作者：王明菊 王辉
《能源与研究》飞轮储能的原理及应用前景分析
概要：飞轮储能是一种大功率、快响应、高频次、长寿命的机械类储能技术， 适用于交通（轨道交通、汽车）、应急电源、电网质量管理（调频） 等领域。飞轮储能是一项集成性技术， 高速化、复合材料转子、内定外转结构是其未来发展方向。飞轮储能具有广阔的应用前景， 但目前处于市场发展前期。
目前， 国内外储能市场呈现规模大、速度快、政策多、市场热的特点。中国对储能的需求巨大且迫切，正处于示范向商业化发展的初期， 国家有一系列政策支持。中国国家能源局出台的指导意见提出：到“十三五” 末， 储能从工程示范到商业化初期；到“十四五” 末， 从商业化初期到大规模应用。飞轮储能是一种大功率、快响应、高频次、长寿命的机械类储能技术， 具有广阔的应用前景。
1 飞轮储能的工作原理
飞轮储能是一种源于航天的先进物理储能技术，是指利用电能驱动飞轮高速旋转， 将电能转换为机械能， 在需要的时候通过飞轮惯性拖动电机发电， 将储存的机械能变为电能输出（即所谓的飞轮放电） 的一种储能方式。不同于其他电池技术， 其优越性体现在短时、高频次、大功率充放电特性上， 主要应用在电网调频、新能源电站并网、轨道交通、大功率UPS（Uninterruptible Power Supply， 不间断电源） 等领域。
飞轮储能系统通常包括飞轮、电机、轴承、密封壳体、电力控制器和监控仪表， 具体如图1所示。
图1 飞轮储能系统结构图
2 飞轮储能技术分析
2.1 飞轮储能的技术特点
飞轮储能是一种分秒级、大功率、长寿命、高效率的功率型储能技术。相较于其他技术， 飞轮储能的特点在于， 几乎无摩擦损耗、风阻小；比功率可达8 kW/kg 以上，远远高于传统电化学储能技术；其寿命主要取决于飞轮材料的疲劳寿命和系统中电子元器件的寿命。目前， 飞轮储能的使用寿命可达20'a 以上， 且使用寿命不受充放电深度的影响；运行过程中无有害物质产生；运行过程中几乎不需要维护；工况环境适应性好，-20～50'℃下都能正常工作。飞轮储能的技术特点和应用场合如表1所示。
表1 飞轮储能的技术特点和应用场合
2.2 飞轮储能的发展方向分析
飞轮储能的计算公式为：
式(1)中， E 为动能， J；J 为转动惯量， kg·m²；ω 为角速度， rad/s。
由式(1)可知， 在转子既定的情况下， 转子质量与储能量为等比正相关， 转速提升与储能量为正平方关系。转子质量提升和转速提升都可以实现储能量提升，转速提升效果更加明显。电机输入、输出功率公式为：
式(2)中， P 为功率， W；Tmn为转矩， N·m；Nmn为转速， r/min。
由式(2)可知， 在电机其他条件既定的情况下， 转矩、转速与功率为等比正相关。提高转速和加大质量2 条技术路线对比情况如表2所示。
表2 技术路线对比
提高转速是提高飞轮储能量的有效途径。基于理论公式可知， 提升转子质量和转速均可提升功率和储能量， 但提高转速对储能量、功率的提升效果更加明显，与高速电机的特性更加匹配， 是最有效的技术路线。
转速提升的关键是转子材料。比较合金材料， 碳纤维具有密度低、抗拉强度高的特点， 更适合匹配高速电机， 实现飞轮的高转速、高功率、高储能， 而合金飞轮可承受的边缘线速度较低， 限制了产品储能量的提高。
因此， 复合材料转子飞轮是未来发展的主要方向。在成本方面， 合金飞轮和复合材料飞轮的成本临界点储电量在53kW·h3左右， 复合材料转子制作的能量型飞轮更具成本优势。
2.3 飞轮结构发展方向分析
飞轮有2种主流结构， 即“内定外转” 和“外定内转”。飞轮结构比较如表3所示。
表3 飞轮结构比较
由表3 可知， 飞轮“内定外转” 的结构技术要求高， 但容易实现小型化和高转速， 是未来飞轮的主要发展方向。
