根據(jù)儲(chǔ)能方式不同，儲(chǔ)能技術(shù)主要分為三類：機(jī)械儲(chǔ)能（如抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等）、電磁儲(chǔ)能（如超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能等）、電化學(xué)儲(chǔ)能（如鉛酸電池、氧化還原液流電池、鈉硫電池、鋰離子電池等）。

【資料圖】

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)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，當(dāng)能量緊急缺乏或需要時(shí)，飛輪減速運(yùn)行，將存儲(chǔ)的能量釋放出來。

飛輪儲(chǔ)能工作機(jī)制

飛輪儲(chǔ)存的能量基于旋轉(zhuǎn)質(zhì)量原理。它是一種機(jī)械儲(chǔ)存裝置，通過電動(dòng)/發(fā)電互逆式雙向電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電能與高速旋轉(zhuǎn)飛輪的機(jī)械動(dòng)能之間的相互轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸入能量通常來自電網(wǎng)或任何其他電能來源。飛輪與電機(jī)同軸連接，表明控制電機(jī)可以控制飛輪。

旋轉(zhuǎn)的飛輪由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的交換，反之亦然。飛輪在儲(chǔ)存能量時(shí)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪加速，電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能；在釋放能量時(shí)由飛輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電，飛輪減速，動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。

飛輪內(nèi)部構(gòu)造圖

相對(duì)優(yōu)勢(shì)

飛輪儲(chǔ)能目前作為儲(chǔ)能行業(yè)中的一種新型技術(shù)，在很多地方具備自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是目前最具發(fā)展前途的短時(shí)大功率儲(chǔ)能技術(shù)之一，具體表現(xiàn)在：

1）儲(chǔ)能密度高，瞬時(shí)功率大。在短時(shí)間內(nèi)可以輸出更大的能量，有利于電磁炮的發(fā)射和車輛的快速啟動(dòng)。

2）壽命周期長(zhǎng)。在整個(gè)壽命周期內(nèi)，不會(huì)因?yàn)檫^充電或過放電而影響儲(chǔ)能密度和使用壽命，而且飛輪也不會(huì)受到損害。其壽命主要取決于飛輪電池中電子元器件的壽命，一般可長(zhǎng)達(dá)20年左右。

3）容易測(cè)量放電深度和剩余“電量”。

4）充電時(shí)間短。一般幾分鐘內(nèi)就可以將電量充滿。

5）能量轉(zhuǎn)換效率高。一般可達(dá)90%左右，這意味著有更多可利用的能量、更少的熱耗散，高于化學(xué)電池的轉(zhuǎn)換效率。

6）綠色環(huán)保，無污染。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)由飛輪轉(zhuǎn)子、電機(jī)、軸承、電力電子接口和外殼組成。

飛輪系統(tǒng)構(gòu)成圖

飛輪轉(zhuǎn)子

飛輪中儲(chǔ)存的能量由轉(zhuǎn)子的形狀和材料決定。能量與慣性矩及其角速度的平方成線性比例，因此可以通過提高轉(zhuǎn)速或增加慣性矩來優(yōu)化飛輪的存儲(chǔ)能量。

這就為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)提供了兩種選擇：低速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)(通常高達(dá)10,000rpm)和高速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)(高達(dá)100,000rpm)。

低速飛輪通常由較重的金屬材料制成，由機(jī)械軸承或磁軸承支承。高速飛輪一般使用較輕但較強(qiáng)的復(fù)合材料，通常需要磁軸承。高速飛輪的成本通?？筛哌_(dá)低速飛輪成本的5倍。

電機(jī)

電動(dòng)/發(fā)電互逆式雙向電機(jī)與飛輪耦合，以實(shí)現(xiàn)飛輪的能量轉(zhuǎn)換和充電過程。這臺(tái)機(jī)器可為馬達(dá)，通過加速飛輪并從電源中汲取電能來給飛輪儲(chǔ)存動(dòng)能。

飛輪上存儲(chǔ)的能量由作為發(fā)電機(jī)的的同一電機(jī)提取，因此，飛輪在將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的過程中減速。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中常用的電機(jī)有感應(yīng)電機(jī)(IM)、永磁電機(jī)(PM)和可變磁阻電機(jī)(VRM)。

由于其堅(jiān)固耐用、高扭矩和低成本，感應(yīng)電機(jī)被用于高功率應(yīng)用。速度限制、復(fù)雜的控制和更高的維護(hù)要求是感應(yīng)電機(jī)的主要問題。

雙饋感應(yīng)電機(jī)（DFIM）由于其靈活的控制和較低的功率轉(zhuǎn)換額定值，目前已在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用中使用，從而減少了電力電子設(shè)備的尺寸。

可變磁阻電機(jī)具有性能穩(wěn)定、怠速損耗低、調(diào)速范圍寬等特點(diǎn)。對(duì)于高速操作，可變磁阻電機(jī)的控制機(jī)制比感應(yīng)電機(jī)更簡(jiǎn)單。它的缺點(diǎn)是功率因數(shù)低，功率密度低，扭矩波動(dòng)大。開關(guān)磁阻和同步磁阻兩種磁阻類型均適用于高速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。

永磁電機(jī)具有較高的效率、較高的功率密度和較低的轉(zhuǎn)子損耗，是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)最常用的電機(jī)。它被廣泛應(yīng)用于高速應(yīng)用中。永磁電機(jī)的主要問題是定子渦流損耗導(dǎo)致的空轉(zhuǎn)損耗、高價(jià)格和低抗拉強(qiáng)度。

