飞轮储能的原理及应用场景

飞轮储能技术是一种新兴电能存储技术，通过在低摩擦环境中高速旋转的转子来存储动能，属于机械类储能技术。具有大功率、快响应、高频次、长寿命的特点，适用于交通（轨道交通、汽车）、应急电源、电网质量管理（调频）等领域。飞轮储能是一项集成性技术，高速化、复合材料转子、内定外转结构是其未来发展方向。飞轮储能具有广阔的应用前景，但目前处于市场发展前期。

目前，国内外储能市场呈现规模大、速度快、政策多、市场热的特点。中国对储能的需求巨大且迫切，正处于示范向商业化发展的初期，国家有一系列政策支持。中国国家能源局出台的指导意见提出：到“十三五”末，储能从工程示范到商业化初期；到“十四五”末，从商业化初期到大规模应用。飞轮储能是一种大功率、快响应、高频次、长寿命的机械类储能技术，具有广阔的应用前景。

(资料图片仅供参考)

1 飞轮储能的工作原理及构成

整个飞轮储存装置是在封闭壳体中，提供高真空以减少阻力，保护转子系统运转。飞轮储能具有储能密度较高、能量转换效率高（可达90%）、充放电次数与充放电深度无关、无污染等优点。飞轮系统在电力系统领域（包括可再生能源并网、调频等方向）、轨道交通工具、UPS、航天航空等领域发挥重要作用。

飞轮储能电源系统主要由三部分组成：1)飞轮；2)电机：电动机+发电机；3)轴承：为转子提供低耗损支撑。飞能储能在“充电”时，电动机会发动将飞轮加速，将电能转化为机械能储存。当需要用电时，飞轮转速下降，透过发电机将机械能转化为电能给外部供电。

2 飞轮储能技术特点及优劣势

2.1飞轮储能的技术特点

飞轮储能是一种分秒级、大功率、长寿命、高效率的功率型储能技术。相较于其他技术，飞轮储能的特点在于，几乎无摩擦损耗、风阻小；比功率可达8kW/kg以上，远远高于传统电化学储能技术；其寿命主要取决于飞轮材料的疲劳寿命和系统中电子元器件的寿命。目前，飞轮储能的使用寿命可达200万次以上，且使用寿命不受充放电深度的影响；运行过程中无有害物质产生；运行过程中几乎不需要维护；工况环境适应性好，-20～50"℃下都能正常工作。飞轮储能的技术特点和应用场合如表1所示。

表1飞轮储能的技术特点和应用场合

2.2飞轮储能的发展方向分析

飞轮储能的计算公式为：

式(2)中，P为功率，W；Tmn为转矩，N·m；Nmn为转速，r/min。

由式(2)可知，在电机其他条件既定的情况下，转矩、转速与功率为等比正相关。

2.2飞轮储能的优劣

（1）飞轮储能的优势

1)功率特性好，响应速度快，可实现毫秒级大功率充放电、可靠性高；

2)高效率、免维护，磁悬浮支撑无摩擦损耗，系统维护周期长；

3)不受重复深度放电次数影响，使用寿命一般在20年以上；

4)适用温度宽泛，容量特性不受高低温影响，工作温度一般在-10至+40°C；

5)无化学物质，绿色环保、无污染。

（2）飞轮储能的劣势

1)由于飞轮转速可达4万~5万转/分钟，因此飞轮一般采用碳纤维材质，成本较高；

2)能量释放持续时间较短，一般只有几十秒钟，且自放电率高，若停止充电，能量在几十个小时内就会被全部损耗。

3 应用前景分析

飞轮储能适用于大功率、响应快、高频次的场景，典型市场包括UPS、轨道交通、电网调频三大领域，未来还将有充电桩、工程机械等新兴市场。

3.1、UPS市场

国内外数据中心、通讯基站、重要活动都对电源不间断有明确的要求，目前主要使用化学电池+柴油发电机的组合模式。与目前的化学电池相比，飞轮储能具有响应速度更快、瞬时功率大、占地面积小、使用寿命长等优点，更适合与柴油发电机搭配作为UPS电源。

3.2、轨道交通

目前，地铁列车进站回收的电能通过电阻放热方式消耗，存在资源浪费和冲击电网的问题。飞轮储能在列车进站时将回收电能，在列车出站时释放电能，发挥节能和友好电网的作用。美国多个地铁站已经对飞轮储能进行了示范，能够实现节电20%的效果。

