中國儲能網(wǎng)訊：飛輪儲能，這一物理儲能技術(shù)，其核心在于電機(jī)與旋轉(zhuǎn)飛輪之間的能量轉(zhuǎn)換。在儲能過程中，電動機(jī)驅(qū)動飛輪加速，從而將電能高效轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動能進(jìn)行存儲。而到了能量釋放階段，電動機(jī)則轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)模式，飛輪減速時，動能又被轉(zhuǎn)化為電能輸出。
1.系統(tǒng)組成
飛輪儲能系統(tǒng)涵蓋了多個關(guān)鍵組件，包括飛輪本身、電機(jī)、軸承、真空室、電動/發(fā)電機(jī)、電力電子設(shè)備以及輔助設(shè)備。其中，飛輪通常采用圓盤或圓柱形設(shè)計，且多由合金材質(zhì)打造。借助當(dāng)前的材料技術(shù)，復(fù)合碳纖維材料可被巧妙地纏繞在飛輪金屬轉(zhuǎn)子上，使得轉(zhuǎn)子能夠達(dá)到極高的圓周速度，進(jìn)而提升飛輪的儲能能力。
在飛輪儲能系統(tǒng)中，電動/發(fā)電機(jī)扮演著至關(guān)重要的角色。在充電蓄能過程中，它作為驅(qū)動電機(jī)存在，推動飛輪轉(zhuǎn)子加速至高速狀態(tài)；而在放電時，它則轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)模式，將飛輪的旋轉(zhuǎn)動能高效轉(zhuǎn)化為電能。
軸承作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械不可或缺的部件，其核心作用在于支撐機(jī)械的旋轉(zhuǎn)體。在飛輪儲能技術(shù)中，常用的軸承類型包括傳統(tǒng)的機(jī)械式高速軸承以及電磁軸承。當(dāng)飛輪的最高轉(zhuǎn)速處于較低范圍時，機(jī)械軸承便可滿足使用需求；而當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到較高水平時，電磁軸承則成為更合適的選擇。需注意的是，在此情況下，機(jī)械軸承通常作為備份，旨在電磁軸承出現(xiàn)故障時提供轉(zhuǎn)動支撐。
電力電子設(shè)備在飛輪儲能系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色。它涵蓋了信號檢測電路、信息處理、控制軟件以及信號輸出電路等多個組成部分，協(xié)同工作以實現(xiàn)對雙向可逆運行變流器的電流和電壓的精準(zhǔn)控制。這一系統(tǒng)不僅負(fù)責(zé)電能在電機(jī)、變流器、電網(wǎng)電源及負(fù)載之間的順暢轉(zhuǎn)換與流動，還是飛輪儲能系統(tǒng)并入交流電網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
在飛輪儲能系統(tǒng)的電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，我們通常會看到儲能變流器，它負(fù)責(zé)將飛輪儲能系統(tǒng)與交流電網(wǎng)相連。為了確保并網(wǎng)過程的順利進(jìn)行，可能會需要增加機(jī)側(cè)濾波器來降低電機(jī)電流中的諧波成分，從而減少電機(jī)的發(fā)熱問題。當(dāng)飛輪儲能系統(tǒng)直接與交流電網(wǎng)相連時，為了滿足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，通常還會加入網(wǎng)側(cè)濾波器對注入電網(wǎng)的電流進(jìn)行濾波處理。此外，由于飛輪儲能系統(tǒng)需要兼顧充電與放電等多種功能，因此儲能變流器和電機(jī)變流器都必須具備能量雙向流動的能力。
真空腔體是飛輪儲能系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，它是一個由結(jié)構(gòu)材料制成的密封容器，通常呈現(xiàn)為薄壁圓筒狀。通過真空泵的作用，腔體內(nèi)的空氣被逐漸排出，從而營造出一個真空的環(huán)境。在這樣的環(huán)境中，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪與極少量的空氣分子摩擦產(chǎn)生的熱量非常有限，幾乎可以忽略不計。
