环球短讯！飞轮储能的工作原理及技术现状

根据储能方式不同，储能技术主要分为三类：机械储能（如抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等）、电磁储能（如超导电磁储能、超级电容器储能等）、电化学储能（如铅酸电池、氧化还原液流电池、钠硫电池、锂离子电池等）。

【资料图】

飞轮储能技术是利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式储存起来，当能量紧急缺乏或需要时，飞轮减速运行，将存储的能量释放出来。

飞轮储能工作机制

飞轮储存的能量基于旋转质量原理。它是一种机械储存装置，通过电动/发电互逆式双向电机，实现电能与高速旋转飞轮的机械动能之间的相互转换与储存。

飞轮储能系统的输入能量通常来自电网或任何其他电能来源。飞轮与电机同轴连接，表明控制电机可以控制飞轮。

旋转的飞轮由电机驱动，实现电能与机械能的交换，反之亦然。飞轮在储存能量时由电机驱动飞轮加速，电能转换为动能；在释放能量时由飞轮驱动电机发电，飞轮减速，动能转换为电能。

飞轮内部构造图

相对优势

飞轮储能目前作为储能行业中的一种新型技术，在很多地方具备自己独特的优势，是目前最具发展前途的短时大功率储能技术之一，具体表现在：

1）储能密度高，瞬时功率大。在短时间内可以输出更大的能量，有利于电磁炮的发射和车辆的快速启动。

2）寿命周期长。在整个寿命周期内，不会因为过充电或过放电而影响储能密度和使用寿命，而且飞轮也不会受到损害。其寿命主要取决于飞轮电池中电子元器件的寿命，一般可长达20年左右。

3）容易测量放电深度和剩余“电量”。

4）充电时间短。一般几分钟内就可以将电量充满。

5）能量转换效率高。一般可达90%左右，这意味着有更多可利用的能量、更少的热耗散，高于化学电池的转换效率。

6）绿色环保，无污染。

飞轮储能系统的结构组成

飞轮储能系统由飞轮转子、电机、轴承、电力电子接口和外壳组成。

飞轮系统构成图

飞轮转子

飞轮中储存的能量由转子的形状和材料决定。能量与惯性矩及其角速度的平方成线性比例，因此可以通过提高转速或增加惯性矩来优化飞轮的存储能量。

这就为飞轮储能系统提供了两种选择：低速飞轮储能系统(通常高达10,000rpm)和高速飞轮储能系统(高达100,000rpm)。

低速飞轮通常由较重的金属材料制成，由机械轴承或磁轴承支承。高速飞轮一般使用较轻但较强的复合材料，通常需要磁轴承。高速飞轮的成本通常可高达低速飞轮成本的5倍。

电机

电动/发电互逆式双向电机与飞轮耦合，以实现飞轮的能量转换和充电过程。这台机器可为马达，通过加速飞轮并从电源中汲取电能来给飞轮储存动能。

飞轮上存储的能量由作为发电机的的同一电机提取，因此，飞轮在将动能转化为电能的过程中减速。飞轮储能系统中常用的电机有感应电机(IM)、永磁电机(PM)和可变磁阻电机(VRM)。

由于其坚固耐用、高扭矩和低成本，感应电机被用于高功率应用。速度限制、复杂的控制和更高的维护要求是感应电机的主要问题。

双馈感应电机（DFIM）由于其灵活的控制和较低的功率转换额定值，目前已在飞轮储能系统应用中使用，从而减少了电力电子设备的尺寸。

可变磁阻电机具有性能稳定、怠速损耗低、调速范围宽等特点。对于高速操作，可变磁阻电机的控制机制比感应电机更简单。它的缺点是功率因数低，功率密度低，扭矩波动大。开关磁阻和同步磁阻两种磁阻类型均适用于高速飞轮储能系统。

永磁电机具有较高的效率、较高的功率密度和较低的转子损耗，是飞轮储能系统最常用的电机。它被广泛应用于高速应用中。永磁电机的主要问题是定子涡流损耗导致的空转损耗、高价格和低抗拉强度。

无刷直流电动机(BLDCM)、永磁同步电机(PMSM)和哈尔巴赫阵列机(HAM)是飞轮储能系统应用中使用的主要永磁电机类型。

轴承

需要轴承以非常低的摩擦将转子保持在适当位置，同时为飞轮提供支撑机构。轴承系统可以是机械或磁性的，取决于重量、寿命和较低的损耗。

传统上使用机械球轴承，但与磁性轴承相比，机械球轴承具有更高的摩擦，并且由于润滑剂劣化，需要更高的维护成本。这些不足可以通过使用磁性和机械轴承的混合系统来缓解。磁性轴承没有摩擦损失，不需要任何润滑。

永久（被动）磁轴承（PMB）、主动磁轴承（AMB）和超导磁轴承（SMB）是磁轴承系统的主要类型。

PMB具有高刚度、低成本和低损耗。然而，PMB在提供稳定性方面存在局限性，通常被视为辅助轴承系统。

AMB是由控制转子位置的载流线圈产生的磁场驱动的。AMB成本高，控制系统复杂，运行时消耗能量，进而增加系统损耗。为了确保整个系统的良好效率，必须在速度和损耗之间进行折衷。

SMB提供高速、无摩擦、长寿命、紧凑和稳定的操作。它是高速运行的最佳磁性轴承，因为它可以在没有电力或定位系统的情况下稳定飞轮。

然而，SMB需要低温冷却系统，因为它在非常低的温度下工作；但近些年，通过使用高温超导体（HTS）对其进行了改进。SMB系统的主要缺点是成本非常高。

应用

飞轮储能技术最早应用于航天领域，作为卫星姿控、储能一体化使用，其关键技术也逐渐转化到民用领域。

飞轮储能因其功率密度高、效率高、寿命长和无污染的优势，目前广泛应用于大功率、响应快、高频次的场景，典型市场包括轨道交通、电网调频、UPS不间断电源等。

根据中国能源研究会储能专委会数据，截止至2021年底，全球飞轮储能在储能装机中占比仅0.22%，未来发展空间巨大。

市场现状

飞轮储能技术自20世纪中叶开始发展，至今已经有超过50年的研究、开发和应用历史。目前全球飞轮储能技术的研发力量主要集中在美国、欧洲和日本。

在飞轮技术基础应用研究、关键技术、制造工艺、产品产业化开发与市场运作等方面，美欧日都远远领先于其他国家，全球研发格局一度呈现出三足鼎立的局面。目前，随着其他国家对储能技术的重视和大力投入，多极化趋势日益明显。

美国：目前，美国在飞轮储能技术研究方面居于全球领先地位，这主要得益于DOE和NASA等机构从上世纪70年代以来的长期投入和近10多年资本市场的持续支持。

在商用飞轮市场，具有代表性的企业主要包括专注于电网级应用的BeaconPower公司、专注于企业级UPS应用的ActivePower公司、专注于大功率应用的AFSTrinityPower公司和专注于城市轻轨动能再生的Pentadyne公司(已重组)等。

欧洲：在众多欧洲国家中，德国和英国对飞轮储能技术的研究最为深入，另外法国、意大利等国也有较大的投入。

日本：日本在高强度碳纤维材料、高温超导材料等方面具有雄厚的技术实力，为飞轮储能技术的发展提供了有利条件。

各国飞轮储能开发商及其代表产品

中国：国内自20世纪80年代开始关注飞轮储能技术，目前，我国的飞轮储能在发电、石油钻井、导航等领域已取得了诸多实际应用示范的成功经验。

国内飞轮储能相关研究机构

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