碳纤维复合材料（CFRP）的应用——飞轮蓄电系统篇

01前言

人类对飞轮的认识可以追溯到2000多年前，当时陶工所用的转轮被认为是飞轮最早的应用。进入20世纪90年代以后，飞轮储能受到了广泛的重视，并得到了快速发展，已经出现了很多高性能的产品。美国、日本、法国、英国、德国、荷兰、俄罗斯、西班牙、韩国、中国、印度、瑞士、加拿大和意大利等国都在进行研究和开发工作，并已经开始应用于电力系统、备用电源、交通工具、航天航空、军工等领域。

飞轮蓄电系统可与太阳光和风力等的不稳定的发电系统组合，实现电力系统的稳定化及作为电气铁路的再生制动失效时的有效应对措施。本文介绍的超导飞轮蓄电储能系统由日本铁道综合技术研究所设计，是由高温超导线圈和高温超导块体构成的“超导磁轴承”使飞轮非接触浮起，因此即使使用大型飞轮，损失也很少，是可以长期稳定运用的实效性高的系统。通过采用碳纤维复合材料（CFRP）飞轮转子和超导轴承， 实现了大容量且维护性出色的蓄电系统的目标。

02飞轮蓄电储能系统

飞轮储能系统又称飞轮电池，其基本结构由飞轮转子、轴承、电动机/发电机、电力电子控制装置、真空室等五个部分组成。其中飞轮转子作为飞轮电池的关键部件，一般选用强度高密度相对较小的材料制作而成，根据外形不同可分为圆轮、圆盘或圆柱刚体等类型；轴承是飞轮装置的轴系支承部件，由于磁悬浮支承轴承和组合式轴承可以降低摩擦损耗，提高系统效率而成为了支承技术的研究热点，尤其是组合式轴承结合了机械轴承和磁悬浮轴承的优点，已经引起了飞轮储能系统研究和开发者的广泛关注；电机作为一个集成部件，具有电动机和发电机的功能，可以在电动和发电两种模式下自由切换，以实现机械能和电能的相互转换；电力电子控制装置主要是对输入或输出的电能进行变换控制，通过对电力电子控制装置的操作可以实现对飞轮电机各种工作要求的控制；真空室主要作用是为飞轮提供真空环境以降低风阻损耗并在飞轮高速旋转破裂时保护周围人员和设备。

03铁路系统用超导飞轮蓄电系统

轨道电车刹车时产生的再生电能，通过架线供给其他车辆使用。但是，在同一变电所区间在没有其他可利用列车的情况下，需要将该能源储存在地上设置的蓄电池中，以备需要时进行有效利用。

飞轮储能系统是将能量以高速旋转飞轮的转动动能的形式来存储起来的装置。它有三种模式：充电模式、放电模式、保持模式。充电模式即飞轮转子从外界吸收能量,使飞轮转速升高将能量以动能的形式存储起来，充电过程飞轮做加速运动，直到达到设定的转速；放电模式即飞轮转子将动能传递给发电机，发电机将动能转化为电能,再经过电力控制装置输出适合于用电设备的电流和电压，实现机械能到电能的转化，此时飞轮将做减速运动，飞轮转速将不断降低，直到达到设定的转速；保持模式即当飞轮转速达到预定值时既不再吸收能量也不向外输出能量，如果忽略自身的能量损耗其能量保持不变。由此，整个飞轮系统实现了能量的输入、输出以及存储。

通过该系统每年可节能146MWh。而且，即使通过反复充放电，其性能也不会劣化，因为是不含有害物质的结构，所以对环境友好的特征。此外，由于本系统中承受飞轮转子负荷的轴承采用超导技术，实现了非接触，降低了维护成本和能量的损失。该超导飞轮蓄电系统在铁路上的应用是尚属世界首次。

在本系统中，将再生电力能量作为动能储存在下行坡度行驶的列车中，再向上坡行驶的列车释放能量。另外，根据本系统的能量，为了辅助上坡行驶，可以削减从变电站输电的电力。

图3 用于轨道交通的CFRP飞轮蓄电储能系统

04本系统的特点

对于飞轮蓄电储能系统来说，“更大”“更重”的飞轮“以更快的速度旋转”，可以储存更大的能量。在本次开发的“超导CFRP飞轮蓄电系统”中，特别是通过以下技术的开发，使得大直径、重量大的飞轮以高速且低损耗旋转。

以往提出的碳纤维复合材料（CFRP）飞轮，在兼顾高强度的制造方法和成本两因素的基础上，直径1m左右已经是极限，在本项目中，通过在创新碳纤维的编织方法，实现了高强度、高可靠性，成功实现了直径2m的大直径化。此外，本飞轮是由CFRP转子（外径2m、内径1.4m、厚度10cm）9枚层叠而成的，根据层叠张数可以制作各种蓄电容量的飞轮。

本系统的超导磁轴承，使用了包含钇的第2代高温超导线材的高强度的高温超导磁铁，旋转轴侧使用高温超导巴尔克体。将该轴承冷却到50K（-223℃）以下，产生强大的磁场，成功实现了非接触支撑约4吨的飞轮。这允许飞轮以高速和低损耗旋转。另外，与冷却到以往的20K（-253℃）的高温超导线圈相比，可以在大幅提高的温度50K（-223℃）下运行，降低了冷却成本。

05实地试验

为了充分利用上下坡行驶的列车所产生的能量，将本系统设置在与中央本线穴山站相邻的穴山变电站。从2022年6月开始，针对在穴山站附近行驶的列车实施行驶时的充放电，以将来的规模化应用为目标，验证充放电特性和系统的有效性。

图6 试验行驶路线起伏

此次完成的系统，通过直径2m重约4吨的CFRP飞轮以最高转速6000pm转动，成功实现输出300kW，蓄电容量100kWh的世界最大级别的飞轮蓄电储能系统。

07参考文献