陀螺我們小時候都玩過，只要給予它一些啟動的能量，就能在一個平面上轉(zhuǎn)動很久。其實早在上世紀(jì)五十年代，瑞士的工程師就利用類似的原理，制造了一個電能驅(qū)動的大陀螺并用于儲存能量。這種飛輪儲能技術(shù)在過去的幾十年間有了長足的發(fā)展，并且一直具有很強大的生命力。
（來源：電影《盜夢空間》）
簡單來說，飛輪儲能是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將電能以動能形式儲存起來，在需要時飛輪反向帶動電機并輸出電能的能量儲存裝置。典型的飛輪儲能系統(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、雙向變流器、真空室。
飛輪儲能裝置軸承的設(shè)計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轉(zhuǎn)時的損耗，提高飛輪的轉(zhuǎn)速以及飛輪儲能裝置的效率。同時電機和飛輪都被密封在一個真空容器內(nèi)以降低運行時的空氣阻力。為了降低成本，也為了讓系統(tǒng)更加一體化，發(fā)電機和電動機通常公用一臺，通過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)，充放過程中也伴隨著變速，所以飛輪和電網(wǎng)之間還必須通過變流器來連接。
（來源：華中大電氣研究生微信號）
飛輪儲能的優(yōu)點
和目前討論較多的化學(xué)能電池不同，飛輪儲能是用物理方法儲存電能，其大類下還有抽水蓄能和壓縮空氣儲能兩種。對比其他儲能技術(shù)，飛輪儲能主要有以下幾種優(yōu)勢：
1. 壽命長
使用壽命超過20年，循環(huán)壽命非常長，是目前所有儲能技術(shù)中壽命最長的技術(shù)之一。
2. 絕對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，目前先進的飛輪儲能能量密度已經(jīng)超過了150 Wh/kg。功率密度根據(jù)電機大小及應(yīng)用場景有很大差別，最高功率密度可以超過10 kW/kg。
3. 充放效率高
充放效率超過90%，超過幾乎所有化學(xué)電池的充放效率。
4. 適應(yīng)性強
對工作溫度和運行環(huán)境沒有太大要求，適應(yīng)性非常強。
應(yīng)用于太空的飛輪儲能設(shè)備（來源：NASA）
5. 啟動速度快
啟動速度在毫秒級，在所有儲能系統(tǒng)中排名前列。
6. 無污染
飛輪儲能制造和運行過程中都沒有污染，環(huán)境友好。
飛輪（來源：www.energieleben.at）
7. 維護成本低
運行時幾乎沒有損耗，維護成本較低。
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。
模塊化的飛輪儲能設(shè)備（來源：FactSheetmechanisch Schwungradspeicher）
飛輪儲能的缺點
當(dāng)然飛輪儲能也有一些缺點：
1. 靜態(tài)損失較大
由于飛輪在充電狀態(tài)必須保持幾萬轉(zhuǎn)的高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，自放電率高。一般每個充滿狀態(tài)下靜態(tài)損失超過10%/小時。
2. 相對能量密度低
由于大多數(shù)應(yīng)用場景的功率密度要求較高，飛輪儲能一般只能保持幾秒到幾分鐘的放電，相對能量密度較低。
飛輪儲能的應(yīng)用場景
可見，飛輪儲能的優(yōu)缺點明顯，有著其他儲能設(shè)備無法替代的特點。在這些特點下，飛輪儲能也已經(jīng)有了很多成熟的應(yīng)用場景：
1. 不間斷電源
由于啟動速度快，穩(wěn)定可靠，飛輪儲能可以用于不間斷電源的構(gòu)建。在對電能質(zhì)量要求非常高的工廠和醫(yī)院，都可以利用飛輪儲能搭建UPS系統(tǒng)。目前，飛輪儲能在這一領(lǐng)域正在逐漸替代鉛酸電池。
2. 太空
在太空中，環(huán)境相對惡劣，飛輪儲能的應(yīng)用場景更多。且飛輪儲能一次充電可以提供同重量化學(xué)電池的兩倍功率，同負載的使用時間為化學(xué)電池的3-10倍。同時，因為它的轉(zhuǎn)速是可測可控的，可以更精準(zhǔn)方便地查看電量的多少。
3. 交通運輸
在不少交通工具中，飛輪儲能的應(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過程中，飛輪能夠平滑發(fā)動機的出力，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，飛輪儲能能夠很好地平抑風(fēng)電系統(tǒng)的不穩(wěn)定出力，讓風(fēng)場的運行更平穩(wěn)，也能夠在未來直接通過風(fēng)電場給用戶提供可靠的電源。
目前，飛輪儲能系統(tǒng)越來越多地得到行業(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。在許多儲能系統(tǒng)的應(yīng)用導(dǎo)致一系列的環(huán)境問題時，飛輪儲能的優(yōu)勢將具備更大的價值。
參考資料：
1．華中大電氣研究生微信號
2．Technologischerüberblick zur Speicherung von Elektrizit?t, ISEA RWTH Aachen
3．https://www.energie-experten.org/erneuerbare-energien/oekostrom/energiespeicher.html