無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)、永磁同步電機(jī)(PMSM)和哈爾巴赫陣列機(jī)(HAM)是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用中使用的主要永磁電機(jī)類型。

軸承

需要軸承以非常低的摩擦將轉(zhuǎn)子保持在適當(dāng)位置，同時(shí)為飛輪提供支撐機(jī)構(gòu)。軸承系統(tǒng)可以是機(jī)械或磁性的，取決于重量、壽命和較低的損耗。

傳統(tǒng)上使用機(jī)械球軸承，但與磁性軸承相比，機(jī)械球軸承具有更高的摩擦，并且由于潤(rùn)滑劑劣化，需要更高的維護(hù)成本。這些不足可以通過使用磁性和機(jī)械軸承的混合系統(tǒng)來緩解。磁性軸承沒有摩擦損失，不需要任何潤(rùn)滑。

永久（被動(dòng)）磁軸承（PMB）、主動(dòng)磁軸承（AMB）和超導(dǎo)磁軸承（SMB）是磁軸承系統(tǒng)的主要類型。

PMB具有高剛度、低成本和低損耗。然而，PMB在提供穩(wěn)定性方面存在局限性，通常被視為輔助軸承系統(tǒng)。

AMB是由控制轉(zhuǎn)子位置的載流線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的。AMB成本高，控制系統(tǒng)復(fù)雜，運(yùn)行時(shí)消耗能量，進(jìn)而增加系統(tǒng)損耗。為了確保整個(gè)系統(tǒng)的良好效率，必須在速度和損耗之間進(jìn)行折衷。

SMB提供高速、無摩擦、長(zhǎng)壽命、緊湊和穩(wěn)定的操作。它是高速運(yùn)行的最佳磁性軸承，因?yàn)樗梢栽跊]有電力或定位系統(tǒng)的情況下穩(wěn)定飛輪。

然而，SMB需要低溫冷卻系統(tǒng)，因?yàn)樗诜浅５偷臏囟认鹿ぷ?；但近些年，通過使用高溫超導(dǎo)體（HTS）對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。SMB系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是成本非常高。

應(yīng)用

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)最早應(yīng)用于航天領(lǐng)域，作為衛(wèi)星姿控、儲(chǔ)能一體化使用，其關(guān)鍵技術(shù)也逐漸轉(zhuǎn)化到民用領(lǐng)域。

飛輪儲(chǔ)能因其功率密度高、效率高、壽命長(zhǎng)和無污染的優(yōu)勢(shì)，目前廣泛應(yīng)用于大功率、響應(yīng)快、高頻次的場(chǎng)景，典型市場(chǎng)包括軌道交通、電網(wǎng)調(diào)頻、UPS不間斷電源等。

根據(jù)中國(guó)能源研究會(huì)儲(chǔ)能專委會(huì)數(shù)據(jù)，截止至2021年底，全球飛輪儲(chǔ)能在儲(chǔ)能裝機(jī)中占比僅0.22%，未來發(fā)展空間巨大。

市場(chǎng)現(xiàn)狀

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)自20世紀(jì)中葉開始發(fā)展，至今已經(jīng)有超過50年的研究、開發(fā)和應(yīng)用歷史。目前全球飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)力量主要集中在美國(guó)、歐洲和日本。

在飛輪技術(shù)基礎(chǔ)應(yīng)用研究、關(guān)鍵技術(shù)、制造工藝、產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化開發(fā)與市場(chǎng)運(yùn)作等方面，美歐日都遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他國(guó)家，全球研發(fā)格局一度呈現(xiàn)出三足鼎立的局面。目前，隨著其他國(guó)家對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的重視和大力投入，多極化趨勢(shì)日益明顯。

美國(guó)：目前，美國(guó)在飛輪儲(chǔ)能技術(shù)研究方面居于全球領(lǐng)先地位，這主要得益于DOE和NASA等機(jī)構(gòu)從上世紀(jì)70年代以來的長(zhǎng)期投入和近10多年資本市場(chǎng)的持續(xù)支持。

在商用飛輪市場(chǎng)，具有代表性的企業(yè)主要包括專注于電網(wǎng)級(jí)應(yīng)用的BeaconPower公司、專注于企業(yè)級(jí)UPS應(yīng)用的ActivePower公司、專注于大功率應(yīng)用的AFSTrinityPower公司和專注于城市輕軌動(dòng)能再生的Pentadyne公司(已重組)等。

歐洲：在眾多歐洲國(guó)家中，德國(guó)和英國(guó)對(duì)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的研究最為深入，另外法國(guó)、意大利等國(guó)也有較大的投入。

日本：日本在高強(qiáng)度碳纖維材料、高溫超導(dǎo)材料等方面具有雄厚的技術(shù)實(shí)力，為飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展提供了有利條件。

各國(guó)飛輪儲(chǔ)能開發(fā)商及其代表產(chǎn)品

中國(guó)：國(guó)內(nèi)自20世紀(jì)80年代開始關(guān)注飛輪儲(chǔ)能技術(shù)，目前，我國(guó)的飛輪儲(chǔ)能在發(fā)電、石油鉆井、導(dǎo)航等領(lǐng)域已取得了諸多實(shí)際應(yīng)用示范的成功經(jīng)驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)飛輪儲(chǔ)能相關(guān)研究機(jī)構(gòu)

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