飛輪儲能是什么？

飛輪儲能系統(tǒng)是一種機電能量轉換和儲存裝置，屬于物理儲能。飛輪儲能系統(tǒng)以飛輪本體高速旋轉的形式存儲動能，并通過與飛輪本體同軸的電動發(fā)電機完成動能與電能之間的轉換。通俗來講，飛輪儲能就像一種可以儲存電能的陀螺。

飛輪儲能裝置的組成

飛輪儲能裝置主要由以下幾個核心組件組成：

飛輪本體：飛輪本體是儲能系統(tǒng)的核心部件，通常采用高強度碳素纖維復合材料制作，以提高極限角速度和減輕重量，從而最大化儲能量。

軸承系統(tǒng)：軸承系統(tǒng)的作用是支撐飛輪轉子，減少摩擦阻力，確保裝置高效、可靠地運行。常見的軸承類型包括磁懸浮軸承，這種軸承可以顯著降低機械損耗。

電動/發(fā)電機：集成在一個部件中的電動/發(fā)電機負責實現(xiàn)電能與機械能之間的轉換。在儲能模式下，電機驅動飛輪加速旋轉，將電能轉換為機械能儲存；在釋能模式下，電機作為發(fā)電機運行，將儲存的機械能轉換回電能供外部負載使用。

電力轉換裝置：電力轉換裝置用于提高系統(tǒng)的靈活性和控制性，將飛輪儲能系統(tǒng)的輸出電能進行調頻、整流或恒壓處理，以滿足不同的負載需求。

真空室：真空室主要提供真空環(huán)境，以降低電機運行時的風阻損耗，從而提高整個系統(tǒng)的效率。

飛輪儲能的工作原理

飛輪儲能系統(tǒng)是一種用物理方法實現(xiàn)能量轉換的儲能裝置。

在儲能時，電能通過電力轉換器變換后驅動電機運行，電機帶動飛輪加速轉動，飛輪以動能的形式把能量儲存起來，完成電能到機械能轉換的儲存能量過程，能量儲存在高速旋轉的飛輪體中。之后，電機維持一個恒定的轉速，直到接收到一個能量釋放的控制信號。

在釋能時，高速旋轉的飛輪拖動電機發(fā)電，經電力轉換器輸出適用于負載的電流與電壓，完成機械能到電能轉換的釋放能量過程。

整個飛輪儲能系統(tǒng)實現(xiàn)了電能的輸入、儲存和輸岀過程。

圖為飛輪儲能工作原理圖

圖片來源：國家能源之聲

飛輪儲能技術分類

從飛輪特性上分類，飛輪儲能系統(tǒng)可分為功率型飛輪與能量型飛輪。

功率型飛輪指存儲能量較小、單體功率較大、充電速度快、響應迅速，且可以頻繁充放電的飛輪。

能量型飛輪指存儲能量較大、充放電時間較長的飛輪。

從飛輪轉子的材質分類，飛輪儲能系統(tǒng)可分為鋼質材料飛輪與復合材料飛輪。

鋼質材料飛輪指使用鋼材作為制作材料的飛輪，目前應用成熟，但工作時一旦發(fā)生事故，飛輪會擊碎容器飛出，危險性較大。

復合材料飛輪指使用多種材料的飛輪，無轉子解體后擊穿殼體的風險，可頻繁深度充放電、生命周期內基本免維護。

飛輪儲能技術特點

相較于其他類型的儲能系統(tǒng)而言，飛輪儲能具備如下特性：

飛輪放電速度極快，可以在幾秒鐘內提供大量電能，效率能達到90%-95%; 通過飛輪的轉速可以獲取儲能系統(tǒng)的SOC； 飛輪儲能自放電率比其他存儲技術更高的，這成為其發(fā)展的主要限制之一； 飛輪的充電和放電不受DOD的影響，并且有研究表明飛輪儲能的生命周期也與DOD無關； 飛輪儲能具有在頻繁淺放電和淺放電條件下高效運行的能力； 飛輪儲能具有在頻繁淺放電和淺放電條件下高效運行的能力； 飛輪儲能在運行過程中不會釋放有害物質，對環(huán)境較為友好； 飛輪儲能的額定能量由轉子轉速和轉子尺寸決定，而額定功率則由電機和相關電力電子元件的尺寸確定。

