飛輪儲能技術(shù)作為未來大規(guī)模儲能的應(yīng)用方式之一進入國人的視野還是最近兩年的事。
在我國，化學(xué)電池較為常見，抽水儲能也應(yīng)用較多，唯獨飛輪儲能這個名詞頗為陌生。
在媒體對飛輪儲能的報道中，北京航空航天大學(xué)教授房建成的一句話引用頗多：“目前，我國的飛輪儲能技術(shù)還停留在實驗室研究階段，與國外技術(shù)水平差距在10年以上。”
然而，今年7月，英利集團高調(diào)宣布進軍飛輪儲能領(lǐng)域，稱其技術(shù)國產(chǎn)化率達到了80%，并計劃在“十二五”期間至少生產(chǎn)45萬臺。
那么，我國是否具有大批量生產(chǎn)飛輪儲能的技術(shù)能力？國外的飛輪儲能發(fā)展現(xiàn)狀如何？飛輪儲能是否能滿足市場對儲能技術(shù)的迫切需求？
帶著這些疑問，記者來到我國少數(shù)幾家研究飛輪儲能的科研單位之一——清華大學(xué)工程物理系，采訪了該系副研究員戴興建。
市場潛力巨大
所謂飛輪儲能，是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將能量以動能的形式儲存起來。需要能量時，飛輪減速運行，將存儲的能量釋放出來。我們小時候玩過的回力玩具汽車就是飛輪儲能的簡單應(yīng)用。
不過，現(xiàn)在對飛輪儲能的要求是將其應(yīng)用于更大規(guī)模的儲能。據(jù)戴興建介紹，飛輪儲能的技術(shù)優(yōu)勢是技術(shù)成熟度高、高功率密度、長壽命、環(huán)境特性友好。目前，國外產(chǎn)品經(jīng)過不斷地更新和提高性能，壽命已經(jīng)達到15年、10萬次以上。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：電池的運行需要空調(diào)作保證，因此需要額外的電費；兩三年更換電池，又是一筆費用；同樣容量的儲能，飛輪儲能的占地面積只有電池的1/3。綜合起來，兩者在壽命期內(nèi)的競爭成本差不多。
不過，飛輪儲能的劣勢也很明顯：能量密度不夠高、自放電率高，如停止充電，能量在幾到幾十個小時內(nèi)就會自行耗盡。
Active Power公司的飛輪儲能系統(tǒng)單位模塊輸出250千瓦，待機損耗為2.5千瓦，因此有些數(shù)據(jù)稱其效率為99%。“但這是有條件的。”戴興建說，“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，戴興建指出，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。他認為，沒有一種萬能的儲能技術(shù)能夠滿足所有的儲能需求，飛輪儲能根據(jù)其特點具體定位三塊細分市場。
第一，高品質(zhì)不間斷電源。
有統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，美國95%以上的停電都由分秒級的電能質(zhì)量差導(dǎo)致。電壓突變在電網(wǎng)中很常見，但在一些高精密度產(chǎn)品的生產(chǎn)車間，電壓突變會造成精密儀器的損壞。目前，國際市場上已經(jīng)在用的基于飛輪儲能的UPS有3000~4000套系統(tǒng)，以平均10萬美元/臺計算，現(xiàn)有市場已經(jīng)達到3億~4億美元。這還不包括巨大的潛在市場。
第二，港口、地鐵等特殊場合的電制動能量再生。
熟悉F1的人對動能回收系統(tǒng)（KERS）應(yīng)該不會陌生。這是國際汽聯(lián)為了順應(yīng)低碳這一國際形勢而采取的重大舉措。KERS系統(tǒng)能將車身制動能量存儲起來，并在賽車加速過程中作為輔助動力釋放利用。現(xiàn)在已經(jīng)面世的KERS系統(tǒng)就是采用飛輪回收。國際汽聯(lián)主席莫斯利曾表示，鋰電池適合于長期的能量儲存，而飛輪則更適合吸收汽車大力制動下短時間內(nèi)釋放的巨大能量。
除了F1賽車，制動能量巨大的港口起重機、地鐵列車等都可以配備類似的動能回收系統(tǒng)。據(jù)悉，國內(nèi)的很多港口起重機的動能回收方式已經(jīng)從早期的電池轉(zhuǎn)變?yōu)轱w輪。Vycon公司更是將飛輪儲能系統(tǒng)納入港口起重機的制造，成為其中一個部件。這塊市場也將會很大。
第三，用于可再生能源并網(wǎng)的分秒級儲能電源。
風(fēng)力發(fā)電的波動很大，為了穩(wěn)定輸出往往會為風(fēng)機配備柴油機組，但柴油機并不適合頻繁啟動，而這恰恰是飛輪的強項。“國外現(xiàn)在采用的一種解決方案是同時配備飛輪儲能系統(tǒng)用于分秒級的儲能，減少柴油機啟動次數(shù)。”戴興建表示，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，因此市場也更大。他建議百兆瓦級別的風(fēng)電場配備供電容量20%~50%的飛輪儲能。
不過，由于放電時間有限，戴興建認為飛輪儲能不一定是調(diào)節(jié)太陽能發(fā)電波動的最佳選擇。
理論研究多 工程實踐少
據(jù)了解，以美國為代表的西方國家對飛輪儲能的研究開發(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、電制動能量再生、風(fēng)力發(fā)電儲能、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。
最近，Beacon Power公司承接了美國能源部的一個項目，為一座20MW的電廠儲能調(diào)頻，能做到15分鐘的儲能規(guī)模。而一般應(yīng)用于UPS的飛輪儲能時間都不超過100秒。
“因此可以說這是美國目前最先進的飛輪儲能系統(tǒng)。”戴興建說，“這也說明美國的很多項目還處在示范階段。”
