中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：飛輪儲(chǔ)能技術(shù)作為未來(lái)大規(guī)模儲(chǔ)能的應(yīng)用方式之一進(jìn)入國(guó)人的視野還是最近兩年的事。
在我國(guó)，化學(xué)電池較為常見(jiàn)，抽水儲(chǔ)能也應(yīng)用較多，唯獨(dú)飛輪儲(chǔ)能這個(gè)名詞頗為陌生。
在媒體對(duì)飛輪儲(chǔ)能的報(bào)道中，北京航空航天大學(xué)教授房建成的一句話引用頗多：“目前，我國(guó)的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)還停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，與國(guó)外技術(shù)水平差距在10年以上?！?
然而，今年7月，英利集團(tuán)高調(diào)宣布進(jìn)軍飛輪儲(chǔ)能領(lǐng)域，稱其技術(shù)國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到了80%，并計(jì)劃在“十二五”期間至少生產(chǎn)45萬(wàn)臺(tái)。
那么，我國(guó)是否具有大批量生產(chǎn)飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)能力？國(guó)外的飛輪儲(chǔ)能發(fā)展現(xiàn)狀如何？飛輪儲(chǔ)能是否能滿足市場(chǎng)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的迫切需求？
帶著這些疑問(wèn)，記者來(lái)到我國(guó)少數(shù)幾家研究飛輪儲(chǔ)能的科研單位之一——清華大學(xué)工程物理系，采訪了該系副研究員戴興建。
市場(chǎng)潛力巨大
所謂飛輪儲(chǔ)能，是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將能量以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存起來(lái)。需要能量時(shí)，飛輪減速運(yùn)行，將存儲(chǔ)的能量釋放出來(lái)。我們小時(shí)候玩過(guò)的回力玩具汽車就是飛輪儲(chǔ)能的簡(jiǎn)單應(yīng)用。
不過(guò)，現(xiàn)在對(duì)飛輪儲(chǔ)能的要求是將其應(yīng)用于更大規(guī)模的儲(chǔ)能。據(jù)戴興建介紹，飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是技術(shù)成熟度高、高功率密度、長(zhǎng)壽命、環(huán)境特性友好。目前，國(guó)外產(chǎn)品經(jīng)過(guò)不斷地更新和提高性能，壽命已經(jīng)達(dá)到15年、10萬(wàn)次以上。而化學(xué)電池一般只有幾千次充放電的壽命，往往幾年就需要更換。
戴興建算了筆賬：電池的運(yùn)行需要空調(diào)作保證，因此需要額外的電費(fèi)；兩三年更換電池，又是一筆費(fèi)用；同樣容量的儲(chǔ)能，飛輪儲(chǔ)能的占地面積只有電池的1/3。綜合起來(lái)，兩者在壽命期內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)成本差不多。
不過(guò)，飛輪儲(chǔ)能的劣勢(shì)也很明顯：能量密度不夠高、自放電率高，如停止充電，能量在幾到幾十個(gè)小時(shí)內(nèi)就會(huì)自行耗盡。
Active Power公司的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)單位模塊輸出250千瓦，待機(jī)損耗為2.5千瓦，因此有些數(shù)據(jù)稱其效率為99%?！暗@是有條件的?！贝髋d建說(shuō)，“只有在迅速用掉的情況下才有這么高的效率。如果自放電的話，效率大大降低?！?
