飛輪儲能是指利用電動機(jī)帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，在需要的時候再用飛輪帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電的儲能方式。
1.飛輪儲能技術(shù)的前景
飛輪儲能技術(shù)是一種新興的電能存儲技術(shù)，它與超導(dǎo)儲能技術(shù)、燃料電池儲能技術(shù)等各種先進(jìn)的儲能技術(shù)，是近年來出現(xiàn)的、具有很大發(fā)展前景的儲能技術(shù)。雖然目前化學(xué)電池(鉛酸蓄電池、鋰離子蓄電池等)儲能技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，但是，鉛酸蓄電池有污染環(huán)境的風(fēng)險，磷酸鐵鋰蓄電池的充放電次數(shù)受到一定的限制。新能源、電動汽車、UPS供電等許多行業(yè)迫切需要新型的儲能技術(shù)來滿足某些特殊技術(shù)要求。其中飛輪儲能技術(shù)就是一種具有無限的充放電次數(shù)和綠色環(huán)保型的儲能技術(shù)，已經(jīng)開始越來越廣泛地應(yīng)用于國內(nèi)外的許多行業(yè)中?！秶夷茉纯萍肌笆濉币?guī)劃》及《2020年能源科技發(fā)展目標(biāo)》已將智能電網(wǎng)、間歇式電源的接入和大規(guī)模儲能等列為重大技術(shù)研究、重大技術(shù)裝備及示范工程項目?，F(xiàn)在，發(fā)展大規(guī)模儲能已成為國家戰(zhàn)略，而中國也已成為可再生能源及城市交通電動化（城軌及電動汽車）的最大市場，這為飛輪儲能技術(shù)提供了廣闊市場。隨著 “新基建”的新一輪能源儲能技術(shù)變革，飛輪儲能應(yīng)用將進(jìn)入快速發(fā)展期。
2.國內(nèi)外的技術(shù)概況
飛輪儲能技術(shù)發(fā)展1967-2019年經(jīng)歷53年的歷程。美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家對飛輪儲能技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用比較多，技術(shù)處于領(lǐng)先地位。歐洲的法國國家科研中心、德國的物理高技術(shù)研究所、意大利的SISE均正開展高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承的飛輪儲能系統(tǒng)研究。目前國外主流技術(shù)采用第三代飛輪儲能技術(shù)，其采用NASA提出的碳纖維和磁懸浮技術(shù)。近年來，國內(nèi)飛輪儲能技術(shù)整體提高。2014年9月16日國內(nèi)第一臺飛輪200千瓦工業(yè)化磁飛輪調(diào)試成功，各項實驗測試指標(biāo)均達(dá)良好，這項具有完全知識產(chǎn)權(quán)的儲能技術(shù)和產(chǎn)品填補(bǔ)了國內(nèi)科技和市場的空白。盾石磁能的 GTR 飛輪儲能裝置在城市軌道交通應(yīng)用項目在軌道交通領(lǐng)域達(dá)到國際先進(jìn)水平。但從總體上來看，國內(nèi)飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀落后國外十年，許多成果尚處于研究階段，在推廣應(yīng)用上還會有一段路要走。2020年4月，中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟正式發(fā)布國內(nèi)首個飛輪儲能系統(tǒng)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CNESA1202-2020《飛輪儲能系統(tǒng)通用技術(shù)條件》，助推國內(nèi)飛輪儲能行業(yè)規(guī)范化發(fā)展。
3.存在的關(guān)鍵問題
能量密度不夠高，能量釋放只能維持較短時間，一般只有幾十秒鐘。自放電率高，如停止充電，能量在幾到幾十個小時內(nèi)就會自行耗盡。ActivePower公司的飛輪儲能系統(tǒng)單位模塊輸出250千瓦，待機(jī)損耗為2.5千瓦，有些數(shù)據(jù)稱其效率為99%。但其前提是迅速用掉電量的情況下才可具備的效率。自放電的情況效率大大降低。例如，幾萬轉(zhuǎn)高速飛輪系統(tǒng)損耗在100瓦左右，1千瓦時的系統(tǒng)只能維持10小時的自放電。因此，飛輪儲能最適合高功率、短時間放電或頻繁充放電的儲能需求。對于數(shù)據(jù)中心，飛輪儲能秒級的放電時間是否可靠存在考量。