另外，日本在上世紀(jì)90年代做出來了小型幾千瓦的飛輪儲能系統(tǒng)，歐洲在上世紀(jì)90年代也嘗試過用飛輪儲能回收剎車動能再生，但都沒有特別明顯的市場收益，未能真正實現(xiàn)商業(yè)化。
我國的飛輪儲能研究始于上世紀(jì)80年代，由中科院電工所開始。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，國內(nèi)能實現(xiàn)充放電的科研單位不多，總體來說，理論研究較多，工程實踐和實驗比較少；理論分析計算較為充分，實驗研究不充分；裝置開發(fā)滯后。和國外差距10年以上。尤其在飛輪的轉(zhuǎn)速、電機功率、系統(tǒng)效率等方面差距很大。
據(jù)介紹，清華大學(xué)經(jīng)過15年的研究，研制了3代飛輪儲能實驗原理樣機：300Wh永磁—流體動壓懸浮飛輪儲能系統(tǒng)、500Wh飛輪儲能UPS、300Wh電磁懸浮飛輪儲能系統(tǒng)。在高儲能密度復(fù)合材料飛輪、微損耗軸承、系統(tǒng)實驗技術(shù)方面具有優(yōu)勢。
此外，近5年來也有一些國內(nèi)技術(shù)公司在研發(fā)工程樣機。但直到英利提出雄心勃勃的計劃為止，國內(nèi)企業(yè)并未獲得明顯突破。
戴興建表示，飛輪儲能的空載損耗大（自放電率高）是制約其進一步發(fā)展的決定因素。據(jù)公開數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)化的主流技術(shù)的放電時間基本在10~100秒，最長達到900秒。
而延長飛輪儲能的時間只有兩種方法：減小損耗和補充能量，后者顯然不合適，因此減小損耗被視為提高飛輪儲能性能的唯一方法，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)合材料能夠提高儲能密度，降低系統(tǒng)體積和重量。另外，我國還沒有100千瓦、1萬轉(zhuǎn)以上的飛輪儲能電機，研發(fā)高功率高速電機也是一大方向。
技術(shù)突破還需產(chǎn)業(yè)力量
其實，美國企業(yè)對飛輪儲能的研究也并不順利。據(jù)戴興建介紹，美國的飛輪儲能產(chǎn)品在2000年前后推出，其后并沒有迅速占領(lǐng)市場，一直到2005年才真正實現(xiàn)贏利。一些公司經(jīng)歷過多次股權(quán)轉(zhuǎn)讓，還有多個應(yīng)用研發(fā)項目因為技術(shù)無法突破而終止。
實際上，美國政府曾經(jīng)支持過兩個飛輪儲能的大項目，一個是上世紀(jì)70年代能源危機之后由美國能源部提出的“超級飛輪計劃”，但經(jīng)過10多年的研究并沒有解決關(guān)鍵難題；另一個是上世紀(jì)80年代提出的“航天飛輪計劃”，在2004年由于美國空間站預(yù)算的縮減停滯下來。
“這兩個計劃雖然失敗了，但是為美國的大學(xué)和科研院所積累了技術(shù)經(jīng)驗，支持了美國很多小公司20多年的研發(fā)。”戴興建說，“手機從磚頭式的大哥大發(fā)展到人手一支的普及型手機只用了不到10年的時間，但飛輪儲能顯然不行。”
值得注意的是，美國商業(yè)界為支持飛輪儲能的研發(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1000萬美元/年的研發(fā)經(jīng)費。
而在我國，由于受支撐政策的限制，飛輪儲能一直沒有獲得大展拳腳的機會。從上世紀(jì)80年代至今，飛輪儲能只獲得過兩個“863”探索項目和一個“八五”攻關(guān)項目的支持，除國防領(lǐng)域外，公開的總共投入經(jīng)費不足500萬元。
據(jù)戴興建介紹，清華大學(xué)的研究經(jīng)費主要來自清華大學(xué)自主基金和自籌經(jīng)費。由于缺乏經(jīng)費，研究一直較難維持。
“這次本來都搞不下去了，又有公司找來合作，但是只能根據(jù)用戶需求進行研究。”戴興建說，目前，清華大學(xué)正與多家單位合作開展工程樣機研制工作，應(yīng)用目標(biāo)瞄準(zhǔn)UPS電源、風(fēng)力發(fā)電儲能、獨立動力系統(tǒng)功率調(diào)峰等。
在15年的研究進程中，清華大學(xué)工程物理系也培養(yǎng)了一批飛輪儲能相關(guān)方向的研究生，不過由于市場較小，只有一名畢業(yè)生繼續(xù)從事飛輪儲能的研發(fā)工作。
一位知情人士表示，有國家支持才能快速發(fā)展，但我國近年來對化學(xué)電池儲能投入較多，而對超級電容器、飛輪、壓縮氣體儲能等技術(shù)的研究支持很少，即使在當(dāng)前的迫切需求之下，物理儲能仍然很難進入國家重大規(guī)劃層面。
戴興建解釋道，飛輪儲能其中的單項技術(shù)國內(nèi)基本都有了（但和國外差距在10年以上），難點在于根據(jù)不同的用途開發(fā)不同功能的新產(chǎn)品，因此飛輪儲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家的科研經(jīng)費支持。
“美國除了兩個大項目后面全靠產(chǎn)業(yè)界推動，最終實現(xiàn)突破。我國要想有所突破也只能依靠產(chǎn)業(yè)界的力量。”戴興建希望5~8年內(nèi)，我國能形成一定規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。
一個利好消息是，隨著英利大手筆的投入，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界呈現(xiàn)出趨暖的態(tài)勢，不過戴興建提醒道：“如果不突破微損耗這個難關(guān)，使用飛輪儲能的代價將會很高。”