例如，幾萬(wàn)轉(zhuǎn)高速飛輪系統(tǒng)損耗在100瓦左右，1千瓦時(shí)的系統(tǒng)只能維持10小時(shí)的自放電。因此，戴興建指出，飛輪儲(chǔ)能最適合高功率、短時(shí)間放電或頻繁充放電的儲(chǔ)能需求。他認(rèn)為，沒(méi)有一種萬(wàn)能的儲(chǔ)能技術(shù)能夠滿足所有的儲(chǔ)能需求，飛輪儲(chǔ)能根據(jù)其特點(diǎn)具體定位三塊細(xì)分市場(chǎng)。
第一，高品質(zhì)不間斷電源。
有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，美國(guó)95%以上的停電都由分秒級(jí)的電能質(zhì)量差導(dǎo)致。電壓突變?cè)陔娋W(wǎng)中很常見(jiàn)，但在一些高精密度產(chǎn)品的生產(chǎn)車間，電壓突變會(huì)造成精密儀器的損壞。目前，國(guó)際市場(chǎng)上已經(jīng)在用的基于飛輪儲(chǔ)能的UPS有3000~4000套系統(tǒng)，以平均10萬(wàn)美元/臺(tái)計(jì)算，現(xiàn)有市場(chǎng)已經(jīng)達(dá)到3億~4億美元。這還不包括巨大的潛在市場(chǎng)。
第二，港口、地鐵等特殊場(chǎng)合的電制動(dòng)能量再生。
熟悉F1的人對(duì)動(dòng)能回收系統(tǒng)（KERS）應(yīng)該不會(huì)陌生。這是國(guó)際汽聯(lián)為了順應(yīng)低碳這一國(guó)際形勢(shì)而采取的重大舉措。KERS系統(tǒng)能將車身制動(dòng)能量存儲(chǔ)起來(lái)，并在賽車加速過(guò)程中作為輔助動(dòng)力釋放利用?，F(xiàn)在已經(jīng)面世的KERS系統(tǒng)就是采用飛輪回收。國(guó)際汽聯(lián)主席莫斯利曾表示，鋰電池適合于長(zhǎng)期的能量?jī)?chǔ)存，而飛輪則更適合吸收汽車大力制動(dòng)下短時(shí)間內(nèi)釋放的巨大能量。
除了F1賽車，制動(dòng)能量巨大的港口起重機(jī)、地鐵列車等都可以配備類似的動(dòng)能回收系統(tǒng)。據(jù)悉，國(guó)內(nèi)的很多港口起重機(jī)的動(dòng)能回收方式已經(jīng)從早期的電池轉(zhuǎn)變?yōu)轱w輪。Vycon公司更是將飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)納入港口起重機(jī)的制造，成為其中一個(gè)部件。這塊市場(chǎng)也將會(huì)很大。
第三，用于可再生能源并網(wǎng)的分秒級(jí)儲(chǔ)能電源。
風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)很大，為了穩(wěn)定輸出往往會(huì)為風(fēng)機(jī)配備柴油機(jī)組，但柴油機(jī)并不適合頻繁啟動(dòng)，而這恰恰是飛輪的強(qiáng)項(xiàng)?！皣?guó)外現(xiàn)在采用的一種解決方案是同時(shí)配備飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)用于分秒級(jí)的儲(chǔ)能，減少柴油機(jī)啟動(dòng)次數(shù)?！贝髋d建表示，跟UPS只有幾百千瓦到幾兆瓦的容量相比，風(fēng)力發(fā)電的容量大、規(guī)模大，因此市場(chǎng)也更大。他建議百兆瓦級(jí)別的風(fēng)電場(chǎng)配備供電容量20%~50%的飛輪儲(chǔ)能。
不過(guò)，由于放電時(shí)間有限，戴興建認(rèn)為飛輪儲(chǔ)能不一定是調(diào)節(jié)太陽(yáng)能發(fā)電波動(dòng)的最佳選擇。
理論研究多 工程實(shí)踐少
據(jù)了解，以美國(guó)為代表的西方國(guó)家對(duì)飛輪儲(chǔ)能的研究開(kāi)發(fā)持續(xù)了50多年，目前能夠提供產(chǎn)品的公司有10多家，主要在UPS、電制動(dòng)能量再生、風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能、高功率脈沖電源等方面獲得了商業(yè)應(yīng)用。其中，用于UPS電源是發(fā)展最迅速的市場(chǎng)。
最近，Beacon Power公司承接了美國(guó)能源部的一個(gè)項(xiàng)目，為一座20MW的電廠儲(chǔ)能調(diào)頻，能做到15分鐘的儲(chǔ)能規(guī)模。而一般應(yīng)用于UPS的飛輪儲(chǔ)能時(shí)間都不超過(guò)100秒。
“因此可以說(shuō)這是美國(guó)目前最先進(jìn)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。”戴興建說(shuō)，“這也說(shuō)明美國(guó)的很多項(xiàng)目還處在示范階段?！?
