飞轮储能密度的理论预测与实验测试

戴兴建，汪 勇，沈祖培

（清华大学工程物理系，北京 100084）

飞轮储能是将能量或动量储存在高速旋转的飞轮质量中，利用电动机/发电机实现电能与机械能相互转换的一种储能方式，具有储能密度高、功率大、效率高、寿命长、无污染等优点[1]。在航空航天领域，飞轮系统还可以通过控制改变转子的转速，即改变角动量来产生所需的控制力矩，从而精确地控制航天器的姿态，实现航天器姿态控制/储能一体化（IPACS）[2]。高储能密度和长寿命是姿控/储能一体化飞轮系统的发展方向。高储能密度使得系统的重量和体积减小，提高了有效载荷，对提高航天器的性能具有重要意义。

飞轮储能系统的主要性能指标有储能密度、储能量、充放电时间、充放电效率以及输出功率等，其中储能密度是衡量飞轮储能技术水平的最重要指标[3-4]。储能密度，即单位质量的储能量，通常有飞轮系统储能密度 Us和飞轮转子储能密度 Ur两种定义。

飞轮系统储能密度 Us定义为飞轮在最高工作转速时的储能总量与整个飞轮储能系统总质量的比值；飞轮转子储能密度Ur则定义为飞轮在最高工作转速时的储能总量与飞轮转子质量的比值。在飞轮储能技术的研究中，飞轮转子储能密度Ur应用得更为广泛，这主要是因为Ur能够直接表明飞轮转子结构与材料优化设计和旋转强度试验所达到的水平，通常将其简称为飞轮储能密度Ur。

1 储能密度的理论分析

对于单一材料制成的飞轮，储能密度Ur的理论极限值（飞轮的实际转速达到极限转速时）为