飛輪儲能的原理及應用前景分析

飛輪儲能的原理及應用前景分析

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作者：王明菊 王輝

概要：飛輪儲能是一種大功率、快響應、高頻次、長壽命的機械類儲能技術， 适用于交通（軌道交通、汽車）、應急電源、電網品質管理（調頻） 等領域。飛輪儲能是一項內建性技術， 高速化、複合材料轉子、内定外轉結構是其未來發展方向。飛輪儲能具有廣闊的應用前景， 但目前處于市場發展前期。

目前， 國内外儲能市場呈現規模大、速度快、政策多、市場熱的特點。中國對儲能的需求巨大且迫切，正處于示範向商業化發展的初期， 國家有一系列政策支援。中國國家能源局出台的指導意見提出：到“十三五” 末， 儲能從工程示範到商業化初期；到“十四五” 末， 從商業化初期到大規模應用。飛輪儲能是一種大功率、快響應、高頻次、長壽命的機械類儲能技術， 具有廣闊的應用前景。

1 飛輪儲能的工作原理

飛輪儲能是一種源于航天的先進實體儲能技術，是指利用電能驅動飛輪高速旋轉， 将電能轉換為機械能， 在需要的時候通過飛輪慣性拖動電機發電， 将儲存的機械能變為電能輸出（即所謂的飛輪放電） 的一種儲能方式。不同于其他電池技術， 其優越性展現在短時、高頻次、大功率充放電特性上， 主要應用在電網調頻、新能源電站并網、軌道交通、大功率UPS（Uninterruptible Power Supply， 不間斷電源） 等領域。

飛輪儲能系統通常包括飛輪、電機、軸承、密封殼體、電力控制器和監控儀表， 具體如圖1所示。

圖1 飛輪儲能系統結構圖

2 飛輪儲能技術分析

2.1 飛輪儲能的技術特點

飛輪儲能是一種分秒級、大功率、長壽命、高效率的功率型儲能技術。相較于其他技術， 飛輪儲能的特點在于， 幾乎無摩擦損耗、風阻小；比功率可達8 kW/kg 以上，遠遠高于傳統電化學儲能技術；其壽命主要取決于飛輪材料的疲勞壽命和系統中電子元器件的壽命。目前， 飛輪儲能的使用壽命可達20'a 以上， 且使用壽命不受充放電深度的影響；運作過程中無有害物質産生；運作過程中幾乎不需要維護；工況環境适應性好，-20～50'℃下都能正常工作。飛輪儲能的技術特點和應用場合如表1所示。

表1 飛輪儲能的技術特點和應用場合

2.2 飛輪儲能的發展方向分析

飛輪儲能的計算公式為：

式(1)中， E 為動能， J；J 為轉動慣量， kg·m²；ω 為角速度， rad/s。

由式(1)可知， 在轉子既定的情況下， 轉子品質與儲能量為等比正相關， 轉速提升與儲能量為正平方關系。轉子品質提升和轉速提升都可以實作儲能量提升，轉速提升效果更加明顯。電機輸入、輸出功率公式為：

式(2)中， P 為功率， W；Tmn為轉矩， N·m；Nmn為轉速， r/min。

由式(2)可知， 在電機其他條件既定的情況下， 轉矩、轉速與功率為等比正相關。提高轉速和加大品質2 條技術路線對比情況如表2所示。

表2 技術路線對比

提高轉速是提高飛輪儲能量的有效途徑。基于理論公式可知， 提升轉子品質和轉速均可提升功率和儲能量， 但提高轉速對儲能量、功率的提升效果更加明顯，與高速電機的特性更加比對， 是最有效的技術路線。

轉速提升的關鍵是轉子材料。比較合金材料， 碳纖維具有密度低、抗拉強度高的特點， 更适合比對高速電機， 實作飛輪的高轉速、高功率、高儲能， 而合金飛輪可承受的邊緣線速度較低， 限制了産品儲能量的提高。

是以， 複合材料轉子飛輪是未來發展的主要方向。在成本方面， 合金飛輪和複合材料飛輪的成本臨界點儲電量在53kW·h3左右， 複合材料轉子制作的能量型飛輪更具成本優勢。