另外，日本在上世紀(jì)90年代做出來(lái)了小型幾千瓦的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，歐洲在上世紀(jì)90年代也嘗試過(guò)用飛輪儲(chǔ)能回收剎車動(dòng)能再生，但都沒(méi)有特別明顯的市場(chǎng)收益，未能真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
我國(guó)的飛輪儲(chǔ)能研究始于上世紀(jì)80年代，由中科院電工所開(kāi)始。到上世紀(jì)90年代之后，清華大學(xué)、華北電力大學(xué)等開(kāi)始投入。另外，北京航空航天大學(xué)正在研究磁懸浮飛輪。
戴興建指出，國(guó)內(nèi)能實(shí)現(xiàn)充放電的科研單位不多，總體來(lái)說(shuō)，理論研究較多，工程實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)比較少；理論分析計(jì)算較為充分，實(shí)驗(yàn)研究不充分；裝置開(kāi)發(fā)滯后。和國(guó)外差距10年以上。尤其在飛輪的轉(zhuǎn)速、電機(jī)功率、系統(tǒng)效率等方面差距很大。
據(jù)介紹，清華大學(xué)經(jīng)過(guò)15年的研究，研制了3代飛輪儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)原理樣機(jī)：300Wh永磁—流體動(dòng)壓懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)、500Wh飛輪儲(chǔ)能UPS、300Wh電磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。在高儲(chǔ)能密度復(fù)合材料飛輪、微損耗軸承、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面具有優(yōu)勢(shì)。
此外，近5年來(lái)也有一些國(guó)內(nèi)技術(shù)公司在研發(fā)工程樣機(jī)。但直到英利提出雄心勃勃的計(jì)劃為止，國(guó)內(nèi)企業(yè)并未獲得明顯突破。
戴興建表示，飛輪儲(chǔ)能的空載損耗大（自放電率高）是制約其進(jìn)一步發(fā)展的決定因素。據(jù)公開(kāi)數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)化的主流技術(shù)的放電時(shí)間基本在10~100秒，最長(zhǎng)達(dá)到900秒。
而延長(zhǎng)飛輪儲(chǔ)能的時(shí)間只有兩種方法：減小損耗和補(bǔ)充能量，后者顯然不合適，因此減小損耗被視為提高飛輪儲(chǔ)能性能的唯一方法，也成為世界性難題。
戴興建指出，目前飛輪儲(chǔ)能的研究主要著力于研發(fā)提高能量密度的復(fù)合材料技術(shù)和超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)。其中超導(dǎo)磁懸浮是降低損耗的主要方法，而復(fù)合材料能夠提高儲(chǔ)能密度，降低系統(tǒng)體積和重量。另外，我國(guó)還沒(méi)有100千瓦、1萬(wàn)轉(zhuǎn)以上的飛輪儲(chǔ)能電機(jī)，研發(fā)高功率高速電機(jī)也是一大方向。
技術(shù)突破還需產(chǎn)業(yè)力量
其實(shí)，美國(guó)企業(yè)對(duì)飛輪儲(chǔ)能的研究也并不順利。據(jù)戴興建介紹，美國(guó)的飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品在2000年前后推出，其后并沒(méi)有迅速占領(lǐng)市場(chǎng)，一直到2005年才真正實(shí)現(xiàn)贏利。一些公司經(jīng)歷過(guò)多次股權(quán)轉(zhuǎn)讓，還有多個(gè)應(yīng)用研發(fā)項(xiàng)目因?yàn)榧夹g(shù)無(wú)法突破而終止。
實(shí)際上，美國(guó)政府曾經(jīng)支持過(guò)兩個(gè)飛輪儲(chǔ)能的大項(xiàng)目，一個(gè)是上世紀(jì)70年代能源危機(jī)之后由美國(guó)能源部提出的“超級(jí)飛輪計(jì)劃”，但經(jīng)過(guò)10多年的研究并沒(méi)有解決關(guān)鍵難題；另一個(gè)是上世紀(jì)80年代提出的“航天飛輪計(jì)劃”，在2004年由于美國(guó)空間站預(yù)算的縮減停滯下來(lái)。
“這兩個(gè)計(jì)劃雖然失敗了，但是為美國(guó)的大學(xué)和科研院所積累了技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，支持了美國(guó)很多小公司20多年的研發(fā)。”戴興建說(shuō)，“手機(jī)從磚頭式的大哥大發(fā)展到人手一支的普及型手機(jī)只用了不到10年的時(shí)間，但飛輪儲(chǔ)能顯然不行?！?
