飛輪儲能技術研究進展

（華馳動能（北京）科技有限公司，北京 101111）

0.引言

能量具有多種形式，包括電能、機械能、聲能、化學能、電磁能、光能、熱能及核能等。儲能是使能量轉化為比較穩定的存在形態，再通過介質或設備把能量存儲起來，以備在需要時釋放的過程，主要是指電能的儲存，此外還有儲熱、儲氫等。

1.儲能分類及特點

1.1 電化學儲能

電化學儲能主要指各種電池儲能，包括鉛酸（鉛碳）電池、鋰電池、鈉硫電池和液流電池等，其在能量密度、系統效率、響應速度等方面具有明顯優勢。電化學儲能主要適用于調峰、削峰填谷等快速響應的大規模應用場景[1]。

（1）鉛酸電池。鉛酸電池具有安全性高、系統成本低等優點，以及儲能密度偏低、循環壽命短、重金屬污染等缺點。目前，鉛酸電池在備用電源領域應用規模最大，如電力系統不間斷電源。

（2）鋰電池。鋰電池具有能量密度高、充放電效率高、無污染等優點，可通過串并聯獲得較高的電壓或容量，但電池壽命仍有待提高[2]。得益于國家產業政策的推動，鋰電池在新能源汽車、能源互聯網等領域應用廣泛。

（3）鈉硫電池。鈉硫電池具有能量密度較高、功率特性好、循環壽命長等優勢，但其運行環境要求苛刻，工作溫度300℃以上，散熱要求較高，安全問題值得提升[3]。鈉硫電池系統在平滑新能源發電曲線方面已有應用。

（4）液流電池。液流電池具有安全穩定、循環壽命長等優點，可進行深度的充放電。液流電池適用于平抑新能源發電波動、輔助調峰、邊遠地區供電等，主要包括全釩液流電池、鋅溴液流電池、鐵鉻液流電池等[4]。

1.2 電磁儲能

（1）超級電容器。超級電容器的電荷以靜電方式存儲在雙電層界面上，其具有功率密度大、充放電速度快、循環壽命長、工作溫度范圍寬等優點，以及能量密度低、自放電率較高等劣勢，可應用于功率大、時間短的場景，如電力調頻、平抑波動、軌道交通能量回收等。

（2）超導磁儲能。超導磁儲能是利用超導線圈進行儲能的一種技術，具有功率密度大、響應速度快、能量轉換效率高、循環壽命長等優勢，主要應用于改善電能質量、穩定電力波動等場景。

1.3 物理儲能

物理儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等。

（1）抽水蓄能。抽水蓄能是目前最成熟、建設規模最大的儲能技術[5]，其以水量為載體，使能量在勢能和電能之間相互轉換，主要應用于電力系統調峰、調頻、調相、應急備用、黑啟動等。

（2）壓縮空氣儲能。壓縮空氣儲能是基于燃氣輪機技術的儲能系統，裝機容量可達數百兆瓦，規模僅次于抽水蓄能，可用于削峰填谷、電網調峰等[6]。

（3）飛輪儲能。飛輪儲能是利用電機帶動飛輪高速旋轉進行儲能的技術，具有功率密度大、循環壽命長、能量轉換效率高、環保無污染等優勢，主要應用于電網電能質量控制、新能源電力調頻、軌道交通能量回收等場景。

1.4 儲熱

廣義上的儲熱技術包括儲熱和儲冷，其中儲熱技術又分為顯熱儲熱、潛熱儲熱和熱化學儲熱等。潛熱儲熱即相變儲熱，具有儲熱密度高、吸放熱過程溫度變化小等優點，是目前研究的重點。目前相變類儲熱材料主要有有機類、熔融鹽類、合金類及復合類等[7]。

1.5 儲能技術對比

每一種儲能技術都有各自的優勢和劣勢，均有各自不同的性能特點，這也決定了其不同的應用場景。各種儲能技術對比如表1所示。

表1 儲能技術對比

2.儲能產業現狀

據統計，截至2019年底，全球已投運儲能項目累計裝機規模184.6GW，其中抽水蓄能171.0GW，累計裝機規模最大；電化學儲能9520.5MW，位居第二；飛輪儲能占比約0.2%。

在各類電化學儲能技術中，鋰離子電池8453.9MW，累計裝機規模最大。2019年，全球新增投運的電化學儲能項目主要分布在中國、美國、英國、德國、澳大利亞、日本等49個國家和地區。

由于中國國情因素，電網側儲能主導了近兩年中國儲能市場的走勢，2019年，隨著《輸配電定價成本監審辦法》和《關于進一步嚴格控制電網投資的通知》的相繼印發，國內電網側儲能“急停剎車”，各方開始冷靜思考電網公司在未來儲能發展路徑中應扮演何種角色，以及在政府有效監管下如何發揮作用[8]。

3.飛輪儲能技術介紹

3.1 基本原理

飛輪儲能是利用電機帶動飛輪高速旋轉，實現電能與高速旋轉的動能之間的相互轉換與儲存，飛輪存儲的能量可以表達為：

E=0.5*J*ω2，其中J為飛輪轉動慣量。

從上式可以看出，飛輪的儲能量主要由飛輪的轉動慣量和旋轉速度決定。飛輪儲能系統的基本結構如圖1所示。它主要由真空室、飛輪本體、軸承、電動/發電機、電力轉換裝置等五部分組成，要實現飛輪儲能技術的突破就必須解決高速飛輪的材料強度及加工工藝、高速電機設計技術、大功率電力電子技術、真空密封技術、電磁軸承等核心技術，而這些高技術與核工業中應用的離心機技術有很大相似之處，這就決定了不可能依靠技術引進來實現技術突破，只能依靠自主創新。