3 应用前景分析
飞轮储能适用于大功率、响应快、高频次的场景，典型市场包括UPS、轨道交通、电网调频三大领域， 未来还将有充电桩、工程机械等新兴市场。
3.1 UPS市场
国内外数据中心、通讯基站、重要活动都对电源不间断有明确的要求， 目前主要使用化学电池+柴油发电机的组合模式。与目前的化学电池相比， 飞轮储能具有响应速度更快、瞬时功率大、占地面积小、使用寿命长等优点， 更适合与柴油发电机搭配作为UPS电源。
3.2 轨道交通
目前， 地铁列车进站回收的电能通过电阻放热方式消耗， 存在资源浪费和冲击电网的问题。飞轮储能在列车进站时将回收电能， 在列车出站时释放电能，发挥节能和友好电网的作用。美国多个地铁站已经对飞轮储能进行了示范， 能够实现节电20%的效果。
3.3 电网调频市场
电网中发电和用电不平衡会使电网频率发生波动，为了平抑这种波动， 电网就需要配备总发电容量2%的调频电站。目前， 中国电网调频主要是由发电机组承担， 未来新能源入网比例增加， 电网调频的需求将更大。飞轮储能具备功率大、响应速度快、循环能力强等特性， 可以随着电网的变化快速、有效地进行有功/无功补偿， 平抑波动负荷， 缓冲发电输出瞬变， 支撑电网频率和电压， 具有很好的应用前景。
3.4 储能式电动汽车充电桩
储能式电动汽车充电桩主要应用于电动汽车大功率、快速充电的场合。受现有电网框架容量的限制，建设一个电动汽车充电站涉及到电网的增容、城市规划调整等一系列问题。带有储能环节的大功率电动汽车快速充电桩系统， 可减小充电桩对电网增容的压力。以磁悬浮储能飞轮为储能装置， 充分利用储能飞轮慢充快放， 即小功率充电、大功率输出的典型运行特征， 不仅可以满足电动汽车快速充电的要求， 又可以规避电网增容的制约。同时， 由于储能飞轮功率密度高、体积小、布置灵活、绿色环保无污染， 可布置于地下， 消除了建设充电站对市容的影响， 减小了城建工作的压力。
4 国内目前应用状况
飞轮储能系统技术门槛较高， 复合材料结构技术、磁轴承技术、真空中的高速高效电机技术中仍然有一些亟待解决的问题。高速化、复合材料转子、内定外转结构是未来发展方向。中国企业基本掌握了合金飞轮技术， 但在结构设计、复合材料转子飞轮等方面与国外相比有明显的差距。
国外飞轮储能技术主要集中在飞轮调频电站、UPS等领域， 其中有代表性的有Beacon3Power（灯塔电力公司）， 其运营的飞轮调频电站是国际标杆， 纽约203MW飞轮调频电站占该地区调频能力的3%， 但承担了该地区23.5%的调频工作量， 调频准确率95%；Active3Power（艾泰沃公司） 的UPS 产品已经完成了系列化， 累积销量已经9003MW。
目前， 国内飞轮储能正处于广泛实验阶段， 小型样机已经研制成功， 已有多个示范项目出现。关于飞轮储能的相关支持政策频繁出台， 仅统计2019 年， 飞轮储能既被列入《首台（套） 重大技术装备推广应用指导目录（20193年版）》， 入选工信部需求侧管理第三批技术目录， 20193年绿色数据中心先进适用技术产品目录，同时被列入《中国制造 2025———能源装备实施方案》，同时， 中电联2019 年中发布了关于征求《平抑短时高频冲击负荷用高速飞轮储能装置》的意见。中关村储能联盟牵头制定飞轮储能团体标准。从国家频繁的支持政策来看， 飞轮市场起步的基础越来越牢固。
5 总结
在众多储能技术中， 飞轮储能系统因效率高、容量大、响应快和对环境友好等优点备受重视。飞轮储能系统作为一种逐渐成熟的储能技术， 已经应用到包括电动汽车、电力领域， 逐步取代化学电池储能， 成为储能行业一支不可忽视的力量。中国飞轮储能的技术储备已经基本完成， 正处于商业化前期， 大功率UPS、电网调频、动能回收等领域已有示范项目推动。飞轮储能的原理及应用前景分析