飛輪儲能的優(yōu)勢

響應速度快：能夠在毫秒級時間內實現(xiàn)充放電，滿足對快速動態(tài)響應的需求。

效率高：能量轉換過程中的損失較小，可有效提高能源利用效率。

耐用性強：飛輪結構相對簡單，不易損壞，具有較長的使用壽命。

環(huán)保節(jié)能：不產生有害物質，對環(huán)境友好。

飛輪儲能系統(tǒng)設計要點

飛輪儲能系統(tǒng)設計時，考慮因素包括飛輪系統(tǒng)發(fā)熱量和通風量、設備的消防設施、飛輪轉子失穩(wěn)對外界可能產生的破壞性影響等。所有這些因素，都在保障飛輪儲能系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，從而提升整個電力系統(tǒng)的效率。

飛輪儲能系統(tǒng)應考慮失效產生破壞對建筑的影響。

飛輪儲能系統(tǒng)應核對地面承重能力，承重不滿足設備安裝要求時，應對地面進行加固。

飛輪儲能系統(tǒng)應根據飛輪系統(tǒng)發(fā)熱量核算通風量，通風量不滿足散熱要求時，應改造通風道或加裝空調。

飛輪儲能系統(tǒng)應配置氣體滅火或自動噴淋裝置。

飛輪儲能系統(tǒng)滿載運行時在距離設備水平位置1 m處的噪聲不應大于85 dB。

飛輪儲能系統(tǒng)應具備機械危險防護措施。飛輪轉子失穩(wěn)不應對外界產生破壞性影響，且應具備緊急停機功能。

飛輪儲能發(fā)展歷史

20世紀50年代，學術界就開始了飛輪儲能的研究，但進展緩慢。70至80年代，石油危機爆發(fā)，美國開始大力發(fā)展能源項目。隨著技術的不斷突破，飛輪儲能在歐美等發(fā)達國家和地區(qū)逐漸實現(xiàn)商業(yè)化應用。中國飛輪儲能起步晚于歐美，2022年擁有首臺自主知識產權的兆瓦級飛輪儲能裝置。

萌芽期：1950-1990年

階段特征：學術界針對飛輪儲能技術初步展開探索，石油危機的爆發(fā)促進發(fā)達國家積極布局新型能源項目，加大飛輪儲能技術研發(fā)力度，計劃以新型能 源逐步替代傳統(tǒng)能源，滿足國家能源安全需求，并推動飛輪儲能向高能量密度方向發(fā)展。

啟動期：1991-2021年

階段特征：自20世紀90年代開始，飛輪儲能逐步實現(xiàn)商業(yè)化應用。中國飛輪儲能研究起步較晚，2010年左右開始出現(xiàn)相關技術開發(fā)公司，通過引進國外先進技術實現(xiàn)產品的批量生產。2020年中國首個飛輪儲能系統(tǒng)團體標準發(fā)布，飛輪儲能行業(yè)技術積累逐漸成熟，走向規(guī)范化發(fā)展。

高速發(fā)展期：2022年至今

階段特征：2022年，中國誕生首臺擁有完全自主知識產權的兆瓦級飛輪儲能裝置，飛輪儲能系統(tǒng)在城軌交通領域陸續(xù)展開示范應用。國內飛輪儲能技術 發(fā)展迅速，本土企業(yè)自主研發(fā)的飛輪儲能系統(tǒng)有望成為全球功率最大的商業(yè)化飛輪儲能裝置。

飛輪儲能產業(yè)鏈

飛輪儲能產業(yè)鏈包括上游的原材料供應商、中游的制造和系統(tǒng)集成，以及下游的應用三個部分。其中上游原材料主要包括儲能裝置核心部件、儲能輪體、電機、飛輪外殼等，下游飛輪儲能可用于不間斷電源、應急電源、電網調峰和頻率控制等。

代表企業(yè)

北京泓慧國際能源技術發(fā)展有限公司

北京泓慧國際能源技術發(fā)展有限公司是一家軍民融合、航空航天轉民用的高科技企業(yè)。公司匯聚了來自航空航天、電力電子、自動控制和能源領域的先進前沿技術人才，經過多年的潛心研究和不懈努力，成功開發(fā)了具有完全自主知識產權的大功率磁懸浮飛輪儲能技術，應用于保電場所、石油鉆井、軌道交通、新能源、微電網、數(shù)據中心、港口碼頭、軍事等領域，并實現(xiàn)了磁懸浮飛輪的大規(guī)模商業(yè)化制造，為客戶提供節(jié)能、儲能和電能質量改善的全面解決方案。泓慧能源大功率磁懸浮飛輪系列產品打破了國外壟斷，填補了國內空白，實現(xiàn)了飛輪儲能關鍵技術的自主可控。

