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二、超导磁悬浮飞轮储能技术

飞轮储能是电能和机械能之间的相互转换，其原理构成如图4。在储存能量时，电机运行于电动机状态，转速上升将电能转换为机械能储存于飞轮以及电机的旋转部件，所储存的能量为

(2)

其中，为转动部件的转动惯量;为旋转角速度。输出能量时，电机运行于发电机状态，将机械能转换为电能，转速逐渐下降。

这种储能形式很早就在脉冲电机中得到了应用。飞轮储能的损耗主要来源于轴承部分的摩擦损耗、旋转部件所遇到的空气阻力、以及电机本身的损耗。为提高效率，轴承可采用磁悬浮而成为磁悬浮飞轮储能，也可将整过旋转部件置于真空中以降低空气阻力导致的损耗。采用超导技术实现磁悬浮轴承(Superconducting Magnetic Bearing，SMB)即可获得超导磁悬浮飞轮储能。

图4 飞轮储能原理示意图

2.超导磁悬浮的原理及其类别

超导磁悬浮有两种型式，一是直接应用超导块材的迈斯纳效应和磁通钉扎特性[5]与永磁体形成磁悬浮，一是用超导线圈实现的超导电磁悬浮。利用超导块材与永磁体的无源磁悬浮，结构简单、能量损耗小、容易实现，但因为永磁体的磁场强度有限使得悬浮力受到限制。利用超导线圈实现的是有源磁悬浮。根据SMB气隙磁场的方向，SMB可分为径向和轴向2种型式，相应地，飞轮及电机的布局也有立式和卧式2种。轴向SMB结构简单，制作容易，但刚度较低;径向SMB结构较为复杂，但刚度较高，可承载容量更大的飞轮。SMB的技术相对成熟，中小容量储能的SFES已接近商业化应用。

3.超导磁悬浮飞轮储能的系统构成及其特性

(1) 系统构成

SFES主要由飞轮、电机、SMB、低温系统、真空室以及电力电子变换装置构成，如图5所示。

图5 SFES系统结构图

(1) 关键部件

① 飞轮

在SFES中，飞轮是主要储能部件。从(2)式可以看出，提高飞轮的储能容量有2种途径：(a)增加飞轮的转动惯量;(b)提高飞轮的旋转速度。高抗拉强度的飞轮材料和高速电机是提高飞轮储能的储能密度和功率密度的主要技术瓶颈。

② 超导磁悬浮轴承

SMB是保证飞轮稳定悬浮运行的核心部件，由定子和转子构成，主要性能指标是悬浮力和刚度，二者决定了SMB的承载能力。为提高承载能力，需提高SMB的磁场强度。早期的SMB的定子和转子多采用超导块材和永磁体。由于永磁体磁场强度有限，用超导线圈代替永磁体甚至超导块材可以获得更高的磁场强度，这种型式有源磁悬浮，结构和控制均比块材加永磁体的方式复杂。

③ 电机

电机是SFES实现能量转换的核心部件，为提高储能容量需采用高速电机。由于在能量转换中电机旋转速度不断改变，还需要电力电子装置对电机输出的电能进行变换和控制。

SFES所需的变流器、真空、低温技术与SMES无本质区别。

(2) 技术特性

与其它储能型式相比较，SFES具有储能密度大、储能效率高的特点，技术优势和不足与SMES类似，有功无功四象限可控，响应速度快，但单机大容量较难，成本较高。随着转子材料性能和电机转速的提高，其储能密度还有巨大的提升空间。有研究指出，若采用碳纳米管作为飞轮材料，其储能密度可达到2 700Wh/kg。

4.超导磁悬浮飞轮储能的发展现状

SFES的国内外发展现状如表2。在美国、日本、德国等工业发达国家，输出功率为数百千瓦的磁悬浮飞轮储能已有商业化，在超导磁悬浮飞轮储能研制方面也处于世界前列。国内虽然已有多家研究单位开展了超导磁悬浮飞轮储能的研究工作，但从所发布的技术参数来看，与世界先进水平尚存在较大差距。

表2 国内外发展现状

原标题：超导储能技术及其发展前景

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