飛輪儲能概念與原理
1.概念
飛輪儲能技術(shù)是利用互逆式雙向電機(jī)（電動/發(fā)電機(jī)）實現(xiàn)電能與高速旋轉(zhuǎn)飛輪的機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的一種儲能技術(shù)。
圖1.飛輪儲能系統(tǒng)原理圖
2.技術(shù)原理
飛輪儲能電源系統(tǒng)主要由以下三部分組成：飛輪、電機(jī)和軸承，整個系統(tǒng)置于真空容器內(nèi)。飛輪儲能電源系統(tǒng)中的電機(jī)，既是電動機(jī)也是發(fā)電機(jī)。
“充電”時，作為電動機(jī)給飛輪加速，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能;“放電”時，作為發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，給外部供電;在為外部供電時，飛輪的轉(zhuǎn)速不斷下降。而當(dāng)飛輪空閑運(yùn)轉(zhuǎn)時，飛輪儲能電源系統(tǒng)的運(yùn)行損耗非常小。
飛輪旋轉(zhuǎn)時，其轉(zhuǎn)動動能為：
式中：J為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量;ω為飛輪旋轉(zhuǎn)的角速度。
從式(1)中可以看出，飛輪轉(zhuǎn)動時的動能E與飛輪的轉(zhuǎn)動慣量J成正比。而飛輪的轉(zhuǎn)動慣量J又正比于飛輪的直徑和飛輪的質(zhì)量，為得到較大的轉(zhuǎn)動慣量J ，要采用大直徑和大質(zhì)量的飛輪。龐大、沉重的飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時，將會產(chǎn)生極大的離心力，若超過飛輪材料的極限強(qiáng)度，將是極不安全的。因此，用增大飛輪轉(zhuǎn)動慣量的方法來增加飛輪的動能是不現(xiàn)實的。
不能用增大飛輪轉(zhuǎn)動慣量來獲得飛輪動能的增加，那么，只有通過提高飛輪的角速度ω 來增大飛輪的轉(zhuǎn)動慣量。當(dāng)飛輪處于大氣中時，飛輪高速轉(zhuǎn)動要克服空氣的阻力(摩擦力)和軸承的摩擦損耗。將飛輪系統(tǒng)置于真空容器中，并采用超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)，可以使飛輪在高速轉(zhuǎn)動時耗能達(dá)到最小。另一個關(guān)鍵問題是軸承的設(shè)計和選擇。能在高速轉(zhuǎn)動下工作的軸承除要求軸承的摩擦損耗極小外，還應(yīng)具有足夠的承載能力，保證飛輪工作的可靠性和穩(wěn)定性。
飛輪儲能關(guān)鍵技術(shù)分析
1.飛輪材料的選擇
飛輪的儲能密度和飛輪能承受的強(qiáng)度會直接影響飛輪材料的選擇。
飛輪的儲能密度e為：
式中：ks—飛輪形狀系數(shù)；ρ—飛輪材料的密度，kg/cm3；σ—飛輪材料的許用應(yīng)力，MPa。
表1.飛輪轉(zhuǎn)子材料參數(shù)
由式（2）可以看出，飛輪材料密度成反比，與飛輪材料的許用應(yīng)力成正比。幾種常見的用于飛輪的材料，如表 1 所示。從數(shù)據(jù)中可以看出碳素纖維密度小，強(qiáng)度高，是其中最好的選擇。同時，使用碳素纖維制成的飛輪一旦發(fā)生解體，飛輪本身會變成絮狀物飛出，降低了事故帶來的危害。
2.真空室
當(dāng)前真空室的真空度達(dá)到了 10-5 Pa 級，用于減少飛輪旋轉(zhuǎn)過程中與空氣的摩擦，同時也防止外力影響飛輪正常運(yùn)行。真空室可以使用透明的高強(qiáng)度玻璃鋼，這樣方便觀測飛輪的運(yùn)行狀況。同等氣壓下氦氣的導(dǎo)熱性是空氣的七倍，與飛輪的摩擦損耗大約只有空氣的七分之一，并且充入氦氣的工藝更簡單，因此選擇氦氣作為真空室的介質(zhì)氣體具有一定優(yōu)勢。
3.軸承技術(shù)
在飛輪儲能系統(tǒng)的眾多損耗中，軸承的損耗占據(jù)了很大的比例，隨著各種先進(jìn)軸承技術(shù)的問世，這部分損耗可以被大大的減少。下面將介紹幾種用于飛輪儲能系統(tǒng)的軸承。
機(jī)械軸承
較為普遍的機(jī)械軸承有滾動軸承、滑動軸承、擠壓油膜阻尼軸承和陶瓷軸承等，由于滾動軸承和滑動軸承的摩擦損耗相對較大，所以在高速飛輪儲能系統(tǒng)中一般只用做輔助軸承，擠壓油膜阻尼軸承和陶瓷軸承在飛輪儲能中有所應(yīng)用。
被動磁軸承
