جاده

جاده

تعیین ظرفیت و مکان بهینه ذخیره‌سازی انرژی فلایویل برای بازیابی انرژی ترمز احیاکننده در خط ۵ متروی تهران–کرج

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی مکانیک، واحد واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
2 گروه مهندسی مکانیک، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
چکیده
سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی فلایویل (FESS) با پاسخ دینامیکی سریع و عمر چرخه‌ای بالا، گزینه‌ای مؤثر برای بازیابی انرژی ترمز در حمل‌ونقل ریلی هستند، اما کارایی آن‌ها به ماشین الکتریکی یکپارچه با روتور وابسته است. این پژوهش، دو توپولوژی ماشین آهنربای دائم با شار محوری (AFPM) - با هسته استاتور و بدون هسته - را برای کاربرد پرسرعت ذخیره‌سازی مقایسه می‌کند. دو نمونه با مشخصات یکسان (۱۷.۵ اسب‌بخار، ۲۵۰۰۰ تا ۵۰۰۰۰ دور بر دقیقه) با روش اجزای محدود مدل‌سازی و از نظر توان ویژه، بازده و تلفات مدار باز ارزیابی شدند. نتایج نشان می‌دهد توپولوژی بدون هسته، مستقل از تعداد قطب‌ها، توان ویژه‌ی بالاتری (~۶ کیلووات بر کیلوگرم) دارد، در حالی که ساختار با هسته به دلیل جرم فرومغناطیسی، توان ویژه‌ی کمتری ارائه می‌دهد. در سرعت‌های بسیار بالا (۵۰۰۰۰ دور بر دقیقه)، افزایش قطب‌ها در نوع بدون هسته، بازده را به دلیل تلفات جریان گردابی شدیداً کاهش می‌دهد که نیازمند سیم‌های لیتز است. در مقابل، ساختار با هسته به دلیل تلفات هسته در فرکانس‌های بالا، به قطب‌های کمتر محدود می‌شود. نتیجه آنکه ماشین‌های بدون هسته با حذف تلفات هسته و چگالی توان بیشتر، برای یکپارچه‌سازی فشرده با فلایویل مناسب‌ترند، به شرط آنکه مدیریت حرارتی و تلفات رسانا با فناوری سیم‌پیچی پیشرفته کنترل شود. این نتایج چارچوبی فنی برای انتخاب ماشین بهینه در پروژه‌های بازیابی انرژی مترو فراهم می‌آورد.
کلیدواژه‌ها