2.3 飛輪結構發展方向分析

飛輪有2種主流結構， 即“内定外轉” 和“外定内轉”。飛輪結構比較如表3所示。

表3 飛輪結構比較

由表3 可知， 飛輪“内定外轉” 的結構技術要求高， 但容易實作小型化和高轉速， 是未來飛輪的主要發展方向。

3 應用前景分析

飛輪儲能适用于大功率、響應快、高頻次的場景，典型市場包括UPS、軌道交通、電網調頻三大領域， 未來還将有充電樁、工程機械等新興市場。

3.1 UPS市場

國内外資料中心、通訊基站、重要活動都對電源不間斷有明确的要求， 目前主要使用化學電池+柴油發電機的組合模式。與目前的化學電池相比， 飛輪儲能具有響應速度更快、瞬時功率大、占地面積小、使用壽命長等優點， 更适合與柴油發電機搭配作為UPS電源。

3.2 軌道交通

目前， 地鐵列車進站回收的電能通過電阻放熱方式消耗， 存在資源浪費和沖擊電網的問題。飛輪儲能在列車進站時将回收電能， 在列車出站時釋放電能，發揮節能和友好電網的作用。美國多個地鐵站已經對飛輪儲能進行了示範， 能夠實作節電20%的效果。

3.3 電網調頻市場

電網中發電和用電不平衡會使電網頻率發生波動，為了平抑這種波動， 電網就需要配備總發電容量2%的調頻電站。目前， 中國電網調頻主要是由發電機組承擔， 未來新能源入網比例增加， 電網調頻的需求将更大。飛輪儲能具備功率大、響應速度快、循環能力強等特性， 可以随着電網的變化快速、有效地進行有功/無功補償， 平抑波動負荷， 緩沖發電輸出瞬變， 支撐電網頻率和電壓， 具有很好的應用前景。

3.4 儲能式電動汽車充電樁

儲能式電動汽車充電樁主要應用于電動汽車大功率、快速充電的場合。受現有電網架構容量的限制，建設一個電動汽車充電站涉及到電網的增容、城市規劃調整等一系列問題。帶有儲能環節的大功率電動汽車快速充電樁系統， 可減小充電樁對電網增容的壓力。以磁懸浮儲能飛輪為儲能裝置， 充分利用儲能飛輪慢充快放， 即小功率充電、大功率輸出的典型運作特征， 不僅可以滿足電動汽車快速充電的要求， 又可以規避電網增容的制約。同時， 由于儲能飛輪功率密度高、體積小、布置靈活、綠色環保無污染， 可布置于地下， 消除了建設充電站對市容的影響， 減小了城建工作的壓力。

4 國内目前應用狀況

飛輪儲能系統技術門檻較高， 複合材料結構技術、磁軸承技術、真空中的高速高效電機技術中仍然有一些亟待解決的問題。高速化、複合材料轉子、内定外轉結構是未來發展方向。中國企業基本掌握了合金飛輪技術， 但在結構設計、複合材料轉子飛輪等方面與國外相比有明顯的差距。

國外飛輪儲能技術主要集中在飛輪調頻電站、UPS等領域， 其中有代表性的有Beacon3Power（燈塔電力公司）， 其營運的飛輪調頻電站是國際标杆， 紐約203MW飛輪調頻電站占該地區調頻能力的3%， 但承擔了該地區23.5%的調頻工作量， 調頻準确率95%；Active3Power（艾泰沃公司） 的UPS 産品已經完成了系列化， 累積銷量已經9003MW。

目前， 國内飛輪儲能正處于廣泛實驗階段， 小型樣機已經研制成功， 已有多個示範項目出現。關于飛輪儲能的相關支援政策頻繁出台， 僅統計2019 年， 飛輪儲能既被列入《首台（套） 重大技術裝備推廣應用指導目錄（20193年版）》， 入選工信部需求側管理第三批技術目錄， 20193年綠色資料中心先進适用技術産品目錄，同時被列入《中國制造 2025———能源裝備實施方案》，同時， 中電聯2019 年中釋出了關于征求《平抑短時高頻沖擊負荷用高速飛輪儲能裝置》的意見。中關村儲能聯盟牽頭制定飛輪儲能團體标準。從國家頻繁的支援政策來看， 飛輪市場起步的基礎越來越牢固。

5 總結

在衆多儲能技術中， 飛輪儲能系統因效率高、容量大、響應快和對環境友好等優點備受重視。飛輪儲能系統作為一種逐漸成熟的儲能技術， 已經應用到包括電動汽車、電力領域， 逐漸取代化學電池儲能， 成為儲能行業一支不可忽視的力量。中國飛輪儲能的技術儲備已經基本完成， 正處于商業化前期， 大功率UPS、電網調頻、動能回收等領域已有示範項目推動。

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