航母电磁弹射关键设备: 飞轮储能

蓝狮平台网讯：“福建舰”上的电磁弹射器可不是一般的先进，中国弯道超车用的是中压直流电磁弹射器，而老美用的是中压交流电技术。中压直流电磁弹射器能弹射3-45吨的各类舰载机。电磁弹射关键:飞轮储能，成功研制出50MW/120MJ飞轮储能装置。3秒释放120兆焦能量！电磁弹射核心装置到位，瓶颈已不复存在。

003航母最大的亮点:电磁弹射

2022年6月17日，是我国首枚氢弹试验的纪念日，同时也是我国自主开发建造的航空母舰命名的日子，根据公开的报道，003航母正式命名为海军福建舰，舷号18，该航母满载排水量八万余吨，并且采用了电磁弹射和阻拦系统。目前世界上只有美国海军的航母采用了电磁弹射和阻拦系统，美国是从福特级航空母舰开始采用电磁技术。

福建舰成为了国产第一艘采用电磁弹射的常规动力航空母舰，8万余吨的排水量原本就没有悬念，根据卫星照片的数据可以大致判断出吨位，而电磁弹射系统成为了最大的亮点。在福建舰之前，解放军的两艘航空母舰辽宁舰和山东舰并没有弹射器，而是采用了滑跃的模式进行固定翼舰载战斗机的起飞。虽然通过滑跃甲板解决了固定翼舰载战斗机的起飞，但是在起飞效率上与采用弹射器的模式有很大的差距，同时也无法保证固定翼舰载预警机的起飞。而电磁弹射则可以同时起飞好几架战机，几秒钟就弹出去一架，在实战中，优势非常明显。

美国海军长期以来是采用蒸汽弹射装置，美国海军目前有10艘尼米兹级航空母舰和1艘福特级航空母舰，其中尼米兹级是采用了蒸汽弹射装置，福特级是世界上第一艘采用电磁弹射装置的航空母舰，代表了美国航母开发的最高水平。电磁弹射器和蒸汽弹射器相比，有着诸多的优势，包括灵活调节功率等，另外在效率上也具备优势。

中国在航母弹射器上跨过了蒸汽弹射，直接采用了电磁弹射技术，这是我国科技进步的重要标志，根据公开的资料分析，我国也具备蒸汽弹射器的开发和建造能力，如今是“一步到位”。

电磁弹射器涉及的学科相当广泛，除了电磁本身之外，还有能源的配备等。003航空母舰是一款采用常规动力的航母，美国福特级航空母舰采用了核反应堆，但是003航母还是可以使用电磁弹射器，说明了中国有着独到之处的技术。

“福建舰”上的电磁弹射器可不是一般的先进，中国弯道超车用的是中压直流电磁弹射器，而老美用的是中压交流电技术。中压直流电磁弹射器能弹射3-45吨的各类舰载机。电磁弹射关键:飞轮储能，成功研制出50MW/120MJ飞轮储能装置。3秒释放120兆焦能量！电磁弹射核心装置到位，瓶颈已不复存在。

从技术上来看，美国的电磁弹射器，用的是交流电，不好调功率，线圈都很重，发热量大，散热更成问题。美国的航母电磁弹射器，体积都很大，储存释放和全舰电力系统直接连通，比较容易造成瞬间系统过载停电；而且弹射次数太频繁，还会引发一系列的过热问题。也正因如此，2017年开始服役的那个“福特号”上的电磁弹射器故障率很高，一直修修补补，甚至在特朗普政府时代，还曾经靠考虑过拆掉它，改装老版的蒸汽弹射器。

而我国的福建舰，则用的是中压直流电。直流电更容易解决弹射电的储存和释放问题——将直流电进行数字化调整，用高频切割的方式，把电流切成一份一份的，争取做到最高效和集中地利用电能。中压直流电在调配功率方面，也更具优势——能根据飞行器的质量精准调节推力，进行实时的速率匹配。可以恰到好处好地把电能都集中用在刀刃上，减少浪费。这样一来，跟交流电弹射器相比，直流电弹射消耗的能量就少多了。

当然，要实现这个目标，技术门槛是非常高的。在咱们“国宝级”专家马伟明院士团队的攻关之下，中国人只用了很短的时间，就跨过了蒸汽弹射，直接实现了电磁弹射技术的突破进展。这确实相当了不起，特别值得自豪。

电磁弹射为何要用飞轮储能？

其实不论是核动力还是常规动力并没有什么本质不同，以美国海军福特号为例，虽然配置有两台700兆瓦的A1B新型压水堆，但也是靠蒸汽轮机驱动发电机发电，同时通过飞轮储能装置与电动机实现电磁弹射，而常规动力也是如此，不论是燃气轮机还是蒸汽轮机与核动力相比只是源动力不同。

