傳統(tǒng)能源的日益匱乏和環(huán)境日趨惡化，極大地促進了新能源的發(fā)展，新能源發(fā)電的規(guī)模也快速攀升。但風電、太陽能發(fā)電自身所固有的隨機性、間歇性特色，必須要有先進的儲能技術(shù)作支撐。目前主要靠化學電池，但受到化學蓄電池壽命及效率的制約，至今尚不能廣泛應用。以上諸多問題，促使人們尋求一種效率高、壽命長、儲能多、使用方便，而且無污染的綠色儲能裝置。出乎意料，古老的“飛輪”變成了首選對象。

“飛輪”這一儲能元件，已被人們利用了數(shù)千年，從古老的紡車，到工業(yè)革命時的蒸汽機，以往主要是利用它的慣性來均衡轉(zhuǎn)速和闖過“死點”，由于它們的工作周期都很短，每旋轉(zhuǎn)一周時間不足一秒鐘，在這樣短的時間內(nèi)，飛輪的能耗是可以忽略的。

現(xiàn)在想利用飛輪來均衡周期長達12～24小時的能量，飛輪本身的能耗就變得非常突出了。能耗主要來自軸承摩擦和空氣阻力。人們曾通過改變軸承結(jié)構(gòu)，如變滑動軸承為滾動軸承、液體動壓軸承、氣體動壓軸承等來減小軸承摩擦力，通過抽真空的辦法來減小空氣阻力，軸承摩擦系數(shù)已小到10-3。即使如此微小，飛輪所儲的能量在一天之內(nèi)仍有25％被損失，仍不能滿足高效儲能的要求。再一個問題是常規(guī)的飛輪是由鋼（或鑄鐵）制成的，儲能有限。例如，欲使一個發(fā)電力為100萬千瓦的電廠均衡發(fā)電，儲能輪需用鋼材150萬噸！另外要完成電能機械能的轉(zhuǎn)換，還需要一套復雜的電力電子裝置，因而飛輪儲能方法一直未能得到廣泛的應用。

飛輪儲能技術(shù)在很大程度上解決了新能源發(fā)電的隨機性、穩(wěn)定性問題，可以實現(xiàn)新能源發(fā)電的平滑輸出，能有效調(diào)節(jié)新能源發(fā)電引起的電網(wǎng)電壓、頻率及相位的變革，使大規(guī)模風電及太陽能發(fā)電方便可靠地并入通例電網(wǎng)。

飛輪儲能是指利用電動機帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化成動能儲存起來，在需要的時候再用飛輪帶動發(fā)電機發(fā)電的儲能方式。飛輪儲能系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、軸承系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換能量系統(tǒng)三個部分構(gòu)成，另外還有一些支持系統(tǒng)， 如真空、深冷、外殼和控制系統(tǒng)。

飛輪儲能裝置中有一個內(nèi)置電機，它既是電動機也是發(fā)電機。在充電時，它作為電動機給飛輪加速；當放電時，它又作為發(fā)電機給外設供電，此時飛輪的轉(zhuǎn)速不斷下降；而當飛輪空閑運轉(zhuǎn)時，整個裝置則以最小損耗運行。這種儲能方式對電網(wǎng)調(diào)頻和電能質(zhì)量保障有重要的意義?！?/span>

近年來，飛輪儲能技術(shù)取得突破性進展是基于下述3項技術(shù)的飛速發(fā)展：一是高能永磁及高溫超導技術(shù)的出現(xiàn)；二是碳纖維復合材料的問世；三是電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展。為進一步減少軸承損耗，人們曾夢想去掉軸承，用磁鐵將轉(zhuǎn)子懸浮起來，但試驗結(jié)果是一次次失敗。后來被一位英國學者從理論上闡明物體不可能被永磁全懸浮（Earnshaw定理），頗使試驗者心灰意冷。出乎意料的是物體全懸浮之夢卻在超導技術(shù)中得以實現(xiàn)，真像是大自然對探索者的慰藉。