圖1 飛輪儲能系統結構

飛輪本體是飛輪儲能系統的核心組件，是能量的載體。磁懸浮軸承系統的性能直接影響飛輪儲能系統的可靠性、效率和壽命，可減少轉子高速旋轉時的磨損，提高儲能效率。電力轉換裝置是為了提高飛輪儲能系統的靈活性和可控性，并將輸出電能變換（調頻、整流或恒壓等）為滿足負荷要求的電能。真空室的主要作用是提供真空環境，降低電機運行時的風阻損耗等。

3.2 技術特性

與傳統的化學電池相比，飛輪儲能系統具有循環壽命長、安全無燃爆、充放電倍率大、使用溫度寬、接近零維護、能量轉換效率高、環保無污染等優勢，但在儲能容量、自放電率等方面仍有待進一步提高，這也決定了飛輪儲能目前更適合于火電AGC輔助調頻、新能源一次調頻、電網電能質量治理及控制、軌道交通能量回收等領域[9]。隨著重型轉子和大功率電機等技術的不斷突破，飛輪儲能將逐步克服其目前存在的儲能容量、自放電率高等缺點，其應用領域將不斷拓展。

磁懸浮飛輪與鋰電池相比，具有諸多優勢，如表2所示。

表2 磁懸浮飛輪和鋰電池性能對比

3.3 國內外研究現狀

國外的飛輪儲能技術主要起源于英國Urenco核離心機技術和美國NASA姿控儲能兩用飛輪技術。飛輪儲能是將能量或動量存儲在高速旋轉的飛輪轉子中，通過電機實現電能到機械動能再到電能的轉換。衡量儲能飛輪技術水平的核心指標是單體最大儲能量和單體最大功率。在儲能飛輪單機關鍵技術研究和應用方面，以美國、日本、德國的技術最為先進。美國的飛輪技術發展最為廣泛，技術先進，擁有十幾家研究機構，Texas at Austin大學研制的130kWh（468MJ）/2MW儲能飛輪試驗樣機，代表了美國飛輪技術單機儲能量的最高水平。日本中部鐵路公司和東京大學聯合研制出50kWh（180MJ）/1MW超導儲能飛輪。德國Piller的電離合單機15kWh（54MJ）/ 2MW純正弦波動態飛輪UPS，是ASML半導體光刻機的專用保電裝備[10]。

近年來，歐美各電力市場已經大量采用飛輪儲能系統開展電網AGC調頻服務，實現了在電力電網的規模化應用，經實際運行測試，表明飛輪儲能系統在安全性和可靠性方面已經具備參與電力正常生產的條件。

圖2為美國20MW飛輪+風電獨立調頻儲能項目，2009年建成，已穩定運行10年；圖3為NRStor項目容量為2MW的飛輪儲能項目，位于加拿大Minto鎮，服務于獨立電網調頻；圖4為安大略省圭爾夫項目，位于加拿大安大略省，設計容量5MW，設計壽命20年，為當地提供AGC服務。

圖2 美國紐約20MW飛輪儲能AGC系統

圖3 加拿大Minto鎮2MW飛輪儲能AGC系統

圖4 加拿大安大略省5MW飛輪儲能AGC系統

國內的研究和成果產業轉化起步相對較晚，但近十年來發展迅速，相繼有幾十家從事儲能飛輪關鍵技術研究工作的機構，如清華大學、北京航空航天大學、山東大學、海軍工程大學等[11]。國內最早研究商用飛輪的企業是北京奇峰聚能科技有限公司，研制的15kWh（54MJ）/300kW碳纖維復合材料轉子、全主動磁懸浮儲能飛輪，2014年應用于中海油石油鉆機能量回收工程示范項目。

由于飛輪轉子超大承載力、本質安全、高可靠、長壽命軸承支承技術的限制，無論采用碳纖維復合材料轉子還是高強度合金鋼轉子，隨著單體儲電量的增大，轉子重量相應地線性增大，在重力方向上如何實現轉子的本質安全穩定支承，是研制單體超大儲能量飛輪的最大技術難題[12]。

隨著重型轉子和大功率電機的不斷進步，飛輪儲能系統功率可達到500kW以上，持續放電時間15min～60min，可應用于新能源發電曲線優化和火電AGC輔助調頻，是電力調頻系統的最佳方案之一，具有以下優勢：

（1）安全性好。沒有燃燒和爆炸的風險，在工程應用中將其放置于地下；

（2）環保性好。沒有危險化學物的處理與回收問題；

（3）壽命長。具有長達20年以上的使用壽命；

（4）深度充放電能力。幾乎可達到100%的充放電能力；

（5）充放電次數大。可以達到1000萬次的充放電次數；

（6）調頻性能高。毫秒級達到精確的放電要求；

（7）寬溫域。運行溫度范圍寬-40oC～+80oC，無需空氣調節；

（8）成本低。全生命周期運行成本低；

（9）零衰減。額定充放電量無衰減；

（10）零維護。無需繁冗的系統維護；

（11）高精準特性。可精準測算電量。

4.結論

（1）儲能是智能電網、能源互聯網的重要組成部分和關鍵支撐技術，對推動電力體制改革，促進新能源產業發展具有重要的意義。

（2）飛輪儲能系統是一種先進的物理儲能裝置。與其他儲能方式相比，具有循環壽命長、安全無燃爆、充放電倍率大、使用溫度寬、接近零維護、能量轉換效率高、環保無污染等優點，在電力電網、軌道交通、新能源發電、數據中心、芯片制造、國防工程等領域具有廣泛的應用。

（3）隨著重型轉子和大功率電機等技術的不斷突破，飛輪儲能系統正朝著大功率、大電量方向發展，應用領域將不斷擴展。