制约电磁弹射上舰的核心瓶颈除了弹射器本身就是飞轮储能，这是一种通过电动机带动飞轮高速旋转进行储能的装置，在有用电需求时再通过高速旋转的飞轮带动发电机供电。

电磁弹射为何要用飞轮储能？电磁弹射，被加速的舰载机总重，30吨，即3万公斤；加速长度100米，加速时间2.2秒，舰载机末端速度，85米每秒；总耗电能38度；瞬间功率6万千瓦。电磁炮也是“弹射”，被加速的弹丸重量，10公斤，加速长度15米，加速时间0.02秒，弹丸出膛速度2500米每秒，总耗电能11度，瞬间功率325万千瓦。由以上2组数据可见，不论是电磁弹射飞机还是电磁炮，它们发射一次的总用电量并不大。弹射1架30吨的重载舰载机的纯耗电还不到40度。当然这是完全理想化的状态，实际上弹射一架飞机的耗电要超过40度，因为所有不是超导的电路都有自然损耗，不会效率达到100%。但是实际弹射一架30吨级舰载机的用电也不会超过70度。而发射一次电磁炮弹丸的理论用电更少，只有11度电。不过两者做功的瞬间功率；却都非常的惊人。

航母电磁弹射器做功一次的瞬间功率超过6万千瓦。而电磁炮发射时的瞬间功率更是惊人，超过了300万千瓦，相当于一个大型水电站的全部瞬间发电功率。不过电磁炮的加速时间只有电磁弹射器的百分之一，因此瞬间功率要大得多。不论电磁炮还是电磁弹射器，它们给予要弹射的物体的加速时间，从0.02秒一直到2秒稍多，基本上都属于瞬间完成。因此要求的加速做功的电流很大，功率很强，但是作用时间却都普遍很短，导致普通的电网负荷和蓄电池都达不到如此短时间内实现强大放电的能力。只有两种现代化的特殊设备可以实现短时间内的强放电。第一是储能飞轮，第二就是特殊电容。两者性能各有利弊。储能飞轮的能量密度是电容的10倍以上，而且可以重复利用放电几十万次。实际寿命比电容长得多。特殊电容最大使用次数有限制，实际成本比较高。而且超大容量电容有一定的漏电危险性。不过电容可以随时确保有电，而飞轮储能属于现充现用。因此不论电磁弹射还是电磁炮，都会用到两者的长处。电磁弹射以飞轮储能为主，超大容量电容为辅。而电磁炮则主要采用超大容量电容放电。飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的交互式储能方式。特点是高功率密度、长寿命。

飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置，突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。通过电动/发电互逆式双向电机，电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换与储存，并通过调频、整流、恒压与不同类型的负载接口。飞轮储能放电已经被提出200多年，但是直到1970年代，综合机电加工能力达标后才首次实用化。

在储能时，电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电机带动飞轮加速转动，飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械能转换的储存能量过程，能量储存在高速旋转的飞轮体中；之后，电机维持一个恒定的转速，直到接收到一个能量释放的控制信号；释能时，高速旋转的飞轮拖动电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流与电压，完成机械能到电能转换的释放能量过程。不论采用交流电还是直流电进行电磁弹射，飞轮储能都是其中的关键设备之一。

飞轮储能技术简介

人类对飞轮的认识可以追溯到2000多年前，当时陶工所用的转轮被认为是飞轮最早的应用。进入20世纪90年代以后，飞轮储能受到了广泛的重视，并得到了快速发展，已经出现了很多高性能的产品。美国、日本、法国、英国、德国、荷兰、俄罗斯、西班牙、韩国、中国、印度、瑞士、加拿大和意大利等国都在进行研究和开发工作。其中美国投资最多，规模最大，进展最快。美国ActivePower公司的100KW-2000kWCleanSource系列UPS飞轮储能系统、Pentadyne公司的65KVA-1000kVAVSS系列UPS飞轮储能系统、BeaconPower公司的25MWSmartEnergyMatrix、波音公司Phantom工厂采用高温超导磁浮轴承的100kW/5kWh飞轮储能装置，以及SatConTechnology公司的315-2200kVA系列RotaryUPS飞轮储能系统，已经开始应用于电力系统、备用电源、交通工具、航天航空、军工等领域。

国内飞轮研究起步较晚，20世纪80年代国内机构开始关注飞轮储能技术，90年代开始关键技术基础研究,部分飞轮产品已经投入示范应用，包括在石油钻井行业、轨道交通领域、UPS备用电源等领域。

（一）飞轮储能产品结构及工作原理

飞轮储能系统又称飞轮电池，其基本结构由飞轮转子、轴承、电动机/发电机、电力电子控制装置、真空室等五个部分组成，结构示意图见图1。其中飞轮转子作为飞轮电池的关键部件，一般选用强度高密度相对较小的材料制作而成，根据外形不同可分为圆轮、圆盘或圆柱刚体等类型；轴承是飞轮装置的轴系支承部件，由于磁悬浮支承轴承和组合式轴承可以降低摩擦损耗，提高系统效率而成为了支承技术的研究热点，尤其是组合式轴承结合了机械轴承和磁悬浮轴承的优点，已经引起了飞轮储能系统研究和开发者的广泛关注；电机作为一个集成部件，具有电动机和发电机的功能，可以在电动和发电两种模式下自由切换，以实现机械能和电能的相互转换；电力电子控制装置主要是对输入或输出的电能进行变换控制，通过对电力电子控制装置的操作可以实现对飞轮电机各种工作要求的控制；真空室主要作用是为飞轮提供真空环境以降低风阻损耗并在飞轮高速旋转破裂时保护周围人员和设备。

