摘要：國(guó)內(nèi)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要在軌道交通（盾石磁能）以及UPS（北京泓慧）等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用，在電力系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用案例較少。

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)概況

人類對(duì)飛輪的認(rèn)識(shí)可以追溯到2000多年前，當(dāng)時(shí)陶工所用的轉(zhuǎn)輪被認(rèn)為是飛輪最早的應(yīng)用。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，飛輪儲(chǔ)能受到了廣泛的重視，并得到了快速發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了很多高性能的產(chǎn)品。美國(guó)、日本、法國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、荷蘭、俄羅斯、西班牙、韓國(guó)、中國(guó)、印度、瑞士、加拿大和意大利等國(guó)都在進(jìn)行研究和開發(fā)工作。其中美國(guó)投資最多，規(guī)模最大，進(jìn)展最快。美國(guó)Active Power公司的100KW-2000kW Clean Source系列UPS飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)、Penta dyne公司的65KVA-1000kVA VSS系列UPS飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)、Beacon Power公司的25MW Smart Energy Matrix、波音公司Phantom工廠采用高溫超導(dǎo)磁浮軸承的100kW/5kWh飛輪儲(chǔ)能裝置，以及SatCon Technology公司的315-2200kVA系列Rotary UPS飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，已經(jīng)開始應(yīng)用于電力系統(tǒng)、備用電源、交通工具、航天航空、軍工等領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)飛輪研究起步較晚，20世紀(jì)80年代國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)開始關(guān)注飛輪儲(chǔ)能技術(shù)，90年代開始關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研究，早期從事飛輪儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)的單位有：北京飛輪儲(chǔ)能（柔性）研究所、核工業(yè)理化工程研究院、中科院電工研究所、清華大學(xué)、華北電力大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所等，目前國(guó)內(nèi)也有公司開始運(yùn)營(yíng)從事飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用開發(fā)，包括沈陽(yáng)微控新能源技術(shù)有限公司、北京泓慧國(guó)際能源技術(shù)發(fā)展有限公司、北京奇峰聚能科技有限公司、中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院、二重德陽(yáng)儲(chǔ)能科技有限公司、盾石磁能科技有限責(zé)任公司、上海航天控制技術(shù)研究所、貝肯新能源（天津）有限公司、大連亨利科技有限公司等，并且有部分飛輪產(chǎn)品已經(jīng)投入示范應(yīng)用，包括在石油鉆井行業(yè)、軌道交通領(lǐng)域、UPS備用電源等領(lǐng)域。

飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及工作原理

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)又稱飛輪電池，其基本結(jié)構(gòu)由飛輪轉(zhuǎn)子、軸承、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、電力電子控制裝置、真空室等五個(gè)部分組成，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。其中飛輪轉(zhuǎn)子作為飛輪電池的關(guān)鍵部件，一般選用強(qiáng)度高密度相對(duì)較小的材料制作而成，根據(jù)外形不同可分為圓輪、圓盤或圓柱剛體等類型；軸承是飛輪裝置的軸系支承部件，由于磁懸浮支承軸承和組合式軸承可以降低摩擦損耗，提高系統(tǒng)效率而成為了支承技術(shù)的研究熱點(diǎn)，尤其是組合式軸承結(jié)合了機(jī)械軸承和磁懸浮軸承的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)引起了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研究和開發(fā)者的廣泛關(guān)注；電機(jī)作為一個(gè)集成部件，具有電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的功能，可以在電動(dòng)和發(fā)電兩種模式下自由切換，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能的相互轉(zhuǎn)換；電力電子控制裝置主要是對(duì)輸入或輸出的電能進(jìn)行變換控制，通過對(duì)電力電子控制裝置的操作可以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛輪電機(jī)各種工作要求的控制；真空室主要作用是為飛輪提供真空環(huán)境以降低風(fēng)阻損耗并在飛輪高速旋轉(zhuǎn)破裂時(shí)保護(hù)周圍人員和設(shè)備。


飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是將能量以高速旋轉(zhuǎn)飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能的形式來(lái)存儲(chǔ)起來(lái)的裝置。它有三種模式：充電模式、放電模式、保持模式。充電模式即飛輪轉(zhuǎn)子從外界吸收能量,使飛輪轉(zhuǎn)速升高將能量以動(dòng)能的形式存儲(chǔ)起來(lái)，充電過程飛輪做加速運(yùn)動(dòng)，直到達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速；放電模式即飛輪轉(zhuǎn)子將動(dòng)能傳遞給發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能,再經(jīng)過電力控制裝置輸出適合于用電設(shè)備的電流和電壓，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化，此時(shí)飛輪將做減速運(yùn)動(dòng)，飛輪轉(zhuǎn)速將不斷降低，直到達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速；保持模式即當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定值時(shí)既不再吸收能量也不向外輸出能量，如果忽略自身的能量損耗其能量保持不變。由此，整個(gè)飛輪系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了能量的輸入、輸出以及存儲(chǔ)。

