陀螺我們小時(shí)候都玩過(guò)，只要給予它一些啟動(dòng)的能量，就能在一個(gè)平面上轉(zhuǎn)動(dòng)很久。其實(shí)早在上世紀(jì)五十年代，瑞士的工程師就利用類似的原理，制造了一個(gè)電能驅(qū)動(dòng)的大陀螺并用于儲(chǔ)存能量。這種飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在過(guò)去的幾十年間有了長(zhǎng)足的發(fā)展，并且一直具有很強(qiáng)大的生命力。
（來(lái)源：電影《盜夢(mèng)空間》）
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，飛輪儲(chǔ)能是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將電能以動(dòng)能形式儲(chǔ)存起來(lái)，在需要時(shí)飛輪反向帶動(dòng)電機(jī)并輸出電能的能量?jī)?chǔ)存裝置。典型的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示, 主要由五部分組成：飛輪轉(zhuǎn)子、支撐軸承、高速電機(jī)、雙向變流器、真空室。
飛輪儲(chǔ)能裝置軸承的設(shè)計(jì)一般都使用非接觸式的磁懸浮軸承技術(shù)，主要為了減少空閑運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的損耗，提高飛輪的轉(zhuǎn)速以及飛輪儲(chǔ)能裝置的效率。同時(shí)電機(jī)和飛輪都被密封在一個(gè)真空容器內(nèi)以降低運(yùn)行時(shí)的空氣阻力。為了降低成本，也為了讓系統(tǒng)更加一體化，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)通常公用一臺(tái)，通過(guò)軸承直接和飛輪連接在一起。由于飛輪的能量和轉(zhuǎn)速有關(guān)，充放過(guò)程中也伴隨著變速，所以飛輪和電網(wǎng)之間還必須通過(guò)變流器來(lái)連接。
（來(lái)源：華中大電氣研究生微信號(hào)）
飛輪儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)
和目前討論較多的化學(xué)能電池不同，飛輪儲(chǔ)能是用物理方法儲(chǔ)存電能，其大類下還有抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能兩種。對(duì)比其他儲(chǔ)能技術(shù)，飛輪儲(chǔ)能主要有以下幾種優(yōu)勢(shì)：
1. 壽命長(zhǎng)
使用壽命超過(guò)20年，循環(huán)壽命非常長(zhǎng)，是目前所有儲(chǔ)能技術(shù)中壽命最長(zhǎng)的技術(shù)之一。
2. 絕對(duì)能量密度和功率密度高
能量密度通常在15到100 Wh/kg之間，隨著新材料和新技術(shù)的發(fā)展，目前先進(jìn)的飛輪儲(chǔ)能能量密度已經(jīng)超過(guò)了150 Wh/kg。功率密度根據(jù)電機(jī)大小及應(yīng)用場(chǎng)景有很大差別，最高功率密度可以超過(guò)10 kW/kg。
3. 充放效率高
充放效率超過(guò)90%，超過(guò)幾乎所有化學(xué)電池的充放效率。
4. 適應(yīng)性強(qiáng)
對(duì)工作溫度和運(yùn)行環(huán)境沒(méi)有太大要求，適應(yīng)性非常強(qiáng)。
應(yīng)用于太空的飛輪儲(chǔ)能設(shè)備（來(lái)源：NASA）
5. 啟動(dòng)速度快
啟動(dòng)速度在毫秒級(jí)，在所有儲(chǔ)能系統(tǒng)中排名前列。
6. 無(wú)污染
飛輪儲(chǔ)能制造和運(yùn)行過(guò)程中都沒(méi)有污染，環(huán)境友好。
飛輪（來(lái)源：www.energieleben.at）
7. 維護(hù)成本低
運(yùn)行時(shí)幾乎沒(méi)有損耗，維護(hù)成本較低。
8. 模塊化
利用最新技術(shù)可以將飛輪的體積做得非常小，根據(jù)需要可以將許多小模塊連接在一起。
模塊化的飛輪儲(chǔ)能設(shè)備（來(lái)源：FactSheetmechanisch Schwungradspeicher）
飛輪儲(chǔ)能的缺點(diǎn)
當(dāng)然飛輪儲(chǔ)能也有一些缺點(diǎn)：
1. 靜態(tài)損失較大
由于飛輪在充電狀態(tài)必須保持幾萬(wàn)轉(zhuǎn)的高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，自放電率高。一般每個(gè)充滿狀態(tài)下靜態(tài)損失超過(guò)10%/小時(shí)。
2. 相對(duì)能量密度低
由于大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景的功率密度要求較高，飛輪儲(chǔ)能一般只能保持幾秒到幾分鐘的放電，相對(duì)能量密度較低。
飛輪儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景
可見(jiàn)，飛輪儲(chǔ)能的優(yōu)缺點(diǎn)明顯，有著其他儲(chǔ)能設(shè)備無(wú)法替代的特點(diǎn)。在這些特點(diǎn)下，飛輪儲(chǔ)能也已經(jīng)有了很多成熟的應(yīng)用場(chǎng)景：
1. 不間斷電源
由于啟動(dòng)速度快，穩(wěn)定可靠，飛輪儲(chǔ)能可以用于不間斷電源的構(gòu)建。在對(duì)電能質(zhì)量要求非常高的工廠和醫(yī)院，都可以利用飛輪儲(chǔ)能搭建UPS系統(tǒng)。目前，飛輪儲(chǔ)能在這一領(lǐng)域正在逐漸替代鉛酸電池。
2. 太空
在太空中，環(huán)境相對(duì)惡劣，飛輪儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景更多。且飛輪儲(chǔ)能一次充電可以提供同重量化學(xué)電池的兩倍功率，同負(fù)載的使用時(shí)間為化學(xué)電池的3-10倍。同時(shí)，因?yàn)樗霓D(zhuǎn)速是可測(cè)可控的，可以更精準(zhǔn)方便地查看電量的多少。
3. 交通運(yùn)輸
在不少交通工具中，飛輪儲(chǔ)能的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，在火車、公交和不少轎車的剎車以及啟動(dòng)過(guò)程中，飛輪能夠平滑發(fā)動(dòng)機(jī)的出力，節(jié)省燃料消耗。
4. 風(fēng)電系統(tǒng)輔助電池
風(fēng)電系統(tǒng)通常都有著間歇性大、發(fā)電不穩(wěn)定的特點(diǎn)，飛輪儲(chǔ)能能夠很好地平抑風(fēng)電系統(tǒng)的不穩(wěn)定出力，讓風(fēng)場(chǎng)的運(yùn)行更平穩(wěn)，也能夠在未來(lái)直接通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)給用戶提供可靠的電源。
目前，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)越來(lái)越多地得到行業(yè)的重視，很多技術(shù)正在逐漸從航空和軍事領(lǐng)域轉(zhuǎn)移到民用領(lǐng)域。在許多儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用導(dǎo)致一系列的環(huán)境問(wèn)題時(shí)，飛輪儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)將具備更大的價(jià)值。
參考資料：
1．華中大電氣研究生微信號(hào)
2．Technologischerüberblick zur Speicherung von Elektrizit?t, ISEA RWTH Aachen
3．https://www.energie-experten.org/erneuerbare-energien/oekostrom/energiespeicher.html