飞轮储能装置结构示意图

飞轮储能系统是将能量以高速旋转飞轮的转动动能的形式来存储起来的装置。它有三种模式：充电模式、放电模式、保持模式。充电模式即飞轮转子从外界吸收能量,使飞轮转速升高将能量以动能的形式存储起来，充电过程飞轮做加速运动，直到达到设定的转速；放电模式即飞轮转子将动能传递给发电机，发电机将动能转化为电能,再经过电力控制装置输出适合于用电设备的电流和电压，实现机械能到电能的转化，此时飞轮将做减速运动，飞轮转速将不断降低，直到达到设定的转速；保持模式即当飞轮转速达到预定值时既不再吸收能量也不向外输出能量，如果忽略自身的能量损耗其能量保持不变。由此，整个飞轮系统实现了能量的输入、输出以及存储。

（二）飞轮储能技术分类

从产品技术上看，根据转子旋转速度、转子材料选择、轴承类型的不同，飞轮储能系统有多种不同的分类方式。其中根据飞轮储能系统中飞轮转子旋转速度的不同，飞轮储能系统分为中低速飞轮储能系统及高速飞轮储能系统两大类；根据飞轮轴系轴承的不同，飞轮分为机械轴承飞轮储能系统、磁悬浮轴承飞轮储能系统和组合式轴承飞轮储能系统等；根据飞轮转子材料的不同，飞轮分为复合材料转子飞论以及金属材料飞轮两大类。

另外还可以根据飞轮应用场景不同，将飞轮储能产品分为能量型飞轮储能技术及功率型飞轮储能技术。

（三）飞轮储能产品开发商

飞轮储能系统先进开发商主要集中在欧美、日本等发达国家。

美国、西欧以及日本飞轮储能系统知名开发商

我国自20世纪80年代开始关注飞轮储能技术，自90年代开始关键技术基础研究，随着飞轮技术的不断成熟，从2010年前后，出现了一些飞轮储能系统商业推广示范应用的技术开发公司，主要包括沈阳微控、北京泓慧国际能源技术发展有限公司、北京奇峰聚能科技有限公司、中核集团核工业西南物理研究院、二重德阳储能科技有限公司、盾石磁能科技有限责任公司、上海航天控制技术研究所、贝肯新能源（天津）有限公司、大连亨利科技有限公司等。

(四）飞轮储能产品在电力储能领域中的应用现状

美国的BeaconPower公司在纽约州史蒂芬镇建设了20MW飞轮储能项目，该项目既可以为纽约州智能电网进行频率调节，又能将该地区风力发电的过剩电能进行缓存，并在用电高峰期将电力注入电网，该项目是典型的飞轮储能系统在电力系统中的应用案例之一；2011年1月BeaconPower公司在美国纽约的8MW飞轮项目投入运营，标志着飞轮储能开始了在电网的大规模正式商业应用。未来飞轮储能将有可能在电力调频业务中发挥更大的作用。

飞轮储能系统在电力系统的应用

国内飞轮储能系统主要在轨道交通（盾石磁能）以及UPS（北京泓慧）等领域实现了应用，在电力系统领域内的应用案例较少。2018年，由西藏运高新能源股份有限公司开发、投资、建设及运营的60兆瓦运高光伏电站计划引进第一个长达4h的飞轮储能系统电站，主要用于调峰调频和增加新能源消纳，飞轮系统采用美国AmberKinetics公司产品，阵列容量为0.8MW/3.2MWh，由100个AmberKineticsM32型飞轮系统组成，先期已经完成了16KW/64KWh的验证机组，参与光伏发电调控。

总之飞轮储能作为一项古老的技术，随着多学科优化设计技术、复合材料技术、磁支撑技术和电动机/发电机一体机技术的不断进步，现代飞轮储能系统已经成为一种绿色的能量存储装置，鉴于飞轮储能技术的特性和优点，未来飞轮系统将在电力系统领域，包括可再生能源并网、调频等方向、轨道交通工具、UPS、航天航空等军工领域将发挥重要作用。随着飞轮市场及应用领域的不断扩大，飞轮储能技术为了满足不用应用领域的需求，飞轮储能系统将向高功率密度、高能量密度、低损耗、低成本等方向发展，围绕这几方面，飞轮储能单元关键技术主要有以下几方面发展趋势：（1）电机及其变流器系统将向低成本方向发展；（2）高能量密度转子将向复合材料方向发展；（3）支撑轴承将向磁悬浮及复合轴承方向发展；（4）飞轮储能单机储存能量由十千瓦时向百千瓦时发展；（5）大容量飞轮储能系统将向模块阵列化方向发展。