飛輪儲能技術在電力儲能領域中的應用現狀

2020-12-27 全國能源信息平臺

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北極星儲能網訊:摘要：國內飛輪儲能系統主要在軌道交通（盾石磁能）以及UPS（北京泓慧）等領域實現了應用，在電力系統領域內的應用案例較少。

（來源：微信公眾號「中關村儲能產業技術聯盟」 ID：孟海星）

飛輪儲能技術概況

人類對飛輪的認識可以追溯到2000多年前，當時陶工所用的轉輪被認為是飛輪最早的應用。進入20世紀90年代以後，飛輪儲能受到了廣泛的重視，並得到了快速發展，已經出現了很多高性能的產品。美國、日本、法國、英國、德國、荷蘭、俄羅斯、西班牙、韓國、中國、印度、瑞士、加拿大和義大利等國都在進行研究和開發工作。其中美國投資最多，規模最大，進展最快。美國Active Power公司的100KW-2000kW Clean Source系列UPS飛輪儲能系統、Penta dyne公司的65KVA-1000kVA VSS系列UPS飛輪儲能系統、Beacon Power公司的25MW Smart Energy Matrix、波音公司Phantom工廠採用高溫超導磁浮軸承的100kW/5kWh飛輪儲能裝置，以及SatCon Technology公司的315-2200kVA系列Rotary UPS飛輪儲能系統，已經開始應用於電力系統、備用電源、交通工具、航天航空、軍工等領域。

國內飛輪研究起步較晚，20世紀80年代國內機構開始關注飛輪儲能技術，90年代開始關鍵技術基礎研究，早期從事飛輪儲能技術研發的單位有：北京飛輪儲能（柔性）研究所、核工業理化工程研究院、中科院電工研究所、清華大學、華北電力大學、北京航空航天大學、中科院長春光學精密機械與物理研究所等，目前國內也有公司開始運營從事飛輪儲能系統的實際應用開發，包括瀋陽微控新能源技術有限公司、北京泓慧國際能源技術發展有限公司、北京奇峰聚能科技有限公司、中核集團核工業西南物理研究院、二重德陽儲能科技有限公司、盾石磁能科技有限責任公司、上海航天控制技術研究所、貝肯新能源（天津）有限公司、大連亨利科技有限公司等，並且有部分飛輪產品已經投入示範應用，包括在石油鑽井行業、軌道交通領域、UPS備用電源等領域。

飛輪儲能產品結構及工作原理

飛輪儲能系統又稱飛輪電池，其基本結構由飛輪轉子、軸承、電動機/發電機、電力電子控制裝置、真空室等五個部分組成，結構示意圖見圖1。其中飛輪轉子作為飛輪電池的關鍵部件，一般選用強度高密度相對較小的材料製作而成，根據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，由於磁懸浮支承軸承和組合式軸承可以降低摩擦損耗，提高系統效率而成為了支承技術的研究熱點，尤其是組合式軸承結合了機械軸承和磁懸浮軸承的優點，已經引起了飛輪儲能系統研究和開發者的廣泛關注；電機作為一個集成部件，具有電動機和發電機的功能，可以在電動和發電兩種模式下自由切換，以實現機械能和電能的相互轉換；電力電子控制裝置主要是對輸入或輸出的電能進行變換控制，通過對電力電子控制裝置的操作可以實現對飛輪電機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境以降低風阻損耗並在飛輪高速旋轉破裂時保護周圍人員和設備。

圖1：飛輪儲能裝置結構示意圖

飛輪儲能系統是將能量以高速旋轉飛輪的轉動動能的形式來存儲起來的裝置。它有三種模式：充電模式、放電模式、保持模式。充電模式即飛輪轉子從外界吸收能量,使飛輪轉速升高將能量以動能的形式存儲起來，充電過程飛輪做加速運動，直到達到設定的轉速；放電模式即飛輪轉子將動能傳遞給發電機，發電機將動能轉化為電能,再經過電力控制裝置輸出適合於用電設備的電流和電壓，實現機械能到電能的轉化，此時飛輪將做減速運動，飛輪轉速將不斷降低，直到達到設定的轉速；保持模式即當飛輪轉速達到預定值時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，整個飛輪系統實現了能量的輸入、輸出以及存儲。

