飞轮储能核心技术原理解析：从古典力学到现代工程实践

在能源转型与“双碳”目标成为全球共识的今天，储能技术已成为构建新型电力系统的关键环节。在众多储能技术中，飞轮储能以其高功率密度、长寿命、无化学污染和瞬时响应等独特优势，在电网调频、优质电力保障等领域扮演着不可或替代的角色。本文将深入剖析飞轮储能的基本原理，揭示其背后的物理本质与工程智慧。

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一、 引言：何为飞轮储能？

飞轮储能，本质上是将电能以机械能（动能）形式存储的一种物理储能技术，其核心思想可以追溯到古代的纺车和陶轮——利用旋转体的惯性来储存和释放能量。

现代飞轮储能系统（Flywheel Energy Storage System, FESS）已远非简单的旋转轮子。它是一个集成了高速旋转机械、先进材料、磁悬浮轴承和电力电子技术的高科技系统，其运行模式可以简述为：

• 充电（储能）：外部电能通过电机驱动飞轮加速旋转，电能转化为飞轮的动能。

• 保持（恒速）：在无能量交换时，系统以最小损耗维持飞轮高速旋转。

• 放电（释能）：飞轮驱动电机作发电机运行，将动能转化为电能回馈给电网或负载。

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二、 物理核心：能量存储的数学描述

飞轮储能的物理基础是刚体绕定轴转动的动能定理。一个质量为 ，绕其中心轴旋转的飞轮，其储存的动能 由以下经典公式决定：

其中：

• 是飞轮储存的动能，单位为焦耳（J）。

• 是飞轮的转动惯量，单位为 。

• 是飞轮的角速度，单位为弧度/秒（rad/s）。

转动惯量 描述了物体抵抗转动的惯性，其值取决于飞轮的质量分布。对于不同形状的飞轮，其计算方式不同。以最常见的实心圆柱形飞轮和薄环形飞轮为例：

• 实心圆柱飞轮（半径为 ，质量为