【科普】什么是飞轮储能？飞轮储能的原理及特点_新浪财经

飞轮储能是什么？

飞轮储能系统是一种机电能量转换和储存装置，属于物理储能。飞轮储能系统以飞轮本体高速旋转的形式存储动能，并通过与飞轮本体同轴的电动发电机完成动能与电能之间的转换。通俗来讲，飞轮储能就像一种可以储存电能的陀螺。

飞轮储能装置的组成

飞轮储能装置主要由以下几个核心组件组成：

飞轮本体：飞轮本体是储能系统的核心部件，通常采用高强度碳素纤维复合材料制作，以提高极限角速度和减轻重量，从而最大化储能量。
轴承系统：轴承系统的作用是支撑飞轮转子，减少摩擦阻力，确保装置高效、可靠地运行。常见的轴承类型包括磁悬浮轴承，这种轴承可以显著降低机械损耗。
电动/发电机：集成在一个部件中的电动/发电机负责实现电能与机械能之间的转换。在储能模式下，电机驱动飞轮加速旋转，将电能转换为机械能储存；在释能模式下，电机作为发电机运行，将储存的机械能转换回电能供外部负载使用。
电力转换装置：电力转换装置用于提高系统的灵活性和控制性，将飞轮储能系统的输出电能进行调频、整流或恒压处理，以满足不同的负载需求。
真空室：真空室主要提供真空环境，以降低电机运行时的风阻损耗，从而提高整个系统的效率。

飞轮储能的工作原理

飞轮储能系统是一种用物理方法实现能量转换的储能装置。

在储能时，电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电机带动飞轮加速转动，飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械能转换的储存能量过程，能量储存在高速旋转的飞轮体中。之后，电机维持一个恒定的转速，直到接收到一个能量释放的控制信号。

在释能时，高速旋转的飞轮拖动电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流与电压，完成机械能到电能转换的释放能量过程。

整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输岀过程。

图为飞轮储能工作原理图

图片来源：国家能源之声

飞轮储能技术分类

从飞轮特性上分类，飞轮储能系统可分为功率型飞轮与能量型飞轮。

功率型飞轮指存储能量较小、单体功率较大、充电速度快、响应迅速，且可以频繁充放电的飞轮。
能量型飞轮指存储能量较大、充放电时间较长的飞轮。

从飞轮转子的材质分类，飞轮储能系统可分为钢质材料飞轮与复合材料飞轮。

钢质材料飞轮指使用钢材作为制作材料的飞轮，目前应用成熟，但工作时一旦发生事故，飞轮会击碎容器飞出，危险性较大。
复合材料飞轮指使用多种材料的飞轮，无转子解体后击穿壳体的风险，可频繁深度充放电、生命周期内基本免维护。

飞轮储能技术特点

相较于其他类型的储能系统而言，飞轮储能具备如下特性：

飞轮放电速度极快，可以在几秒钟内提供大量电能，效率能达到90%-95%;
通过飞轮的转速可以获取储能系统的SOC；
飞轮储能自放电率比其他存储技术更高的，这成为其发展的主要限制之一；
飞轮的充电和放电不受DOD的影响，并且有研究表明飞轮储能的生命周期也与DOD无关；
飞轮储能具有在频繁浅放电和浅放电条件下高效运行的能力；
飞轮储能在运行过程中不会释放有害物质，对环境较为友好；
飞轮储能的额定能量由转子转速和转子尺寸决定，而额定功率则由电机和相关电力电子元件的尺寸确定。

飞轮储能的优势

响应速度快：能够在毫秒级时间内实现充放电，满足对快速动态响应的需求。

效率高：能量转换过程中的损失较小，可有效提高能源利用效率。

耐用性强：飞轮结构相对简单，不易损坏，具有较长的使用寿命。

环保节能：不产生有害物质，对环境友好。

飞轮储能系统设计要点

飞轮储能系统设计时，考虑因素包括飞轮系统发热量和通风量、设备的消防设施、飞轮转子失稳对外界可能产生的破坏性影响等。所有这些因素，都在保障飞轮储能系统的安全稳定运行，从而提升整个电力系统的效率。

