飛輪儲(chǔ)能技術(shù)研究進(jìn)展

（華馳動(dòng)能（北京）科技有限公司，北京 101111）

0.引言

能量具有多種形式，包括電能、機(jī)械能、聲能、化學(xué)能、電磁能、光能、熱能及核能等。儲(chǔ)能是使能量轉(zhuǎn)化為比較穩(wěn)定的存在形態(tài)，再通過(guò)介質(zhì)或設(shè)備把能量存儲(chǔ)起來(lái)，以備在需要時(shí)釋放的過(guò)程，主要是指電能的儲(chǔ)存，此外還有儲(chǔ)熱、儲(chǔ)氫等。

1.儲(chǔ)能分類(lèi)及特點(diǎn)

1.1 電化學(xué)儲(chǔ)能

電化學(xué)儲(chǔ)能主要指各種電池儲(chǔ)能，包括鉛酸（鉛碳）電池、鋰電池、鈉硫電池和液流電池等，其在能量密度、系統(tǒng)效率、響應(yīng)速度等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。電化學(xué)儲(chǔ)能主要適用于調(diào)峰、削峰填谷等快速響應(yīng)的大規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)景[1]。

（1）鉛酸電池。鉛酸電池具有安全性高、系統(tǒng)成本低等優(yōu)點(diǎn)，以及儲(chǔ)能密度偏低、循環(huán)壽命短、重金屬污染等缺點(diǎn)。目前，鉛酸電池在備用電源領(lǐng)域應(yīng)用規(guī)模最大，如電力系統(tǒng)不間斷電源。

（2）鋰電池。鋰電池具有能量密度高、充放電效率高、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，可通過(guò)串并聯(lián)獲得較高的電壓或容量，但電池壽命仍有待提高[2]。得益于國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的推動(dòng)，鋰電池在新能源汽車(chē)、能源互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

（3）鈉硫電池。鈉硫電池具有能量密度較高、功率特性好、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，但其運(yùn)行環(huán)境要求苛刻，工作溫度300℃以上，散熱要求較高，安全問(wèn)題值得提升[3]。鈉硫電池系統(tǒng)在平滑新能源發(fā)電曲線方面已有應(yīng)用。

（4）液流電池。液流電池具有安全穩(wěn)定、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可進(jìn)行深度的充放電。液流電池適用于平抑新能源發(fā)電波動(dòng)、輔助調(diào)峰、邊遠(yuǎn)地區(qū)供電等，主要包括全釩液流電池、鋅溴液流電池、鐵鉻液流電池等[4]。

1.2 電磁儲(chǔ)能

（1）超級(jí)電容器。超級(jí)電容器的電荷以靜電方式存儲(chǔ)在雙電層界面上，其具有功率密度大、充放電速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，以及能量密度低、自放電率較高等劣勢(shì)，可應(yīng)用于功率大、時(shí)間短的場(chǎng)景，如電力調(diào)頻、平抑波動(dòng)、軌道交通能量回收等。

（2）超導(dǎo)磁儲(chǔ)能。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能是利用超導(dǎo)線圈進(jìn)行儲(chǔ)能的一種技術(shù)，具有功率密度大、響應(yīng)速度快、能量轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用于改善電能質(zhì)量、穩(wěn)定電力波動(dòng)等場(chǎng)景。

1.3 物理儲(chǔ)能

物理儲(chǔ)能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等。

（1）抽水蓄能。抽水蓄能是目前最成熟、建設(shè)規(guī)模最大的儲(chǔ)能技術(shù)[5]，其以水量為載體，使能量在勢(shì)能和電能之間相互轉(zhuǎn)換，主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、應(yīng)急備用、黑啟動(dòng)等。

（2）壓縮空氣儲(chǔ)能。壓縮空氣儲(chǔ)能是基于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，裝機(jī)容量可達(dá)數(shù)百兆瓦，規(guī)模僅次于抽水蓄能，可用于削峰填谷、電網(wǎng)調(diào)峰等[6]。

（3）飛輪儲(chǔ)能。飛輪儲(chǔ)能是利用電機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行儲(chǔ)能的技術(shù)，具有功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)保無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用于電網(wǎng)電能質(zhì)量控制、新能源電力調(diào)頻、軌道交通能量回收等場(chǎng)景。

1.4 儲(chǔ)熱

廣義上的儲(chǔ)熱技術(shù)包括儲(chǔ)熱和儲(chǔ)冷，其中儲(chǔ)熱技術(shù)又分為顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱和熱化學(xué)儲(chǔ)熱等。潛熱儲(chǔ)熱即相變儲(chǔ)熱，具有儲(chǔ)熱密度高、吸放熱過(guò)程溫度變化小等優(yōu)點(diǎn)，是目前研究的重點(diǎn)。目前相變類(lèi)儲(chǔ)熱材料主要有有機(jī)類(lèi)、熔融鹽類(lèi)、合金類(lèi)及復(fù)合類(lèi)等[7]。

