中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是一種新興電能存儲(chǔ)技術(shù)，通過(guò)在低摩擦環(huán)境中高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子來(lái)存儲(chǔ)動(dòng)能，屬于機(jī)械類儲(chǔ)能技術(shù)。具有大功率、快響應(yīng)、高頻次、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，適用于交通（軌道交通、汽車）、應(yīng)急電源、電網(wǎng)質(zhì)量管理（調(diào)頻）等領(lǐng)域。飛輪儲(chǔ)能是一項(xiàng)集成性技術(shù)，高速化、復(fù)合材料轉(zhuǎn)子、內(nèi)定外轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)是其未來(lái)發(fā)展方向。飛輪儲(chǔ)能具有廣闊的應(yīng)用前景，但目前處于市場(chǎng)發(fā)展前期。
目前，國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)能市場(chǎng)呈現(xiàn)規(guī)模大、速度快、政策多、市場(chǎng)熱的特點(diǎn)。中國(guó)對(duì)儲(chǔ)能的需求巨大且迫切，正處于示范向商業(yè)化發(fā)展的初期，國(guó)家有一系列政策支持。中國(guó)國(guó)家能源局出臺(tái)的指導(dǎo)意見(jiàn)提出：到“十三五”末，儲(chǔ)能從工程示范到商業(yè)化初期；到“十四五”末，從商業(yè)化初期到大規(guī)模應(yīng)用。飛輪儲(chǔ)能是一種大功率、快響應(yīng)、高頻次、長(zhǎng)壽命的機(jī)械類儲(chǔ)能技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
1 飛輪儲(chǔ)能的工作原理及構(gòu)成
整個(gè)飛輪儲(chǔ)存裝置是在封閉殼體中，提供高真空以減少阻力，保護(hù)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。飛輪儲(chǔ)能具有儲(chǔ)能密度較高、能量轉(zhuǎn)換效率高（可達(dá)90%）、充放電次數(shù)與充放電深度無(wú)關(guān)、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。飛輪系統(tǒng)在電力系統(tǒng)領(lǐng)域（包括可再生能源并網(wǎng)、調(diào)頻等方向）、軌道交通工具、UPS、航天航空等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
飛輪儲(chǔ)能電源系統(tǒng)主要由三部分組成：1)飛輪；2)電機(jī)：電動(dòng)機(jī)+發(fā)電機(jī)；3)軸承：為轉(zhuǎn)子提供低耗損支撐。飛能儲(chǔ)能在“充電”時(shí)，電動(dòng)機(jī)會(huì)發(fā)動(dòng)將飛輪加速，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能儲(chǔ)存。當(dāng)需要用電時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)速下降，透過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能給外部供電。
2 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)劣勢(shì)
2.1飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)特點(diǎn)
飛輪儲(chǔ)能是一種分秒級(jí)、大功率、長(zhǎng)壽命、高效率的功率型儲(chǔ)能技術(shù)。相較于其他技術(shù)，飛輪儲(chǔ)能的特點(diǎn)在于，幾乎無(wú)摩擦損耗、風(fēng)阻??；比功率可達(dá)8kW/kg以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)；其壽命主要取決于飛輪材料的疲勞壽命和系統(tǒng)中電子元器件的壽命。目前，飛輪儲(chǔ)能的使用壽命可達(dá)200萬(wàn)次以上，且使用壽命不受充放電深度的影響；運(yùn)行過(guò)程中無(wú)有害物質(zhì)產(chǎn)生；運(yùn)行過(guò)程中幾乎不需要維護(hù)；工況環(huán)境適應(yīng)性好，-20～50'℃下都能正常工作。飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合如表1所示。
表1飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合
2.2飛輪儲(chǔ)能的發(fā)展方向分析
飛輪儲(chǔ)能的計(jì)算公式為：
式(2)中，P為功率，W；Tmn為轉(zhuǎn)矩，N·m；Nmn為轉(zhuǎn)速，r/min。
由式(2)可知，在電機(jī)其他條件既定的情況下，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速與功率為等比正相關(guān)。
2.2飛輪儲(chǔ)能的優(yōu)劣
（1）飛輪儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)
1)功率特性好，響應(yīng)速度快，可實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)大功率充放電、可靠性高；
