摘 要
简要分析了飞轮储能的特点、应用领域及其关键技术，其中复合材料飞轮结构力学研究是提高飞轮能量密度的基础。在研究中，一般利用分析力学和有限元方法获得复合材料飞轮的应力、应变信息，运用强度准则判断其极限转速，确定工作转速下的应力状态。采用多环过盈装配、混杂纤维材料组合结构、纤维多向排布、缠绕以及机织叠层新结构设计，充分利用复合材料的可设计性来适应旋转结构的应力特征，从而提高储能密度。复合材料飞轮的储能量从早期的0.3～5 kW·h，发展到当今的30～130 kW·h，储能密度达到30～100 W·h/kg。合金钢飞轮材料费用估计700 $/kW·h，飞轮复合材料费用估计为3000 $/kW·h，复合材料飞轮的性价比离大规模储能应用还有相当的距离。
导 读
可再生能源的规模化接入电网对储能技术提出了很高的要求，目前大规模电储能以抽水储能为主，各种正在研发的新型储能技术具有良好的应用前景，如飞轮储能、超级电容器、超导磁储能、压缩空气储能、锂电池、液流电池和钠硫电池储能等。
飞轮储能的基本原理是绕定轴旋转的刚体，获得能量而加速，减速过程动能减少而释放能量。飞轮储能的优点是高效率（85%～90%），长寿命（约10万次循环和15年以上），对环境要求低、影响小，但目前总能量偏少，持续放电时间为分秒级，比较适合功率应用场景，如不间断供电过渡电源、调频、电能质量调控等。
文章目录及图文导读
1 飞轮基本技术和参数
表1 等应力圆盘飞轮材料及理论最大储能密度（Ks =1）
2 理论计算分析与设计
2.1 飞轮结构
金属材料飞轮的结构设计内容为形状优化，复合材料飞轮则因为材料的可设计性、材料性能与工艺的相关性以及破坏机理的复杂性而显得不十分成熟，一直是飞轮储能技术研究的热点问题。
2.2 损伤测试方法
纤维缠绕复合材料的损伤机理、破坏模式比较复杂，因材料非均匀、分散特性导致准确的寿命评估十分困难。
利用2D有限元分析方法，求解了各种尺度的理想分层损伤缺陷的应变能释放速率，基于此分析方法，确定最大安全运行转速下容许缺陷尺度，提出了运行飞轮的在线虚拟转速控制方法，保证飞轮储能能力最大化的安全运行。飞轮分层或界面分离损伤会引起转子失衡量的变化，失衡量的改变会导致振动的变化，从而被在线检测出来，实验表明，损伤引起2～3 m质心的改变可以通过振动检测手段测量得到，为在线飞轮状态监测提供了必要的信息。用有限元方法分析复合材料飞轮在高速旋转时径向应力与环向应力的分布情况，预测飞轮的极限转速及损伤与断裂形式，同时用实验的方法进行验证。
为回避高速旋转测试困难，设计了静态加载结构模拟复合材料飞轮的断裂与损伤，用声发射方法检测了复合材料损伤与断裂的全过程。基于三维逐渐损伤理论，采用刚度衰减模型来预测三维复合材料飞轮转子的渐进失效特性。数值计算结果表明，转子的失效首先发生在飞轮的中部，单元发生基体开裂失效，随着转速的提高，单元发生纤维断裂，导致飞轮在外径处发生爆破失效。缠绕过程中对纤维束施加预应力能提高飞轮的初始失效转速。在整个损伤过程中没有出现单元分层失效和剪切失效。
2.3 多向强化结构
纤维环向缠绕飞轮的制约主要因素是径向无强化相，二维（径向+环向）或三维（径向+环向+轴向）强化是复合材料飞轮设计中新的尝试，当然这会增加制造难度，提高成本。
2.4 经济评价
纤维增强复合材料可以获得比金属材料更高的能量密度，但其价格却远远高于后者。经济性不佳是阻碍复合材料飞轮获得应用的因素之一。降低材料和制造成本，是一个重要问题。利用前述力学分析方法得到选定材料、结构和工艺的复合材料飞轮的应力、应变和强度状态是进一步降低成本、优化飞轮结构设计的力学基础。
为了降低制造成本，采用热压和缠绕纤维强化热塑性复合材料，制作了一个飞轮样品。在固定场合的应用领域，高能量密度让位于高能/费用比，确定为优化目标，在应力计算中，采用多环组合轮缘的分析力学方法。利用归一化策略，多目标设计简化为能量/费用比单一优化目标，基于力学有限元分析结果，优化算法过程中，采用了非线性内边界点方法，找到了最佳的轮缘厚度和旋转速度。利用序列二次规划方法，目标为储能质量密度、能量体积密度、能量费用比、能量密度费用比，计算表明，考虑加速和重力因素后，飞轮储能量下降。在建立优化模型中，需要恰当考虑约束条件，降低成本，从而提高飞轮设计的实用性。
3 实验研究
结 语
纤维缠绕复合材料飞轮结构分析力学、计算方法经过50年的发展，形成了较为成熟的理论和设计方法及程序，可用于飞轮储能系统转子结构设计。
在设计中，采用多环套装、纤维预紧缠绕、混在梯度材料、弹性过渡层等技术，可以设计出能量密度高达150 W·h/kg的飞轮，工程实际可用能量密度为40～80 W·h/kg，费用估计在4000 $/kW·h。
在复合材料飞轮结构径向强化方面，采用多方向铺放叠层、多向缠绕、二维机织、三维编织等技术，这方面的工作有待深入研究，其制造工艺更加复杂，成本更高。
