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飛輪儲能就是利用旋轉體高速旋轉時的動能存儲能量

2021-08-30 13:02:20 來源：中國科學報

儲能又出事了。不同于以往多次發生的電化學儲能起火事件，此次意外是由高速轉動的“飛輪”引起的機械事故。

8月19日，北京泓慧國際能源發展有限公司正在進行一場飛輪科技實驗，在此過程中，實驗設備意外脫落，擊中該公司多名員工，造成人員傷亡。

這場“奪命”的科技實驗再次敲響儲能安全的警鐘，同時也將“飛輪儲能”這一相對小眾的物理儲能技術帶到了聚光燈下。

那么，什么是飛輪儲能？這一“瘋狂的陀螺”又會給儲能產業帶來哪些變革？

擰緊“安全”閥門

與以往我們熟悉的電池等化學儲能不同，飛輪儲能是一種比較傳統的物理儲能方式，原理也很簡單，就是利用旋轉體高速旋轉時的動能實現能量存儲。

華北電力大學能源動力與機械工程學院教授柳亦兵對《中國科學報》解釋道，飛輪儲能系統的旋轉體由同軸的飛輪轉子和雙向電機轉子組成。雙向電機既是電動機，又是發電機。作為電動機可以驅動飛輪加速旋轉，將電能轉換成動能，進行“充電”；作為發電機又可將動能轉換成電能，降低飛輪轉速，進行“放電”。

就像“陀螺”，給它施加外力就會以一定的速度旋轉起來；如果不抽它，也不會立刻停止，而是過一段時間，等能量消耗完了再停下。

記者采訪了解到，飛輪轉子的動能等于1/2倍的轉動慣量乘以轉速的平方。即飛輪的儲能量與飛輪轉子的轉動慣量成正比，與轉子最高轉速的平方成正比。所以，提高飛輪儲能量的技術途徑，一是提高轉子的轉動慣量，二是提高飛輪轉子的轉速。

可以說，作為一種物理儲能方式，飛輪儲能是通過高速旋轉的飛輪轉子實現能量存儲，因此并沒有燃燒和爆炸的風險，但卻存在飛輪轉子脫落等安全隱患。

“高速飛輪轉子采用復雜的軸承支撐結構，軸向主要采用磁懸浮軸承支撐，將轉子懸浮在真空中運行，減小轉子旋轉的能量損耗。”柳亦兵告訴記者，“轉子在高速旋轉狀態下，如果發生軸承失效，轉子從懸浮狀態中脫落，可能與底部或外殼結構發生劇烈接觸摩擦，消耗轉子動能，造成結構高溫或整個飛輪本體移動傾倒，產生次級危害。”

不僅如此，飛輪轉子也有可能會發生超速事故，使轉子內部應力超過材料強度極限，導致轉子部件內部產生裂紋損傷，極端情況下轉子會發生爆裂。

因此，在柳亦兵看來，飛輪儲能系統應配置轉速監測和安全保護系統，使發生轉子爆裂事故的風險降至最低并且可以加以監控。同時，飛輪儲能單元的外殼和基礎設計應具有安全裕度，特別是對于大容量功率型飛輪儲能產品，基礎結構應盡量采取地井結構形式，將飛輪儲能本體設備放置在鋼筋混凝土結構的地井中，萬一發生轉子爆裂故障，也可以發揮安全防護作用，就地消納能量，有效避免發生次生事故。

具有獨特優勢

雖然有一定的安全風險，但飛輪儲能這一“瘋狂的陀螺”仍然能夠飛速“轉”出一片應用市場。不久前，我國《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030年）》中的兆瓦級飛輪儲能技術應用就取得重大突破——首次將飛輪儲能應用到電氣化鐵路領域。