-Al-Hasan, M., & Rahman, S. (2025). Advanced composite materials for high-speed flywheel rotors: A review of carbon fiber reinforced polymers in 2024–2025. Composite Structures, 352, 118945.
doi.org/10.1016/j.compstruct.2025.1185
-Andriollo, M., Bortot, F., & Tortella, A. (2023). Disc-type PM machine for the electromagnetic conversion/suspension of a flywheel system. In 2015 International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA),  739–744. doi.org/10.1109/ICRERA.2015.741844
-Bitterly, J. G., & Bitterly, S. E. (2007). Flywheel based energy storage system (U.S. Patent No. 5,614,777). U.S. Patent and Trademark Office.
-Blaabjerg, F., & Ionel, D. M. (2022). Renewable energy devices and systems with simulations in MATLAB and ANSYS. CRC Press.
-Boicea, V. A. (2019). Energy storage technologies: The past and the present. Proceedings of the IEEE, 102(11), 1777–1794. doi.org/10.1109/JPROC.2014.2359545
-Cavagnino, A., Lazzari, M., Profumo, F., & Tenconi, A. (2015). A comparison between the axial flux and the radial flux structures for PM synchronous motors. IEEE Transactions on Industry Applications, 38(6), 1517–1524. doi.org/10.1109/TIA.2002.804772
-Chen, Y., Liu, Z., & Wang, H. (2026). Sensorless control of high-speed permanent magnet motors for flywheel energy storage systems using extended Kalman filter. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 73(2), 1120–1132. doi.org/10.1109/TIE.2025.3489012
-Conover, D. R., Ferreira, S. R., Crawford, A. J., Schoenwald, D. A., Fuller, J., Gourisetti, D. M. R. S. N., et al. (2020). Protocol for uniformly measuring and expressing the performance (Technical Report PNNL-22010 Rev 2 / SAND2016-3078 R). Pacific Northwest National Laboratory & Sandia National Laboratories.
-Dragoni, E. (2024). Mechanical design of flywheels for energy storage: A review with state-of-the-art developments. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications, 233(5), 995–1004.
 doi.org/10.1177/1464420717697235
-Flynn, M. M., McMullen, P., & Solis, O. (2017). High-speed flywheel and motor drive operation for energy recovery in a mobile gantry crane. In APEC 07- Twenty-Second Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition­, 1151–1157. doi.org/10.1109/APEC.2007.357638
-Flywheel energy storage systems for power systems application. (2021). In 2021 6th International Conference on Clean Electrical Power (ICCEP), 492–501.
doi.org/10.1109/ICCEP.2017.8004815
-Garcia-Gracia, M., Cova, M. A., Villen, M. T., & Uson, A. (2018). Novel modular and retractable permanent magnet motor/generator for flywheel applications with reduced iron losses in stand-by mode. IET Renewable Power Generation, 8(5), 551–557.
doi.org/10.1049/iet-rpg.2013.0065
  -Goris, F., & Severson, E. L. (2023). A review of flywheel energy storage systems for grid application. In IECON 2018- 44th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, 1633–1639.
doi.org/10.1109/IECON.2018.8591736
-Gupta, R., & Singh, P. (2025). Grid-forming capabilities of flywheel energy storage systems in weak grids: A case study. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 168, 109876.
doi.org/10.1016/j.ijepes.2025.109876
-Hansen, J. G. R., & O’Kain, D. U. (2019). An assessment of flywheel high power energy storage technology for hybrid vehicles (Technical Report ORNL/TM-2010/280).
Oak Ridge National Laboratory.
-Hedlund, M., Lundin, J., De Santiago, J., Abrahamsson, J., & Bernhoff, H. (2020). Flywheel energy storage for automotive applications. Energies, 8(10), 10636–10663. doi.org/10.3390/en81010636
-Holm, S. R. (2013). Modeling and optimization of a permanent magnet machine in a flywheel [Doctoral dissertation, Technische Universiteit Delft].
-Itoh, J., Masuda, T., Sato, D., Nagano, T., Suzuki, T., & Yamada, N. (2022). Development of magnetic assist system in flywheel energy storage system for power load-leveling. In 2016 IEEE International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA), 198–203. doi.org/10.1109/ICRERA.2016.788450
-Kim, J. H., Lee, S. W., & Park, K. (2026). Thermal management optimization in vacuum-enclosed flywheel systems using phase change materials. Applied Thermal Engineering, 245, 122890. doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2026.122890
 -Li, X., Anvari, B., Palazzolo, A., Wang, Z., & Toliyat, H. (2024). A utility-scale flywheel energy storage system with a shaftless, hubless, high-strength steel rotor. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 65(8), 6667–6675. doi.org/10.1109/TIE.2017.2767542
-Mousavi G, S., Faraji, F., Majazi, A., & Al-Haddad, K. (2020). A comprehensive review of flywheel energy storage system technology. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 67, 477–490.
doi.org/10.1016/j.rser.2016.09.060
-Nguyen, T. D., Tseng, K., Zhang, S., & Nguyen, H. T. (2019). A novel axial flux permanent-magnet machine for flywheel energy storage system: Design and analysis. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 58(9), 3784–3794.
doi.org/10.1109/TIE.2010.2089937
-Sabihuddin, S., Kiprakis, A., & Mueller, M. (2019). A numerical and graphical review of energy storage technologies. Energies, 8(1), 172–216.
 doi.org/10.3390/en8010172
-Sanders, S., Senesky, M., He, M., & Chiao, E. (2020). Low-cost flywheel energy storage demonstration (Technical Report CEC-500-2015-089). California Energy Commission.
-Severson, E., Nilssen, R., Undeland, T., & Mohan, N. (2019). Magnetic equivalent circuit modeling of the ac homopolar machine for flywheel energy storage. IEEE Transactions on Energy Conversion, 30(4), 1670–1678. doi.org/10.1109/TEC.2015.2440991
 -Strasik, M., Hull, J. R., Mittleider, J. A., Gonder, J. F., Johnson, P. E., McCrary, K. E., et al. (2017). An overview of boeing flywheel energy storage systems with high-temperature superconducting bearings. Superconductor Science and Technology, 23(3), 034021. doi.org/10.1088/0953-2048/23/3/034021
-Tsao, P., Senesky, M., & Sanders, S. R. (2013). An integrated flywheel energy storage system with homopolar inductor motor/generator and high frequency drive. IEEE Transactions on Industry Applications, 39(6), 1710–1725. doi.org/10.1109/TIA.2003.818989
-Vazquez, S., Lukic, S. M., Galvan, E., Franquelo, L. G., & Carrasco, J. M. (2020). Energy storage systems for transport and grid applications. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 57(12), 3881–3895. doi.org/10.1109/TIE.2010.2076414
-Ye, C., Yang, J., Xiong, F., & Zhu, Z. Q. (2024). Relationship between homopolar inductor machine and wound-field synchronous machine. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 67(6), 5080–5089.
 doi.org/10.1109/TIE.2019.2898577
-Yi, J. eun, Lee, K. W., Kim, B., Ko, J., Jeong, S., Noh, M. D., et al. (2017). Micro-flywheel energy storage system with axial flux machine. In 2017 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, 1–6. doi.org/10.1109/AIM.2007.4412435