2)高效率、免維護(hù)，磁懸浮支撐無(wú)摩擦損耗，系統(tǒng)維護(hù)周期長(zhǎng)；
3)不受重復(fù)深度放電次數(shù)影響，使用壽命一般在20年以上；
4)適用溫度寬泛，容量特性不受高低溫影響，工作溫度一般在-10至+40°C；
5)無(wú)化學(xué)物質(zhì)，綠色環(huán)保、無(wú)污染。
（2）飛輪儲(chǔ)能的劣勢(shì)
1)由于飛輪轉(zhuǎn)速可達(dá)4萬(wàn)~5萬(wàn)轉(zhuǎn)/分鐘，因此飛輪一般采用碳纖維材質(zhì)，成本較高；
2)能量釋放持續(xù)時(shí)間較短，一般只有幾十秒鐘，且自放電率高，若停止充電，能量在幾十個(gè)小時(shí)內(nèi)就會(huì)被全部損耗。
3 應(yīng)用前景分析
飛輪儲(chǔ)能適用于大功率、響應(yīng)快、高頻次的場(chǎng)景，典型市場(chǎng)包括UPS、軌道交通、電網(wǎng)調(diào)頻三大領(lǐng)域，未來(lái)還將有充電樁、工程機(jī)械等新興市場(chǎng)。
3.1、UPS市場(chǎng)
國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)中心、通訊基站、重要活動(dòng)都對(duì)電源不間斷有明確的要求，目前主要使用化學(xué)電池+柴油發(fā)電機(jī)的組合模式。與目前的化學(xué)電池相比，飛輪儲(chǔ)能具有響應(yīng)速度更快、瞬時(shí)功率大、占地面積小、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，更適合與柴油發(fā)電機(jī)搭配作為UPS電源。
3.2、軌道交通
目前，地鐵列車進(jìn)站回收的電能通過(guò)電阻放熱方式消耗，存在資源浪費(fèi)和沖擊電網(wǎng)的問(wèn)題。飛輪儲(chǔ)能在列車進(jìn)站時(shí)將回收電能，在列車出站時(shí)釋放電能，發(fā)揮節(jié)能和友好電網(wǎng)的作用。美國(guó)多個(gè)地鐵站已經(jīng)對(duì)飛輪儲(chǔ)能進(jìn)行了示范，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)電20%的效果。
3.3、電網(wǎng)調(diào)頻市場(chǎng)
飛輪調(diào)頻電站，比電化學(xué)的調(diào)頻電站建設(shè)時(shí)間還早一些。飛輪儲(chǔ)能作為一種儲(chǔ)能設(shè)備，有別于一般的能量型儲(chǔ)能設(shè)備，是功率型儲(chǔ)能設(shè)備，可以用于功率的短時(shí)支撐。
電網(wǎng)中發(fā)電和用電不平衡會(huì)使電網(wǎng)頻率發(fā)生波動(dòng)，為了平抑這種波動(dòng)，電網(wǎng)就需要配備總發(fā)電容量2%的調(diào)頻電站。目前，中國(guó)電網(wǎng)調(diào)頻主要是由發(fā)電機(jī)組承擔(dān)，未來(lái)新能源入網(wǎng)比例增加，電網(wǎng)調(diào)頻的需求將更大。飛輪儲(chǔ)能具備功率大、響應(yīng)速度快、循環(huán)能力強(qiáng)等特性，可以隨著電網(wǎng)的變化快速、有效地進(jìn)行有功/無(wú)功補(bǔ)償，平抑波動(dòng)負(fù)荷，緩沖發(fā)電輸出瞬變，支撐電網(wǎng)頻率和電壓，具有很好的應(yīng)用前景。
3.4、儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車充電樁
儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車充電樁主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車大功率、快速充電的場(chǎng)合。受現(xiàn)有電網(wǎng)框架容量的限制，建設(shè)一個(gè)電動(dòng)汽車充電站涉及到電網(wǎng)的增容、城市規(guī)劃調(diào)整等一系列問(wèn)題。帶有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的大功率電動(dòng)汽車快速充電樁系統(tǒng)，可減小充電樁對(duì)電網(wǎng)增容的壓力。以磁懸浮儲(chǔ)能飛輪為儲(chǔ)能裝置，充分利用儲(chǔ)能飛輪慢充快放，即小功率充電、大功率輸出的典型運(yùn)行特征，不僅可以滿足電動(dòng)汽車快速充電的要求，又可以規(guī)避電網(wǎng)增容的制約。同時(shí)，由于儲(chǔ)能飛輪功率密度高、體積小、布置靈活、綠色環(huán)保無(wú)污染，可布置于地下，消除了建設(shè)充電站對(duì)市容的影響，減小了城建工作的壓力。
4 目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用狀況
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)門檻較高，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)、磁軸承技術(shù)、真空中的高速高效電機(jī)技術(shù)中仍然有一些亟待解決的問(wèn)題。高速化、復(fù)合材料轉(zhuǎn)子、內(nèi)定外轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)是未來(lái)發(fā)展方向。中國(guó)企業(yè)基本掌握了合金飛輪技術(shù)，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、復(fù)合材料轉(zhuǎn)子飛輪等方面與國(guó)外相比有明顯的差距。
飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在國(guó)外，特別是北美，早在上世紀(jì)五六十年代就開(kāi)始探索了。誕生了需求相對(duì)剛性，盈利模型較為清晰的商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，即電網(wǎng)調(diào)頻應(yīng)用，形成了穩(wěn)定而成熟的技術(shù)與產(chǎn)品，并經(jīng)受住了商業(yè)運(yùn)行的考驗(yàn)，出現(xiàn)了飛輪儲(chǔ)能行業(yè)的頭部企業(yè)。加拿大的Temporal Power公司的各類型研發(fā)投入總計(jì)高達(dá)3500萬(wàn)加元。美國(guó)的Beacon Power公司各類型研發(fā)投入更是高達(dá)2.5億美元。這兩家企業(yè)的共同技術(shù)特點(diǎn)就是為電網(wǎng)調(diào)頻商業(yè)應(yīng)用而研發(fā)設(shè)計(jì)制造的。
我國(guó)自主研發(fā)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)已有幾十年的歷史，主要以各高校理論研究為主。目前國(guó)內(nèi)有近十家飛輪儲(chǔ)能廠商進(jìn)行飛輪儲(chǔ)能設(shè)備的研發(fā)，已經(jīng)部署的工程應(yīng)用還不多。2022年飛輪儲(chǔ)能漸漸升溫，在出現(xiàn)一個(gè)具有標(biāo)桿示范性的飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目并網(wǎng)運(yùn)行之前，整個(gè)行業(yè)都會(huì)處于摸索前行狀態(tài)。
飛輪儲(chǔ)能設(shè)備是以精密制造為基礎(chǔ)的、多學(xué)科融合的機(jī)電一體化設(shè)備，其主要的瓶頸在于高質(zhì)量和穩(wěn)定性的規(guī)?；a(chǎn)能力，目前國(guó)內(nèi)大部分飛輪產(chǎn)生技術(shù)/產(chǎn)品還處于樣機(jī)試制階段，離規(guī)?；a(chǎn)仍有較大的距離。
從全球看，電網(wǎng)側(cè)飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用在調(diào)頻領(lǐng)域應(yīng)用是成熟的，2011年第一個(gè)商用飛輪儲(chǔ)能調(diào)頻電站并網(wǎng)運(yùn)行至今，已經(jīng)有十年以上應(yīng)用，至今仍在運(yùn)行。加拿大的第一個(gè)商用飛輪儲(chǔ)能調(diào)頻電站在2014年并網(wǎng)，至今也在為當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)提供調(diào)頻輔助服務(wù)。
但商用飛輪儲(chǔ)能調(diào)頻電站沒(méi)有大規(guī)模建設(shè)，和北美的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)特點(diǎn)有關(guān)。北美的火電以燃?xì)鈾C(jī)組為主，燃?xì)鈾C(jī)組的調(diào)節(jié)能力大約相當(dāng)于燃煤機(jī)組的六倍。北美電網(wǎng)以區(qū)域性的小電網(wǎng)為主，飛輪儲(chǔ)能調(diào)頻電站的調(diào)頻能力過(guò)強(qiáng)，在小電網(wǎng)中難以發(fā)揮其優(yōu)異的調(diào)節(jié)作用。
根據(jù)《2022儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)應(yīng)用研究報(bào)告》，目前 2021 年全球儲(chǔ)能市場(chǎng)裝機(jī)功率 205.3GW，飛輪儲(chǔ)能占比僅為 0.47%，仍處于非主流的一種儲(chǔ)能方式。 2022 年 3 月， 國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局發(fā)布關(guān)于印發(fā)《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》，提出要重點(diǎn)建設(shè)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)試點(diǎn)示范項(xiàng)目，到 2025 年兆瓦級(jí)飛輪儲(chǔ)能等機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)逐步成熟。國(guó)內(nèi)已有部分飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目獲批或在建。
在眾多儲(chǔ)能技術(shù)中，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)因效率高、容量大、響應(yīng)快和對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)備受重視。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)作為一種逐漸成熟的儲(chǔ)能技術(shù)， 已經(jīng)應(yīng)用到包括電動(dòng)汽車、電力領(lǐng)域， 逐步取代化學(xué)電池儲(chǔ)能， 成為儲(chǔ)能行業(yè)一支不可忽視的力量。中國(guó)飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)儲(chǔ)備已經(jīng)基本完成， 正處于商業(yè)化前期， 大功率UPS、電網(wǎng)調(diào)頻、動(dòng)能回收等領(lǐng)域已有示范項(xiàng)目推動(dòng)。