“有了飛輪儲能裝置，火車進站剎車時產生的巨大電能會加速飛輪旋轉，相當于把電能儲存起來，當火車提速出站時，飛輪則可以釋放能量給火車。”中國鐵路北京局集團唐山供電段副段長李彥吉在接受媒體采訪時說，“這不僅改善了鐵路供電系統電能質量，還減少了電能消耗。僅一個鐵路牽引變電站，每天就可節約3000度電能。”

可以說，相比于電化學儲能，飛輪儲能具有很多獨特優勢。“飛輪儲能的充放電速率取決于雙向電機的額定功率，額定功率越大，充放電速率越高，可以實現快速充放電。由于飛輪充放電過程是飛輪轉子加速和減速的物理過程，因此可以通過配置較大額定功率的電機，實現能量快速充放，這是飛輪儲能的突出優勢。”柳亦兵說。

不僅如此，飛輪儲能還具有很高功率密度和很快響應時間，額定功率響應時間低于0.1秒。同時具有超多循環充放次數和超長使用壽命，充放電循環次數可達100萬次，使用壽命超過20年。另外，由于飛輪轉子轉速和儲能量成精確關系，因此飛輪儲能系統還可以實現飛輪轉子轉速精確測量和控制，通過將多個飛輪儲能單元組成陣列，實現較大容量的能量快速精確充放。

當前，以風光為主的新能源系統，隨機波動性和間歇性是其主要局限性，這對電力系統快速靈活調節提出新的挑戰，需要大力發展各種類型的儲能資源，全面提升電力系統的負荷調控能力，同時也對發電企業的靈活調節能力提出更高要求。

柳亦兵表示，飛輪儲能由于可以實現大功率快速充放電，在電力系統快速負荷調節方面具有獨特優勢，可以廣泛應用于電網獨立調頻、火電+儲能、新能源（風光）+儲能、微電網及綜合能源等，具有廣闊發展前景。除了電力系統，大容量功率型飛輪儲能也可以在其他電能快充快放領域發揮更大作用。

瓶頸待突破

飛輪儲能雖然聽起來比較陌生，但我國自上世紀90年代就已經開展相關技術研究，走在前列的有上海航天控制技術研究所、清華大學、北京航空航天大學、華北電力大學等單位。但是與國外相比，我國自主研發的飛輪儲能技術及工程應用還相對落后。多數公司主要生產容量較小的飛輪儲能設備產品，充放電時間也比較短。

柳亦兵坦言，飛輪儲能產品的儲能量取決于飛輪轉子的轉動慣量或最高轉速。對于儲能量較小的飛輪儲能產品，技術上相對容易實現。但是對于大容量功率型飛輪儲能產品，當飛輪轉子的轉動慣量和最高轉速超過一定數值，就會面臨許多技術瓶頸。例如，高強度飛輪轉子材料及結構設計制造技術、支撐高速重載飛輪轉子的長壽命復合軸承設計制造技術、寬轉速范圍運行的高速雙向電機設計制造技術、真空狀態下的電機及軸承冷卻技術、飛輪儲能單元能量快速轉換控制技術及系統、大規模飛輪儲能陣列運行優化控制與先進運維技術等。

“目前，我國在這些關鍵技術領域的研究積累不足，限制了大容量功率型飛輪儲能產品的研發。”柳亦兵說，大容量功率型飛輪儲能是一種具有很高技術含量的復雜機電設備，這類產品的研發、生產是一項高投入、高風險的事業。

對此，他建議，國家一方面應該在關鍵技術研發領域加大投入，通過精準資助國內從事該類產品生產的企業，與從事相關研究的高校深入開展校企合作，突破技術瓶頸，不斷提升產品技術水平，實現科技成果真正落地示范，為新型電力系統提供高可靠性、性能優質的飛輪儲能產品；另一方面，應盡快明確儲能在電力系統的定位，根據承擔的輔助服務業務，制定合理細化的收益支持政策，使從事儲能的廠商具有可以預期的投入產出效益，促進儲能事業的健康發展。

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