今年年初發(fā)布的《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》提出，開展規(guī)模化飛輪儲能技術應用示范。

飛輪儲能在一級市場也受到資本市場追捧。北航背景的華馳動能(北京)科技有限公司(以下簡稱“華馳動能”)在2021年底完成了一輪來自浙大九智、星澤資本等機構的投資。

2021年10月，飛輪儲能技術供應商泓慧能源獲得1億人民幣戰(zhàn)略投資，投資方為皓海產(chǎn)融、廣大控股。

飛輪儲能是一種源于航天領域的先進物理儲能技術,是指利用電能驅(qū)動飛輪高速旋轉(zhuǎn),將電能轉(zhuǎn)換為機械能,在需要的時候通過飛輪慣性拖動電機發(fā)電,將儲存的機械能變?yōu)殡娔茌敵?即所謂的飛輪放電)的一種儲能方式。

目前，飛輪儲能在全球和國內(nèi)儲能市場領域，還屬于小眾技術。根據(jù)中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應用分會出品的《2022儲能產(chǎn)業(yè)應用研究報告》，2021年全球儲能市場裝機功率205.3GW，飛輪儲能占比為0.47%;2021年國內(nèi)儲能市場撞擊規(guī)模為43.44GW，壓縮空氣和飛輪儲能占比為0.4%。

不過，隨著儲能市場的整體爆發(fā)，飛輪儲能蓄勢待飛，有望在萬億儲能市場中分到一杯羹。

飛輪儲能的優(yōu)點明顯

飛輪儲能是一種典型的物理儲能方式。

從結構上來看，飛輪儲能包括三個核心部分：飛輪、電動機-發(fā)電機和電力電子變換裝置。其中，飛輪是整個產(chǎn)品的核心部件，直接決定著儲存能量的多少;電力電子變換裝置，決定了輸入輸出能量的大小。

簡單地說，飛輪儲能是將能量以飛輪的轉(zhuǎn)動動能的形式來存儲。充電時，飛輪由電機帶動飛速旋轉(zhuǎn);放電時，相同的電機作為發(fā)電機由旋轉(zhuǎn)的飛輪產(chǎn)生電能。儲存在飛輪中的能量與飛輪(以飛輪轉(zhuǎn)軸作為其轉(zhuǎn)動慣量的參考軸)的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)速度的平方成正比。

與電池一樣，飛輪儲能有三種工作狀態(tài)，即充電、放電和浮充。飛輪儲能的能量狀態(tài)可以用荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)來描述：當SOC=0時，表示飛輪儲能系統(tǒng)放電完全，當前可用的能量為0;當SOC=1時，表示飛輪儲能系統(tǒng)完全充滿，當前可用的能量為1。

在飛輪儲能系統(tǒng)充電時，從外部輸入的電能通過電力電子變換裝置，驅(qū)動電動機帶動飛輪旋轉(zhuǎn)以儲存動能。此時，飛輪從低轉(zhuǎn)速向高轉(zhuǎn)速加速運行，SOC上升;放電時，即當外部負載需要能量時，旋轉(zhuǎn)的飛輪帶動發(fā)電機發(fā)電，從而將動能轉(zhuǎn)化為電能，再通過電力電子變換裝置轉(zhuǎn)化成負載所需的各種頻率、電壓等級的電能，以滿足不同的用電需求。此時，飛輪從高轉(zhuǎn)速向低轉(zhuǎn)速減速，SOC下降;浮充時，飛輪處于充滿電的待機狀態(tài)，，此時飛輪處于(額定)最高轉(zhuǎn)速，為了維持這一狀態(tài)，外界需要給飛輪儲能系統(tǒng)提供涓流充電，但這個涓流很小，在很多情況下可以忽略不計。

從技術路線來看，全球飛輪儲能技術主要有兩條技術路線。第一條技術路線是以接觸式機械軸承為代表的大容量飛輪儲能技術，其主要特點是儲存動能、釋放功率大，一般用于短時大功率放電和電力調(diào)峰場合。