飞轮储能系统应考虑失效产生破坏对建筑的影响。

飞轮储能系统应核对地面承重能力，承重不满足设备安装要求时，应对地面进行加固。

飞轮储能系统应根据飞轮系统发热量核算通风量，通风量不满足散热要求时，应改造通风道或加装空调。

飞轮储能系统应配置气体灭火或自动喷淋装置。

飞轮储能系统满载运行时在距离设备水平位置1 m处的噪声不应大于85 dB。

飞轮储能系统应具备机械危险防护措施。飞轮转子失稳不应对外界产生破坏性影响，且应具备紧急停机功能。

飞轮储能发展历史

20世纪50年代，学术界就开始了飞轮储能的研究，但进展缓慢。70至80年代，石油危机爆发，美国开始大力发展能源项目。随着技术的不断突破，飞轮储能在欧美等发达国家和地区逐渐实现商业化应用。中国飞轮储能起步晚于欧美，2022年拥有首台自主知识产权的兆瓦级飞轮储能装置。

萌芽期：1950-1990年

阶段特征：学术界针对飞轮储能技术初步展开探索，石油危机的爆发促进发达国家积极布局新型能源项目，加大飞轮储能技术研发力度，计划以新型能源逐步替代传统能源，满足国家能源安全需求，并推动飞轮储能向高能量密度方向发展。

启动期：1991-2021年

阶段特征：自20世纪90年代开始，飞轮储能逐步实现商业化应用。中国飞轮储能研究起步较晚，2010年左右开始出现相关技术开发公司，通过引进国外先进技术实现产品的批量生产。2020年中国首个飞轮储能系统团体标准发布，飞轮储能行业技术积累逐渐成熟，走向规范化发展。

高速发展期：2022年至今

阶段特征：2022年，中国诞生首台拥有完全自主知识产权的兆瓦级飞轮储能装置，飞轮储能系统在城轨交通领域陆续展开示范应用。国内飞轮储能技术发展迅速，本土企业自主研发的飞轮储能系统有望成为全球功率最大的商业化飞轮储能装置。

飞轮储能产业链

飞轮储能产业链包括上游的原材料供应商、中游的制造和系统集成，以及下游的应用三个部分。其中上游原材料主要包括储能装置核心部件、储能轮体、电机、飞轮外壳等，下游飞轮储能可用于不间断电源、应急电源、电网调峰和频率控制等。

代表企业

飞轮储能应用场景

电网调频：电网中发电和用电不平衡会使电网频率发生波动，为了平抑这种波动，电网就需要配备总发电容量2%的调频电站。随着新能源的入网，电网调频的需求将更大。

城轨交通：主要利用飞轮储能在列车进站时回收电能，列车出站时释放电能，发挥节能和友好电网的作用，解决资源浪费和冲击电网的问题。

UPS市场：主要用于有不间断电源要求的场景，如数据中心、通讯基站等，利用其具有响应速度快、瞬时功率大、占地面积小、使用寿命长等优点。

电动汽车充电桩：储能飞轮在电动汽车大功率、快速充电的场景下，不仅减小充电桩对电网增容的压力，又可以规避电网增容的制约。同时，由于储能飞轮功率密度高、体积小、布置灵活、绿色环保无污染，可布置于地下，减小城建工作的压力。

飞轮储能行业未来发展趋势

飞轮储能系统将在可再生能源集成中扮演关键角色，帮助平衡电力供应。伴随着全球可再生能源的应用提升，飞轮将成为重要的能源存储解决方案，确保电网稳定运行。同时随着飞轮储能未来技术进一步成熟、成本下降和应用领域拓宽，飞轮储能在能源可持续发展领域有着非常广阔的发展空间。未来飞轮储能技术的未来研究重点将从列阵化、自动化、智能化、高性能、高稳定性等角度出发，主要包括以下几个方面：

1、新型飞轮复合材料的研发。飞轮转子的材料强度极大限制了储能系统的能量密度和转换效率，使用更高强度的新型复合材料可获得更大的储能密度。

2、新型超导磁悬浮轴承的研发。先进的轴承系统能够有效减少飞轮转子旋转过程中的摩擦损耗，提高转子的极限速度，减少自放电损失，提升系统运行的稳定性与安全性。

3、高速永磁电机的研发。飞轮储能系统的电机要满足转速适应力强、极限转速高、损耗率低等要求，在永磁电机现有的基础上，仍需要进行深入优化与设计。

4、大容量飞轮储能列阵式运行与控制技术。将储能系统单元进行模块化，实现多个飞轮储能系统列阵式的运行，可以大幅度提升储能的规模，使得更好应用于大容量负载需求的情况。优秀的控制系统可以增加系统效率，加快系统响应速度，并可缓解由于控制不当造成的飞轮电机损坏等问题。

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