值得注意的是，美國(guó)商業(yè)界為支持飛輪儲(chǔ)能的研發(fā)投入了巨額資金，如Active Power曾連續(xù)幾年從其母公司獲得高達(dá)1000萬(wàn)美元/年的研發(fā)經(jīng)費(fèi)。
而在我國(guó)，由于受支撐政策的限制，飛輪儲(chǔ)能一直沒(méi)有獲得大展拳腳的機(jī)會(huì)。從上世紀(jì)80年代至今，飛輪儲(chǔ)能只獲得過(guò)兩個(gè)“863”探索項(xiàng)目和一個(gè)“八五”攻關(guān)項(xiàng)目的支持，除國(guó)防領(lǐng)域外，公開(kāi)的總共投入經(jīng)費(fèi)不足500萬(wàn)元。
據(jù)戴興建介紹，清華大學(xué)的研究經(jīng)費(fèi)主要來(lái)自清華大學(xué)自主基金和自籌經(jīng)費(fèi)。由于缺乏經(jīng)費(fèi)，研究一直較難維持。
“這次本來(lái)都搞不下去了，又有公司找來(lái)合作，但是只能根據(jù)用戶需求進(jìn)行研究?！贝髋d建說(shuō)，目前，清華大學(xué)正與多家單位合作開(kāi)展工程樣機(jī)研制工作，應(yīng)用目標(biāo)瞄準(zhǔn)UPS電源、風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能、獨(dú)立動(dòng)力系統(tǒng)功率調(diào)峰等。
在15年的研究進(jìn)程中，清華大學(xué)工程物理系也培養(yǎng)了一批飛輪儲(chǔ)能相關(guān)方向的研究生，不過(guò)由于市場(chǎng)較小，只有一名畢業(yè)生繼續(xù)從事飛輪儲(chǔ)能的研發(fā)工作。
一位知情人士表示，有國(guó)家支持才能快速發(fā)展，但我國(guó)近年來(lái)對(duì)化學(xué)電池儲(chǔ)能投入較多，而對(duì)超級(jí)電容器、飛輪、壓縮氣體儲(chǔ)能等技術(shù)的研究支持很少，即使在當(dāng)前的迫切需求之下，物理儲(chǔ)能仍然很難進(jìn)入國(guó)家重大規(guī)劃層面。
戴興建解釋道，飛輪儲(chǔ)能其中的單項(xiàng)技術(shù)國(guó)內(nèi)基本都有了（但和國(guó)外差距在10年以上），難點(diǎn)在于根據(jù)不同的用途開(kāi)發(fā)不同功能的新產(chǎn)品，因此飛輪儲(chǔ)能電源是一種高技術(shù)產(chǎn)品但原始創(chuàng)新性并不足，這使得它較難獲得國(guó)家的科研經(jīng)費(fèi)支持。
“美國(guó)除了兩個(gè)大項(xiàng)目后面全靠產(chǎn)業(yè)界推動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)突破。我國(guó)要想有所突破也只能依靠產(chǎn)業(yè)界的力量?！贝髋d建希望5~8年內(nèi)，我國(guó)能形成一定規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。
一個(gè)利好消息是，隨著英利大手筆的投入，國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)界呈現(xiàn)出趨暖的態(tài)勢(shì)，不過(guò)戴興建提醒道：“如果不突破微損耗這個(gè)難關(guān)，使用飛輪儲(chǔ)能的代價(jià)將會(huì)很高?！?