（1）永磁軸承是被動磁軸承的一種，是利用永磁體使兩個或多個磁環(huán)在軸向或是徑向懸浮。隨著這幾年永磁體的不斷發(fā)展，其承載力也大大提高，應(yīng)用的越來越廣泛。然而根據(jù)Earnshaw 定理，僅依靠永磁體無法使物體在空間六個自由度都達(dá)到穩(wěn)定懸浮，穩(wěn)定懸浮至少需要其中一個自由的上的主動控制。
（2）超導(dǎo)磁軸承也是被動磁軸承的一種。超導(dǎo)體在超導(dǎo)環(huán)境下具有邁斯納效應(yīng)，當(dāng)超導(dǎo)體處于磁場中時，其內(nèi)部的磁場恒等于零，即超導(dǎo)體在磁場中表現(xiàn)出完全抗磁性。超導(dǎo)體在磁場作用下其表面產(chǎn)生無損的感應(yīng)電流，該電流在超導(dǎo)體中沒有損耗，同時形成了一個和原磁場大小相等、方向相反的鏡像磁場，如圖 2所示。這種磁場可以使物體穩(wěn)定懸浮。
圖2.邁斯納效應(yīng)
主動磁軸承
主動磁軸承又稱電磁軸承，是通過改變控制電路中電流的通斷和大小來控制磁場的變化，同時通過實時反饋位置信號與輸出電流信號及時調(diào)整控制電流，從而使軸承定子、轉(zhuǎn)子之間能夠穩(wěn)定懸浮，主動磁軸承控制策略框圖，如圖 3所示。
圖3.主動磁軸承控制策略框圖
混合軸承
在實際應(yīng)用中，通常將上述幾種軸承結(jié)合起來使用達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)。（1）機(jī)械軸承與永磁軸承結(jié)合。機(jī)械軸承主要的缺點(diǎn)是摩擦損耗較大，永磁軸承可以幫助克服重力到來的定子、轉(zhuǎn)子之間的壓力，從而減少摩擦損耗。（2）超導(dǎo)體與永磁體混合軸承。超導(dǎo)體作為定子，永磁體做轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子能夠懸浮在某一位置。同時超導(dǎo)體中俘獲的磁通由于釘扎力的存在不會隨便運(yùn)動，保證了軸向穩(wěn)定性，使得轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮。（3）電磁與永磁體混合軸承。為了減少功耗，利用永磁體產(chǎn)生偏置磁場，電流產(chǎn)生控制磁場，圖三極混合磁軸承如圖4 所示。
圖4.三極混合磁軸承
飛輪儲能技術(shù)特點(diǎn)
1.參數(shù)性能
飛輪儲能技術(shù)，特別是高速飛輪儲能系統(tǒng)，具有功率密度高、壽命長、可實時監(jiān)測系統(tǒng)荷電狀態(tài)，對環(huán)境溫度不敏感等優(yōu)點(diǎn)，但也不可避免地存在嚴(yán)重的自放電現(xiàn)象。在能量型應(yīng)用時，飛輪儲能價格昂貴，在一定程度上限制了其在能量型應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。高速飛輪儲能技術(shù)的性能參數(shù)見表。
表2. 高速飛輪儲能技術(shù)的性能參數(shù)表
2.技術(shù)優(yōu)勢
目前大規(guī)模電儲能以抽水儲能為主，各種正在研發(fā)的新型儲能技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景，如飛輪儲能、超級電容器儲能、超導(dǎo)磁儲能、壓縮空氣儲能、鋰離子電池、液流電池和鈉硫電池儲能等。
電能存儲按容量可分為長時大能量、短時高功率兩種，長時大容量的抽水儲能電站可以在電網(wǎng)規(guī)模上提供數(shù)小時的電能供給；而短時高功率的飛輪儲能可為高端用戶端提供高品質(zhì)不間斷電能供給。高品質(zhì)電能供給、過渡電源、能源管理對儲能時間尺度分別為秒分、分時和數(shù)小時。
各種儲能方式的技術(shù)對比如表3所示。從中可以看出，飛輪儲能具有效率高（達(dá) 90%）、瞬時功率大（單臺兆瓦級）、響應(yīng)速度快（數(shù)毫秒）、使用壽命長（10 萬次循環(huán)和 15 年以上）、環(huán)境影響小等諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前最有發(fā)展前途的短時大功率儲能技術(shù)之一。
表3.儲能方式技術(shù)對比表
飛輪儲能在UPS供電系統(tǒng)中的應(yīng)用