1.5 儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)比

每一種儲(chǔ)能技術(shù)都有各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，均有各自不同的性能特點(diǎn)，這也決定了其不同的應(yīng)用場(chǎng)景。各種儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)比

2.儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019年底，全球已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模184.6GW，其中抽水蓄能171.0GW，累計(jì)裝機(jī)規(guī)模最大；電化學(xué)儲(chǔ)能9520.5MW，位居第二；飛輪儲(chǔ)能占比約0.2%。

在各類(lèi)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中，鋰離子電池8453.9MW，累計(jì)裝機(jī)規(guī)模最大。2019年，全球新增投運(yùn)的電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目主要分布在中國(guó)、美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、澳大利亞、日本等49個(gè)國(guó)家和地區(qū)。

由于中國(guó)國(guó)情因素，電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能主導(dǎo)了近兩年中國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)的走勢(shì)，2019年，隨著《輸配電定價(jià)成本監(jiān)審辦法》和《關(guān)于進(jìn)一步嚴(yán)格控制電網(wǎng)投資的通知》的相繼印發(fā)，國(guó)內(nèi)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能“急停剎車(chē)”，各方開(kāi)始冷靜思考電網(wǎng)公司在未來(lái)儲(chǔ)能發(fā)展路徑中應(yīng)扮演何種角色，以及在政府有效監(jiān)管下如何發(fā)揮作用[8]。

3.飛輪儲(chǔ)能技術(shù)介紹

3.1 基本原理

飛輪儲(chǔ)能是利用電機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電能與高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能之間的相互轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存，飛輪存儲(chǔ)的能量可以表達(dá)為：

E=0.5*J*ω2，其中J為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

從上式可以看出，飛輪的儲(chǔ)能量主要由飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和旋轉(zhuǎn)速度決定。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要由真空室、飛輪本體、軸承、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)、電力轉(zhuǎn)換裝置等五部分組成，要實(shí)現(xiàn)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的突破就必須解決高速飛輪的材料強(qiáng)度及加工工藝、高速電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)、大功率電力電子技術(shù)、真空密封技術(shù)、電磁軸承等核心技術(shù)，而這些高技術(shù)與核工業(yè)中應(yīng)用的離心機(jī)技術(shù)有很大相似之處，這就決定了不可能依靠技術(shù)引進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，只能依靠自主創(chuàng)新。

圖1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

飛輪本體是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心組件，是能量的載體。磁懸浮軸承系統(tǒng)的性能直接影響飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性、效率和壽命，可減少轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的磨損，提高儲(chǔ)能效率。電力轉(zhuǎn)換裝置是為了提高飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的靈活性和可控性，并將輸出電能變換（調(diào)頻、整流或恒壓等）為滿足負(fù)荷要求的電能。真空室的主要作用是提供真空環(huán)境，降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)的風(fēng)阻損耗等。

3.2 技術(shù)特性

與傳統(tǒng)的化學(xué)電池相比，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全無(wú)燃爆、充放電倍率大、使用溫度寬、接近零維護(hù)、能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)保無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，但在儲(chǔ)能容量、自放電率等方面仍有待進(jìn)一步提高，這也決定了飛輪儲(chǔ)能目前更適合于火電AGC輔助調(diào)頻、新能源一次調(diào)頻、電網(wǎng)電能質(zhì)量治理及控制、軌道交通能量回收等領(lǐng)域[9]。隨著重型轉(zhuǎn)子和大功率電機(jī)等技術(shù)的不斷突破，飛輪儲(chǔ)能將逐步克服其目前存在的儲(chǔ)能容量、自放電率高等缺點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣埂?/p>

磁懸浮飛輪與鋰電池相比，具有諸多優(yōu)勢(shì)，如表2所示。

表2 磁懸浮飛輪和鋰電池性能對(duì)比

3.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)主要起源于英國(guó)Urenco核離心機(jī)技術(shù)和美國(guó)NASA姿控儲(chǔ)能兩用飛輪技術(shù)。飛輪儲(chǔ)能是將能量或動(dòng)量存儲(chǔ)在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子中，通過(guò)電機(jī)實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械動(dòng)能再到電能的轉(zhuǎn)換。衡量?jī)?chǔ)能飛輪技術(shù)水平的核心指標(biāo)是單體最大儲(chǔ)能量和單體最大功率。在儲(chǔ)能飛輪單機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用方面，以美國(guó)、日本、德國(guó)的技術(shù)最為先進(jìn)。美國(guó)的飛輪技術(shù)發(fā)展最為廣泛，技術(shù)先進(jìn)，擁有十幾家研究機(jī)構(gòu)，Texas at Austin大學(xué)研制的130kWh（468MJ）/2MW儲(chǔ)能飛輪試驗(yàn)樣機(jī)，代表了美國(guó)飛輪技術(shù)單機(jī)儲(chǔ)能量的最高水平。日本中部鐵路公司和東京大學(xué)聯(lián)合研制出50kWh（180MJ）/1MW超導(dǎo)儲(chǔ)能飛輪。德國(guó)Piller的電離合單機(jī)15kWh（54MJ）/ 2MW純正弦波動(dòng)態(tài)飛輪UPS，是ASML半導(dǎo)體光刻機(jī)的專(zhuān)用保電裝備[10]。