貝肯新能源有限公司

貝肯新能源有限公司于2017年在天津濱海新區(qū)空港經濟區(qū)成立，注冊資金5610萬元，是一家擁有自主知識產權的企業(yè)。公司主要從事先進儲能技術的開發(fā)，特別是飛輪儲能技術在電網領域的開發(fā)應用。2018年公司瞄準世界科學前沿，聯(lián)合了華北電力大學先進飛輪儲能技術與工程應用研發(fā)中心，斥巨資，100%收購了加拿大Temporal Power飛輪儲能技術公司。在擁有了國內成熟技術團隊的同時，又得到了國外的實際應用能力，成為全球僅有的擁有該項工程技術及電網應用業(yè)績的兩家公司之一。

北京奇峰聚能科技有限公司

北京奇峰聚能科技有限公司是國內領先的集飛輪儲能技術研究、產品開發(fā)、生產、銷售及服務于一體的高科技公司。在國家863計劃和工信部重大科技創(chuàng)新計劃支持下，開發(fā)出了國際領先的具有完全自主知識產權的大功率飛輪UPS、飛輪儲能調頻電站、儲能式電動汽車快充樁、大功率脈沖電源等產品。共申請專利86項，已授權44項，全面覆蓋產品各項關鍵技術。公司利用技術領先優(yōu)勢，針對客戶行業(yè)的實際需求，提供節(jié)能改造、合同能源管理、微電網開發(fā)等系統(tǒng)性解決方案和衍生服務。

華馳動能(北京)科技有限公司

華馳動能(北京)科技有限公司創(chuàng)立于2019年，創(chuàng)始人和核心技術曾獲國家技術發(fā)明一等獎，公司總部位于中關村城市科技前沿技術創(chuàng)新中心，是國家高新技術企業(yè)、中關村金種子企業(yè)、中關村高新技術企業(yè)，研發(fā)生產基地位于安徽省銅陵市樅陽經濟開發(fā)區(qū)，主要從事以五自由度混合磁懸浮軸承及其控制系統(tǒng)為核心技術的電力級磁懸浮儲能飛輪、高速磁懸浮電動機、衛(wèi)星姿控飛輪產品的研發(fā)、制造和市場推廣，已融投資近億元,核心技術發(fā)明專利50余項，軟件著作權10余項。

盾石磁能科技有限責任公司

盾石磁能科技有限責任公司總部位于中國（河北）自由貿易試驗區(qū)正定片區(qū)內，分別在石家莊市內和自貿區(qū)內建有大型生產基地，美國設有全資海外子公司、英國設有研發(fā)設計中心、北京設立子公司，高新技術企業(yè)、河北省創(chuàng)新驅動發(fā)展示范企業(yè)、河北省儲能行業(yè)重點支持科技型企業(yè)、河北省高速飛輪儲能與節(jié)能技術重點實驗室，碳纖維飛輪生產企業(yè)。目前公司持有美國專利2項，國內專利近40項，軟著2項。

沈陽微控新能源技術有限公司

沈陽微控新能源技術有限公司是國家高新技術企業(yè)，總部位于中德（沈陽）高端裝備制造產業(yè)園，微控磁懸浮儲能飛輪產品采用五軸主動磁懸浮的軸承體系，飛輪在密閉的真空容器中處于無接觸的完全磁懸浮狀態(tài)，以每分鐘高達37000轉的轉速高速旋轉，擁有業(yè)界較高的功率密度。產品充放電循環(huán)次數(shù)超過200萬次，使用壽命長達20年。微控飛輪儲能技術可廣泛應用于電力、數(shù)據中心、工業(yè)、電信、醫(yī)療、交通運輸?shù)刃袠I(yè)公司，產品全球部署規(guī)模近3000臺，穩(wěn)定運行時間超過10萬小時，驗證了微控產品具備業(yè)界最佳的性能及品質。

坎德拉（深圳）新能源科技有限公司

坎德拉（深圳）新能源科技有限公司是坎德拉集團旗下定位于以磁懸浮飛輪儲能技術為核心的飛輪儲能產品設備供應商和儲能系統(tǒng)集成商，采用垂直產業(yè)鏈模式，實現(xiàn)飛輪儲能全部核心部件的自主可控，具備飛輪儲能全生命周期安全管理能力，已建立完整飛輪儲能產品產業(yè)鏈，具備批量化交付飛輪儲能系統(tǒng)的工程化能力。坎德拉新能源在深圳建有研發(fā)中心、飛輪實驗室和小批量試制基地，分別與揚州和佛山政府簽約建設大規(guī)模飛輪儲能生產基地，與國家電力投資集團中央研究院成立了實體合資公司國電投坎德拉（北京）新能源科技有限公司。坎德拉新能源擁有秒級、分鐘級、小時級全應用場景飛輪儲能系統(tǒng)產品系列，推出滿足風電、光伏一次調頻和火電AGC二次調頻的專屬產品，產品已成功應用于內蒙古霍林河“源網荷儲用”創(chuàng)新示范項目、浙江湖州濱湖光儲充電站示范工程等多個飛輪儲能示范項目。

