武汉理工教授胡业发：磁悬浮飞轮储能系统的国内外发展现状与趋势-北极星储能网

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强度和密度比越大，这个飞轮的速度上限就越高，飞轮的比能量就越大，这是飞轮储能的核心问题。这个问题没有解决好，所有有关飞轮的讨论都没意义。国内外应用现状，90年代飞轮储能发表文章非常少，但90年以后，1996年以后发表文献直线上升，而且中国的文献贡献最大。中国的兴趣最大，但整体情况来看，国外飞轮储能应用了二三十年。中国到现在为止还没有真正的商业化应用。

——武汉理工大学机电工程学院教授胡业发

8月7日-8日由华北电力大学、中国可再生能源学会主办的“第一届中国储能学术论坛暨风光储创新技术大会”在北京召开，北极星储能网对论坛进行全程直播。

在8日分论坛3“机械储能”分论坛上，武汉理工大学机电工程学院教授胡业发做题为《磁悬浮飞轮储能系统的国内外发展现状与趋势》的演讲。

胡业发.jpg

武汉理工大学机电工程学院教授胡业发

以下为发言实录：

武汉理工大学机电工程学院教授胡业发：

胡业发：感谢姜教授的精彩分享。下面由我为论坛带来《磁悬浮飞轮储能系统的国内外发展现状与趋势》的报告，请在座的各位专家、各位同志指正。

报告分飞轮的工作原理、应用阶段、关键技术与发展趋势。

我讲讲公式，动能和比能量。这是尺寸和速度，不同的飞轮结构比例是不一样的，这块是一个形状参数。比能量（单位体积所储存的能量）是所有电池里最的核心问题，比能量高电池的价值就高。飞轮来看就是取决于飞轮的最高限制速度，因为尺寸不可能无限大，一定有限度的，所以飞轮主要在于速度。飞轮有一百多年的历史，但以前一百多年都是钢制飞轮与滚动轴承组成的，这带来了质量受限、强度不高的问题，所以做不大，也转不高。以前的飞轮电池的比能量太低了，所以电能储能很少用飞轮电池的。飞轮的角速度受飞轮材料的强度限制，它的最大角速度产生的离心力必须小于飞轮材料的抗拉强度。想提高飞轮速度的上限，希望飞轮的抗拉强度越高越好，要想提高比能量，则希望在抗拉强度高的同时，飞轮材料的密度越低越好。由此，可以得出，要提高飞轮的比能量，必须提高抗拉强度与密度的比值。

结论是：飞轮材料的屈服强度越高，密度越低，飞轮的比能量越大。这个结论与飞轮采用什么结构和材料无关。强度和密度比越大，这个飞轮的速度上限就越高，飞轮的比能量就越大，这是飞轮储能的核心问题。这个问题没有解决好，所有有关飞轮的讨论都没意义。表中给出了钢、玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等四种材料强度、密度的比较，不同材料的强度与密度的比值不一样，钢的比值最低，玻璃纤维是钢的2.2倍，碳纤维是钢的6.4倍，芳纶纤维是钢的9.6倍。钢比能量按照1算，其它的复合材料都是钢的几倍。储能方式，目前来看飞轮储能的效率很高，比能量不是很突出，最占优势的就是比功率。充电时间大家都是知道的，前面抽水、锂电池是以小时计，压力空气也是以小时计，超级电容是以秒计，飞轮储能是以分钟计。

国内外应用现状。飞轮储能技术50年的历程。戴老师做了一个分析，飞轮储能技术发展1967-2016年经历50年的历程。90年代飞轮储能发表文章非常少，但90年以后，1996年以后发表文献直线上升，而且中国的文献贡献最大。中国的兴趣最大，但整体情况来看，国外飞轮储能应用了二三十年。中国到现在为止还没有真正的商业化应用。中国用了，做了，但现在没有真正的商品化。清华、北航、武汉理工及华北电力都有很多研究，但我们怎么大规模的生产是一个问题。Beacon公司的经营状况不好，好像有垮的样子。2008年日本千叶大学针对电动汽车做了应用。美国Active Power公司的PowerHouse做的非常好，现在做成了集装箱，集装箱走到哪拉到哪，可以是独立电网发电，也可以进行补充。比如说大型的场馆有会议缺乏电源的稳定，开着车过去接上，这个电网就稳定了。地铁也有应用。洛杉矶有几个点安装了飞轮电池。国内现在也做了，盾石磁能在北京地铁房山线广阳城站开展实际挂网运行，日平均节电量为1292kWh，日节电率23%。航天的应用，现在把碳纤维和磁悬浮搞在一起，NASA搞的最早，三代是最合理的结构，它的储能非常明显。581WH，这边是2136WH，提高了储能的比能量。北航和国防科大做了航天的飞轮储能的姿态控制的研究。