磁懸浮式飛輪儲能UPS引發(fā)了人們越來越多的關(guān)注。這種技術(shù)拋棄了傳統(tǒng)UPS利用鉛酸蓄電池進(jìn)行儲能的方式。在現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心中，迅速增長的業(yè)務(wù)需求，日益增加的運(yùn)營成本，有限的機(jī)房空間和更高的能量密度，已經(jīng)成為云計算時代下，數(shù)據(jù)中心及其電源管理系統(tǒng)建設(shè)面臨的最大挑戰(zhàn)。
IDC的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，電力能源成本已經(jīng)成為困擾數(shù)據(jù)中心運(yùn)營者的頭號難題。其中，UPS、空調(diào)等周邊設(shè)備的耗電量大大高于主機(jī)電量。另外，酸鉛蓄電池并非綠色環(huán)保的產(chǎn)品。
因此，配備一套智能綠色UPS供電系統(tǒng)成為數(shù)據(jù)中心節(jié)能環(huán)保的重中之重。傳統(tǒng)電源系統(tǒng)中的蓄電池需要空調(diào)制冷，而且24小時連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，耗能巨大。磁懸浮式飛輪儲能UPS系統(tǒng)則無需空調(diào)，大大節(jié)省了運(yùn)營成本；而且，其占用的空間也大幅減小；維護(hù)成本低，無需更換電池；壽命長達(dá)20年。圖6給出了柜式磁懸浮飛輪儲能型UPS的外形圖。
圖6.柜式磁懸浮飛輪儲能UPS的外形圖
在傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)中，當(dāng)電力發(fā)生中斷時，蓄電池會支撐系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，與此同時，柴油發(fā)動機(jī)開始啟動，以此保證數(shù)據(jù)中心主機(jī)正常工作、空調(diào)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。蓄電池型UPS在此過程中，提供了“分鐘級”的電力供電。
而飛輪儲能型UPS受制于機(jī)械儲能，僅僅能夠提供30s到1min電力供電，這也是飛輪UPS被詬病的主要原因。然而，專家指出，如今，市電電源的可性達(dá)到99.9%，有些重要的負(fù)載都采用雙路市電供電，市電的可靠性可以說已經(jīng)達(dá)到了99.99%。萬一市電中斷，后備電源的可靠性也可以達(dá)到99.9%，從市電到后備電源的切換，在技術(shù)上只需要10s的時間，這是一個公開的標(biāo)準(zhǔn)。目前，歐洲已經(jīng)將這個時間定了8s?？梢詳喽?，飛輪儲能型UPS能提供30s的電力完全能夠滿足從市電到后備電源的可靠切換的要求。圖7給出了柜式磁懸浮飛輪儲能型UPS的運(yùn)行示意圖。
圖7.柜式磁懸浮飛輪儲能型UPS的運(yùn)行示意圖
國內(nèi)外飛輪儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
1.國外飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展處于領(lǐng)先地位
美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家的飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展處于領(lǐng)先地位。日本已經(jīng)制造出容量26.5MVA，系統(tǒng)輸出電壓1100V，轉(zhuǎn)速510690r/min的變頻調(diào)速飛輪蓄能發(fā)電系統(tǒng)。美國馬里蘭大學(xué)也已研究出用于電力調(diào)峰的24kWh的電磁懸浮飛輪系統(tǒng)，其飛輪重172.8kg，工作轉(zhuǎn)速范圍11，610～46，345rpm，破壞轉(zhuǎn)速為48，784rpm，系統(tǒng)輸出恒壓110～240V，全程效率為81%。經(jīng)濟(jì)分析表明，運(yùn)行3年時間可收回全部成本。
飛輪儲能技術(shù)在美國發(fā)展得很成熟，他們制造出一種裝置，在空轉(zhuǎn)時的能量損耗達(dá)到每小時0.1%。歐洲的法國國家科研中心、德國的物理高技術(shù)研究所、意大利的SISE均正開展高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承的飛輪儲能系統(tǒng)研究。