羅特尼克能源科技（北京）有限公司

羅特尼克能源科技（北京）有限公司是高能碳纖維飛輪儲能技術、裝備制造及系統(tǒng)方案提供商，致力于實現(xiàn)飛輪儲能大規(guī)模商用的跨越發(fā)展。羅特尼克能源科技（北京）有限公司下設技術及產品開發(fā)工程中心，以及多家承擔核心部件制造、規(guī)模制造及系統(tǒng)集成業(yè)務的子公司。公司是全球為數(shù)不多的能夠完全掌握碳纖維復合材料飛輪核心技術的公司。

湘潭電機股份有限公司

湘潭電機股份有限公司是湘電集團集中主業(yè)部分的優(yōu)良資產，是我國電工行業(yè)的大型骨干企業(yè)、國務院確立的國家重大技術裝備國產化研制基地、國家高技術產業(yè)基地和國家創(chuàng)新型企業(yè)。所屬子公司湘電動力有限公司與其他單位聯(lián)合研制中國首臺套1兆瓦飛輪儲能裝置在肯島地鐵3號線萬年泉路站完成安裝調試并順利并網應用。產品擁有完全自主知識產權。

飛輪儲能應用場景

電網調頻：電網中發(fā)電和用電不平衡會使電網頻率發(fā)生波動，為了平抑這種波動， 電網就需要配備總發(fā)電容量2%的調頻電站。隨著新能源的入網，電網調頻的需求將更大。

城軌交通：主要利用飛輪儲能在列車進站時回收電能，列車出站時釋放電能，發(fā)揮節(jié)能和友好電網的作用，解決資源浪費和沖擊電網的問題。

UPS市場：主要用于有不間斷電源要求的場景，如數(shù)據中心、通訊基站等，利用其具有響應速度快、瞬時功率大、占地面積小、使用壽命長等優(yōu)點。

電動汽車充電樁：儲能飛輪在電動汽車大功率、快速充電的場景下，不僅減小充電樁對電網增容的壓力，又可以規(guī)避電網增容的制約。同時，由于儲能飛輪功率密度高、體積小、布置靈活、綠色環(huán)保無污染，可布置于地下， 減小城建工作的壓力。

飛輪儲能行業(yè)未來發(fā)展趨勢

飛輪儲能系統(tǒng)將在可再生能源集成中扮演關鍵角色，幫助平衡電力供應。伴隨著全球可再生能源的應用提升，飛輪將成為重要的能源存儲解決方案，確保電網穩(wěn)定運行。同時隨著飛輪儲能未來技術進一步成熟、成本下降和應用領域拓寬，飛輪儲能在能源可持續(xù)發(fā)展領域有著非常廣闊的發(fā)展空間。未來飛輪儲能技術的未來研究重點將從列陣化、自動化、智能化、高性能、高穩(wěn)定性等角度出發(fā)，主要包括以下幾個方面：

1、新型飛輪復合材料的研發(fā)。飛輪轉子的材料強度極大限制了儲能系統(tǒng)的能量密度和轉換效率，使用更高強度的新型復合材料可獲得更大的儲能密度。

2、新型超導磁懸浮軸承的研發(fā)。先進的軸承系統(tǒng)能夠有效減少飛輪轉子旋轉過程中的摩擦損耗，提高轉子的極限速度，減少自放電損失，提升系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與安全性。

3、高速永磁電機的研發(fā)。飛輪儲能系統(tǒng)的電機要滿足轉速適應力強、極限轉速高、損耗率低等要求，在永磁電機現(xiàn)有的基礎上，仍需要進行深入優(yōu)化與設計。

4、大容量飛輪儲能列陣式運行與控制技術。將儲能系統(tǒng)單元進行模塊化，實現(xiàn)多個飛輪儲能系統(tǒng)列陣式的運行，可以大幅度提升儲能的規(guī)模，使得更好應用于大容量負載需求的情況。優(yōu)秀的控制系統(tǒng)可以增加系統(tǒng)效率，加快系統(tǒng)響應速度，并可緩解由于控制不當造成的飛輪電機損壞等問題。

內容資料來源：中國能建中電工程、國家能源之聲、浙江制冷學會儲能技術專委會、中國葛洲壩電力、元旅控股集團、中國葛洲壩微言、智研咨詢、等風來時、儲能圈、百度百科等