近年來(lái)，歐美各電力市場(chǎng)已經(jīng)大量采用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)開(kāi)展電網(wǎng)AGC調(diào)頻服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了在電力電網(wǎng)的規(guī)?；瘧?yīng)用，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，表明飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在安全性和可靠性方面已經(jīng)具備參與電力正常生產(chǎn)的條件。

圖2為美國(guó)20MW飛輪+風(fēng)電獨(dú)立調(diào)頻儲(chǔ)能項(xiàng)目，2009年建成，已穩(wěn)定運(yùn)行10年；圖3為NRStor項(xiàng)目容量為2MW的飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目，位于加拿大Minto鎮(zhèn)，服務(wù)于獨(dú)立電網(wǎng)調(diào)頻；圖4為安大略省圭爾夫項(xiàng)目，位于加拿大安大略省，設(shè)計(jì)容量5MW，設(shè)計(jì)壽命20年，為當(dāng)?shù)靥峁〢GC服務(wù)。

圖2 美國(guó)紐約20MW飛輪儲(chǔ)能AGC系統(tǒng)

圖3 加拿大Minto鎮(zhèn)2MW飛輪儲(chǔ)能AGC系統(tǒng)

圖4 加拿大安大略省5MW飛輪儲(chǔ)能AGC系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)的研究和成果產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化起步相對(duì)較晚，但近十年來(lái)發(fā)展迅速，相繼有幾十家從事儲(chǔ)能飛輪關(guān)鍵技術(shù)研究工作的機(jī)構(gòu)，如清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、山東大學(xué)、海軍工程大學(xué)等[11]。國(guó)內(nèi)最早研究商用飛輪的企業(yè)是北京奇峰聚能科技有限公司，研制的15kWh（54MJ）/300kW碳纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)子、全主動(dòng)磁懸浮儲(chǔ)能飛輪，2014年應(yīng)用于中海油石油鉆機(jī)能量回收工程示范項(xiàng)目。

由于飛輪轉(zhuǎn)子超大承載力、本質(zhì)安全、高可靠、長(zhǎng)壽命軸承支承技術(shù)的限制，無(wú)論采用碳纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)子還是高強(qiáng)度合金鋼轉(zhuǎn)子，隨著單體儲(chǔ)電量的增大，轉(zhuǎn)子重量相應(yīng)地線性增大，在重力方向上如何實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的本質(zhì)安全穩(wěn)定支承，是研制單體超大儲(chǔ)能量飛輪的最大技術(shù)難題[12]。

隨著重型轉(zhuǎn)子和大功率電機(jī)的不斷進(jìn)步，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)功率可達(dá)到500kW以上，持續(xù)放電時(shí)間15min～60min，可應(yīng)用于新能源發(fā)電曲線優(yōu)化和火電AGC輔助調(diào)頻，是電力調(diào)頻系統(tǒng)的最佳方案之一，具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）安全性好。沒(méi)有燃燒和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，在工程應(yīng)用中將其放置于地下；

（2）環(huán)保性好。沒(méi)有危險(xiǎn)化學(xué)物的處理與回收問(wèn)題；

（3）壽命長(zhǎng)。具有長(zhǎng)達(dá)20年以上的使用壽命；

（4）深度充放電能力。幾乎可達(dá)到100%的充放電能力；

（5）充放電次數(shù)大。可以達(dá)到1000萬(wàn)次的充放電次數(shù)；

（6）調(diào)頻性能高。毫秒級(jí)達(dá)到精確的放電要求；

（7）寬溫域。運(yùn)行溫度范圍寬-40oC～+80oC，無(wú)需空氣調(diào)節(jié)；

（8）成本低。全生命周期運(yùn)行成本低；

（9）零衰減。額定充放電量無(wú)衰減；

（10）零維護(hù)。無(wú)需繁冗的系統(tǒng)維護(hù)；

（11）高精準(zhǔn)特性。可精準(zhǔn)測(cè)算電量。

4.結(jié)論

（1）儲(chǔ)能是智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分和關(guān)鍵支撐技術(shù)，對(duì)推動(dòng)電力體制改革，促進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的意義。

（2）飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種先進(jìn)的物理儲(chǔ)能裝置。與其他儲(chǔ)能方式相比，具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全無(wú)燃爆、充放電倍率大、使用溫度寬、接近零維護(hù)、能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)保無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在電力電網(wǎng)、軌道交通、新能源發(fā)電、數(shù)據(jù)中心、芯片制造、國(guó)防工程等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

（3）隨著重型轉(zhuǎn)子和大功率電機(jī)等技術(shù)的不斷突破，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)正朝著大功率、大電量方向發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)展。