當我們將一塊永磁體的一個極對準超導體，并接近超導體時，超導體上便產(chǎn)生了感應電流。該電流產(chǎn)生的磁場剛好與永磁的磁場相反，于是二者便產(chǎn)生了斥力。由于超導體的電阻為零，感生電流強度將維持不變。若永磁體沿垂直方向接近超導體，永磁體將懸空停在自身重量等于斥力的位置上，而且對上下左右的干擾都產(chǎn)生抗力，干擾力消除后仍能回到原來位置，從而形成穩(wěn)定的磁懸浮。若將下面的超導體換成永磁體，則兩永磁體之間在水平方向也產(chǎn)生斥力，故永磁懸浮是不穩(wěn)定的。利用超導這一特性，我們可以把具有一定質(zhì)量的飛輪放在永磁體上邊，飛輪兼作電機轉(zhuǎn)子。當給電機充電時，飛輪增速儲能，變電能為機械能；飛輪降速時放能，變機械能為電能。

由于在實際工作中，飛輪的轉(zhuǎn)速可達40000～500000r/min，一般金屬制成的飛輪無法承受這樣高的轉(zhuǎn)速，所以飛輪一般都采用碳纖維制成，既輕又強，進一步減少了整個系統(tǒng)的重量，同時，為了減少充放電過程中的能量損耗（主要是摩擦力損耗），電機和飛輪都使用磁軸承，使其懸浮，以減少機械摩擦；同時將飛輪和電機放置在真空容器中，以減少空氣摩擦。這樣飛輪電池的凈效率（輸入輸出）可以達到95%左右。

儲能電池在生產(chǎn)或是回收過程中通常會存在嚴重的環(huán)境污染問題，就目前的使用情況來說，儲能電池必將對人類的生存環(huán)境造成極大的傷害。相對于目前市場上的各類儲能電池來說，飛輪儲能無任何污染（包括電磁污染），它只是將電能轉(zhuǎn)換為高轉(zhuǎn)速的碳纖維飛輪，該機械能在需要的時候，通過發(fā)電機轉(zhuǎn)換為需要的電能，不需要時飛輪仍做高速運轉(zhuǎn)，因此，在使用和維護過程中，也不會產(chǎn)生任何化學材料垃圾。

一般的儲能電池充放電次數(shù)有限，與之相比，飛輪儲能具有無可比擬的優(yōu)勢，它可以無數(shù)次充放電，使用壽命十分長。除非輪子破壞了無法使用，否則它將一直不停的運轉(zhuǎn)下去，就算機器有損耗，損耗的也只是部分配件，維護成本十分有限?！?/span>

眾所周知，當飛輪以一定角速度旋轉(zhuǎn)時，它就具有一定的動能。飛輪電池正是以其動能轉(zhuǎn)換成電能的。高技術(shù)型的飛輪用于儲存電能，就很像標準電池。飛輪電池中有一個電機，充電時該電機以電動機形式運轉(zhuǎn)；放電時，電機則以發(fā)電機狀態(tài)運轉(zhuǎn)，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機械能（動能）到電能的轉(zhuǎn)換。當飛輪電池輸出電的時，飛輪轉(zhuǎn)速逐漸下降，飛輪電他的飛輪是在真空環(huán)境下運轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)速極高（高達200000r/min），使用的軸承為非接觸式磁軸承。據(jù)稱，飛輪電池比能量可達150W·h／kg，比功率達5000-10000W／kg，使用壽命長達25年，可供電動汽車行駛500萬公里。

飛輪儲能技術(shù)是一種新興的電能存儲技術(shù)，它與超導儲能技術(shù)、燃料電池技術(shù)等一樣，都是近年來出現(xiàn)的有很大發(fā)展前景的儲能技術(shù)。雖然目前化學電池儲能技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，但是，化學電池儲能技術(shù)存在著諸如充放電次數(shù)的限制、對環(huán)境的污染嚴重以及對工作溫度要求高等問題。這樣就使新興的儲能技術(shù)越來越受到人們的重視。尤其是飛輪儲能技術(shù)，已經(jīng)開始越來越廣泛地應用于國內(nèi)外的許多行業(yè)中。