第二條技術路線是以磁懸浮軸承為代表的中小容量飛輪儲能技術，其主要特點是結構緊湊、效率更高，一般用作飛輪電池、不間斷電源等。

為提高飛輪的轉(zhuǎn)速和降低飛輪旋轉(zhuǎn)時的損耗，飛輪儲能的關鍵技術包括高強度復合材料技術、高速低損耗軸承技術、高速高效發(fā)電/電動機技術、飛輪儲能并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)技術、真空技術等。

因此，飛輪儲能具備多種優(yōu)點。首先，功率特性好,響應速度快，可實現(xiàn)毫秒級大功率充放電、可靠性高。其次，高效率、免維護。磁懸浮支撐無摩擦損耗,系統(tǒng)維護周期長;第三，使用壽命長，即不受重復深度放電次數(shù)影響,使用壽命一般在20年以上;第四，適用溫度寬泛，容量特性不受高低溫影響,工作溫度一般在-10至+40°C。此外，綠色環(huán)保、無污染，無化學物質(zhì),無電池后期回收壓力。

應用場景廣泛

盡管飛輪儲能具備多種優(yōu)點，但其缺點也很明顯。

第一，成本比較高。由于在實際工作中，飛輪的轉(zhuǎn)速可達40000～50000r/min，一般金屬制成的飛輪無法承受這樣高的轉(zhuǎn)速，容易解體，所以飛輪一般都采用碳纖維制成，制造飛輪的碳纖維材料目前還很貴，成本比較高。

第二，能量密度不夠高，能量釋放只能維持較短時間，一般只有幾十秒鐘。自放電率高，如停止充電，能量在幾到幾十個小時內(nèi)就會自行耗盡。

例如，Active Power公司的飛輪儲能系統(tǒng)單位模塊輸出250千瓦，待機損耗為2.5千瓦，因此有些數(shù)據(jù)稱其效率為99%。但這是有條件的。只有在迅速用掉的情況下才有這么高的效率。如果自放電的話，效率大大降低。例如，幾萬轉(zhuǎn)高速飛輪系統(tǒng)損耗在100瓦左右，1千瓦時的系統(tǒng)只能維持10小時的自放電。

基于飛輪儲能的上述特點，可以在航空航天、軌道交通、電網(wǎng)調(diào)頻、不間斷電源、儲能電站、微網(wǎng)等領域。

首先是航天航空領域，包括人造衛(wèi)星、飛船、空間站，飛輪電池一次充電可以提供同重量化學電池兩倍的功率，同負載的使用時間為化學電池的3～10倍。同時，因為它的轉(zhuǎn)速是可測可控的，故可以隨時查看電能的多少。美國太空總署已在空間站安裝了48個飛輪電池，聯(lián)合在一起可提供超過150KW的電能，相比化學電池，可節(jié)約200萬美元左右。

其次是軌道交通的能量回收領域。城市軌道交通的主要能源消耗是電能,電能費用龐大。根據(jù)不完全統(tǒng)計,城市軌道交通系統(tǒng)每年的用電量約為150億度,約占全國總用電量的3‰。有效回收再生制動能量,既可減少大量能耗,節(jié)約能源,降低運營電力費用成本,產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益。同時,可以提升列車運行安全穩(wěn)定性,對城市軌道運營商具有重要的現(xiàn)實意義。

飛輪儲能軌道能量回收系統(tǒng),即把飛輪儲能應用于存儲軌道機車產(chǎn)生的制動能量(由于機車制動導致牽引網(wǎng)電壓升高,通過飛輪吸收平抑網(wǎng)壓),并在下一個機車啟動環(huán)節(jié)補充機車的能量消耗(機車啟動導致網(wǎng)壓下降,飛輪放電平抑網(wǎng)壓下降)。

第三是電力系統(tǒng)調(diào)頻?，F(xiàn)有火電機組在功率跟蹤與電網(wǎng)調(diào)度要求之間的差距逐漸加大,成為各大電廠亟需解決的痛點。

飛輪儲能系統(tǒng)具有響應迅速、跟蹤精確的特點,能夠有效提升以火電為主的電力系統(tǒng)整體調(diào)頻能力,保證電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定,改善電力系統(tǒng)的運行效率,提升電網(wǎng)運行的可靠性及安全性。

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