什么是飞轮储能？具有哪些优势呢？ - 深圳电子展

2021深圳国际电力元件、可再生能源管理展览会将于9月9日至11日在深圳国际会展中心（宝安新馆）举行，邀您关注今日深圳电子展新资讯：

　　与过去人们了解的电池等化学储蓄能量不同，飞轮储能是一类较为传统化的物理上的储蓄能量方式，基本原理也非常简单，便是运用旋轮线高速运转时的动能实现能量储存。

　　华北电力大学能源动力与机械工程学院教授柳亦兵对《中国科学报》解释道，飞轮储能系统的旋轮线由同轴的飞轮转子和双向电机转子组成。双向电机既是电动机，又是发电机。做为电动机能够驱动飞轮加速转动，将电能转换成动能，进行“充电”;做为发电机又可将动能转换成电能，降低飞轮转动速度，进行“放电”。

　　如同“陀螺”，给它增加外力便会以相应的速度转动起來;如果不抽它，也不会马上停下来，反而是过一定时间，等能量消耗光了再停下来。

　　飞轮转子的动能相当于1/2倍的转动惯量乘以转动速度的平方。即飞轮的储能量与飞轮转子的转动惯量成正比，与转子最大转动速度的平方成正比。因而，提升飞轮储能量的技术方式，一个是提升转子的转动惯量，二是提升飞轮转子的转动速度。

　　可以说，做为一类物理上的储蓄能量方式，飞轮储能是根据高速运转的飞轮转子实现能量储存，因而并沒有燃烧和爆炸的隐患，但却存有飞轮转子脱落等安全隐患。

　　“高速飞轮转子采用复杂的轴承支撑结构，轴向主要采用磁悬浮轴承支撑，将转子悬浮在真空中运行，减小转子转动的能量损耗。”柳亦兵告诉记者，“转子在高速运转状态下，如果出现轴承失效，转子从悬浮状态中脱落，可能与底部或外壳结构出现剧烈接触摩擦，消耗转子动能，造成结构高温或整个飞轮本体移动倾倒，产生次级危害。”

　　与此同时，飞轮转子也有可能会出现超速事故，使转子内部应力超过材料强度极限，导致转子部件内部产生裂纹损伤，极端情况下转子会出现爆裂。

　　因而，在柳亦兵看来，飞轮储能系统应配备转动速度数据监测和安全保护系统，使出现转子爆裂事故的隐患降至最低而且能够加以监控。同一时间，飞轮储能单元的外壳和基础设计应具备安全裕度，特别是对于大容量功率型飞轮储能设备，基础结构应尽量采取地井结构形式，将飞轮储能本体设备放置在钢筋混凝土结构的地井中，万一出现转子爆裂故障，也可以发挥安全防护作用，就地消纳能量，有效避免出现次生事故。

　　具备特有优势

　　尽管有相应的安全隐患，但飞轮储能这一“疯狂的陀螺”仍然能够飞速“转”出一片应用市场。前不久，在我国《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》中的兆瓦级飞轮储能技术应用就取得重大突破——首次将飞轮储能应用到电气化铁路各个领域。
　　“有了飞轮储能装置，火车进站刹车时产生的巨大电能会加速飞轮转动，相当于把电能储存起来，当火车提速出站时，飞轮则能够释放能量给火车。”中国铁路北京局集团唐山供电段副段长李彦吉在接受新闻媒体访谈时表示，“这不仅改善了铁路供电系统电能质量，还减少了电能消耗。仅一个铁路牵引变电站，每天就可节省三千度电能。”

　　可以说，对比于电化学储蓄能量，飞轮储能具备许多特有优势。“飞轮储能的充放电速率取决于双向电机的额定功率，额定功率越大，充放电速率越高，能够实现快速充放电。由于飞轮充放电过程是飞轮转子加速和减速的物理上的过程，因而能够根据配备较大额定功率的电机，实现能量快速充放，这是飞轮储能的突出优势。”柳亦兵说。

　　与此同时，飞轮储能还具备很高功率密度和很快响应时间，额定功率响应时间低于0.1秒。同一时间具备超多循环充放次数和超长使用寿命，充放电循环次数可达100万次，使用寿命超过20年。另外，由于飞轮转子转动速度和储能量成精确关系，因而飞轮储能系统还可以实现飞轮转子转动速度精确测量和控制，根据将多个飞轮储能单元组成阵列，实现较大容量的能量快速精确充放。

　　当前，以风光为主的新能源系统，随机波动性和间歇性是其主要局限性，这对电力系统快速灵活调节提出新的挑战，需要大力发展各种类型的储蓄能量资源，全面提升电力系统的负荷调控能力，同一时间也对发电企业的灵活调节能力提出更高要求。

　　柳亦兵表示，飞轮储能由于能够实现大功率快速充放电，在电力系统快速负荷调节方面具备特有优势，能够广泛应用于电网独立调频、火电+储蓄能量、新能源(风光)+储蓄能量、微电网及综合能源等，具备广阔发展前景。除了电力系统，大容量功率型飞轮储能也可以在其他电能快充快放各个领域发挥更大作用。

　　瓶颈待突破

　　飞轮储能尽管听起来较为陌生，但在我国自上世纪90年代就已经开展相关技术研究，走在前列的有上海航天控制技术研究所、清华大学、北京航空航天大学、华北电力大学等单位。但是与国外对比，在我国自主研发的飞轮储能技术及工程应用还相对落后。多数公司主要生产容量较小的飞轮储能设备设备，充放电时间也较为短。

　　柳亦兵坦言，飞轮储能设备的储能量取决于飞轮转子的转动惯量或最大转动速度。对于储能量较小的飞轮储能设备，技术上相对容易实现。但是对于大容量功率型飞轮储能设备，当飞轮转子的转动惯量和最大转动速度超过相应数值，便会面临许多技术瓶颈。例如，高强度飞轮转子材料及结构设计制造技术、支撑高速重载飞轮转子的长寿命复合轴承设计制造技术、宽转动速度范围运行的高速双向电机设计制造技术、真空状态下的电机及轴承冷却技术、飞轮储能单元能量快速转换控制技术及系统、大规模飞轮储能阵列运行优化控制与先进运维技术等。

　　“现阶段，在我国在这类核心技术各个领域的研究积累不足，限制了大容量功率型飞轮储能设备的研发。”柳亦兵说，大容量功率型飞轮储能是一类具备很高技术含量的复杂机电设备，这类产品的研发、生产是一项高投入、高风险的事业。

　　对此，他建议，国家一方面应该在核心技术研发各个领域增加投入，根据精准资助国内从事此类设备生产的企业，与从事相关研究的高校深入开展校企合作，突破技术瓶颈，不断提升设备技术水平，实现科研成果真正落地示范，为新型电力系统提供高可靠性、性能优质的飞轮储能设备;另一方面，应尽快明确储蓄能量在电力系统的定位，根据承担的辅助服务业务，制定合理细化的收益支持政策，使从事储蓄能量的厂商具备能够预期的投入产出效益，促进储蓄能量事业的健康发展。

文章来源：中国传动网

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