截至目前，飛輪儲能做為新型綠色儲能技術(shù)，在國外已有較大的發(fā)展，特別是在美國，已大量使用于風電行業(yè)，它可以解決由風電轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定帶來的電壓不穩(wěn)定、送電質(zhì)量差等問題，通過儲能飛輪，能將不穩(wěn)定的風電轉(zhuǎn)換為正常的標準電，從而從根本上解決風電的問題。

1994年，美國阿貢（ANL）國家實驗室用碳纖維試制一個儲能飛輪：直徑38厘米，質(zhì)量為 11千克，采用超導磁懸浮，飛輪線速度達1000米／秒。它儲的能量可將10個100瓦燈泡點燃2～5小時。該實驗室目前正在開發(fā)儲能為50千瓦小時的儲能輪，最終目標是使其儲能達5000千瓦小時的儲能飛輪。一個發(fā)電功率為100萬千瓦的電廠，約需這樣的儲能輪200個。

飛輪儲能技術(shù)在美國發(fā)展得很成熟，他們根據(jù)飛輪的運行特性制造出一種裝置，使之在空轉(zhuǎn)時能量每小時損耗僅為0.1 %。美國馬里蘭大學研究出用于電力調(diào)峰的24kwh的電磁懸浮飛輪系統(tǒng)，其飛輪重172.8kg, 工作轉(zhuǎn)速范圍11610—46345rpm, 破壞轉(zhuǎn)速為48784rpm, 系統(tǒng)輸出恒壓110-240V，全程效率為81%。投資前景非常可觀，根據(jù)預算，對飛輪儲能的投資只要3年的運行時間就可收回全部成本。

日本曾利用飛輪“比功率”高的特性設計了一個引發(fā)可控熱核聚變的裝置，如圖2所示。該裝置的飛輪直徑達6.45米，高1米，重255噸。它所儲存的能量與掛有150個車廂的列車以100千米／小時的速度行駛時所具有的能量相當。故將這些能量在極短時間釋放出來足以引發(fā)核聚變。

德國STORNETIC公司的EnWheel飛輪產(chǎn)品采用碳纖維增強塑料制成，可使轉(zhuǎn)子達到每分鐘45,000轉(zhuǎn)的速度。據(jù)該公司介紹，這是通過將摩擦損失降至最低來實現(xiàn)的。整個轉(zhuǎn)子在非接觸式軸承的真空中運行，飛輪可以快速提供有功和無功功率，這對平衡由傳統(tǒng)負載或可再生能源引起的功率波動至關(guān)重要。也使得飛輪非常適合平衡風力或太陽能發(fā)電場產(chǎn)生的可變功率，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量，并穩(wěn)定當?shù)胤植嫉碾妷核健?/span>

我國對飛輪的研究始于1993年，在理論分析及模型試驗方面也已取得不小的進展。以飛輪作儲能裝置，其可行性目前已無人懷疑。大規(guī)模的工業(yè)應用雖然還存在不少技術(shù)問題需要解決，但這只是時間問題。

飛輪的儲能機理是將電能轉(zhuǎn)換為高達幾萬轉(zhuǎn)的飛輪機械能，因為轉(zhuǎn)速非常高，所以對材料強度要求也非常高，否則難以保證輪體的安全運轉(zhuǎn)，但是目前還沒有哪一種金屬材料能在如此高的轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)而不產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象的。在此情況下，高強度復合材料就能體現(xiàn)出成為比金屬材料更加優(yōu)越的性能。

碳纖維復合材料的密度僅為1.6g/cm3，強度卻能達到2000MPa以上，相對于高性能鋼，可減重60％以上，碳纖維復合材料能在很大程度地地減輕輪體重量，尤其是高強高模碳纖維材料可以在保證輪子具有高抗拉強度的同時，又可保持尺寸穩(wěn)定及高抗形變，進而實現(xiàn)長期使用不變形。但碳纖維飛輪的制造與碳纖維復合材料的成型技術(shù)密切相關(guān)，只要對飛輪的結(jié)構(gòu)進行適當優(yōu)化，使現(xiàn)有的碳纖維復合材料生產(chǎn)能滿足其技術(shù)需求，那么使用碳纖維復合材料必將成為飛輪儲能應用發(fā)展最強勁的推動力之一。

