配置前级泵(-般为机械泵)，次级泵(分子泵)，方能保证真空室内部达到 102Pa以下的低真空状态。为了在较短的时间内达到超高的真空度，-些系统还使用钛升华泵或者离子泵、锆泵作为辅助抽气的真空泵♀决真空室的高度密封及室内各部件的放气问题，达到长时问的高真空保持是比较有难度的研究。目前很多真空保持系统是-次抽真空达到需求真空度后，通过真空泵与壳体高度密封结构配合实现真空保持，因此，真空系统能量损失主要是系统运行前期抽真空所需的电能。

5-2冷却系统的能量损失飞轮储能系统-般还有维持冷却轴承、电机及真空室的水冷系统。其中电机冷却系统所带走的能量功率为： (1 -1) (5)式中： -电机额定功率 (kW)；"-电机效率；K-冷却水带走热量的热交换系数。则飞轮储能系统中水冷系统消耗的功率应表示为： 1 1-1)l/K (6)，式巾： -风损功率； -轴承损失功率。

从公式(6)可知，冷却系统能量损失决定于风损功率，轴承损失功膏墨和电机损失功率，也与系统热交换系数直接相关 ，在冷却系统设计时，若想尽量少地消耗冷却系统电机的功率，应重点考虑如何提高热交换系数。

6结束语飞轮储能系统所涉及学科较多，存在较多的前沿性关键技术，如涉及飞轮材料、结构、飞轮强度多方面的飞轮设计技术，磁悬浮轴承支撑技术，高效大功率的电动/发电-体机技术等，其技术前沿性和多学科交叉特性，使飞轮储能系统能量损失研究的很多部分还不能形成具体的理论公式，许多学者针对具体研究问题进行了大量的实验研究，得出了有说服力的分析结论 ，这些理论分析与实验研究主要集中在对电机能量损失和电磁悬浮轴承能量损失理论方面，而在机械轴承，风阻损失，电力变换器能量损失及冷却、真空系统等能量损失的研究还有待深入进行。笔者认为，除了基于实验进行能量损失分析外，还应进行具体指标下飞轮储能系统各组成单元能量损失模型研究，以便于深入开展基于模型的性能分析与优化设计研究。