发展的趋势和关键技术大家都知道就是这几个技术，我主要讲转子技术。比能量大就是比强度高，所谓比强度就是强度与质量的比值。我做了一个计算，高强钢500Mpa，T700最起码是4900Mpa。密度钢的是7.8，碳纤维T700是1.8。比强度分别是64和2722，二者相比碳纤维材料的比强度是高强钢的42倍。如果不用碳纤维制作飞轮，飞轮的比能量是上不去的。碳纤维怎么搞成转子，大家不要以为是很简单的问题，这是一个现在还没有真正高效解决的问题。为什么碳纤维还那么贵，也是这样的原因。磁悬浮的主动、被动、混合、超导已经做出来，而且有很多成熟。飞轮怎么应用，飞轮可以用其中一个或者说几个组合，甚至可以和机械轴承组合。

武汉理工大学主要研究飞轮储能的两个关键技术，其中之一就是碳纤维复合材料飞轮。武汉理工大学和清华不能相比，但一个学科和清华并列全国第一就是材料学科。2009年成立武汉理工大学与中复神鹰（全国最大的碳纤维生产企业）公司成立了碳纤维材料应用研究中心。2016年武汉理工大学成立先进材料制造装备研究院，专门研究碳纤维复合材料制品大规模制造的工艺与装备，2019年中复神鹰公司捐赠一千万，专门做碳纤维的研究。中复神鹰公司在国内首次突破了T700、T800大规模碳纤维的生产，把碳纤维的价格从每公斤一千多块钱降到几百块钱。今年该公司将在青海投资建设万吨级高档碳纤维材料生产线，到时候碳纤维材料将降到几十块钱/公斤，在国际上就是白菜价，在国内也是前所未有的，该公司董事长张国良为此获得了我们国家科技进步一等奖。但是，目前我国碳纤维复合材料轴类零件的设计、分析和评价都没有现成的，我们设计一根轴（金属）的会知道查表知道它的强度、刚度。如果是碳纤维轴，却没有数据表格可查，而且每一个工艺和材料方法不一样，它的强度和刚度也不一样，碳纤维正确的设计分析评价，国内要做冷板凳，研究十年二十年也要把表格和数据做出来。2009年至今做很多的表格，2014年我们与武汉重型机床公司合作，在国内第一个做出了重型机床上应用的碳纤维传动轴，不仅仅只是制作了一根传动轴，主要是建立了传动轴的设计准则、技术规范、企业标准。以前的传动轴70公斤，但我们的碳纤维传动轴44公斤，减重达37%。在承担相同扭矩的情况下，固有频率提高了1倍多。我们与上汽通用五菱公司合作，研制了汽车传动轴，并在上汽通用公司通过了实验测试。一根丝缠飞轮需要很长时间，这样大规模工业化是不行的，我们现在正在研究高效的碳纤维飞轮编织工艺与装备。

武汉理工大学主要研究飞轮储能的两个关键技术，第二个关键技术就是磁悬浮轴承技术。1985年开始做磁悬浮的研究，是国内最早的。2003年中央电视台采访我，播放了20分钟。2016年我们建成了湖北省磁悬浮技术工程研究中心。今年我们与清华大学等单位共同获得了国家重点研发计划“高速精密悬浮轴承”。2019年我主持了第三届全国磁悬浮会议，2010年我主持并承担了第12届国际磁悬浮会议。在磁悬浮研究中我们做出了很多研究成果，为了节约时间，在此就不一一细说。（以上内容根据速记整理，未经嘉宾审核）

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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