碳纖維復合飛輪儲能系統(tǒng)是利用碳纖維復合飛輪轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)存儲或釋放能量 , 與傳統(tǒng)的金屬飛輪及蓄電池相比 , 具有儲能密度高 、使用壽命長等一系列優(yōu)點 。 在石油機械中可替代金屬飛輪用作游梁式抽油機節(jié)能器中的能量存儲部件， 也可用于衛(wèi)星等航天器以及電動汽車中替代蓄電池用作能量存儲裝置。 在碳纖維復合飛輪儲能系統(tǒng)中 , 最重要的儲能部件是碳纖維復合飛輪轉(zhuǎn)子 , 通常希望它能以盡可能小的質(zhì)量來存儲盡可能多的能量 , 即要有高的儲能密度 , 以 滿足現(xiàn)代航天器輕量化的需求 。因此如何實現(xiàn)飛輪轉(zhuǎn)子儲能密度的最大化 , 是碳纖維復合飛輪儲能系統(tǒng)設計中的重要課題 。

飛輪轉(zhuǎn)子的儲能密度是旋轉(zhuǎn)角速度和結(jié)構(gòu)外形的函數(shù) , 若旋轉(zhuǎn)角速度固定 ,那么通過對飛輪轉(zhuǎn)子幾何外形的優(yōu)化 , 將有可能達到飛輪轉(zhuǎn)子儲能密度的最大化 。早在2003年李松松等通過對飛輪轉(zhuǎn)子外形和工藝參數(shù)進行優(yōu)化，采用拉伸模量為455GPa碳纖維（略低于日本東麗M50J級高模碳纖維475GPa），并利用纖維鋪設角和層間過盈等參數(shù)的遺傳優(yōu)化算法，設計出儲能密度高達500Wh/kg飛輪（文獻碳纖維復合飛輪轉(zhuǎn)子儲能密度的優(yōu)化研究 ）。那500Wh/kg儲能密度是什么概念？按《促進汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》中提出，到2020年，新型鋰離子動力電池單體比能量要超過300wh／Kg，到2025年，要實現(xiàn)新體系動力電池單體比能量達500 wh／Kg。

由于當時國內(nèi)還缺少自主研發(fā)的國產(chǎn)M50J級高強高模碳纖維，后來在戴興建等撰寫綜述文章中《復合材料儲能飛輪結(jié)構(gòu)強度技術(shù)研究進展》也指出，受高技術(shù)進口限制，拉伸模量超過400GPa的高模量纖維碳纖維在國內(nèi)無法買到，所以他們采用455GPa碳纖維設計出的儲能密度高達500Wh/kg的飛輪在國內(nèi)無法實現(xiàn)。目前，寧波材料所已經(jīng)實現(xiàn)噸級規(guī)模國產(chǎn)M50J級高強高模碳纖維穩(wěn)定化生產(chǎn)，總算是解決了基礎(chǔ)研究所需的原材料保障，飛輪儲能會否成為國產(chǎn)高強高模碳纖維應用另一關(guān)注點？未來將拭目以待，同時也熱誠希望能與飛輪儲能研究領(lǐng)域相關(guān)單位開展聯(lián)合攻關(guān)。

飛輪儲能是90年代才提出的新概念技術(shù)，它突破了化學儲電的局限，用物理方法實現(xiàn)儲能。飛輪儲能電池最初只是想將其應用在電動汽車上，但限于當時的技術(shù)水平，并沒有得到發(fā)展。直到上世紀90年代由于電路拓撲思想的發(fā)展，碳纖維材料的廣泛應用，以及全世界范圍對污染的重視，這種新型電池又得到了高速發(fā)展，并且伴隨著磁軸承技術(shù)的發(fā)展，這種電池顯示出更加廣闊的應用前景，現(xiàn)正迅速地從實驗室走向社會。