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)分類

從產(chǎn)品技術(shù)上看，根據(jù)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度、轉(zhuǎn)子材料選擇、軸承類型的不同，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)有多種不同的分類方式。其中根據(jù)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中飛輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的不同，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)分為中低速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)及高速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)兩大類；根據(jù)飛輪軸系軸承的不同，飛輪分為機(jī)械軸承飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)、磁懸浮軸承飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)和組合式軸承飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)等；根據(jù)飛輪轉(zhuǎn)子材料的不同，飛輪分為復(fù)合材料轉(zhuǎn)子飛論以及金屬材料飛輪兩大類。

另外還可以根據(jù)飛輪應(yīng)用場(chǎng)景不同，將飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品分為能量型飛輪儲(chǔ)能技術(shù)及功率型飛輪儲(chǔ)能技術(shù)。

飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品開發(fā)商及飛輪產(chǎn)品在電力儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品開發(fā)商

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)先進(jìn)開發(fā)商主要集中在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，表1列出了美國(guó)、西歐以及日本比較著名的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)開發(fā)商。



我國(guó)自20世紀(jì)80年代開始關(guān)注飛輪儲(chǔ)能技術(shù)，自90年代開始關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研究，隨著飛輪技術(shù)的不斷成熟，從2010年前后，出現(xiàn)了一些飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)商業(yè)推廣示范應(yīng)用的技術(shù)開發(fā)公司，如前文所述，主要包括沈陽(yáng)微控、北京泓慧國(guó)際能源技術(shù)發(fā)展有限公司、北京奇峰聚能科技有限公司、中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院、二重德陽(yáng)儲(chǔ)能科技有限公司、盾石磁能科技有限責(zé)任公司、上海航天控制技術(shù)研究所、貝肯新能源（天津）有限公司、大連亨利科技有限公司等。

飛輪儲(chǔ)能產(chǎn)品在電力儲(chǔ)能領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀

美國(guó)的Beacon Power公司在紐約州史蒂芬鎮(zhèn)建設(shè)了20 MW飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目，該項(xiàng)目既可以為紐約州智能電網(wǎng)進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，又能將該地區(qū)風(fēng)力發(fā)電的過剩電能進(jìn)行緩存，并在用電高峰期將電力注入電網(wǎng)，該項(xiàng)目是典型的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用案例之一；2011年1月Beacon Power公司在美國(guó)紐約的8MW飛輪項(xiàng)目投入運(yùn)營(yíng)，標(biāo)志著飛輪儲(chǔ)能開始了在電網(wǎng)的大規(guī)模正式商業(yè)應(yīng)用。未來(lái)飛輪儲(chǔ)能將有可能在電力調(diào)頻業(yè)務(wù)中發(fā)揮更大的作用。目前飛輪儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)應(yīng)用主要項(xiàng)目如下表2所示：


國(guó)內(nèi)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要在軌道交通（盾石磁能）以及UPS（北京泓慧）等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用，在電力系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用案例較少。2018年，由西藏運(yùn)高新能源股份有限公司開發(fā)、投資、建設(shè)及運(yùn)營(yíng)的60兆瓦運(yùn)高光伏電站計(jì)劃引進(jìn)第一個(gè)長(zhǎng)達(dá)4h的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)電站，主要用于調(diào)峰調(diào)頻和增加新能源消納，飛輪系統(tǒng)采用美國(guó)Amber Kinetics公司產(chǎn)品，陣列容量為0.8MW/3.2MWh，由100個(gè)AmberKinetics M32型飛輪系統(tǒng)組成，先期已經(jīng)完成了16KW/64KWh的驗(yàn)證機(jī)組，參與光伏發(fā)電調(diào)控。

總之飛輪儲(chǔ)能作為一項(xiàng)古老的技術(shù)，隨著多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、復(fù)合材料技術(shù)、磁支撐技術(shù)和電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)一體機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)成為一種綠色的能量存儲(chǔ)裝置，鑒于飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的特性和優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)飛輪系統(tǒng)將在電力系統(tǒng)領(lǐng)域，包括可再生能源并網(wǎng)、調(diào)頻等方向、軌道交通工具、UPS、航天航空等軍工領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用。隨著飛輪市場(chǎng)及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)為了滿足不用應(yīng)用領(lǐng)域的需求，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)將向高功率密度、高能量密度、低損耗、低成本等方向發(fā)展，圍繞這幾方面，飛輪儲(chǔ)能單元關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾方面發(fā)展趨勢(shì)：（1）電機(jī)及其變流器系統(tǒng)將向低成本方向發(fā)展；（2）高能量密度轉(zhuǎn)子將向復(fù)合材料方向發(fā)展；（3）支撐軸承將向磁懸浮及復(fù)合軸承方向發(fā)展；（4）飛輪儲(chǔ)能單機(jī)儲(chǔ)存能量由十千瓦時(shí)向百千瓦時(shí)發(fā)展；（5）大容量飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)將向模塊陣列化方向發(fā)展。