1 引言
随着人类对能源的需求越来越大，人们对能源的控制技术，特别是对电能的储存技术越来越重视。目前常见的电储能技术有化学电池储能、蓄水储能、超导储能、超级电容储能和飞轮储能。
化学电池技术已经很成熟，应用广泛，但它的效率较低，通常只有（70~85）%,功率密度低，充电很慢，通常是小时级，更重要的是化学电池的循环使用寿命比较短，这样就增加了电池的使用成本。蓄水储能的效率也很低，通常只有75%,因为蓄水储能需要庞大的蓄水装置，其储能密度较低，只有约0.27Wh·kg-1,而且受到环境的影响很大，无法便携使用。超导储能是新型的高效储能技术，然而它不具备模块化特点，而且一般都需要创造低温环境，适应性不强。超级电容储能也是新型的高效储能技术，目前它的储能密度还比较低，约为（2~10）Wh·kg-1,该技术还在实验阶段。
飞轮储能系统储能密度大，功率密度高，对环境的要求低，可模块化，其充放电的时间可以达到分钟级，而且容易检测放电深度，可以应用的场合广泛，同时飞轮储能的使用寿命长，维护简单，大大降低了电能储备成本[1].随着电力电子技术、磁悬浮技术、新材料开发研究等技术的不断发展，飞轮储能技术变得越来越完善，应用的范围也遍及交通、供电、军工、航空航天等领域，成为目前最具有开发前途的储能技术之一。
2 飞轮储能系统原理及结构
2.1 飞轮储能系统原理
飞轮储能系统又被称为飞轮电池，是机械能与电能的转换装置。飞轮储能系统原理图，如图1所示。从图1中可以看出能量的转化过程。飞轮储能系统的工作模式有三种：充电、放电和能量保持。通常给飞轮充电的能量有电能和机械能两种，如图1所示。目前电能充电方式应用较多，机械能充电在汽车制动能量回收、孤岛风能储存等领域都可以应用。放电时，飞轮带动发电机使发电机发电，输出的电能经过电力电子设备变成可用的电能。能量保持阶段，飞轮储能系统既不充电也不放电，保持额定转速运行。
2.2 飞轮储能的结构及能量存储
飞轮储能系统最为常见的结构示意图，如图2所示。主要由飞轮、电机、轴承、真空室和电力电子设备组成。
从式（1）和式（2）可以看出，飞轮储能系统存储的能量与飞轮的质量、半径和旋转角速度呈正相关。因此要增大飞轮存储能量，主要通过增大飞轮的轮缘质量和飞轮转速。
3 飞轮储能关键技术分析
飞轮是储能装置，所以飞轮储能关键技术中最重要的两个因素就是储能和减少损耗。为了提高飞轮转速，飞轮的材料与高速电机的选择尤其重要。使用真空室能大大减少飞轮与空气的摩擦损耗，使用磁轴承能够大大降低支承摩损并提高使用寿命。
3.1 飞轮材料的选择
飞轮的储能密度和飞轮能承受的强度会直接影响飞轮材料的选择。飞轮的储能密度e为：
e=ks∕σρ（3）
式中：ks-飞轮形状系数；ρ-飞轮材料的密度，kg/cm3;σ-飞轮材料的许用应力，MPa.
由式（3）可以看出，飞轮材料密度成反比，与飞轮材料的许用应力成正比。几种常见的用于飞轮的材料[2],如表1所示。从数据中可以看出碳素纤维密度小，强度高，是其中最好的选择。同时，使用碳素纤维制成的飞轮一旦发生解体，飞轮本身会变成絮状物飞出，降低了事故带来的危害。
3.2 真空室
当前真空室的真空度达到了10-5Pa级，用于减少飞轮旋转过程中与空气的摩擦，同时也防止外力影响飞轮正常运行。真空室可以使用透明的高强度玻璃钢，这样方便观测飞轮的运行状况。同等气压下氦气的导热性是空气的七倍，与飞轮的摩擦损耗大约只有空气的七分之一，并且充入氦气的工艺更简单，因此选择氦气作为真空室的介质气体具有一定优势。
3.3 支承技术
在飞轮储能系统的众多损耗中，轴承的损耗占据了很大的比例，随着各种先进轴承技术的问世，这部分损耗可以被大大的减少。下面将介绍几种用于飞轮储能系统的轴承。