飛輪儲能技術分類

從產品技術上看，根據轉子旋轉速度、轉子材料選擇、軸承類型的不同，飛輪儲能系統有多種不同的分類方式。其中根據飛輪儲能系統中飛輪轉子旋轉速度的不同，飛輪儲能系統分為中低速飛輪儲能系統及高速飛輪儲能系統兩大類；根據飛輪軸系軸承的不同，飛輪分為機械軸承飛輪儲能系統、磁懸浮軸承飛輪儲能系統和組合式軸承飛輪儲能系統等；根據飛輪轉子材料的不同，飛輪分為複合材料轉子飛論以及金屬材料飛輪兩大類。

另外還可以根據飛輪應用場景不同，將飛輪儲能產品分為能量型飛輪儲能技術及功率型飛輪儲能技術。

飛輪儲能產品開發商及飛輪產品在電力儲能領域應用現狀

飛輪儲能產品開發商

飛輪儲能系統先進開發商主要集中在歐美、日本等發達國家，表1列出了美國、西歐以及日本比較著名的飛輪儲能系統開發商。

表1 美國、西歐以及日本飛輪儲能系統知名開發商

我國自20世紀80年代開始關注飛輪儲能技術，自90年代開始關鍵技術基礎研究，隨著飛輪技術的不斷成熟，從2010年前後，出現了一些飛輪儲能系統商業推廣示範應用的技術開發公司，如前文所述，主要包括瀋陽微控、北京泓慧國際能源技術發展有限公司、北京奇峰聚能科技有限公司、中核集團核工業西南物理研究院、二重德陽儲能科技有限公司、盾石磁能科技有限責任公司、上海航天控制技術研究所、貝肯新能源（天津）有限公司、大連亨利科技有限公司等。

飛輪儲能產品在電力儲能領域中的應用現狀

美國的Beacon Power公司在紐約州史蒂芬鎮建設了20 MW飛輪儲能項目，該項目既可以為紐約州智能電網進行頻率調節，又能將該地區風力發電的過剩電能進行緩存，並在用電高峰期將電力注入電網，該項目是典型的飛輪儲能系統在電力系統中的應用案例之一；2011年1月Beacon Power公司在美國紐約的8MW飛輪項目投入運營，標誌著飛輪儲能開始了在電網的大規模正式商業應用。未來飛輪儲能將有可能在電力調頻業務中發揮更大的作用。目前飛輪儲能在電力系統應用主要項目如下表2所示：

表2 飛輪儲能系統在電力系統的應用

國內飛輪儲能系統主要在軌道交通（盾石磁能）以及UPS（北京泓慧）等領域實現了應用，在電力系統領域內的應用案例較少。2018年，由西藏運高新能源股份有限公司開發、投資、建設及運營的60兆瓦運高光伏電站計劃引進第一個長達4h的飛輪儲能系統電站，主要用於調峰調頻和增加新能源消納，飛輪系統採用美國Amber Kinetics公司產品，陣列容量為0.8MW/3.2MWh，由100個AmberKinetics M32型飛輪系統組成，先期已經完成了16KW/64KWh的驗證機組，參與光伏發電調控。

總之飛輪儲能作為一項古老的技術，隨著多學科優化設計技術、複合材料技術、磁支撐技術和電動機/發電機一體機技術的不斷進步，現代飛輪儲能系統已經成為一種綠色的能量存儲裝置，鑑於飛輪儲能技術的特性和優點，未來飛輪系統將在電力系統領域，包括可再生能源併網、調頻等方向、軌道交通工具、UPS、航天航空等軍工領域將發揮重要作用。隨著飛輪市場及應用領域的不斷擴大，飛輪儲能技術為了滿足不用應用領域的需求，飛輪儲能系統將向高功率密度、高能量密度、低損耗、低成本等方向發展，圍繞這幾方面，飛輪儲能單元關鍵技術主要有以下幾方面發展趨勢：（1）電機及其變流器系統將向低成本方向發展；（2）高能量密度轉子將向複合材料方向發展；（3）支撐軸承將向磁懸浮及複合軸承方向發展；（4）飛輪儲能單機儲存能量由十千瓦時向百千瓦時發展；（5）大容量飛輪儲能系統將向模塊陣列化方向發展。

原標題:飛輪儲能技術在電力儲能領域中的應用現狀

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