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01 飛輪儲能是什么？
飛輪儲能系統(tǒng)是一種機電能量轉(zhuǎn)換和儲存裝置，屬于物理儲能。飛輪儲能系統(tǒng)以飛輪本體高速旋轉(zhuǎn)的形式存儲動能，并通過與飛輪本體同軸的電動發(fā)電機完成動能與電能之間的轉(zhuǎn)換。通俗來講，飛輪儲能就像一種可以儲存電能的陀螺。
02 飛輪儲能裝置的組成
飛輪儲能裝置主要由以下幾個核心組件組成：
飛輪本體：飛輪本體是儲能系統(tǒng)的核心部件，通常采用高強度碳素纖維復(fù)合材料制作，以提高極限角速度和減輕重量，從而最大化儲能量。
軸承系統(tǒng)：軸承系統(tǒng)的作用是支撐飛輪轉(zhuǎn)子，減少摩擦阻力，確保裝置高效、可靠地運行。常見的軸承類型包括磁懸浮軸承，這種軸承可以顯著降低機械損耗。
電動/發(fā)電機：集成在一個部件中的電動/發(fā)電機負(fù)責(zé)實現(xiàn)電能與機械能之間的轉(zhuǎn)換。在儲能模式下，電機驅(qū)動飛輪加速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換為機械能儲存；在釋能模式下，電機作為發(fā)電機運行，將儲存的機械能轉(zhuǎn)換回電能供外部負(fù)載使用。
電力轉(zhuǎn)換裝置：電力轉(zhuǎn)換裝置用于提高系統(tǒng)的靈活性和控制性，將飛輪儲能系統(tǒng)的輸出電能進行調(diào)頻、整流或恒壓處理，以滿足不同的負(fù)載需求。
真空室：真空室主要提供真空環(huán)境，以降低電機運行時的風(fēng)阻損耗，從而提高整個系統(tǒng)的效率。
03 飛輪儲能的工作原理
飛輪儲能系統(tǒng)是一種用物理方法實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的儲能裝置。
在儲能時，電能通過電力轉(zhuǎn)換器變換后驅(qū)動電機運行，電機帶動飛輪加速轉(zhuǎn)動，飛輪以動能的形式把能量儲存起來，完成電能到機械能轉(zhuǎn)換的儲存能量過程，能量儲存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪體中。之后，電機維持一個恒定的轉(zhuǎn)速，直到接收到一個能量釋放的控制信號。
在釋能時，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪拖動電機發(fā)電，經(jīng)電力轉(zhuǎn)換器輸出適用于負(fù)載的電流與電壓，完成機械能到電能轉(zhuǎn)換的釋放能量過程。
整個飛輪儲能系統(tǒng)實現(xiàn)了電能的輸入、儲存和輸岀過程。
圖為飛輪儲能工作原理圖
圖片來源：國家能源之聲
04 飛輪儲能技術(shù)分類
從飛輪特性上分類，飛輪儲能系統(tǒng)可分為功率型飛輪與能量型飛輪。
功率型飛輪指存儲能量較小、單體功率較大、充電速度快、響應(yīng)迅速，且可以頻繁充放電的飛輪。
能量型飛輪指存儲能量較大、充放電時間較長的飛輪。
從飛輪轉(zhuǎn)子的材質(zhì)分類，飛輪儲能系統(tǒng)可分為鋼質(zhì)材料飛輪與復(fù)合材料飛輪。
鋼質(zhì)材料飛輪指使用鋼材作為制作材料的飛輪，目前應(yīng)用成熟，但工作時一旦發(fā)生事故，飛輪會擊碎容器飛出，危險性較大。
復(fù)合材料飛輪指使用多種材料的飛輪，無轉(zhuǎn)子解體后擊穿殼體的風(fēng)險，可頻繁深度充放電、生命周期內(nèi)基本免維護。
05 飛輪儲能技術(shù)特點
相較于其他類型的儲能系統(tǒng)而言，飛輪儲能具備如下特性：
飛輪放電速度極快，可以在幾秒鐘內(nèi)提供大量電能，效率能達到90%-95%;
通過飛輪的轉(zhuǎn)速可以獲取儲能系統(tǒng)的SOC；
飛輪儲能自放電率比其他存儲技術(shù)更高的，這成為其發(fā)展的主要限制之一；
飛輪的充電和放電不受DOD的影響，并且有研究表明飛輪儲能的生命周期也與DOD無關(guān)；
飛輪儲能具有在頻繁淺放電和淺放電條件下高效運行的能力；
飛輪儲能具有在頻繁淺放電和淺放電條件下高效運行的能力；
飛輪儲能在運行過程中不會釋放有害物質(zhì)，對環(huán)境較為友好；