此外，飛輪儲能系統(tǒng)還包括其他輔助設(shè)備，如真空泵和水冷單元。真空泵主要負(fù)責(zé)為密封腔體提供必要的真空條件，而水冷單元則用于冷卻電機(jī)和變流器，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
飛輪儲能技術(shù)以其高頻次、高效率、長壽命和低循環(huán)成本等優(yōu)勢，在電力儲能領(lǐng)域占據(jù)了一席之地。它特別適用于數(shù)百千瓦至數(shù)十兆瓦的電儲能需求，持續(xù)時間從數(shù)秒到數(shù)分鐘不等，且電儲能頻次超過十萬次。飛輪儲能不僅在電網(wǎng)調(diào)頻、新能源消納方面有著廣泛的應(yīng)用，還為高品質(zhì)不間斷電源、動能回收與利用以及高脈沖功率電源等領(lǐng)域帶來了新的解決方案。
2. 電網(wǎng)調(diào)頻
飛輪儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)調(diào)頻方面展現(xiàn)出卓越的性能。其反應(yīng)速度極快，通常能在接到調(diào)度指令信號后的1秒內(nèi)，迅速切換至滿功率充電或放電狀態(tài)。這種高效的調(diào)頻能力，使得飛輪儲能系統(tǒng)在調(diào)節(jié)效果上，能夠與數(shù)倍于其自身功率等級的火電機(jī)組相提并論。
3. 新能源消納
隨著風(fēng)電、太陽能等清潔能源的迅猛發(fā)展，其固有的間歇性和不確定性對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。然而，飛輪儲能系統(tǒng)作為一種新興技術(shù)，能夠與風(fēng)電和光伏發(fā)電形成良好配合，在電網(wǎng)面臨挑戰(zhàn)時發(fā)揮穩(wěn)定作用，從而有助于降低向零碳發(fā)電時代轉(zhuǎn)型的成本。
4. 高效不間斷電源
飛輪儲能系統(tǒng)在提供高品質(zhì)電源方面表現(xiàn)出色。其交流電壓閃變恢復(fù)時間低于3秒，而備用發(fā)電機(jī)組的啟動時間通常少于10秒。此外，過渡電源的工作時間僅需20秒，這使得短時工作的大功率飛輪儲能系統(tǒng)成為傳統(tǒng)電池儲能的理想替代方案。盡管飛輪儲能的初期投資相對較高，但在其整個壽命期內(nèi)，使用成本卻低于電池儲能。
5. 動能回收與利用
在混合動力車輛的傳動系統(tǒng)中，電池、電容和飛輪儲能方式均有所應(yīng)用。高速飛輪與內(nèi)燃機(jī)通過無極變速器相連，結(jié)構(gòu)簡單且可靠。鑒于電動車技術(shù)受限于電池的高功率特性，采用飛輪儲能與化學(xué)電池的混合動力方案顯得尤為可行。通過引入電機(jī)和功率控制器，實現(xiàn)電力傳動，飛輪燃油混合動力車可實現(xiàn)高達(dá)35%的節(jié)油率。
6. 高脈沖功率電源
核能有望成為石油、煤和天然氣之后的新一代主要能源，而實現(xiàn)受控核聚變則面臨磁約束和慣性約束兩大挑戰(zhàn)。托卡馬克，這一大型電物理實驗裝置，專注于研究高溫等離子體的諸多特性，并致力于最終達(dá)成受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)。其供電系統(tǒng)，旨在產(chǎn)生和維持磁場，是除了主體裝置之外最為關(guān)鍵、規(guī)模最為龐大的部分。該系統(tǒng)需提供數(shù)百兆瓦的平均電源容量，并因容量大而工作時間短的特點，常采用大型飛輪儲能發(fā)電機(jī)組來供電，從而減輕對公共電網(wǎng)的壓力。
應(yīng)用案例：飛輪技術(shù)在全球范圍內(nèi)均有廣泛應(yīng)用，涵蓋儲能電站、不間斷電源、軌道車輛動能回收以及電網(wǎng)調(diào)頻等多個領(lǐng)域。美國Beacon Power、荷蘭TenneT電力、原加拿大Temporal Power、德國Piller，以及國內(nèi)盾石磁能、華馳動能等知名企業(yè)，均已有相關(guān)產(chǎn)品成功投入運行。
