環球短訊！飛輪儲能的工作原理及技術現狀

根據儲能方式不同，儲能技術主要分為三類：機械儲能（如抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等）、電磁儲能（如超導電磁儲能、超級電容器儲能等）、電化學儲能（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】

飛輪儲能技術是利用高速旋轉的飛輪將能量以動能的形式儲存起來，當能量緊急缺乏或需要時，飛輪減速運行，將存儲的能量釋放出來。

飛輪儲能工作機制

飛輪儲存的能量基于旋轉質量原理。它是一種機械儲存裝置，通過電動/發電互逆式雙向電機，實現電能與高速旋轉飛輪的機械動能之間的相互轉換與儲存。

飛輪儲能系統的輸入能量通常來自電網或任何其他電能來源。飛輪與電機同軸連接，表明控制電機可以控制飛輪。

旋轉的飛輪由電機驅動，實現電能與機械能的交換，反之亦然。飛輪在儲存能量時由電機驅動飛輪加速，電能轉換為動能；在釋放能量時由飛輪驅動電機發電，飛輪減速，動能轉換為電能。

飛輪內部構造圖

相對優勢

飛輪儲能目前作為儲能行業中的一種新型技術，在很多地方具備自己獨特的優勢，是目前最具發展前途的短時大功率儲能技術之一，具體表現在：

1）儲能密度高，瞬時功率大。在短時間內可以輸出更大的能量，有利于電磁炮的發射和車輛的快速啟動。

2）壽命周期長。在整個壽命周期內，不會因為過充電或過放電而影響儲能密度和使用壽命，而且飛輪也不會受到損害。其壽命主要取決于飛輪電池中電子元器件的壽命，一般可長達20年左右。

3）容易測量放電深度和剩余“電量”。

4）充電時間短。一般幾分鐘內就可以將電量充滿。

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

6）綠色環保，無污染。

飛輪儲能系統的結構組成

飛輪儲能系統由飛輪轉子、電機、軸承、電力電子接口和外殼組成。

飛輪系統構成圖

飛輪轉子

飛輪中儲存的能量由轉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速或增加慣性矩來優化飛輪的存儲能量。

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

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

電機

電動/發電互逆式雙向電機與飛輪耦合，以實現飛輪的能量轉換和充電過程。這臺機器可為馬達，通過加速飛輪并從電源中汲取電能來給飛輪儲存動能。

飛輪上存儲的能量由作為發電機的的同一電機提取，因此，飛輪在將動能轉化為電能的過程中減速。飛輪儲能系統中常用的電機有感應電機(IM)、永磁電機(PM)和可變磁阻電機(VRM)。

由于其堅固耐用、高扭矩和低成本，感應電機被用于高功率應用。速度限制、復雜的控制和更高的維護要求是感應電機的主要問題。

雙饋感應電機（DFIM）由于其靈活的控制和較低的功率轉換額定值，目前已在飛輪儲能系統應用中使用，從而減少了電力電子設備的尺寸。

可變磁阻電機具有性能穩定、怠速損耗低、調速范圍寬等特點。對于高速操作，可變磁阻電機的控制機制比感應電機更簡單。它的缺點是功率因數低，功率密度低，扭矩波動大。開關磁阻和同步磁阻兩種磁阻類型均適用于高速飛輪儲能系統。

永磁電機具有較高的效率、較高的功率密度和較低的轉子損耗，是飛輪儲能系統最常用的電機。它被廣泛應用于高速應用中。永磁電機的主要問題是定子渦流損耗導致的空轉損耗、高價格和低抗拉強度。

無刷直流電動機(BLDCM)、永磁同步電機(PMSM)和哈爾巴赫陣列機(HAM)是飛輪儲能系統應用中使用的主要永磁電機類型。

軸承

需要軸承以非常低的摩擦將轉子保持在適當位置，同時為飛輪提供支撐機構。軸承系統可以是機械或磁性的，取決于重量、壽命和較低的損耗。

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

永久（被動）磁軸承（PMB）、主動磁軸承（AMB）和超導磁軸承（SMB）是磁軸承系統的主要類型。

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

AMB是由控制轉子位置的載流線圈產生的磁場驅動的。AMB成本高，控制系統復雜，運行時消耗能量，進而增加系統損耗。為了確保整個系統的良好效率，必須在速度和損耗之間進行折衷。

SMB提供高速、無摩擦、長壽命、緊湊和穩定的操作。它是高速運行的最佳磁性軸承，因為它可以在沒有電力或定位系統的情況下穩定飛輪。

然而，SMB需要低溫冷卻系統，因為它在非常低的溫度下工作；但近些年，通過使用高溫超導體（HTS）對其進行了改進。SMB系統的主要缺點是成本非常高。

應用

飛輪儲能技術最早應用于航天領域，作為衛星姿控、儲能一體化使用，其關鍵技術也逐漸轉化到民用領域。

飛輪儲能因其功率密度高、效率高、壽命長和無污染的優勢，目前廣泛應用于大功率、響應快、高頻次的場景，典型市場包括軌道交通、電網調頻、UPS不間斷電源等。

根據中國能源研究會儲能專委會數據，截止至2021年底，全球飛輪儲能在儲能裝機中占比僅0.22%，未來發展空間巨大。

市場現狀

飛輪儲能技術自20世紀中葉開始發展，至今已經有超過50年的研究、開發和應用歷史。目前全球飛輪儲能技術的研發力量主要集中在美國、歐洲和日本。

在飛輪技術基礎應用研究、關鍵技術、制造工藝、產品產業化開發與市場運作等方面，美歐日都遠遠領先于其他國家，全球研發格局一度呈現出三足鼎立的局面。目前，隨著其他國家對儲能技術的重視和大力投入，多極化趨勢日益明顯。

美國：目前，美國在飛輪儲能技術研究方面居于全球領先地位，這主要得益于DOE和NASA等機構從上世紀70年代以來的長期投入和近10多年資本市場的持續支持。

在商用飛輪市場，具有代表性的企業主要包括專注于電網級應用的BeaconPower公司、專注于企業級UPS應用的ActivePower公司、專注于大功率應用的AFSTrinityPower公司和專注于城市輕軌動能再生的Pentadyne公司(已重組)等。

歐洲：在眾多歐洲國家中，德國和英國對飛輪儲能技術的研究最為深入，另外法國、意大利等國也有較大的投入。

日本：日本在高強度碳纖維材料、高溫超導材料等方面具有雄厚的技術實力，為飛輪儲能技術的發展提供了有利條件。

各國飛輪儲能開發商及其代表產品

中國：國內自20世紀80年代開始關注飛輪儲能技術，目前，我國的飛輪儲能在發電、石油鉆井、導航等領域已取得了諸多實際應用示范的成功經驗。

國內飛輪儲能相關研究機構

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