飛輪儲能的額定能量由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子尺寸決定，而額定功率則由電機和相關(guān)電力電子元件的尺寸確定。
06 飛輪儲能的優(yōu)勢
響應(yīng)速度快：能夠在毫秒級時間內(nèi)實現(xiàn)充放電，滿足對快速動態(tài)響應(yīng)的需求。
效率高：能量轉(zhuǎn)換過程中的損失較小，可有效提高能源利用效率。
耐用性強：飛輪結(jié)構(gòu)相對簡單，不易損壞，具有較長的使用壽命。
環(huán)保節(jié)能：不產(chǎn)生有害物質(zhì)，對環(huán)境友好。
07 飛輪儲能系統(tǒng)設(shè)計要點
飛輪儲能系統(tǒng)設(shè)計時，考慮因素包括飛輪系統(tǒng)發(fā)熱量和通風(fēng)量、設(shè)備的消防設(shè)施、飛輪轉(zhuǎn)子失穩(wěn)對外界可能產(chǎn)生的破壞性影響等。所有這些因素，都在保障飛輪儲能系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，從而提升整個電力系統(tǒng)的效率。
飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)考慮失效產(chǎn)生破壞對建筑的影響。
飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)核對地面承重能力，承重不滿足設(shè)備安裝要求時，應(yīng)對地面進行加固。
飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)飛輪系統(tǒng)發(fā)熱量核算通風(fēng)量，通風(fēng)量不滿足散熱要求時，應(yīng)改造通風(fēng)道或加裝空調(diào)。
飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)配置氣體滅火或自動噴淋裝置。
飛輪儲能系統(tǒng)滿載運行時在距離設(shè)備水平位置1 m處的噪聲不應(yīng)大于85 dB。
飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)具備機械危險防護措施。飛輪轉(zhuǎn)子失穩(wěn)不應(yīng)對外界產(chǎn)生破壞性影響，且應(yīng)具備緊急停機功能。
08 飛輪儲能發(fā)展歷史
20世紀(jì)50年代，學(xué)術(shù)界就開始了飛輪儲能的研究，但進展緩慢。70至80年代，石油危機爆發(fā)，美國開始大力發(fā)展能源項目。隨著技術(shù)的不斷突破，飛輪儲能在歐美等發(fā)達國家和地區(qū)逐漸實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。中國飛輪儲能起步晚于歐美，2022年擁有首臺自主知識產(chǎn)權(quán)的兆瓦級飛輪儲能裝置。
萌芽期：1950-1990年
階段特征：學(xué)術(shù)界針對飛輪儲能技術(shù)初步展開探索，石油危機的爆發(fā)促進發(fā)達國家積極布局新型能源項目，加大飛輪儲能技術(shù)研發(fā)力度，計劃以新型能 源逐步替代傳統(tǒng)能源，滿足國家能源安全需求，并推動飛輪儲能向高能量密度方向發(fā)展。
啟動期：1991-2021年
階段特征：自20世紀(jì)90年代開始，飛輪儲能逐步實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。中國飛輪儲能研究起步較晚，2010年左右開始出現(xiàn)相關(guān)技術(shù)開發(fā)公司，通過引進國外先進技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。2020年中國首個飛輪儲能系統(tǒng)團體標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，飛輪儲能行業(yè)技術(shù)積累逐漸成熟，走向規(guī)范化發(fā)展。
高速發(fā)展期：2022年至今