2011年10月30日，全球大規(guī)模飛輪儲能應(yīng)用先驅(qū)Beacon Power申請破產(chǎn)保護(hù)。BeaconPower開創(chuàng)了飛輪儲能系統(tǒng)與電力公司合作的先例，使電力市場開始接受飛輪儲能技術(shù)。從這個角度講，在飛輪儲能技術(shù)發(fā)展的歷史上，甚至于儲能發(fā)展的歷史上，Beacon Power的成就無人可以替代。盡管公司面臨破產(chǎn)，但其仍為20MW的飛輪儲能項目舉行一個建成投運(yùn)儀式。該飛輪儲能電源系統(tǒng)用于電廠儲能調(diào)頻，能做到15min的儲能規(guī)模。而一般應(yīng)用于UPS的飛輪儲能時間都不超過100s。就當(dāng)時而言，可以說這是美國目前最先進(jìn)的飛輪儲能系統(tǒng)。表4給出了國外幾個著名的飛輪儲能電源系統(tǒng)的廠商。
表4.國外幾個著名的飛輪儲能電源系統(tǒng)的廠商
2.我國飛輪儲能技術(shù)的現(xiàn)狀落后國外十年
目前國內(nèi)從事與飛輪研究相關(guān)的單位有：清華大學(xué)工程物理系飛輪儲能實驗室、華北電力大學(xué)、北京飛輪儲能柔性研究所(由中國科學(xué)院電工研究所、天津核工業(yè)理化工程研究院等組成)、北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、中國科大、中科院力學(xué)所、東南大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等，主要集中在小容量系列。
其中，北航針對航天領(lǐng)域研制的“姿控/儲能兩用磁懸浮飛輪”已獲得2007年國家技術(shù)發(fā)明一等獎。從總體上來看，國內(nèi)飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀落后國外十年，許多成果尚處于研究階段，在推廣應(yīng)用上還會有一段路要走。
國內(nèi)從 2010年前后，出現(xiàn)了飛輪儲能系統(tǒng)商業(yè)推廣示范應(yīng)用的技術(shù)開發(fā)公司，如北京奇峰聚能科技有限公司、蘇州菲萊特能源科技有限公司、深圳飛能能源有限公司、上海中以投資發(fā)展有限公司、北京泓慧國際能源技術(shù)發(fā)展有限公司、唐山盾石磁能科技有限責(zé)任公司等，這和 15 年前的美國情況相似。
飛輪儲能工程分析及應(yīng)用展望
某數(shù)據(jù)中心，需要500kVA UPS 86套，UPS共43MW。配套450kW ups飛輪儲能約86臺，工程造價、占地面積和蓄電池采用對比法分析。
下表為某數(shù)據(jù)中心工程43MW UPS 飛輪儲能經(jīng)濟(jì)分析。
表5. UPS系統(tǒng)飛輪與蓄電池投資造價及運(yùn)營費(fèi)用比較
可以看出，采用飛輪儲能技術(shù)比較傳統(tǒng)蓄電池技術(shù)，20年的TCO可節(jié)省24%，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。
現(xiàn)階段的應(yīng)用問題與展望
1.存在的問題
高速飛輪儲能系統(tǒng)技術(shù)門檻較高，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)、磁軸承技術(shù)、真空中的高速高效電機(jī)技術(shù)仍然有一些亟待解決的課題：如復(fù)合材料的使用壽命評估、電磁軸承和高溫超導(dǎo)磁軸承的工程化應(yīng)用問題、大功率高速電機(jī)轉(zhuǎn)子材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計問題以及高速軸系的機(jī)電耦合轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題。
能量密度不夠高，能量釋放只能維持較短時間，一般只有幾十秒鐘。對于數(shù)據(jù)中心，飛輪儲能秒級的放電時間是否可靠存在考量。
2.應(yīng)用的展望
對大型數(shù)據(jù)中心來說，飛輪UPS的優(yōu)勢非常明顯。然而，在我國市場，飛輪UPS還是個新生事物，大家普遍在觀望等待。運(yùn)營與采購分開，對綠色環(huán)保的重視程度不夠，以及創(chuàng)新風(fēng)險成為制約飛輪UPS進(jìn)入中國市場的主要原因。要改變這種狀況，非一朝一夕之功。有專家指出，兩者并行將持續(xù)一段時間。當(dāng)然，我國積極倡導(dǎo)和推行運(yùn)用可再生動力，開展以低能耗、低污染、低排放為根底的低碳經(jīng)濟(jì)，環(huán)保儲能技術(shù)將成為我國社會經(jīng)濟(jì)可繼續(xù)開展的必定選擇。