3.3、电网调频市场

飞轮调频电站，比电化学的调频电站建设时间还早一些。飞轮储能作为一种储能设备，有别于一般的能量型储能设备，是功率型储能设备，可以用于功率的短时支撑。

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。目前，中国电网调频主要是由发电机组承担，未来新能源入网比例增加，电网调频的需求将更大。飞轮储能具备功率大、响应速度快、循环能力强等特性，可以随着电网的变化快速、有效地进行有功/无功补偿，平抑波动负荷，缓冲发电输出瞬变，支撑电网频率和电压，具有很好的应用前景。

3.4、储能式电动汽车充电桩

储能式电动汽车充电桩主要应用于电动汽车大功率、快速充电的场合。受现有电网框架容量的限制，建设一个电动汽车充电站涉及到电网的增容、城市规划调整等一系列问题。带有储能环节的大功率电动汽车快速充电桩系统，可减小充电桩对电网增容的压力。以磁悬浮储能飞轮为储能装置，充分利用储能飞轮慢充快放，即小功率充电、大功率输出的典型运行特征，不仅可以满足电动汽车快速充电的要求，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，消除了建设充电站对市容的影响，减小了城建工作的压力。

4 目前国内外应用状况

飞轮储能系统技术门槛较高，复合材料结构技术、磁轴承技术、真空中的高速高效电机技术中仍然有一些亟待解决的问题。高速化、复合材料转子、内定外转结构是未来发展方向。中国企业基本掌握了合金飞轮技术，但在结构设计、复合材料转子飞轮等方面与国外相比有明显的差距。

飞轮储能技术在国外，特别是北美，早在上世纪五六十年代就开始探索了。诞生了需求相对刚性，盈利模型较为清晰的商业应用场景，即电网调频应用，形成了稳定而成熟的技术与产品，并经受住了商业运行的考验，出现了飞轮储能行业的头部企业。加拿大的Temporal Power公司的各类型研发投入总计高达3500万加元。美国的Beacon Power公司各类型研发投入更是高达2.5亿美元。这两家企业的共同技术特点就是为电网调频商业应用而研发设计制造的。

我国自主研发飞轮储能技术已有几十年的历史，主要以各高校理论研究为主。目前国内有近十家飞轮储能厂商进行飞轮储能设备的研发，已经部署的工程应用还不多。2022年飞轮储能渐渐升温，在出现一个具有标杆示范性的飞轮储能项目并网运行之前，整个行业都会处于摸索前行状态。

飞轮储能设备是以精密制造为基础的、多学科融合的机电一体化设备，其主要的瓶颈在于高质量和稳定性的规模化生产能力，目前国内大部分飞轮产生技术/产品还处于样机试制阶段，离规模化生产仍有较大的距离。

从全球看，电网侧飞轮储能应用在调频领域应用是成熟的，2011年第一个商用飞轮储能调频电站并网运行至今，已经有十年以上应用，至今仍在运行。加拿大的第一个商用飞轮储能调频电站在2014年并网，至今也在为当地电网提供调频辅助服务。

但商用飞轮储能调频电站没有大规模建设，和北美的能源消费结构和电网特点有关。北美的火电以燃气机组为主，燃气机组的调节能力大约相当于燃煤机组的六倍。北美电网以区域性的小电网为主，飞轮储能调频电站的调频能力过强，在小电网中难以发挥其优异的调节作用。

根据《2022储能产业应用研究报告》，目前 2021 年全球储能市场装机功率 205.3GW，飞轮储能占比仅为 0.47%，仍处于非主流的一种储能方式。 2022 年 3 月， 国家发改委、国家能源局发布关于印发《“十四五”新型储能发展实施方案》，提出要重点建设飞轮储能技术试点示范项目，到 2025 年兆瓦级飞轮储能等机械储能技术逐步成熟。国内已有部分飞轮储能项目获批或在建。

在众多储能技术中，飞轮储能系统因效率高、容量大、响应快和对环境友好等优点备受重视。飞轮储能系统作为一种逐渐成熟的储能技术， 已经应用到包括电动汽车、电力领域， 逐步取代化学电池储能， 成为储能行业一支不可忽视的力量。中国飞轮储能的技术储备已经基本完成， 正处于商业化前期， 大功率UPS、电网调频、动能回收等领域已有示范项目推动。

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