階段特征：2022年，中國誕生首臺擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的兆瓦級飛輪儲能裝置，飛輪儲能系統(tǒng)在城軌交通領(lǐng)域陸續(xù)展開示范應(yīng)用。國內(nèi)飛輪儲能技術(shù) 發(fā)展迅速，本土企業(yè)自主研發(fā)的飛輪儲能系統(tǒng)有望成為全球功率最大的商業(yè)化飛輪儲能裝置。
09 飛輪儲能產(chǎn)業(yè)鏈
飛輪儲能產(chǎn)業(yè)鏈包括上游的原材料供應(yīng)商、中游的制造和系統(tǒng)集成，以及下游的應(yīng)用三個部分。其中上游原材料主要包括儲能裝置核心部件、儲能輪體、電機、飛輪外殼等，下游飛輪儲能可用于不間斷電源、應(yīng)急電源、電網(wǎng)調(diào)峰和頻率控制等。
10 代表企業(yè)
11 飛輪儲能應(yīng)用場景
電網(wǎng)調(diào)頻：電網(wǎng)中發(fā)電和用電不平衡會使電網(wǎng)頻率發(fā)生波動，為了平抑這種波動， 電網(wǎng)就需要配備總發(fā)電容量2%的調(diào)頻電站。隨著新能源的入網(wǎng)，電網(wǎng)調(diào)頻的需求將更大。
城軌交通：主要利用飛輪儲能在列車進站時回收電能，列車出站時釋放電能，發(fā)揮節(jié)能和友好電網(wǎng)的作用，解決資源浪費和沖擊電網(wǎng)的問題。
UPS市場：主要用于有不間斷電源要求的場景，如數(shù)據(jù)中心、通訊基站等，利用其具有響應(yīng)速度快、瞬時功率大、占地面積小、使用壽命長等優(yōu)點。
電動汽車充電樁：儲能飛輪在電動汽車大功率、快速充電的場景下，不僅減小充電樁對電網(wǎng)增容的壓力，又可以規(guī)避電網(wǎng)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(huán)保無污染，可布置于地下， 減小城建工作的壓力。
12 飛輪儲能行業(yè)未來發(fā)展趨勢
飛輪儲能系統(tǒng)將在可再生能源集成中扮演關(guān)鍵角色，幫助平衡電力供應(yīng)。伴隨著全球可再生能源的應(yīng)用提升，飛輪將成為重要的能源存儲解決方案，確保電網(wǎng)穩(wěn)定運行。同時隨著飛輪儲能未來技術(shù)進一步成熟、成本下降和應(yīng)用領(lǐng)域拓寬，飛輪儲能在能源可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域有著非常廣闊的發(fā)展空間。未來飛輪儲能技術(shù)的未來研究重點將從列陣化、自動化、智能化、高性能、高穩(wěn)定性等角度出發(fā)，主要包括以下幾個方面：
1、新型飛輪復(fù)合材料的研發(fā)。飛輪轉(zhuǎn)子的材料強度極大限制了儲能系統(tǒng)的能量密度和轉(zhuǎn)換效率，使用更高強度的新型復(fù)合材料可獲得更大的儲能密度。
2、新型超導(dǎo)磁懸浮軸承的研發(fā)。先進的軸承系統(tǒng)能夠有效減少飛輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中的摩擦損耗，提高轉(zhuǎn)子的極限速度，減少自放電損失，提升系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與安全性。
3、高速永磁電機的研發(fā)。飛輪儲能系統(tǒng)的電機要滿足轉(zhuǎn)速適應(yīng)力強、極限轉(zhuǎn)速高、損耗率低等要求，在永磁電機現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，仍需要進行深入優(yōu)化與設(shè)計。
4、大容量飛輪儲能列陣式運行與控制技術(shù)。將儲能系統(tǒng)單元進行模塊化，實現(xiàn)多個飛輪儲能系統(tǒng)列陣式的運行，可以大幅度提升儲能的規(guī)模，使得更好應(yīng)用于大容量負(fù)載需求的情況。優(yōu)秀的控制系統(tǒng)可以增加系統(tǒng)效率，加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，并可緩解由于控制不當(dāng)造成的飛輪電機損壞等問題。
