CFRP轨交储能系统中的应用

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，并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。

飞轮蓄电系统可与太阳光和风力等的不稳定的发电系统组合，实现电力系统的稳定化及作为电气铁路的再生制动失效时的有效应对措施。本文介绍的超导飞轮蓄电储能系统由日本铁道综合技术研究所设计，是由高温超导线圈和高温超导块体构成的“超导磁轴承”使飞轮非接触浮起，因此即使使用大型飞轮，损失也很少，是可以长期稳定运用的实效性高的系统。通过采用碳纤维复合材料（CFRP）飞轮转子和超导轴承， 实现了大容量且维护性出色的蓄电系统的目标。

超导CFRP飞轮蓄电储能系统

新代飞轮蓄电储能系统的结构

用于轨道交通的CFRP飞轮蓄电储能系统

对于飞轮蓄电储能系统来说，“更大”“更重”的飞轮“以更快的速度旋转”，可以储存更大的能量。在本次开发的“超导CFRP飞轮蓄电系统”中，特别是通过以下技术的开发，使得大直径、重量大的飞轮以高速且低损耗旋转。

大直径CFRP飞轮

以往提出的碳纤维复合材料（CFRP）飞轮，在兼顾高强度的制造方法和成本两因素的基础上，直径1m左右已经是极限，在本项目中，通过在创新碳纤维的编织方法，实现了高强度、高可靠性，成功实现了直径2m的大直径化。此外，本飞轮是由CFRP转子（外径2m、内径1.4m、厚度10cm）9枚层叠而成的，根据层叠张数可以制作各种蓄电容量的飞轮。

世界上最大的CFRP飞轮

超导磁轴承

本系统的超导磁轴承，使用了包含钇的第2代高温超导线材的高强度的高温超导磁铁，旋转轴侧使用高温超导巴尔克体。将该轴承冷却到50K（-223℃）以下，产生强大的磁场，成功实现了非接触支撑约4吨的飞轮。这允许飞轮以高速和低损耗旋转。另外，与冷却到以往的20K（-253℃）的高温超导线圈相比，可以在大幅提高的温度50K（-223℃）下运行，降低了冷却成本。

支撑重负荷的超导磁轴承

为了充分利用上下坡行驶的列车所产生的能量，将本系统设置在与中央本线穴山站相邻的穴山变电站。从2022年6月开始，针对在穴山站附近行驶的列车实施行驶时的充放电，以将来的规模化应用为目标，验证充放电特性和系统的有效性。

试验车站

此次完成的系统，通过直径2m重约4吨的CFRP飞轮以最高转速6000pm转动，成功实现输出300kW，蓄电容量100kWh的世界最大级别的飞轮蓄电储能系统。